포토 리플렉스

Photo-reflectance

광반사는 박막의 재료와 전자 특성을 조사하기 위한 광학 기술입니다.광반사는 진폭 변조 광빔의 적용에 따라 샘플의 반사율 변화를 측정합니다.일반적으로 광반사계는 시료의 반사율을 변조하기 위해 사용되는 강도 변조된 "펌프" 광빔, 시료의 반사율을 측정하기 위해 사용되는 두 번째 "프로브" 광빔, 펌프와 프로브빔을 시료로 향하게 하기 위한 광학시스템 및 반사된 프로브광을 광검출기에 향하게 하기 위한 광학시스템으로 구성된다.및 차동 반사율을 기록하는 신호 프로세서.펌프 조명은 일반적으로 알려진 주파수로 변조되므로 록인 앰프를 사용하여 불필요한 노이즈를 억제하여 ppm 수준에서 반사율 변화를 감지할 수 있습니다.

반도체 시료의 특성화를 위한 광반사 효용은 1960년대 후반부터 인정되어 왔다.특히 기존의 광반사는 시료의 내부 전계가 전자-공 쌍의 [5][6]광주입에 의해 변조된다는 점에서 전기반사와[1][2][3][4] 밀접한 관련이 있다.전자반사 응답은 반도체 [7][8][9][10][11]특성 분석에서 유용한 반도체 대역 간 천이 부근에서 급격히 정점을 찍습니다.광반사 분광법은 반도체 밴드 구조, 내부 전계 및 결정도, 조성도, 물리적 변형률, 도핑 [12][13][14][15][16][17][18]농도 등의 기타 재료 특성을 결정하기 위해 사용되어 왔다.

어원학

"광반사" 또는 "광반사"라는 이름은 "광변조 반사율"이라는 용어의 단축형인데, 이는 샘플의 반사를 교란하기 위해 강도 변조 광빔의 사용을 설명한다.이 기술은 "변조된 광반사", "변조된 광반사율", "사진 변조된 광반사율"이라고도 불린다.적어도 [19]1967년부터 알려져 왔다.

기본 원칙

광반사는 상온에서 수행될 수 있고 샘플의 반사 [20]표면만 있으면 되기 때문에 특히 편리한 변조 분광법이다.반도체막의 [21]재료 및 전자특성의 비접촉 측정을 위한 확립된 도구입니다.광반사에서는 (광주사를 통해) 반도체 샘플 내의 자유전하밀도를 변조하기 위해 펌프레이저빔을 사용하여 하나 이상의 물리량(예를 들어 내부전계)을 변조한다.측정된 신호 δR은 강도 변조된 펌프 방사선이 샘플과 상호작용할 때 반사된 프로브 빛의 진폭 변화입니다.정규화된 신호는 δR/R, 즉 펌프에 의한 반사율 변화(AC)를 기준선 반사율(DC)로 나눈 값이다.기존의 광반사 장치는 프로브 빔에 분광원을 사용하여 신호가 프로브 빛의 파장의 함수로 기록될 수 있습니다.일반적으로 신호는 다음과 같이 기록될 수 있습니다.

δR/R은 반사율의 정규화 변화, α(θ1/R×δR/δ12)와 β(θ1/R×δR/δ)는 필름스택 정보를 포함한 '세라핀 계수'이며, δθ1 및 δ는2 복합 유전체 [22]함수의 펌프 유도 변화이다.그러나 기존 광반사 분석에서는 신호의 굴절성분과 흡수성분(δR/R의 제1항과 제2항)을 독립적으로 결정할 필요가 없다.오히려 전체 신호에 대한 적합은 Aspnes가 [20]부여한 제3도함수 형태를 사용하여 이루어진다.이 장착 절차는 밴드 간 전환 에너지, 진폭 및 폭을 산출합니다.그러나 신호는 섭동의 균일성에 따라 달라지기 때문에 그러한 매개변수의 추출은 [23][24]신중하게 다루어져야 한다.

실험 셋업

기존의 광반사 실험 설정에서는 단색기를 통과한 제논 또는 텅스텐 기반 램프 소스를 사용하여 입사 프로브 빔을 형성합니다.펌프 빔은 초퍼 휠을 통과하는 연속파(CW) 레이저(예: He-Ne 또는 He-Cd 레이저)의 출력에 의해 형성되거나 직접 변조된 반도체 다이오드 레이저의 출력에 의해 형성될 수 있습니다.펌프 빔은 샘플에서 샘플과 상호 작용하는 지점에 초점이 맞춰집니다.프로브 빔은 반사되는 샘플에 공동 초점을 맞춥니다.반사된 프로브 빔은 수집되어 광학 필터를 통과하여 불필요한 펌프 빛 및/또는 광발광 신호를 제거합니다.그런 다음 프로브 빔을 광검출기(예: Si 또는 InGaAs 포토다이오드)로 향하게 하여 프로브 강도를 전기 신호로 변환합니다.전기 신호는 원치 않는 노이즈를 제거하기 위해 처리되며, 일반적으로 변조 주파수를 참조하는 잠금 회로를 사용합니다.다음으로 컴퓨터 등을 이용해 [12][25][26]탐침빔 파장의 함수로 광반사 신호를 기록한다.

실험상의 고려 사항

광반사에서는 샘플의 내부 전계가 전자-공 쌍의 광주입에 의해 변조된다(따라서 잠복장이 감소한다).광주입을 달성하기 위해서는 펌프빔의 광자에너지가 샘플 내 소재의 밴드갭을 초과해야 합니다.또한 전계가 거의 없거나 전혀 없는 반도체는 전자반사 반응이 거의 또는 전혀 나타나지 않는다.이 상황은 일반적이지 않지만 프로브에서 전자-공쌍을 광주입하면 [27][28]잠복장이 감소하여 샘플 베이스라인 조건이 상쇄되기 때문에 이 포인트는 프로브 강도를 최소한으로 유지하는 것의 중요성을 명확히 합니다.(따라서 펌프의 CW 컴포넌트는 바람직하지 않습니다.)반대로 프로브 강도가 너무 낮으면 기존 포토다이오드로는 검출할 수 없을 수 있습니다.또한 실험 신호의 작은 크기(~ppm)와 변조 주파수를 중심으로 한 좁은 대역폭 밖의 노이즈를 제거하는 위상 잠금 검출 방법의 고유한 기능 때문에 위상 잠금 검출이 실용적으로 필요하다는 점도 고려해야 합니다.

적용들

광반사는 매우 민감한 측정 기술이며 박막의 재료 및 전자 특성을 특징짓는 데 탁월한 기능을 제공합니다.광반사는 반도체 밴드구조를 (상온에서도) 정밀하게 측정할 수 있어 반도체 기초연구에서 특히 중요하다.광학 기술로서, 광반사는 비접촉적이고 공간 분해능이 우수하기 때문에 산업 용도에 적합하게 보일 것이다.그러나 분광 정보의 필요성은 측정 속도를 제한하고, 결과적으로 마이크로 일렉트로닉스 제조의 프로세스 제어와 같은 산업 응용 분야에서 분광 광반사 채택을 제한한다.

그럼에도 불구하고 분광 정보가 필요하지 않은 경우에는 반도체 제조 공정 제어에 광반사 기술이 적용되었다.예를 들어 1980년대 말 테르마웨이브(Therma-Wave, Inc.)는 반도체 공정 제어 장비 시장에 '테르마-프로브' 광변조 반사 시스템을 도입했다.원래의 Therma-Probe는 강도 변조된 펌프 레이저 빔을 실리콘 샘플의 한 지점에 집중시켜 샘플 반사율을 조절했습니다.반사율 변화는 633나노미터 파장의 동시 레이저 프로브 빔에 의해 검출되었다.이 파장에서는 전자반사신호가 존재하지 않습니다.이는 실리콘의 밴드간 천이로부터 멀리 떨어져 있기 때문입니다.오히려 Therma-Probe 신호를 담당하는 메커니즘은 열변조와 드루드 프리 캐리어 [29][30][31]효과입니다.Therma-Probe는 주로 실리콘 반도체 [32]제조에서 이온 주입 과정을 모니터링하는 데 사용되었습니다.Therma-Probe와 같은 측정 시스템은 웨이퍼에 접촉하거나 [33]클린룸에서 웨이퍼를 제거하지 않고도 공정 단계의 올바른 실행을 신속하게 확인할 수 있는 기능을 제공하기 때문에 마이크로 일렉트로닉스 제조 공정 제어에 특히 적합합니다.일반적으로 웨이퍼의 특정 부위에서 여러 가지 측정을 수행하고 예상 값과 비교합니다.측정값이 일정 범위 내에 있는 한 웨이퍼는 계속 가공을 위해 통과됩니다.(이것을 통계 프로세스 제어라고 합니다)임플란트 공정의 공정 제어를 위해 시판되는 다른 광변조 반사율 시스템으로는 PVA TePla AG에서 판매되는 "TWIN" 도량형 시스템과 Semilab Co.에서 판매되는 "PMR-3000"이 있다. 주식회사(원래는 Boxer-Cross, Inc.)

그러나 2000년대 중반까지 새로운 제조 공정은 새로운 공정 제어 능력을 필요로 했습니다. 예를 들어 새로운 "확산 없는" 아닐 공정과 고급 변형 실리콘 공정의 제어가 필요했습니다.이러한 새로운 공정관리 요건에 대응하기 위해 Xitronix사는 2007년 반도체 공정관리 시장에 광반사 시스템을 도입했다.Therma-Probe와 마찬가지로 Xitronix 도량형 시스템은 레이저에 의해 생성된 고정 파장 프로브 빔을 사용했습니다.그러나 Xitronix 시스템의 프로브 빔은 약 375나노미터의 파장을 가지고 있었으며, 이는 실리콘의 첫 번째 주요 밴드 간 천이 부근에 있었다.이 파장에서는 전기변조 신호가 우세하여 Xitronix 시스템은 확산 없는 아닐 프로세스에서 [34]활성 도핑 농도를 정밀하게 측정할 수 있었다.이 프로브 빔 파장은 또한 변형된 실리콘 [35]공정에서 스트레인에 대한 뛰어난 감도를 제공했습니다.시트로닉스는 2017년 레이저 광반사 기술을 이용해 캐리어 확산 길이, 재조합 수명, 이동성 [36][37]등의 정밀 측정을 시연했다.

분광기 대 레이저 광반사

분광형 광반사에는 광대역 탐침 광원이 사용되는데, 이 광원은 적외선에서 자외선에 이르는 파장을 커버할 수 있습니다.기존의 제3도함수형식에 분광광반사데이터를 적합시킴으로써 대역간 전이에너지, 진폭 및 폭의 포괄적인 세트를 얻을 수 있어 관심시료의 전자특성의 본질적인 완전한 특성을 제공할 수 있다.단, 프로브의 광강도를 최소한으로 유지해야 하며 위상잠금검출의 실용적 필요성 때문에 분광광반사 측정은 순차적으로 실시해야 한다. 즉, 프로브를 한 번에 1파장씩 측정해야 한다.이 제약조건은 분광 광반사 측정의 속도를 제한하고, 세심한 적합 절차의 필요성과 결합하여 분광 광반사를 분석 애플리케이션에 더 적합하게 만든다.반대로 레이저 광반사는 단색 광원을 사용하므로 산업 분야에 매우 적합합니다.또한 일반적으로 발생하는 상황에서는 레이저 프로브 빔의 간섭성 파면을 사용하여 광반사 신호의 굴절성분을 분리하여 데이터 분석을 크게 [38]단순화할 수 있다.

이점

  • 광반사는 백만분의 1 정도로 작은 차이 반사율을 측정하는 반면, 타원측정학 및/또는 표준 반사율은 천분의 1 정도로 차이 반사율을 측정한다.따라서 광반사가 측정 분해능이 훨씬 우수합니다.
  • 광반사 스펙트럼은 밴드 간 전이 에너지에서 국소화된 선명한 유도체 유사 구조를 나타내며, 타원측정학 및/또는 표준 반사율은 광범위하고 천천히 변화하는 스펙트럼을 나타낸다.따라서 광반사는 반도체 밴드 구조에 대한 감도가 월등히 우수하다.
  • 특정 파장에서의 광반사 응답은 일반적으로 샘플 내의 특정 물질에 국한된 특정 대역간 천이에서 발생합니다.따라서 광반사의 공간 분해능은 광반사 응답을 나타내는 구조의 치수(특정 파장)에 의해 결정된다.
  • 위상 잠금 검출 방법을 사용하면 주변(비동기) 빛은 광반사 측정에 영향을 주지 않습니다.
  • 레이저 프로브 빔을 이용하는 것으로, 분광 데이터를 취득하거나 감합 절차를 실시할 필요 없이, 광반사 응답의 굴절부를 분리할 수 있다.
  • 레이저 광반사는 30년 이상 마이크로일렉트로닉스 제조의 통계 프로세스 제어에서 입증되었습니다.

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