ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, < 8, с. 5-10
УДК 531.7
ОПТИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКОЙ ГАЗОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ
© 2008 г. П. В. Волков, А. В. Горюнов, В. М. Данильцев, А. Ю. Лукьянов, Д. А. Пряхин, А. Д. Тертышник, О. И. Хрыкин, В. И. Шашкин
Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород, Россия Поступила в редакцию 28.08.2007 г.
Впервые продемонстрированы возможности низкокогерентной тандемной интерферометрии для оптического мониторинга температуры полупроводниковой подложки и толщины наращиваемого слоя в условиях металлоорганической газофазной эпитаксии. Абсолютная точность измерений температуры подложек Si, GaAs и сапфира в условиях металлоорганической газофазной эпитаксии ограничена точностью калибровки и составляет ±1°С. Погрешность измерения толщины наращиваемого слоя - 2 нм. Обнаружены значительные (10-100°С) расхождения показаний термопары, закрепленной внутри графитового подложкодержателя, и температуры подложки. Выявлены значительные градиенты температуры вдоль подложкодержателя, зависящие от расхода газа-носителя и других факторов. Показано, что в связи с высокой эффективностью нагрева сапфировых подложек отсутствует необходимость нанесения поглощающих слоев на их обратную сторону при нагреве до 300°С или при наличии водорода под давлением >100 мбар.
ВВЕДЕНИЕ
Современный уровень развития технологий, применяемых при изготовлении микро- и наноструктур и устройств на их основе, непрерывно возрастающие требования к воспроизводимости технологических процессов и выходу годной продукции требуют обязательного присутствия систем контроля in situ за наиболее важными технологическими параметрами. Для большинства процессов тонкопленочной технологии, включая нанесение пленок, отжиг и травление полученных пленочных структур, такими параметрами являются температура подложки и скорость роста или травления. В настоящее время в большинстве случаев температура подложек контролируется с помощью термопар и пирометров. Однако точность таких измерений невелика. В первом случае из-за отсутствия хорошего, воспроизводимого теплового контакта, особенно в условиях вакуума. Во втором - из-за неопределенности источника принимаемого излучения, из-за различий в оптических свойствах измеряемых объектов, которые могут сильно изменяться во время технологического процесса. Температуру полупроводниковых слоев можно также регистрировать, измеряя ширину запрещенной зоны полупроводника [1], зависящую от температуры.
Первые попытки применить оптический мониторинг для контроля in situ эпитаксиального
роста полупроводников были предприняты почти 20 лет назад [2, 3]. И в настоящее время оптически регистрируются изменения анизотропии поверхности при послойном эпитаксиальном росте [4, 5], изменения коэффициента отражения, возникающие в результате интерференции зондирующего луча света внутри подложки [6-8] или растущей пленки [9]. В последнем случае часто используется широкополосный источник света с последующим спектральным анализом [10]. Тем не менее, точное определение температуры и скорости эпитаксиального роста полупроводников в процессах молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ, МВЕ) и металлоорганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ, МОУРЕ) до сих пор является достаточно сложной проблемой, поскольку это необходимо делать одновременно.
В этой связи наиболее перспективным, на наш взгляд, является новый тип аппаратуры. В нем используются принцип низкокогерентной тандемной интерферометрии [11, 12], при котором зондирующий луч света последовательно проходит через исследуемый образец (первый интерферометр) и оптический коррелометр (второй интерферометр), оптическая разность хода которого может перестраиваться с высокой точностью. К преимуществам этого варианта следует отнести высокую постоянную чувствительность во всем диапазоне измеряемых оптических толщин, вклю-
А
М 1 М I -^ I М 2 М
4-V I I ^
Ь
Л А
Ь
с_N
IX Тл
ББ ББ \ / ББ ББ Б
О
Рис. 1. Принципиальная схема низкокогерентного тандемного интерферометра: БЬЭ - низкокогерентный источник; Б - соединяющее оптическое волокно; РЭ - фотоприемник; Ь-2 - оптическая разность хода первого и второго интерферометров, соответственно; ББ - делители света; М - зеркала.
чая начальный этап роста пленки, возможность абсолютных измерений и универсальность, поскольку измерять можно и толщину, и температуру и использовать при этом практически любые подложки. Данная работа посвящена адаптации и применению указанного типа аппаратуры для мониторинга т температуры и толщины структуры, растущей в условиях МОГФЭ на подложках из ваЛ8, и сапфира.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Принцип работы низкокогерентного тандемного интерферометра. Принципиальная схема низкокогерентного тандемного интерферометра изображена на рис. 1. Устройство содержит низкокогерентный источник света и пару интерферометров (линий задержки), оптически связанных через оптическое волокно. Если разности хода волн обоих интерферометров больше длины когерентности источника света, ни один из них в отдельности не производит интерференционного сигнала. Однако в результате последовательного прохождения низкокогерентного света через обе линии задержки интерференция будет наблюдаться, если оптические разности хода Ь1 и Ь2 совпадут. Это происходит следующим образом. Первый интерферометр делит импульс когерентности на два неперекрывающихся импульса с задержкой между ними Ь1. Во втором интерферометре каждый из двух импульсов на входе делится еще на два. В результате на выходе второго интерферометра получаем четыре импульса. При условии
М = \Ь2- Ь1 < Ьког,
где Ьког - длина когерентности источника, два из четырех импульсов будут перекрываться и интерферировать.
Таким образом, подстраивая длину одной из линий задержки (опорной) под положение максимума интерференционной картины на выходе устройства, можно определить оптическую тол-
щину другой линии задержки (измеряемого объекта) и зафиксировать ее изменения, возникающие при росте или травлении исходного образца, а также при изменении температуры. При этом абсолютные точности измерения оптической толщины ограничиваются точностью отсчетного устройства, используемого для определения разности хода, возникающей в опорной линии задержки, а чувствительность к малым изменениям - его стабильностью.
Указанный принцип был использован нами при создании системы оперативного технологического контроля толщины флоат-стекла на горячих стадиях его производства [13, 14]. К настоящему времени на предприятиях России и ближнего зарубежья установлены и успешно эксплуатируются несколько образцов разработанной системы.
Калибровка. Первой задачей, которая должна быть решена на пути к измерению абсолютной температуры подложки, является получение калибровочной зависимости изменения оптической толщины подложки В от температуры в рабочем диапазоне температур:
в (т) = п (Т) а (Т) = Во (1+ / (т)),
где п - показатель преломления, а - геометрическая толщина, В0 - оптическая толщина при некоторой исходной температуре Т0.
Здесь следует отметить, что в низкокогерентных схемах при изменении температуры образца изменяются две характеристики интерференционного сигнала: положение максимума огибающей и фаза заполнения. Изменение первой характеристики обусловлено изменением группового показателя преломления п^, а второй - фазового показателя преломления прЪ. Наличие дисперсии показателя преломления приводит к тому, что зависимости п§(Т) и прИ(Т) различаются. Для контроля малых изменений оптической толщины предпочтительней пользоваться фазовыми измерениями как существенно более точными. Однако при больших изменениях температуры фазовые измерения оказываются неудобными. Это связано с тем, что фаза определяется с точностью до 2пИ, где N - номер интерференционной полосы, поэтому при неконтролируемом перескоке с одной полосы на другую информация будет потеряна. Кроме того, долговременная стабильность фазы зондирующего света может оказаться недостаточной, поскольку фаза зависит от длины волны суперлюминесцентного диода (СЛД) и может изменяться во времени под воздействием различных внешних факторов (температура, ток накачки, старение структуры самого СЛД и др.). Поэтому калибровку имеет смысл проводить именно для группового показателя преломления.
f(T) х 103 40 35 30 25 20 15 10 5
■ GaAs
■ Si AI2O3
H2
ОО ОООООООО
300 500 700 900 1100 1300
т, к
Рис. 2. Зависимость увеличения оптической толщины различных материалов от температуры /(Г). Точками обозначены экспериментальные данные, линиями -соответствующие аппроксимации.
Для определения калибровочной зависимости /(Г) = (О - О0)/О0 подложка помещалась внутрь термостата, представляющего собой массивную медную печку с резистивным нагревом. Температура печки контролировалась термопарой, закрепленной внутри печки вблизи образца, и поддерживалась с помощью системы обратной связи с точностью ±1 К. Ввод и вывод зондирующего излучения осуществлялся через небольшое кварцевое окно, диаметр пятна зондирующего света на подложке не превышал 50 мкм. Экспериментальная зависимость /(Г) (рис. 2) была получена для подложек КДБ-15 толщиной 379 мкм и КЭФ-4.5 толщиной 388 мкм, подложки полуизолирующего ваАв толщиной 443 мкм и отполированной с двух сторон сапфировой подложки толщиной 422 мкм, вырезанной перпендикулярно оптической оси (оси с).
Из экспериментальных данных следует, что с точностью ±1 К, которую определяет система поддержания температуры, степень легирования подложек не влияет на температурную зависимость их оптической толщины в исследованном диапазоне температур. Температурная зависимость оптической толщины для в диапазоне температур 300-800 К на длине волны 1550 нм описывается формулой:
/а(7) = 3.486 х 10-8!2 + 4.455 х 10-5Г - 1.65 х 10-2, Г0 = 300 к.
С указанной точностью (±1 К) температурная зависимость оптической толщины для ваАв в диапазоне температур 300-600 К на длине волны 1310 нм описывается формулой:
/оад8(Г) = 6.369 х 10-8Т2 + + 7.407 х 10-5Г - 2.795 х 10-2, Г = 300 к.
Рис. 3. Схема
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.