14 января 2015 / Измерение механических напряжений в кремнии методом КР спектроскопии

Контроль локальных механических напряжений в кремниевых структурах является важной задачей при производстве микросхем. Значительные напряжения в кремнии могут привести к формированию микротрещин в чипах. 

Метод спектроскопии комбинационного рассеяния света (рамановской спектроскопии) становится все более популярным для анализа напряжений в полупроводниковых пластинах, так как он дает возможность проводить их неразрушающий контроль с высоким пространственным разрешением и высокой чувствительностью. 

В данной работе представлены результаты измерения напряжений в микро структурированном кремнии методом рамановской спектроскопии. Использовался коммерчески доступный конфокальный рамановский микроскоп Confotec™NR500 (SOL instruments Ltd) с эшелле решеткой [1]. Тестируемый образец содержал 1, 1.5, 2 и 4 мкм полоски из Si, разделенные 4 мкм промежутками диоксида кремния.

Типичные рамановские спектры, полученные при обратном рассеянии света от образца, показаны на рис.1. Любые механические напряжения в кремниевых структурах приводят к видоизменению спектров комбинационного рассеяния.  При наличии компрессионных воздействий на кристаллическую решетку кремния, его рамановский пик будет сдвигаться в сторону бóльших волновых чисел.  При снятии компрессии пик смещается в противоположную (более коротковолновую) сторону (рис.1).

Для оценки механических напряжений в кремнии можно применять следующее уравнение:

σ (MПа) = −435 • (ω - ω₀) (cм⁻¹)  (1),

где σ – величины механических напряжений в MПа,  w₀=520.5 cм^-1 – позиция пика кремния в ненапряженном состоянии [2], ω – позиция  Si пика в напряженном состоянии.

Уравнение (1) позволяет вычислить уровень напряжений в MПa.  Рамановский  микроскоп Confotec™ NR500 с эшелле решеткой обладает спектральной точностью порядка 0.01 cм^–1 (достигается либо при анализе положения центра масс Si пика, либо при аппроксимации экспериментальных данных кривой Лоренца с последующим анализом позиции максимума). Указанная величина соответствует чувствительности к напряжениям порядка 4.35 MПa.

На рис.2 приводятся экспериментальные данные для двух различных возбуждающих длин волн (488 и 633 нм), полученные при одномерном сканировании поперек кремниевых полосок. Смещение рамановского пика напряженного кремния по отношению к ненапряженному представлено на рис.2 как функция координаты.  Механические напряжения в промежутках между кремниевыми полосками отсутствуют, так как соответствующий пик в рамановском спектре не смещается (рис.2). Экспериментальные результаты указывают на небольшое увеличение напряжений сжатия при переходе от  более узких полосок кремния к более широким (рамановский пик сдвигается в сторону более высоких волновых чисел). Механические напряжения, соответствующие рамановским сдвигам на рис.2, варьируются в интервале от +7.7 MПa (напряжение растяжения) до -108.7 MПa (напряжение сжатия).

С целью изучения распределения напряжений по глубине для возбуждения рамановских спектров использовались две лазерные длины волны (488 и 633 нм), различающиеся глубинами проникновения света в образец. В связи с тем, что детектируются меньшие величины напряжений при использовании лазера с длиной волны 633 нм (рис.2), имеющего большую глубину проникновения в образец, можно предположить, что напряжения преимущественно локализованы вблизи поверхности кремния.

Выводы

Микроскопия комбинационного рассеяния света является мощным неразрушающим методом анализа локальных напряжений в кремнии. Конфокальный рамановский микроскоп Confotec™ NR500 с эшелле решеткой может применяться для анализа распределения механических напряжений в кремнии с высоким пространственным разрешением. Контроль по глубине может проводиться при использовании лазеров с различными длинами волн. 

Список литературы

[1] http://www.solinstruments.com/ru/analysis/microscopy/confotec-nr500/description

[2] V. Poborchii, T. Tada, and T. Kanayama, Appl. Phys. Lett. 91, 241902 (2007).

Рис.1.Применение рамановской спектроскопии для анализа механических напряжений в кремнии. Любые напряжения в кремниевых структурах приводят к модификации спектров (наблюдается сдвиг рамановского пика кремния по отношению к его положению в ненапряженном состоянии).

Рис.2. Измерение напряжений в кремнии  при использовании голубого (488нм) и красного (633нм) лазеров для возбуждения спектров. Образец содержит  полоски кремния с ширинами 1, 1.5, 2 и 4 мкм, разделенные 4 мкм промежутками диоксида кремния.