Фотоотражение - Photo-reflectance

Фотоотражение является оптический методика исследования материальных и электронных свойств тонкие пленки. Фотоотражение измеряет изменение отражательная способность образца в ответ на приложение амплитудно-модулированного свет луч. Как правило, фоторефлектометр состоит из модулированного по интенсивности светового луча «накачки», используемого для модуляции отражательной способности образца, второго «зондирующего» светового луча, используемого для измерения отражательной способности образца, оптической системы для направления накачки и зондирующих лучей на образец и для направления отраженного зондирующего света на фотоприемник и процессор сигналов для записи дифференциального отражения. Свет накачки обычно модулируется с известной частотой, так что синхронный усилитель может использоваться для подавления нежелательного шума, что дает возможность обнаруживать изменения отражательной способности на уровне ppm.

Полезность фотоотражения для характеристики полупроводник образцы были признаны с конца 1960-х годов. В частности, обычное фотоотражение тесно связано с электроотражением.[1][2][3][4] в том, что внутреннее электрическое поле образца модулируется фотоинжекцией электронно-дырочных пар.[5][6] Отклик электроотражения резко достигает максимума вблизи межзонных переходов полупроводника, что объясняет его полезность для определения характеристик полупроводников.[7][8][9][10][11] Спектроскопия фотоотражения использовалась для определения полупроводниковые зонные структуры, внутренние электрические поля и другие свойства материала, такие как кристалличность, сочинение, физическое напряжение и концентрация допинга.[12][13][14][15][16][17][18]

Этимология

Название «фотоотражение» или «фотоотражение» сокращено от термина «фотомодулированная отражательная способность», который описывает использование светового луча с модуляцией интенсивности для изменения отражательной способности образца. Этот метод также упоминается как «модулированное фотоотражение», «модулированное оптическое отражение» и «фотомодулированное оптическое отражение». Он известен как минимум с 1967 года.[19]

Основные принципы

Фотоотражение - особенно удобный вид модуляции. спектроскопия, так как это может быть выполнено при комнатной температуре и требует только отражающей поверхности образца.[20] Это признанный инструмент для бесконтактного определения материалов и электронных свойств полупроводниковых пленок.[21] При фотоотражении лазерный луч накачки используется для модуляции плотности свободного заряда в полупроводниковом образце (посредством фотоинжекции), тем самым модулируя одну или несколько физических величин (например, внутреннее электрическое поле). Измеряемый сигнал ΔR представляет собой изменение амплитуды отраженного зондирующего света при взаимодействии модулированного по интенсивности излучения накачки с образцом. Нормализованный сигнал представляет собой ΔR / R, то есть изменение отражательной способности (AC), вызванное накачкой, деленное на базовую отражательную способность (DC). В обычном фотоотражающем устройстве используется спектроскопический источник зондирующего луча, так что сигнал может быть записан как функция длины волны зондирующего света. Обычно сигнал можно записать:

где ΔR / R - нормированное изменение коэффициента отражения, α (≡1 / R × ∂R / ∂ε1) и β (≡1 / R × ∂R / ∂ε2) являются «коэффициентами Серафина», которые содержат информацию о пленке, а Δε1 и Δε2 изменения комплексного диэлектрическая функция.[22] Однако в обычном анализе фотоотражения нет необходимости независимо определять преломляющую и поглощающую составляющие (первый и второй члены в ΔR / R соответственно) сигнала. Скорее всего, подгонка к общему сигналу выполняется с использованием третьей производной функциональной формы, заданной формулой Аспнес.[20] Эта процедура подбора дает энергии, амплитуды и ширину межзонных переходов. Однако, поскольку сигнал зависит от однородности возмущения, к извлечению таких параметров следует подходить с осторожностью.[23][24]

Экспериментальная установка

В обычной экспериментальной установке фотоотражения используется источник лампы на основе ксенона или вольфрама, пропускаемый через монохроматор для формирования падающего зондирующего луча. Луч накачки может быть сформирован выходом лазера непрерывного действия (CW) (например, He-Ne или He-Cd лазер), прошедший через измельчающее колесо, или может быть сформирован выходом непосредственно модулированного полупроводниковый диодный лазер. Луч накачки фокусируется в точку на образце, где он взаимодействует с образцом. Зондовый луч софокусируется на образце, где он отражается. Отраженный зондирующий луч собирается и проходит через оптический фильтр для устранения нежелательного света насоса и / или фотолюминесценция сигнал. После этого зондирующий луч направляется на фотодетектор (например, Si или InGaAs. фотодиод ), который преобразует интенсивность зонда в электрический сигнал. Электрический сигнал обрабатывается для устранения нежелательного шума, обычно с использованием цепь блокировки относительно частоты модуляции. Затем регистрируют сигнал фотоотражения как функцию длины волны зондирующего луча с помощью компьютера или подобного устройства.[12][25][26]

Экспериментальные соображения

При фотоотражении внутреннее электрическое поле образца модулируется фотоинжекцией электронно-дырочных пар (таким образом уменьшая скрытое поле). Для достижения фотоинжекции энергия фотонов в пучке накачки должна превышать запрещенная зона материала в образце. Кроме того, полупроводники с небольшим электрическим полем или без него будут демонстрировать небольшой отклик электроотражения или его отсутствие. Хотя эта ситуация не является общей, этот момент ясно показывает важность поддержания минимальной интенсивности зонда, поскольку любая фотоинжекция электронно-дырочных пар из зонда обязательно смещает базовые условия образца за счет уменьшения скрытого поля.[27][28] (Аналогично, любой компонент непрерывного излучения насоса нежелателен.) И наоборот, если интенсивность зонда слишком мала, обнаружение может быть невозможно с помощью обычных фотодиодов. Еще одно соображение заключается в том, что обнаружение с синхронизацией по фазе является практической необходимостью из-за небольшого размера экспериментальных сигналов (~ ppm) и уникальной способности методов обнаружения с синхронизацией по фазе подавлять шум за пределами узкой полосы частот, сосредоточенной на частоте модуляции.

Приложения

Фотоотражение - это высокочувствительный метод измерения, обеспечивающий непревзойденные возможности для определения характеристик материала и электронных свойств тонких пленок. Фотоотражение играет особенно важную роль в фундаментальных исследованиях полупроводников из-за его способности точно определять зонную структуру полупроводника (даже при комнатной температуре). В качестве оптического метода фотоотражение может оказаться подходящим для промышленного применения, поскольку оно бесконтактно и имеет хорошее пространственное разрешение. Однако потребность в спектроскопической информации ограничивает скорость измерения и, следовательно, применение спектроскопической фотоотражающей способности в промышленных приложениях, таких как управление технологическим процессом микроэлектроника изготовление.

Тем не менее, там, где спектроскопическая информация не требуется, методы фотоотражения были реализованы в управлении производственным процессом полупроводников. Например, в конце 1980-х годов компания Therma-Wave, Inc. представила на рынке оборудования для управления технологическим процессом полупроводников систему с фотомодулированной отражательной способностью "Therma-Probe". Оригинальный Therma-Probe фокусировал лазерный луч накачки с модулированной интенсивностью в пятно на кремниевом образце, модулируя его коэффициент отражения. Изменения отражательной способности регистрировались совпадающим лазерным зондирующим лучом с длиной волны 633 нм. На этой длине волны сигнал электроотражения отсутствует, поскольку он удален от любых межзонных переходов в кремнии. Скорее, механизмы, ответственные за сигнал Therma-Probe, - это термомодуляция и эффект свободных носителей Друде.[29][30][31] Therma-Probe использовался в основном для мониторинга ионная имплантация процесс производства кремниевых полупроводников.[32] Измерительные системы, такие как Therma-Probe, особенно востребованы при управлении производственным процессом производства микроэлектроники, поскольку они предоставляют возможность быстро проверять правильность выполнения этапов процесса, не касаясь пластины или не вынимая пластину из чистой комнаты.[33] Как правило, на определенных участках пластины выполняется ряд измерений, которые сравниваются с ожидаемыми значениями. Пока измеренные значения находятся в определенном диапазоне, пластины передаются на дальнейшую обработку. (Это известно как Статистическое управление процессами.) Другими системами фотомодуляции отражательной способности, продаваемыми для управления процессом имплантации, являются метрологическая система "TWIN", продаваемая ПВА TePla AG, и "ПМР-3000", продаваемый ООО "Семилаб" (первоначально Boxer-Cross, Inc.).

Однако к середине 2000-х новые производственные процессы требовали новых возможностей управления процессами, например, необходимости управления новыми «бездиффузионными». процессы отжига и продвинутый напряженный кремний процессы. Чтобы удовлетворить эти новые требования к управлению технологическим процессом, в 2007 г. Xitronix Corporation представила систему фотоотражения на рынке управления производством полупроводников. Как и Therma-Probe, метрологическая система Xitronix использует пробный луч с фиксированной длиной волны, генерируемый лазером. Однако пробный луч системы Xitronix имел длину волны примерно 375 нанометров, что близко к первому основному межзонному переходу в кремнии. На этой длине волны преобладает сигнал электромодуляции, что позволило системе Xitronix точно измерить концентрацию активного легирования в процессах бездиффузионного отжига.[34] Эта длина волны зондирующего луча также обеспечивает отличную чувствительность к деформации в процессах с деформацией кремния.[35] В 2017 году Xitronix продемонстрировала использование своей технологии лазерного фотоотражения для точного измерения несущей. распространение длины, время жизни рекомбинации, и подвижность.[36][37]

Спектроскопические и лазерные фотоотражения

Для спектроскопического фотоотражения используется широкополосный зонд. источник света, который может охватывать длины волн от инфракрасный к ультрафиолетовый. Путем подгонки спектральных данных фотоотражения к традиционной функциональной форме третьей производной можно получить полный набор энергий, амплитуд и ширины межзонных переходов, обеспечивающий по существу полную характеристику электронных свойств интересующего образца. Однако из-за необходимости свести интенсивность зондирующего света к минимуму и из-за практической необходимости обнаружения с синхронизацией по фазе спектроскопические измерения фотоотражения должны выполняться последовательно, то есть зондировать одну длину волны за раз. Это ограничение ограничивает скорость спектроскопических измерений фотоотражения и в сочетании с необходимостью тщательной процедуры подбора делает спектроскопическое фотоотражение более подходящим для аналитических приложений. И наоборот, лазерное фотоотражение использует монохромный источник света, а значит, хорошо подходит для промышленного применения. Более того, в часто встречающихся ситуациях когерентный волновой фронт лазерного зондирующего луча может использоваться для выделения рефракционной составляющей сигнала фотоотражения, что значительно упрощает анализ данных.[38]

Преимущества

  • Фотоотражение измеряет дифференциальные коэффициенты отражения до одной части на миллион, тогда как эллипсометрия и / или стандартное отражение измеряют дифференциальные коэффициенты отражения порядка одной части на тысячу. Следовательно, фотоотражение имеет гораздо лучшее разрешение измерения.
  • Спектры фотоотражения демонстрируют резкие структуры, подобные производным, локализованные при энергиях межзонных переходов, тогда как эллипсометрия и / или стандартная отражательная способность демонстрируют широкие медленно меняющиеся спектры. Следовательно, фотоотражение намного превосходит чувствительность зонной структуры полупроводника.
  • Отклик фотоотражения на определенной длине волны обычно возникает из-за определенных межзонных переходов, ограниченных конкретными материалами в образце. Следовательно, пространственное разрешение фотоотражения определяется размерами структуры (структур), демонстрирующей реакцию фотоотражения (на конкретной длине волны).
  • При использовании методов обнаружения с синхронизацией по фазе окружающий (несинхронный) свет не влияет на измерения фотоотражения.
  • При использовании лазерного зондирующего луча преломляющая часть фотоотражательной характеристики может быть изолирована без необходимости снимать спектроскопические данные или выполнять процедуру подбора.
  • Лазерное фотоотражение было доказано в статистическом контроле процессов производства микроэлектроники на протяжении более трех десятилетий.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Б.О. Серафин, Н. Боттка, "Полевой эффект отражения в кремнии". Phys. Rev. Lett. 15, 104-107 (1965). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.15.104
  2. ^ Дж. К. Филипс и Б.О. Серафин, "Влияние оптического поля на пороги, седловые края и седловые экситоны". Phys. Rev. Lett. 15, 107-110 (1965). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.15.107
  3. ^ Б.О. Серафин, "Эффект оптического поля в кремнии". Phys. Ред. 140, А 1716-1725 (1965). DOI: 10.1103 / PhysRev.140.A1716
  4. ^ Б.О. Серафин. Электроотражение в физике поверхности. J. de Physique 31, C1, 123-134 (1970). DOI: 10.1051 / jphyscol: 1970121
  5. ^ Ф. Кердейра и М. Кардона, "Фотоотражение и электроотражение в кремнии". Solid State Comm. 7, 879-882 (1969). DOI: 10.1016 / 0038-1098 (69) 90434-7
  6. ^ Х. Шен и Ф. Х. Поллак, "Обобщенная теория электромодуляции Франца-Келдыша", Phys. Ред. B 42, 7097-7102 (1990). DOI: 10.1103 / PhysRevB.42.7097
  7. ^ Б.О. Серафин и Н. Боттка, "Анализ зонной структуры на основе исследований электроотражения", Phys. Ред. 145, 628-636 (1966). DOI: 10.1103 / PhysRev.145.628
  8. ^ D.E. Аспнес и Дж. Э. Роу, "Измерения межзонной энергии с высоким разрешением по спектрам электроотражения", Phys. Rev. Lett. 27, 188-190 (1971). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.27.188
  9. ^ D.E. Аспнес, "Прямая проверка третьей производной природы спектров электроотражения", Phys. Rev. Lett. 28, 168-171 (1972). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.28.168
  10. ^ D.E. Аспнес, «Линеаризованная спектроскопия третьей производной с модуляцией обедненного барьера», Phys. Rev. Lett. 28, 913-916 (1972). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.28.913
  11. ^ D.E. Аспнес и Дж. Э. Роу, "Резонансная нелинейная оптическая восприимчивость: электроотражение в пределе низкого поля", Phys. Ред. B 5, 4022-4030 (1972). DOI: 10.1103 / PhysRevB.5.4022
  12. ^ Дж. Л. Шэй, "Форма линии фотоотражения на фундаментальном крае в сверхчистом GaAs", Phys. Ред. B 2, 803-807 (1970). DOI: 10.1103 / PhysRevB.2.803
  13. ^ А. Бадахшан и др., «Корреляция между характеристикой фотоотражения при E1 и концентрацией носителей заряда в n- и p-GaAs», J. Appl. Phys. 69, 2525-2531 (1991). DOI: 10.1063 / 1.348691
  14. ^ А. Джордана и Р. Глоссер, "Исследования фотоотражения кремниевых пленок на сапфире". J. Appl. Phys. 69, 3303-3308 (1991). DOI: 10.1063 / 1.348552
  15. ^ Х. Шен и др. "Динамика фотоотражения нелегированного GaAs". Appl. Phys. Lett. 59, 321-323 (1991). DOI: 10.1063 / 1.105583
  16. ^ В.М. Айраксинен и Х. Липсанен, "Исследование фотоотражения фотоэдс в диодных структурах GaAs". Appl. Phys. Lett. 60, 2110-2112 (1992). DOI: 10.1063 / 1.107105
  17. ^ А. Бадахшан и др., "Характеристика фотоотражения GaAs как функции температуры, концентрации носителей заряда и приповерхностного электрического поля". J. Vac. Sci. Technol. B 11, 169-174 (1993). DOI: 10,1116 / 1,586698
  18. ^ Y. Yin et al., "Характеристика фотоотражения при комнатной температуре псевдоморфных транзисторных структур GaAlAs / InGaAs / GaAs с высокой подвижностью электронов, включая плотность двумерного электронного газа", Полуконд. Sci. Technol. 8, 1599-1604 (1993) DOI: 10.1088 / 0268-1242 / 8/8/019
  19. ^ R.E. Нахори и Дж. Л. Шэй, "Модуляция отражения поверхностным полем в GaAs", Phys. Rev. Lett. 21, 1569-1571 (1968). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.21.1569
  20. ^ D.E. Аспнес, "Модуляционная спектроскопия", в Справочник по полупроводникам, Vol. 2 («Оптические свойства твердых тел»), под редакцией М. Балкански, стр. 109-154 (Северная Голландия, Амстердам, 1980). ISBN  0 444 85273 5
  21. ^ Н. Боттка и др., "Модуляционная спектроскопия как инструмент для определения характеристик электронных материалов". J. Elec. Mater. 17, 161-170 (1988). DOI: 10.1007 / BF02652147
  22. ^ D.E. Аспнес, "Анализ спектров модуляции стратифицированных сред". J. Oct. Soc. Являюсь. 63, 1380-1390 (1973). DOI: 10.1364 / JOSA.63.001380
  23. ^ С. Кеппен и П. Хэндлер, "Неоднородность поля в электроотражении", Phys. Ред. 187, 1182-1185 (1969). DOI: 10.1103 / PhysRev.187.1182
  24. ^ D.E. Аспнес, А. Фрова, «Влияние пространственно-зависимых возмущений на модулированное отражение и поглощение твердых тел». Solid State Comm. 7, 155-159 (1969). DOI: 10.1016 / 0038-1098 (69) 90714-5
  25. ^ W. Liu et al., "Исследование фотоотражения на поверхностных состояниях GaN n-типа", Полуконд. Sci. Technol. 14, 399-402 (1999). DOI: 10.1088 / 0268-1242 / 14/5/004
  26. ^ "Фотоотражательная спектроскопия - HORIBA".
  27. ^ Х. Шен и др., "Исследование фотоотражения поверхностного уровня Ферми в GaAs и GaAlAs". Appl. Phys. Lett. 57, 2118-2120 (1990). DOI: 10.1063 / 1.103916
  28. ^ R. Kudrawiec et al., "Трехлучевое фотоотражение как мощный метод исследования полупроводниковых гетероструктур". Тонкие твердые пленки 450, 71-74 (2004). DOI: 10.1016 / j.tsf.2003.10.054
  29. ^ Джон Опсал, "Основы физики тепловых волн", в Обзор прогресса в количественной неразрушающей оценке, Vol. 6А, под редакцией Д.О. Томпсон и Д. Chimenti, стр. 217-225 (Plenum Press, Нью-Йорк, 1987). ISBN  978-1-4613-1893-4
  30. ^ A. Rosencwaig и др., "Временное поведение модулированного оптического отражения в кремнии", в Обзор прогресса в количественной неразрушающей оценке, Vol. 6А, под редакцией Д.О. Томпсон и Д. Chimenti, стр. 237-244 (Plenum Press, Нью-Йорк, 1987). ISBN  978-1-4613-1893-4
  31. ^ R.E. Вагнер и А. Манделис, «Обобщенный расчет температуры и фотомодулированных коэффициентов оптического отражения Друде в полупроводниках», J. Phys. Chem. Твердые тела 52, 1061-1070 (1991). DOI: 10.1016 / 0022-3697 (91) 90039-3
  32. ^ W.L. Смит и др., "Мониторинг ионных имплантатов с помощью технологии тепловых волн", Appl. Phys. Lett. 47, 584-586 (1985). DOI: 10.1063 / 1.96079
  33. ^ A. Rosencwaig, "Управление технологическим процессом в производстве ИМС с использованием тепловых волн", в Обзор прогресса в количественной неразрушающей оценке, Vol. 9Б, под редакцией Д.О. Томпсон и Д. Chimenti, стр. 2031-2037 (Plenum Press, Нью-Йорк, 1990). ISBN  978-1-4684-5772-8
  34. ^ W. Chism et al., "Характеристика фотоотражения активации сверхмелких контактов при миллисекундном отжиге". J. Vac. Sci. Technol. B 28, C1C15-C1C20 (2010). DOI: 10.1116 / 1.3253327
  35. ^ W. Chism et al., "Характеристика фотоотражения активных слоев Si в нанометровом масштабе", in Материалы конференции AIP, Vol. 931 ("Frontiers of Characterization and Metrology for Nanoelectronics: 2007"), под редакцией Д.Г. Seiler et al., Стр. 64-68 (AIP, Мелвилл, Нью-Йорк, 2007). ISBN  978-0-7354-0441-0
  36. ^ W. Chism, "Точное оптическое измерение подвижности носителей с помощью Z-сканирования лазерного фотоотражения", arXiv: 1711.01138 [Physics: ins-det], октябрь 2017 г.
  37. ^ W. Chism, "Лазерное фотоотражение с Z-сканированием как инструмент для характеристики свойств электронного транспорта", arXiv: 1808.01897 [cond-mat.mes-hall], август 2018 г.
  38. ^ В. Чизм и Дж. Картрайт, "Характеристики лазерного фотоотражения резонансной нелинейной электрорефракции в тонких полупроводниковых пленках", Тонкие твердые пленки 520, 6521-6524 (2012). DOI: 10.1016 / j.tsf.2012.06.065

дальнейшее чтение

  • Полупроводники и полуметаллы, Vol. 9 («Методы модуляции») под редакцией Р. К. Уиллардсона и А. К. Бира (Academic Press, New York, 1972). ISBN  0-12-752109-7
  • Ф.Х. Поллак, "Модуляционная спектроскопия полупроводников и полупроводниковых микроструктур", в Справочник по полупроводникам, Vol. 2 («Оптические свойства полупроводников»), под редакцией М. Балкански, стр. 527–635 (Северная Голландия, Амстердам, 1994). ISBN  0 444 89101 3
  • ЯВЛЯЮСЬ. Мансанарес, "Оптическое обнаружение фототермических явлений в работающих электронных устройствах: температура и отображение дефектов", в Прогресс фототермической и фотоакустической науки и технологий, Vol. 4 («Полупроводники и электронные материалы»), под редакцией А. Манделиса и П. Хесса, стр. 73–108 (SPIE Press, Bellingham, WA, 2000). ISBN  0-8194-3506-6