Лабораторный модуль для контроля поверхности полупроводниковых структур

Полупроводники – это обширный класс материалов, проводимость которых намного больше, чем у изоляторов и намного меньше, чем у металлов.

Состояние поверхности полупроводника и граница его раздела с другими веществами чрезвычайно важны как для самого процесса изготовления полупроводниковых приборов, так и для его последующей работы с необходимыми характеристиками.

Актуальность работы. На протяжении многих лет в физике обсуждаются различные аспекты, касающиеся эффективности контроля поверхности полупроводниковых структур. В настоящее время учебная деятельность студентов вузов сопряжена с изучением и получением теоретических и практических навыков во время учебного практикума, связанных с необходимостью овладения значительным объёмом новых знаний, требующая умственной работы и большой сложности.

Одним из основных требований к полупроводниковым пластинам является их высокая плоскостность, поскольку при большой величине изгиба пластин затруднено проведение качественного экспонирования фоторезиста по всей ее площади. Поэтому разработка достаточно простых и надежных методов и приборов, позволяющих контролировать плоскостность

полупроводниковых

пластин

в

условиях

автоматизированного промышленного производства, и применения этих навыков в практических занятиях студентами вузов является важной задачей.

Целью работы является создание лабораторного модуля для контроля поверхности полупроводниковых структур, исследования поверхностей.

Практическая ценность работы заключается в возможности внедрения разработанного лабораторного модуля для контроля поверхности полупроводниковых структур в учебный процесс для проведения лабораторных и практических занятий.

Состояние поверхности полупроводника и граница его раздела с другими веществами чрезвычайно важны как для самого процесса изготовления полупроводниковых приборов, так и для его последующей работы с необходимыми характеристиками.

Любые дефекты или примеси внутри или на поверхности полупроводника являются источниками рекомбинации.

Рекомбинация — исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии. Отрицательное влияние поверхностных явлений на работу диодов, транзисторов и фотоэлектрических приборов связано с существованием поверхностной рекомбинации. Она вызывает снижение коэффициента полезного действия солнечных фотоэлементов и других фотопреобразователей, уменьшение коэффициента усиления транзисторов. Наличие поверхностной рекомбинации приводит также к снижению чувствительности полупроводниковых фотопреобразователей в коротковолновой области спектра, когда свет поглощается в очень тонком приповерхностном слое полупроводника.

Поверхность исходной пластины полупроводника (Рис. 1) является сильно поврежденной. На ней присутствует огромное количество впадин, микротрещин и холмов – это и есть нарушенный слой, который образовался при производстве пластин (порезки слитков на пластины).

Рис. 1 – Снимок поверхности исходной кремниевой пластины под микроскопом

Для измерения изгиба и построения профиля поверхности полупроводниковых пластин уже существует данная установка, ее схема изображена на Рис. 2.

Рис. 2 – Схема оптической установки контроля изгиба полупроводниковых пластин

Основными частями представленной установки являются:

1– лазер ЛГ – 55; 2 – фокусирующая линза; 3– полупрозрачное зеркало; 4 – столик для перемещения образца; 5– исследуемый образец; 6– экран; 7 – микроскоп с микроскопическим винтом МОВ – 1 15.

Для получения узкого пучка света в оптической схеме используется лазер ЛГ – 55 с фокусирующей линзой, фокусное расстояние которой равняется расстоянию от линзы до экрана с учетом хода лучей. Для точного определения смещения луча на экране используется микроскоп МБС-2, снабженный микрометрическим оптическим винтом МОВ-1-15, с помощью которого определяется смещение луча из положения «а» в положение «б».

Поскольку информацию о профиле изгиба пластины несет только у – координата, то появляется возможность автоматизации данного метода контроля, а именно автоматизации систем сканирования и построения профиля изгиба. Для достижения данной цели осуществлялось автоматическое перемещение столика с исследуемой пластиной относительно лазерного луча и определение величины отклонения отраженного от образца луча, по отношению к его положению при отражении от идеальной плоскости. С этой целью в установке вместо экрана использовалась специальная линейка фотодиодов высотой 10 мм и шириной 5 мм, что позволяло осуществлять построение профиля изгиба пластины со стрелой изгиба до 100 мкм. Для учета люфта предметного столика имелся канал коррекции, автоматически учитывающий данное явление [1].

Современные микроскопы предоставляют широчайшие возможности для лабораторных исследований. Оптическая микроскопия позволяет получать многократное увеличение исследуемого объекта, выводить изображения на экран компьютера, сохранять снимки и проводить автоматизированный программный анализ изображения. Всё это находит применение в медицине, машиностроении, образовании и многих других сферах.

Инспекционные микроскопы применяются в микроэлектронной промышленности для контроля качества полупроводниковых пластин после технологических операций: дисковой/проволочной резки слитков, шлифовки, полировки, утонения.

Поляризационные микроскопы представляют собой разновидность оптических прямых микроскопов, предназначенных для исследования структуры руд, полимеров, минералов, кристаллов и других объектов в поляризованном свете.

Структурная схема лабораторного модуля для контроля поверхности полупроводниковых структур представлена на Рис.3

Рис. 3 – Структурная схема лабораторного модуля для контроля поверхности полупроводниковых структур

Базовым микроскопом для контроля поверхностей, визуализации и документирования, использовался МИН – 8.

Предметный столик снабжен макрометрическим винтом для опускания и подъема объекта относительно объектива и микрометрическим винтом для точной фокусировки изображения объекта.

Увеличительная система микроскопа состоит из двух систем увеличительных линз – объективов и окуляров, которых у микроскопа есть полный набор, дающих увеличение до 1350х.

Поляризационный микроскоп МИН – 8 снабжен двумя поляризаторами. Один – поляризатор установлен в нижней части конденсора и снабжен шкалой с градусной мерой. Второй – анализатор установлен между линзой Бертрана и объективом. Он снабжен поворотным рычагом и шкалой с градусной мерой. Поляризатор служит для получения пучка поляризованного света, а анализатор – для исследования этих поляризованных лучей, прошедших через объект.

Линза Бертрана расположена под окуляром и составляет с ним дополнительный микроскоп для наблюдения изображений в фокальной плоскости объектива, например интерференционных коноскопических фигур.

Для визуализации лучше подходят, микроскопы, имеющие дополнительный вывод изображения в плоскость, сопряженную с сенсором ТВ-камеры или цифрового фотоаппарата.

Главное требование — высокое качество изображения самого микроскопа. Перед началом работы исследователь должен уделить внимание правильной настройке микроскопа и освещения, а также:

– центрировке камеры относительно отцентрированной

– равномерному заполнению светом выходного зрачка объектива.

Для наблюдения через монитор, использовалась цифровая камера (видеоокуляр) для микроскопа TоupCam, подключаемая к компьютеру через USB порт. Окулярные камеры серии TоupCam – это цифровые камеры, разработанные специально для использования с микроскопами. Получаемое изображение яркое и четкое даже на периферийных участках поля зрения.

Изображение наблюдаемого объекта передаётся на экран компьютера в реальном времени. Захват кадра производится с помощью TWAIN – драйвера, а затем полученное изображение (кадр) можно сохранить в любом формате, в котором это позволяет сделать используемое программное обеспечение. Кроме того, камеры TоupCam также дают возможность записывать видеопоток в режиме реального времени.

Управление камерой осуществляется путем использования в составе программного обеспечения специальной подпрограммы — драйвера камеры. Изображение объекта выводится на экран монитора компьютера в режиме реального времени, проводится фокусировка и выбор оптимальных условий съемки: баланс белого цвета и установка оптимального усиления сигнала. Баланс белого цвета и автоэкспозиция проводится как вручную, так и автоматически. Настроенные значения сохраняются и позволяют работать с серией изображений в одинаковых условиях. Качество полученного изображения можно улучшить за счет применения набора фильтров. Это и фильтры «яркость – контраст – гамма», и фильтры, обеспечивающие выравнивание фона, вычитание фона, усиление резкости и сглаживание шумов, применение морфологических операций к изображению. Используя определенную последовательность применения фильтров, во многих случаях можно добиться улучшения качества первоначального. Общий вид собранного модуля представлен на Рис. 4.

Рис. 4 – Собранный модуль для контроля поверхностей

Во время исследования поверхностей, использовались ферриты – гранатовые плёнки. В одной из своих диссертаций у Веденёва, они рассматривались как полупроводники.

Так как материалы относятся к субмикронной области, толщина пленок от нескольких микрон до сотых долей микрон, т. е. относятся к нанометровым структурам. Экспериментальное изучение воздействия лазерного излучения на данные материалы, а так же экспериментальное изучение научных основ модификации и обработки полезна и перспективна.

На Рис. 5 представлена нарушенная поверхность феррито – гранатовой плёнки, изображение которой получено с помощью собранного модуля.

Рис. 5 – Нарушенная поверхность феррито – гранаты

Трудно представить существование электроники без полупроводниковых элементов в настоящее время. В представленной работе описывались оптические методы контроля поверхности полупроводниковых структур, а также был создан лабораторный модуль, через который осуществлялся контроль поверхности материалов.

Поверхность полупроводников может ключевым образом влиять на все электрофизические параметры приборов. Состояние поверхности полупроводниковых структур играет важную роль на работоспособность электрических приборов. Поэтому и необходим контроль поверхности полупроводниковых структур специальными модулями, которые позволяют снизить затраты и улучшить качество выпускаемой продукции.

На созданном лабораторном модуле для контроля поверхности полупроводниковых структур, были исследованы поверхности и выявлены нарушения в плоскостности.