Температурная зависимость показателя преломления и

ЛАЗЕРНАЯ ТЕРМОМЕТРИЯ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ
А.Н. Магунов, Б.А. Лапшинов
НИИ перспективных материалов и технологий
5-я Международная выставка “Фотоника. Лазеры и оптика”, 19-22 апреля 2010 г.
Постановка задачи
Традиционная термометрия (контактная и бесконтактная)
оказалась неэффективной в ключевых процессах
микротехнологии, к которым относятся:
• быстрые термические процессы
• плазмохимическое осаждение тонких пленок
• плазмохимическое травление микроструктур
• ионная имплантация полупроводников
• молекулярно-лучевая эпитаксия
Для диагностики элементов интегральных схем необходимы
бесконтактные методы с субмикронным и наносекундным
разрешением, высокой температурной чувствительностью,
высокой надежностью результатов измерений.
Требования к методам термометрии в
микротехнологии
отсутствие гальванической связи датчика с регистрирующим
прибором;
бесконтактный характер измерения;
измерения в химически активной газовой среде;
совместимость с другими диагностиками;
высокая производительность;
нечувствительность к оптическому фоновому излучению;
нечувствительность к изменениям оптических свойств
поверхности (микрорельеф, химический состав, тонкие
пленки);
быстродействие (длительность нагрева поверхности от 1 нс
до 100 с);
температурная чувствительность сигнала не ниже, чем в
традиционных методах.
АКТИВНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ТЕРМОМЕТРИЯ
Сам исследуемый объект является
термочувствительным элементом,
показания которого считываются
зондирующим световым пучком
Экспериментальная процедура:
дистанционное измерение температурнозависимого оптического параметра твердого тела;
определение искомой температуры по известной
температурной зависимости измеряемого
параметра
Температурно-зависимые параметры
твердых тел
действительная и мнимая части комплексного
показателя преломления;
ширина запрещенной зоны кристаллов;
заселенность возбужденных состояний
(фононный спектр и т.д.);
скорость безызлучательной релаксации
электронных возбужденных состояний;
концентрация свободных носителей заряда;
геометрия микрорельефа поверхности
Регистрируемые оптические параметры
коэффициенты отражения и пропускания света для
фиксированной ;
спектры отражения и пропускания света;
спектр комбинационного рассеяния;
спектр и время затухания люминесценции;
интенсивность второй гармоники зондирующего
излучения;
параметры эллипса поляризации отраженного света;
угол дифракции света при облучении периодической
структуры;
параметры спекл-структуры в отраженном пучке
Изменяемые параметры зондирующего
пучка
длина волны (или диапазон спектра);
угол падения;
поляризация света
Выбор условий зондирования и регистрации
сигнала позволяет изменять температурную
чувствительность на несколько порядков
Широко применяемые методы ЛТТТ
•
•
•
•
•
•
•
лазерная интерференционная термометрия
сдвиг края поглощения кристаллов
время затухания фотолюминесценции
спектр фотолюминесценции
спектр комбинационного рассеяния
термоотражение
эллипсометрия
Лазерная интерференционная термометрия
5
4
1
2
3
Схема лазерной интерференционной термометрии в отраженном свете:
лазер (1), светоделительный кубик (2), зондируемая пластинка (3),
фотоприемник (4), компьютер (5).
Установка плазмохимического травления
1- корпус реактора, 1-3 – катушки электромагнитов, 4 – ВЧ индуктор,
5 – термостатированный ВЧ-электрод, 6 – обрабатываемый кристалл,
7 – трубки подвода охлаждающей воды, 8 – подвод ВЧ-мощности, 9 – лазерный
пучок для измерения температуры.
Лазерный интерференционный термометр
Лазерный термометр: He-Ne лазер (справа), система юстировки луча и фотоприемник.
Исследуемый объект - подложка из монокристалла (Si, GaAs, ZnO и др.) или стекла –
помещен в плазмохимической установке, которая находится слева и здесь не показана.
Интерферограмма при нагреве Si
• Контраст интерферограммы
уменьшается из-за увеличения
поглощения света при увеличении
температуры кристалла.
интенсивность
1600
1200
800
400
0
20
40
60
80
100
время, с
Интерферограмма в отраженном свете ( = 1.15 мкм) при нагревании
монокристалла Si в плазме ВЧ-разряда. При t = 86 c разряд выключен.
Начальный участок интерферограммы
интенсивность
1600
1200
800
400
0
5
10
15
20
время, с
Температурный интервал между соседними минимумами отражения
T = [2nkh(n-1 n/ T + h-1 h/ T)]-1 5 оС (для Si)
Температура монокристалла Si
о
температура, С
300
200
100
0
100
200
300
время, с
Температура при нагревании монокристалла Si в плазме и остывании
после выключения разряда. Вкладываемая мощность (Вт):
110 (1), 230 (2), 340 (3).
Температура монокристалла GaAs
300
о
температура, С
400
200
100
0
0
100
200
300
400
500
время, с
• Монокристалл GaAs (h = 0.43 мм). Нагрев в кислородной плазме и
остывание после выключения разряда.
600
Температура плавленого кварца
о
температура, С
300
3
200
2
100
0
1
0
25
50
75
100
время, с
• Температура в центре кварцевой пластинки (диаметр 10 см, толщина 1 мм)
во времени после зажигания ВЧ-разряда в азоте при давлении 10 Па.
Вкладываемая мощность, Вт: 200 (1), 300 (2), 380 (3). Межэлектродное
расстояние 7 см. Пластинка лежит на водоохлаждаемом электроде.
Интерферограммы при травлении пленки
интенсивность
отраженного света (усл.ед.)
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
время, с
• Пленка полимера на Si. Длина волны: 633 нм (внизу) и 1.15 мкм (вверху)
Температура при плазмохимическом травлении
300
1
температура, 0С
250
2
3
4
200
150
100
50
0
20
40
60
80
время, с
• Монокристалл Si с пленкой полимера в кислородной плазме (1, 3),
монокристалл без пленки (2, 4). Мощность (Вт): 300 (1, 2) и 200 (3, 4)
Термохимическая неустойчивость
250
температура, С
200
2
1
150
100
50
0
50
100
150
200
время, с
Травление полимерной пленки в плазме O2. Мощность, вкладываемая в разряд (Вт):
300 (1) и 200 (2). Стрелками показан момент полного удаления пленки.
Термохимическая неустойчивость
3
200
о
температура, С
250
2
150
1
100
50
0
60
120
180
240
время, с
• Травление кремния в плазме CF4 + O2 при давлении 50 Па.
Доля открытой площади кристалла: 0.04 (1), 0.29 (2), 0.65 (3)
Момент окончания травления
280
• Структура Si-SiO2 в
плазме CF4 + O2.
Давление 40 Па (1) и
0.3 Па (2)
200
160
1
120
2
80
40
0
100
200
300
2,0
• Вверху: T(t)
• Справа: dT/dt, К/с
400
2,4
время, с
dT/dt, K/c
о
температура, С
240
1,6
1,2
1
0,8
2
0,4
0
100
200
время, с
300
400
ЛАЗЕРНАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ ТЕРМОМЕТРИЯ
Картина на мониторе автоматизированного термометра. Монокристалл Si
(h = 0.45 мм), длина волны лазера = 1.15 мкм.
Лазерная интерференционная термометрия
полупроводников и диэлектриков
• Метод применяется для термометрии полупроводников (Ge,
Si, InP, GaAs) и диэлектриков (кварц, оптические стекла,
ниобат лития, ПММА).
• Метод характеризуется наиболее высокой температурной
чувствительностью сигнала, помехозащищенностью и
простотой оборудования.
• Для расширения области применения в настоящее время
проводится изучение оптических свойств широкозонных
материалов, применяемых в электронике и оптоэлектронике –
ZnO, GaP, алмаза.
алмаз
GaP
Термометрия по сдвигу края поглощения
• Применяется для термометрии полупроводниковых монокристаллов при
температурах от 300 до 1000 К.
• Возможна термометрия кристаллов с шероховатой тыльной поверхностью.
• Является вторым (после ЛИТ) по температурной чувствительности
регистрируемого сигнала.
• Измеряется коэффициент пропускания света с длиной волны в
области межзонных переходов (для кремния применяются
лазеры с длинами волн 1.064 мкм, 1.15 мкм и 1.32 мкм
Термометрия по сдвигу края поглощения
интенсивность проходящего
света, усл. ед.
1,0
0,8
1
0,6
2
0,4
3
0,2
0,0
0
50
100
150
200
250
время, с
Изменение интенсивности света ( = 1.15 мкм), проходящего через монокристалл Si
в плазме ВЧ-разряда при разных уровнях вкладываемой мощности. Стрелкой
показан момент выключения разряда.
Эволюция температуры во времени
350
3
температура, С
300
2
250
200
1
150
100
50
0
50
100
150
200
250
время, с
Температура монокристалла Si в плазме, вычисленная по предыдущему
графику
Спектры диффузного рассеяния GaAs
• Регистрируется спектр пропускания в области межзонных переходов,
определяется ширина запрещенной зоны, зависящая от температуры.
Спектр диффузного отражения от c-Si
Схема установки для термометрии КР
Схема установки для измерений in situ спектров комбинационного рассеяния света: 1 – лазер на парах меди, 2 блок питания лазера, 3 – монохроматор, 4 – фотоумножитель, 5 – предусилитель, 6 – амплитудный дискриминатор,
7 – формирователь импульсов, 8 – схема совпадения, 9 – He-Ne лазер, 10 – компьютер, 11 – дисперсионное
призменное устройство, 12 – аргоновый лазер, 13 и 16 – объективы, 14 – образец, 15 – оптический фильтр, 17 –
неоновая лампа, 18 – фотодиод, а – входная щель монохроматора, b – одна из выходных щелей (используется для
юстировки).
• Павловский И.Ю., Образцов А.Н. // ПТЭ. 1998. №2. С.144.
Спектры комбинационного рассеяния света алмазной
пленкой при температурах (0С): 25 (1), 1000 (2) и 1200 (3)
• Павловский И.Ю., Образцов А.Н. // ПТЭ. 1998. №2. С.144.
Отношение интенсивностей I(S)/I(a-S)
Отношение интенсивностей стоксовой и антистоксовой линий :
Is/Ias = [( i - o)/( i + o)]4 exp[(hc o)/(kT)]
15
12
IS/IAS
9
Si
6
Ge
3
0
300
400
500
600
температура, К
700
800
Спектры ФЛ сверхрешетки GaAs-AlAs
Термоотражение от поверхности
Сигнал термоотражения
Задачи ЛТ
компенсация узкой специализации методов ЛТ их
разнообразием и многочисленностью;
сравнение результатов, полученных с помощью
разных методов ЛТ в одинаковых условиях;
создание базы данных по температурным
зависимостям оптических параметров твердых
тел в интервале от криогенных температур до
точки плавления и в широком спектральном
диапазоне;
анализ погрешностей ЛТ
Динамика накопления статей и обзоров
20
400
16
300
статьи
12
200
8
100
0
1970
обзоры
1980
1990
годы
2000
4
0
2010
Наши публикации по лазерной термометрии
• 20 статей;
• обзор в “Энциклопедии низкотемпературной плазмы”
(М.: Наука, 2000, Т.2);
• обзоры в журналах “Микроэлектроника” (1996) и
“Приборы и техника эксперимента” (1998 и 2000);
• монография “Лазерная термометрия твердых тел” (М.:
Физматлит, 2001).
Материалы по лазерной термометрии твердых тел
помещены на Всероссийском портале “Температура”
(www.temperatures.ru) в разделе “Новейшие методы
термометрии”.
Монографии
• В книге подробно обсуждаются 10
методов лазерной термометрии
• Книга о приложениях лазерной
термометрии в плазменной
микротехнологии
Выводы
• Разработано более 10 методов ЛТТТ, из них
широко применяются для исследований и
технологического контроля 5-6 методов;
• Температурная чувствительность методов
ЛТТТ не уступает (в некоторых методах на 1-2
порядка выше) чувствительности термопар и
термометров сопротивления.
• Проведены систематические исследования
температурных режимов в установках
плазмохимического травления кристаллов и
пленок.