Низкотемпературный криостат с автоматическим устройством смены образцов на 6 позиций Спектры поглощения кремниевой подложки (CZ) при комнатной температуре Поглощение мелких примесей в дальней ИК области кремниевого образца толщиной 4 мм при Т=5К Измерение

Введение

Ультратонкие слои на кремниевых подложках имеют важное значение для техники и исследований. Например, кристаллические кремниевые фотогальванические элементы часто покрывают слоями SiN для пассивирования и просветления. Кроме того, изделия на основе кремния, такие как интегральные схемы, часто покрывают сверхтонкими защитными слоями. Особый интерес представляет разработка диэлектрических слоев со сверхнизкой диэлектрической константой.

И наконец, наблюдается высокая активность в области теоретических исследований ультратонких слоев на кремниевой подложке, таких как самоорганизующиеся монослои.

ИК-Фурье-спектроскопия

Проблематика В приведенных выше примерах толщина слоя, как правило, находится в диапазоне от нанометра (или даже меньше) до нескольких нанометров. Как известно, Фурье-ИК-спектроскопия является ценным инструментом для анализа таких слоев, но из-за малой толщины традиционные подходы недостаточно чувствительны, что влечет за собой и другие недостатки (см. рис. 1).

Пропускание (ультратонкий слой):

  • Только один проход через слой – низкая чувствительность
  • Многочисленные внутренние отражения – возможные помехи могут скрывать информацию

Отражение:

  • Низкая чувствительность
  • Опасность помех
  • В зависимости от α: сложно интерпретировать форму полосы

НПО с однократным отражением:

  • Низкая чувствительность
  • Область измерения подвергается давлению – возможно повреждение или загрязнение

НПО с многократным отражением:

  • Жесткий образец – практически невозможно приложить равномерное давление к большой площади

Рис. 1: Недостатки традиционных методов Фурье-ИК-спектроскопии при анализе сверхтонких слоев на кремниевой подложке

Требования к образцу и измерениям

Из-за требований к производительности и стабильности кремниевая подложка должна быть монокристаллической с двухсторонней полировкой и иметь толщину не менее ~ 400-500 мкм. Для фонового измерения требуется (желательно) чистая монокристаллическая подложка (например, из кремния зонной плавки) такой же толщины и с такими же свойствами поверхности, что и исследуемый образец. Из-за неизбежно небольшого размера пятна (~ 1,5 мм), рекомендуется использовать охлаждаемый жидким азотом приемник из ртутно-кадмиевого теллурида или антимонида индия.

Результаты спектроскопии НПО на кремниевой подложке

  • НПО на кремниевой подложке, L=15 мм
  • НПО на подложке из германия (60˚)
  • Пропускание
  • Из-за сильного поглощения Si: НПО на подложке из германия не дает достоверный результат (условия НПО не выполнены)
  • Дифф. поглощение
  • Волновое число, см-1
  • Сравнение интенсивности поглощения:
  • Ср. отн. интенсивности поглощения при различных методах:
  • НПО на кремниевой подложке : НПО на подложке из германия : Пропускание ~35: 4: 1 (SiH и NH)
  • Сравнение отн. сигнал-шум при различных параметрах измерения:
  • НПО на кремниевой подложке: НПО на подложке из германия : Пропускание ~7: 2.5: 1 (NH)
  • Даже если параметры пропускания и НПО на подложке из германия оптимизированы, НПО на кремниеврй подложке, как правило, имеет более высокую чувствительность
  • НПО на кремниевой подложке
  • НПО на подложке из германия
  • Пропускание
  • Норм. поглощение NH: VERTEX70, MCT, APT=1 мм, RES=4 см-1, ~90 с

Рис. 4: Плазменный слой SiN толщиной 13 нм, исследованный методом спектроскопии пропускания, спектроскопии НПО на подложке из германия и на кремниевой подложке. Нормализованное поглощение NH подчеркивает преимущества спектроскопии НПО на кремниевой подложке.

 

Прибор для спектроскопии НПО на кремниевой подложке 

  • Двойная кремниевая призма
  • Кремниевая подложка
  • Ультратонкий слой
  • Прижимные штифты

Рис. 2: (а) Принцип действия спектроскопии НПО на кремниевой подложке (b) Прибор для спектроскопии НПО на кремниевой подложке, передние грани двойной призмы Si (с) Прибор для спектроскопии НПО на кремниевой подложке, маховичок для загрузки образца 

В сотрудничестве с CEA/Leti (Гренобль, Франция) был разработан прибор для спектроскопии НПО на кремниевой подложке по методу MIRS (спектроскопия с многократным внутренним отражением [1]). ИК излучение направляется в подложку двойной призмой Si, тогда как сама исследуемая область не подвергается механическому давлению (рис. 2(а), 2(b)). Помимо оптического пропускания, также повышено удобство работы с прибором спектроскопии НПО на кремниевой подложке: образцы загружаются с помощью удобного маховичка без необходимости использования каких-либо инструментов (рис. 2(с)).

Из-за большого числа внутренних отражений поглощение сверхтонкого слоя многократно усиливается (рис. 3, верх). В доступном диапазоне спектра, определяемом фононным поглощением Si (рис. 3, низ), анализ сверхтонкого слоя может быть выполнен с высокой чувствительностью.

  • Число отражений Rn
  • Толщина подложки, мм
  • При высоком значении Rn:
  • Rn и поглощение α L
  • Rn и поглощение α 1/d
  • Применимо к абс. интенсивности, необязательно S/N.
  • Поглощение
  • Волновое число, см-1
  • Расчетн. Si abs. траектории 30 мм
  • ~1 ед. = 10% пропускания
  • Прим. <1500 см-1 недоступно
  • Из-за фононного поглощения кремния: MIRS ограничивается прим. >1500 см-1

Рис. 3, верх: Число внутренних отражений в односторонней подложке с покрытием в зависимости от толщины подложки и длины призмы. Низ: доступный спектральный диапазон.

  • Монослой на Si - спектроскопия НПО на кремниевой подложке и спектроскопия пропускания (ИК-Фурье-спектрометр VERTEX80)
  • НПО на кремниевой подложке, L=15 мм
  • Поглощение по данным оптим. спектроскопии пропускания, умнож. на 50
  • Дифф. поглощение
  • НПО на кремниевой подложке вновь показывает лучший результат
  • Примечание: эталон должен быть очищен непосредственно перед измерением (напр., раствором пиранья)
  • Монослой октадецилтрихлоросилана на двустороннем кремнии с покрытием C18H37SiCl3 (C18)
  • Образец из Института функциональных сопряжений, Технологический институт Карлсруэ (KIT)

Рис. 5: Анализ самоорганизующегося монослоя с помощью спектроскопии НПО на кремниевой подложке в сравнении со спектроскопией пропускания при оптимизированных параметрах (например, размер пятна)

Список использованной литературы

[1] Nevine Rochat et al., Appl. Phys.Lett., vol. 77 no. 14, 2000.