 |
Вакуумный держатель для маленьких изделий
|
|
|
|
Использует запатентованную компанией Sonoscan технологию, которая позволяет крепить маленькие детали FACTS2TM проводит автоматическую инспекцию до 10 000 интегральных схем/час. Инспекция до 35 JEDEC лотков с ИС в одной партии или инспекция лотков по частям, как процесс, включённый в общий технологический маршрут.
FACTS2TM также позволяет сканировать многослойную керамику, flip chip («перевёрнутые» кристаллы), многослойные структуры в корпусах и другие компоненты.
Оборудованный сенсором транспортёр, и направляющий рельс отправляют каждый лоток в сканирующую камеру.
После инспекции лотки сушатся и укладываются в стопу или направляются на следующий технологический этап. Система FACTS2TM обеспечивает точное определение скрытых внутренних дефектов, включая пустоты, деламинацию, трещины. Результаты сканирования отображаются в виде микроакустических изображений и сводных таблиц с данными. В зависимости от стандартов качества некритичные микродефекты могут сортироваться по разным категориям.
Области применения:
Ультразвуковой контроль
3.5. Эллипсометрические методы контроля тонкопленочных структур с субнанометровым разрешением
Физические принципы метода. Эллипсометрическая аппаратура. Применение эллипсометрии в научных исследованиях и в технологиях.
Современные тенденции в развитии тонкопленочных технологий и полупроводниковой индустрии неизбежно ведут к уменьшению характерных размеров создаваемых структур [1]. Это предъявляет повышенные требования к аналитическим средствам контроля параметров слоистых структур в процессе их производства: состава слоев, кристаллического совершенства материалов и в первую очередь их геометрических характеристик – толщин слоев. Существует обширный арсенал методов такого контроля: оже-спектроскопия, дифракция медленных и быстрых электронов, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, атомно-силовая микроскопия и другие. Особое место в этом ряду занимает эллипсометрия (например, [2, 3]). Это оптический метод, основанный на анализе состояния поляризации отраженного от образца света. Он используется для исследования физико-химических свойств поверхности, ее морфологии, для измерения толщин многослойных структур и характеризации оптических свойств тонких пленок. Ряд существенных достоинств этого метода делают его крайне привлекательным. Перечислим только некоторые из них:
|
|
|
Прежде всего это его универсальность. Оптические константы (показатели преломления n и поглощения k), которые, в конечном счете, и определяют результат эллипсометрических измерений, есть фундаментальные характеристики вещества. Любое внешнее воздействие приводит, как правило, к изменению оптических свойств измеряемого объекта. Поэтому с помощью метода эллипсометрии можно характеризовать широкий спектр физических параметров: состав композиционных соединений, плотность инородных нановключений, структурное совершенство материала, качество границ раздела; регистрировать изменения, обусловленные изменением температуры или воздействием электрических, магнитных, механических полей и многое другое. При этом, в отличие, например, от дифракции электронов, эллипсометрия одинаково хорошо применима как к кристаллическим веществам, так и к аморфным. Можно еще добавить, что эллипсометрические измерения имеют высокую чувствительность: к изменению показателя преломления она составляет ~1·10-3, а к изменению толщины пленки достигает долей монослоя. При оптимизации условий эксперимента приведенные здесь значения могут быть улучшены на порядок.
|
|
|
Еще одно важное свойство метода – это неразрушающее и невозмущающее воздействие измерений. Энергия зондирующих фотонов составляет всего несколько электрон-вольт. Их воздействие на исследуемую структуру пренебрежимо мало по сравнению, например, с электронным пучком, где энергия электронов на 3-4 порядка выше. Это делает возможным использование эллипсометрии для таких деликатных химических соединений, как белки, и даже для живых объектов в микробиологии. Глубина проникновения света зависит от поглощения материала и составляет, как правило, около сотни нанометров. Именно с такой глубины «считывается» вся полезная информация о структуре. Поэтому нет необходимости проводить послойное удаление материала, тем самым разрушая образец, чтобы измерить параметры глубинных слоев или делать его профилирование. Нужно только правильно расшифровать полученную информацию.
Как правило, использование тех или иных измерительных средств накладывает определенные ограничения как на исследуемые образцы, так и на условия, при которых проходят измерения (например, зачастую измерения проводятся в вакууме). Многие методы предполагают препарирование образцов перед измерениями. Иногда эти требования вступают в противоречие с технологическими условиями. В этом отношении эллипсометрия выглядит более чем непритязательной. Свет одинаково хорошо распространяется как в вакууме, так и в воздухе или в любой прозрачной среде, даже если эта среда агрессивная. Исследуемый образец не нужно специально готовить к измерениям.
Тем самым проявляется еще одно качество этого метода – экспрессность. Весь цикл измерений, включая размещение образца на предметном столике, занимает считанные секунды. Слабые требования к условиям измерения, а также бесконтактность и высокое быстродействие делают метод очень технологичным и позволяют использовать его для контроля непосредственно в процессе создания структур или при изучении различного рода физических воздействий в реальном времени, т.е. in situ.
Возникновение метода эллипсометрии восходит к работам Пауля Друде конца XIX века [4-6], где были сформулированы основные принципы эллипсометрии и отражение поляризованного света использовалось для измерения оптических констант металлов. Вплоть до середины прошлого столетия метод оставался мало востребованным. Толчок в его развитии был связан с потребностями интенсивно развивающейся в то время полупроводниковой микроэлектроники. Потребовался простой, доступный и надежный метод для прецизионного контроля толщины диэлектрических слоев полупроводниковых структур, и эллипсометрия как нельзя лучше удовлетворяла всем этим требованиям. Более того, оказалось, что возможности, заложенные в физических принципах метода, гораздо шире и позволяют не только измерять толщины слоев, но и характеризовать их физико-химические свойства, а также исследовать достаточно тонкие процессы на поверхности.
|
|
|
С этого началось интенсивное развитие эллипсометрии. Оно было обусловлено еще двумя обстоятельствами: появлением источников направленного монохроматического излучения – лазеров и широким распространением быстродействующей вычислительной техники. Последнее обстоятельство позволило облегчить процедуру интерпретации измерений, существенно расширить рамки модельных представлений при описании исследуемых структур и тем самым перейти к изучению более сложных объектов. Развитие метода шло по нескольким взаимосвязанным направлениям. Прежде всего, это разработка его аппаратурного обеспечения: создание эллипсометров широкого спектрального диапазона, быстродействующих лазерных эллипсометров, а также специализированных приборов с узко функциональными возможностями.
Параллельно этому шло развитие методических основ, разработка моделей для интерпретации эллипсометрических измерений, создание алгоритмов и методов численного решения эллипсометрических задач. Это, в свою очередь, привело к распространению метода эллипсометрии из микроэлектроники в другие области знаний: физику твердого тела, физику поверхности, материаловедение, технологию оптических покрытий, химию полимеров и электрохимию, биологию, медицину и др.
|
|
|
Основные принципы метода
Суть метода поясняется на рис. 3.21
Рис.3.21Схема, поясняющая принцип эллипсометрических измерений. Падающий линейно поляризованный свет после отражения от образца становится эллиптически поляризованным
На исследуемый образец падает плоско поляризованная волна, которая после отражения становится в общем случае эллиптически поляризованной. Параметры эллипса поляризации, т.е. ориентация его осей и эксцентриситет, определяются оптическими свойствами отражающей структуры и углом падения света. В эксперименте измеряется отношение комплексных коэффициентов отражения для двух типов поляризации световой волны: в плоскости падения (p) и перпендикулярно к ней (s). Это отношение принято выражать через эллипсометрические параметры Δ и ψ, которые характеризуют относительное изменение амплитуд для p- и s-поляризаций и сдвиг фаз между ними:
(3.1)
Эллипсометрические измерения оказываются более информативными, чем фотометрические, так как одновременно измеряются сразу две величины: амплитудный параметр ψ и фазовый – Δ. Поэтому из уравнения (3.1) можно определить любые два параметра модели, описывающей коэффициенты отражения Rp и Rs.
Последние зависят от оптических свойств исследуемой структуры, а также от угла падения света и длины волны. Если количество параметров, подлежащих определению, больше двух, то можно провести измерения при нескольких углах падения света (многоугловая эллипсометрия) или при сканировании длины волны света (спектральная эллипсометрия) и тем самым увеличить число уравнений.
Эллипсометрический эксперимент предполагает последовательное выполнение следующих шагов:
– проведение необходимого количества измерений (определение левой части уравнений вида (1));
– выбор адекватной оптической модели, описывающей отражающие свойства исследуемого образца
(моделирование правой части уравнения (3.1));
– численное решение системы уравнений и определение искомых параметров модели;
– интерпретация полученных численных результатов на языке физических характеристик исследуемого объекта.
Существующие на сегодняшний день модели позволяют рассчитать коэффициенты отражения многослойных и неоднородных по толщине структур, гетерогенных слоев, состоящих из смеси нескольких компонентов, описать отражение от шероховатых поверхностей и островковых пленок. В результате такого комплексного подхода удается проводить неразрушающий оперативный контроль достаточно сложных слоистых наноструктур.
ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА
Существует большое разнообразие оптических схем эллипсометров – приборов для измерения эллипсометрических параметров [2, 3, 7-10]. В основе всех этих измерений лежит преобразование поляризации света оптическими линейными элементами – поляризационными призмами и фазосдвигающими устройствами.
|
|
|
Суть измерений можно пояснить с помощью схемы на рис. 3.22.
Рис.3.22 Схема эллипсометрических измерений. Р – поляризатор,
S – отражающая поверхность, С – компенсатор (фазосдвигающий
элемент), А – анализатор
Монохроматический пучок света, излучаемый источником, проходит через поляризационную призму (поляризатор Р) и приобретает линейную поляризацию.
После отражения от исследуемой поверхности S поляризация света становится эллиптической. Параметры этого эллипса анализируются с помощью фазосдвигающей пластинки (компенсатора С) и второй поляризационной призмы (анализатора А). При некоторых азимутальных положениях оптических элементов световой пучок полностью гасится, и фотоприемник регистрирует нулевой сигнал. Определяя экспериментально эти положения, измеряют эллипсометрические параметры.
Это принцип работы нулевого эллипсометра. Можно зафиксировать два из этих элементов, а третий вращать с постоянной угловой скоростью (например, анализатор). Амплитуды Фурье-компонент сигнала, снимаемого с фотоприемника, также позволяют рассчитать эллипсометрические параметры Δ и ψ. Это принцип работы фотометрического эллипсометра. Можно разделить световой пучок, отраженный от образца, на отдельные поляризованные компоненты и измерять интенсивность каждой из них. Тогда вообще не потребуется азимутального вращения элементов, и можно добиться высокого быстродействия. Это – статическая фотометрическая схема измерений.
По функциональным возможностям коммерчески доступные эллипсометры можно условно разделить на несколько классов. Прежде всего, это спектральные эллипсометры, позволяющие проводить измерения в оптическом диапазоне от ближнего ИК вплоть до вакуумного ультрафиолета. Основная область применения таких приборов – научные исследования.
Это, прежде всего, измерение спектров оптических постоянных и спектральных характеристик различных материалов [11- 19], анализ неоднородных и слоистых структур [20-22], характеризация сверхчистой поверхности [23, 24]. Как правило, работа со спектральными эллипсометрами предполагает высокую квалификацию пользователя как в области проводимых исследований, так и в части интерпретации результатов эллипсометрического эксперимента.
Другой класс аппаратуры – лазерные быстродействующие эллипсометры. Эти приборы используются не только в научных исследованиях, но и в высокотехнологичном производстве в качестве инструмента контроля [25]. Простота в эксплуатации позволяет работать на них персоналу средней квалификации. Иногда такие эллипсометры, встроенные в технологическую линейку, используются как индикаторы, сигнализирующие об отклонении технологического процесса и позволяющие отбраковывать некондиционную продукцию.
Высокое быстродействие лазерных эллипсометров находит широкое применение также при исследовании кинетики быстропротекающих процессов [26, 27].
Для проведения локальных измерений на поверхности и исследования микрообъектов изготавливается аппаратура, с размером зондирующего пятна несколько микрон. В автоматическом режиме за короткое время с помощью такого прибора можно сделать картирование физических характеристик по поверхности исследуемого образца.
В ИФП СО РАН эллипсометрическая тематика начала развиваться с 1967 г. В течение многих лет Институт регулярно проводил всесоюзные конференции по эллипсометрии, труды которых выходили в издательстве «Наука» [28-31]. За 40-летний период были достигнуты значительные успехи в решении ряда методических проблем в области практического применения эллипсометрии для исследования полупроводниковых структур и для технологического контроля.
В течение всего этого периода велись работы по созданию образцов эллипсометрической аппаратуры, удовлетворяющих широким потребностям научного эксперимента и промышленного контроля. На сегодняшний день в ИФП разработаны и выпускаются эллипсометры всех перечисленных выше классов [32-35]. В основе этих приборов лежит оригинальная статическая оптическая схема [36, 37]. Главные ее достоинства – отсутствие вращающихся элементов и модуляторов, высокое быстродействие и высокая чувствительность.
Спектральный эллипсометр, выпускаемый уже несколько лет и постоянно совершенствуемый, представлен на рис. 3.23.
Эллипсометр позволяет проводить измерения в спектральном диапазоне от 250 до 1000 нм за несколько секунд. Для этой цели специально был разработан быстродействующий монохроматор, обеспечивающий развертку спектра в этом диапазоне за 2 сек. Минимальный шаг сканирования составляет 0.5 нм. В качестве источника света в эллипсометре используется высокостабильная ксеноновая или галогенная лампа. Источник света с монохроматором располагается поблизости от эллипсометра, а свет в плечо поляризатора заводится через кварцевое оптоволокно.
Рис.3.23 Внешний вид спектрального эллипсометра: он состоит из блока осветителя и измерительного блока, соединенных оптоволокном.
Эллипсометр снабжен предметным столиком, позволяющим перемещать образец по двум горизонтальным координатам в диапазоне 0-25 мм и в вертикальной плоскости, а также регулировать его наклон. Гониометр с механизмом подъема плеч позволяет менять угол падения света на образец для выбора наиболее оптимальных условий измерения. Еще одно удобство этого прибора – USB интерфейс, через который он взаимодействует с компьютером. Это обеспечивает высокую надежность, удобство и универсальность.
Современный эллипсометр немыслим без развитого программного обеспечения. Данный прибор снабжен компьютерной программой, работающей в среде Windows XP. Программа позволяет реализовать различные режимы измерения, проводить анализ и моделирование измеренных данных, а именно, вычислять толщины пленочных структур, определять дисперсионные зависимости оптических констант новых материалов по формулам Коши, Селмейера, ФорохиБлумера [38]; рассчитывать состав композиционных материалов по модели эффективной среды Бругемана, Максвелла-Гарнета, Лоренц-Лоренца [39]; определять градиент распределения свойств материала по толщине. Программа также включает обширную базу данных по оптическим константам современных материалов.
Лазерный эллипсометр имеет похожий внешний вид, но без блока осветителя. В качестве источника света в нем используется He Ne лазер, который смонтирован прямо на плече поляризатора. Газовый лазер дает стабильное узконаправленное монохроматическое излучение высокой мощности с высоким отношением сигнал/шум. Это, в свою очередь, обеспечивает высокую точность измерения за очень малое время. Поскольку в данном эллипсометре используется та же статическая фотометрическая схема без вращающихся элементов и модуляции сигнала, то время измерения определяется только временем накопления и оцифровки сигналов для достижения требуемой точности. Минимальное время измерения в приборе – 40 микросекунд, а оптимальное время, при котором достигается чувствительность измерений поляризационных углов на уровне 0.003°, составляет 1 миллисекунду. Такие характеристики обеспечивают измерения толщин и оптических параметров пленочных структур с высокой точностью в реальном времени, позволяют исследовать высокоскоростные кинетические процессы адсорбции/десорбции, нагрева и т.п. Для этих целей модифицированная версия как спектрального, так и лазерного эллипсометров может быть установлена на технологические или исследовательские вакуумные камеры для проведения in situ измерений.
Для проведения микроизмерений в ИФП СО РАН разработан лазерный сканирующий эллипсометр высокого пространственного разрешения МИКРОСКАН.
Рис. 3.24 Анализирующий блок эллипсометра, смонтированный
на высоковакуумной установке эпитаксии фоточувствительных слоев
кадмий-ртуть-теллур
Рис. 3.25 Сканирующий лазерный эллипсометр МИКРОСКАН позволяет проводить локальные измерения и осуществлять картирование свойств поверхности по площади образца
Он снабжен микрооптикой для фокусировки лазерного пучка в пятно размером 10 мкм, 20х микроскопом/ автоколлиматором для визуальной настройки образца и двухкоординатным сканирующим столиком для перемещения образца в процессе измерений по двум координатам в пределах 0-150 мм. Измерения проводятся в автоматическом режиме в процессе сканирования исследуемой поверхности, и их результаты отображаются в реальном времени в виде топограммы измеряемой характеристики или в виде трехмерного ее изображения.
В МИКРОСКАНЕ также проявились достоинства статической схемы. Сканирующие измерения проводятся в режиме «нон-стоп», т.е. сигналы читаются непрерывно с интервалом 1 миллисекунда в процессе движения столика и согласовываются с текущей координатой. Это открывает широкие возможности для создания промышленных эллипсометрических установок для быстрого картирования шайб размером 200 и 300 мм.
|
|
|
