Электролитические и оптические методы контроля РЭСИ» МИНСК, 2008 Электрография. Электролит состоит из бензидина, поверхностно-активного вещества и коллоида. Далее к ячейке прикладывают напряжение 5-10 В при 1 мкА и вы¬держивают 5-10 мин. При приложении к ячейке напряжения неокрашенный раствор солянокислого бензидина окисляется с образованием темно-синих продуктов. После проведения процесса электрографии на фильтрованной бу¬маге получается зеркальное
изображение сквозных дефектов в виде темных пятен, форма и размер которых точно соответствует дефектам в диэлектриче¬ской пленке. Процесс изображен на рисунке 1. Электрофорез. Электрофорез – движение заряженных частиц, находящихся в виде суспен¬зии в жидкости, в электрическом поле между двумя электродами на одном из которых происходит осаждение частиц. Процесс включает в себя: стадию заряда частиц, транспортирования в электрическом поле и осаждения.
Положительно заряженными частицами оказываются частицы гидроокисей металлов, органических красителей, отри¬цательно заряженными – частицы металлов, сульфидов и др. Ячейка для элек¬трофореза представлена на рис. 2. В качестве электролита используется ацетон или метиловый спирт. Расстояние между электродами 5 мм, время процесса 3 мин напряжение до 80В.
При малой толщине окисла <<0,02 мкм наблюдаются дефекты, локализо¬ванные непосредственно вблизи поверхности полупроводника (возможно, они возникли после механической полировки поверхности). До 0,04 мкм плот¬ность выявленных дефектов возрастает, а затем быстро падает (рис.3). Рисунок 1 – Принципиальная схема установки для электрохимической автогра¬фии 1 – анод; 2 – кремниевая подложка; 3 – диэлектрическая пленка; 4 – мембранная бумага; 5 – катод. Рисунок 2 – Испытательная ячейка для электрофореза 1 – исследуемая структура; 2 – электрододержатель; 3 – электролит; 4 – второй электрод (катод). Рисунок 3 – Зависимость плотности дефектов от толщины слоя SiO2 Этот характер кривой можно объяснить дополнительным выявлением сквозных дислокаций через тонкую пленку окисла. При более толстом слое окисла d = 0,04 мкм эффект сквозных дислокаций ослабевает, выявляются
только несквозные дефекты. При толщинах более 0,08 мкм выявляются де¬фекты, образованные в результате осаждения пленок. Как видно из рис. 4 плотность пор, выявленная методом электролиза (нижняя кривая), много меньше плотности дефектов, выявленных электрофорезным декорированием (верхняя кривая), в связи с тем, что электролиз не способен выявить "скры¬тые дефекты" и выявляет только сквозные поры. Электрофорез позволяет об¬наруживать следующие виды дефектов: сквозные и несквозные поры окисла, скопления
примесей вблизи поверхности. Декорирование с помощью коронного разряда. Этот метод является модификацией электрофорезного декорирования. На первом этапе процесса ионы коронного разряда осаждаются на поверхность образца и заряжают диэлектрические участки пленки. Этот заряд создает электрическое поле. Источником положительно заряженных ионов служит проволочная сетка, подсоединенная к высоковольтному
источнику постоян¬ного тока, обеспечивающему напряжение до ±10 кВ и ток до 6 мА. Сетка рас¬полагается в 2 см над пластиной. Рисунок 4 – Зависимость плотности дефектов от приложенного напряжения для методов 1 – электрофореза; 2 – электролиза. На втором этапе образец погружается в суспензию, состоящую из заряжен¬ных частиц. При совпадении знаков зарядов осаждаемых частиц и диэлектрической пленки осаждение частиц идет в местах дефектов – происходит прямое деко¬рирование, которое менее полезно, чем обратное, так как дефекты оказыва¬ются закрытыми осадком. При противоположных знаках зарядов частиц и диэлектрической пленки, частицы осаждаются всюду, кроме дефектов и окружающих их областей. Та¬кой процесс называется обратным декорированием. Недостатком метода явля¬ется необходимость работы с высокими напряжениями и необходимость тща¬тельной очистки поверхности пластины. Рисунок 5 – Схема процесса осаждения заряженных частиц на заряженную подложку
а) прямое декорирование; б) обратное декорирование Сравнительная оценка параметров электрохимических методов обнаруже¬ния дефектов в слоях двуокиси кремния представлена в таблице 1. Таблица 1 Сравнительные характеристики параметров электрохимических ме¬тодов контроля Название метода Чувствительность, мкм Разрешающая способность, мкм Электролиз (пузырьковый) 0,3 40-60 Электрография: а)
Цветные реакции 0,5 2-5 б) На фотобумаге 0,1 – 0,3 200 – 300 Электрофорез 0,1 – 0,3 10-30 Декорирование с помо¬щью коронного разряда 1 -5 Оптический контроль Оптические методы неразрушающего контроля основаны на анализе взаимо¬действия оптического излучения с объектом контроля. Методы оп¬тического контроля и области их применения приведены в ГОСТ 23479-79 и ГОСТ 24521-80. Спектр оптических излучений подразделяется по длине волны на три уча¬стка:
инфракрасное излучение (от 1 мм до 780 нм), видимое излучение (от 780 нм до 380 нм) и ультрафиолетовое излучение (от 380 нм до 10 нм). Разрешающая способность оптических методов: где А – коэффициент преломления среды (материала между наблюдаемым объектом и линзами); λ – длина волны. 2α – максимальный угол при вершине конуса лучей, попадающих в точку изображения на оптической оси; D – числовая апертура линз объектива; F – фокусное расстояние; D – диаметр апертуры (диафрагмы) (см. рис. 6). Для самых лучших современных объективов величина А, в случае воздуха, может достигать 0.95, а при заполнении пространства между объектом и объ¬ективом маслом эта величина может быть увеличена до 1,5. Разрешение самых лучших оптических микроскопов достигает 0,3 мкм. Оптическими методами можно контролировать качество кристаллов и оснований ИС, монтажа, свар¬ных и паяных соединений, плёнок и т. д.
Основные методы оптического кон¬троля приведены в таблице 2. Рассмотрим наиболее часто применяющиеся методы оптического контроля в технологии РЭСИ. Визуально-оптический контроль. Одними из наиболее распространённых приборов визуального контроля являются микроскопы – бинокулярный, стереоскопический и проекционный. Точность контроля объекта при работе с проекционным экраном несколько меньше, чем при наблюдении в
окуляр. Бинокулярные и проекционные микроскопы можно разделить на «эписко-пические», (для контроля в отражённых лучах) и диаскопические (для кон¬троля в проходящих лучах). Оптическая схема эпископического проектора представлена на рис. 7. Контроль осуществляется в светлом поле зрения. Основным недостатком яв¬ляется малая яркость и недостаточная контрастность изображений.
Диаскопические проекторы представляют собой либо просмотровую лупу создающую мнимое, прямое, увеличенное изображение, либо проекционное устройство, создающее действительное, обратное, увеличенное изображение. Различают линзовые и зеркальные диаскопы. Оптическая схема линзового диаскопа представлена на рис. 8. Рассматривание кадра осуществляется при освещении либо от специального источника света с искусственной подсвет¬кой, либо на каком-нибудь ярком фоне с естественной подсветкой. Оптиче¬ская схема зеркального диаскопа представлена на рис. 9. Интерферометрический контроль. Среди интерферометрических выделяют три характерных метода. Цветовой метод. Основан на свойстве тонких прозрачных плёнок, нане¬сённых на отражающую подложку, менять свой цвет в зависимости от толщи¬ны (явление интерференционных световых лучей, отражённых от границы раздела «плёнка — воздух» и «плёнка — подложка»). Цвета плёнок двуокиси кремния в зависимости от толщины
приведены в таблице 3. Рисунок 6 – Оптическая схема Рисунок 7 – Оптическая схема эпископического проектора Таблица 2 Оптические методы неразрушающего контроля и области их применения. Название метода Область при¬менения Контролируе¬мые параметры Чувст¬витель¬ность Отно-ситель ная по¬греш¬ность, %
Факторы, ограничиваю¬щие область применения 1. Визуальный Дефектоскопия, контроль размеров Дефектность, отклонение от заданной формы изделия 0,1 мм – Диапазон длин волн должен быть 0,38 – 0,76 мкм 2. Визуально – оптический Дефектоскопия с помощью микроскопов и проекционных устройств Размеры изделий, дефектов, отклонений от заданной формы 0,6
А 0,1-1,0 Минимальная яркость объекта контроля не менее 1 кд/м2 3. Фотометрический Контроль параметров осаждения тонких пленок Интенсивность излучений, отражаемых или пропускаемых контролируемыми структурами 0,6 А 5 – 4. Реф-лексомет-рический Контроль шероховатости поверхности изделий Коэффициент отражения 0,6 А 1,0 – 5. Денси-тометри-ческий
Контроль оптической плотности прозрачных пленок Коэффициент пропускания, оптическая плотность А 1,0 Применим для нерассеи-вающих прозрачных сред 6. Нефе-лометри-ческий Анализ структуры кристаллов Коэффициент рассеивания, концентрация включений 0,6 А 1,0 – 7. Реф¬ракцион¬ный Контроль оп¬тических сред Показатель преломления 0,6 А 0,01 Применим для оптиче¬ски прозрач¬ных сред 8. Интер-феромет-рический Контроль тол¬щины, шеро¬ховатости и размеров из¬делий Толщина, раз¬меры изделий 0,1 0,1 Поверхность изделий должна быть отполирован¬ной 9. Ди¬фракци¬онный Контроль размеров тон¬ких волокон, формы острых кромок, от¬верстий Диаметры во¬локон, разме¬ры дефектов, острых кромок 0,1 1,0 Размеры де¬фектов долж¬ны быть сравнимы с длиной волны света 10.
Спек¬тральный Контроль спектральных характеристик изделий в проходящем и отраженном свете Спектральные коэффициен¬ты отражения, поглощения, пропускания, концентрация вещества 10-4 1,0 – 11. Поля¬ризаци¬онный Контроль на¬пряжений в прозрачных средах, анализ степени поля¬ризации ис¬точников све¬та, эллипсо-метрическая толщиномет-рия (одновре¬менно кон¬троль толщи¬ны и показа¬теля прелом¬ления) Вращение плоскости по¬ляризации, толщина и показатель преломления 1,0
Применим только для оптически прозрачных сред