IR-VASE Messungen an einer dünner Silizium-Membran LOT

IR-VASE® Messungen an einer dünner Silizium-Membran
LOT-Oriel GmbH & Co. KG,
J.A. Woollam Co., Inc.
Kontaktperson: Thomas Wagner
19. Juli 1999
Abstract:
Für Photovoltaikanwendungen werden Siliziumwafer auf einige µm zu einer dünnen
Silizium-Membran heruntergeätzt. Für fortführende Arbeiten ist die Kenntnis der
Schichtdicke einer solchen Membran notwendig. Herkömmliche Meßmethoden liefern leider
nicht die gewünschte Genauigkeit und sind zudem nicht zerstörungsfrei.
Hier bietet sich nun die spektroskopische Ellipsometrie an.
Allgemein:
Die ellipsometrischen Messungen wurden mit zwei unterschiedlichen spektroskopischen
Ellipsometern der Firma J.A. Woollam Co., Inc. durchgeführt. Das IR-VASE® (FTIRVariable Angle Spectroscopic Ellipsometer) erlaubt Messungen im Spektralbereich von 2 bis
35 µm. Dieses System ist aufgrund des Spektralbereichs empfindlich für Schichtdicke sowie
für Dotiergrad und –profil. Zusätzlich wurde das neue Diodenarray NIR-M-2000 für
Messungen im Spektralbereich 1000 bis 1700 nm verwendet. In diesem Spektralbereich
>1100 nm wird das Si transparent, wodurch eine Schichtdickenempfindlichkeit besteht,
ohne daß die Dotierung die Messung signifikant beeinflußt. Beide Systeme arbeiten mit der
‚Rotating Compensator‘-Methode. Damit kann, neben hochgenauer Messung von Delta
über den gesamten Winkelbereich auch die Depolarisation der Probe bestimmt werden.
Zur Bestimmung des Brechungsindex der Si-Membran im NIR-Bereich wurde das CauchyDispersionsmodell verwendet. Dabei wurde zusätzlich eine exponentiell abfallende
Absorption (Urbach-Absorption) berücksichtigt.
Zur Beschreibung optischen Konstanten im IR für die unterschiedlich dotierten Bereiche
wurden Oszillatormodelle verwendet (T. Tiwald, J. Woollam, Carrier concentration and
lattice absorption in bulk and epitaxial silicon carbide determined using infrared
ellipsometry).
IR-VASE Messungen:
Das IR-VASE ist mit einem kommerziellen FTIR-Spektrometer ausgestattet. Der gemessene
Spektralbereich lag bei 330 bis 3400 cm-1.
Da beide Seiten unterschiedliche Dotierungen aufweisen, was Einfluß auf die
Tiefenempfindlichkeit der IR-VASE-Messungen hat, wurde die Probe von beiden Seiten
gemessen. Im Graph werden die Messungen von der hochdotierten Seite mit Er
(Ellipsometrie from reverse side) bezeichnet. In der Auswertung wird an alle Daten simultan
gefittet. ‚Void‘ beschreibt das ‚Substrat‘ Luft auf der Rückseite der Membran.
Modell:
5
4
3
2
1
0
-1
native oxide (ir oscillator model)
silicon depletion region
graded (silicon with free carriers)/(silicon with free carriers)
silicon depletion region
native oxide (ir oscillator model)
void
silicon with free carriers
0.002 µm
6.0383 µm
1.2517 µm
0 µm
0.0061246 µm
1 mm
0 µm
Der größte Teil der Schicht bestehlt aus dem niederdotierten Bereich (silicon depletion
region) mit einer Dicke von 6,04 µm. Der hochdotierte Bereich besteht nicht aus einer
homogenen Schicht sondern aus einer Gradientenschicht von 1,25 µm Dicke.
Experimentelle Daten und die entsprechenden Fits:
Generated and Experimental
Generated and Experimental
80
300
200
40
∆ in degrees
Model Fit
Exp Er 68°
Exp E 68°
20
0
0
100
0
1000
2000
Wave Number (cm-1)
3000
4000
Model Fit
Exp Er 68°
Exp E 68°
-100
0
1000
2000
Wave Number (cm-1)
Generated and Experimental
50
40
%Depolarization
Ψ in degrees
60
Model Fit
Exp dpolEr 68°
Exp dpolE 68°
30
20
10
0
-10
0
1000
2000
Wave Number (cm-1)
3000
4000
3000
4000
Ergebnisse: Tiefenprofil der optischen Konstanten bei unterschiedlichen Wellenlängen:
Depth Profile of Optical Constants at 500 1/cm
Depth Profile of Optical Constants at 1000 1/cm
15
n
k
5.0
12
4.0
9
3.0
6
2.0
3
1.0
-2
0
0
2
4
Distance from Substrate in µm
6
10
n
k
3.0
2.5
6
2.0
4
1.5
2
1.0
-2
8
8
Extinction Coefficient ' k'
6.0
3.5
Index of refraction ' n'
18
Extinction Coefficient ' k'
Index of refraction ' n'
7.0
0
0
2
4
Distance from Substrate in µm
6
8
Depth Profile of Optical Constants at 2000 1/cm
3.5
4.0
Index of refraction ' n'
n
k
2.5
3.0
2.0
2.0
1.5
1.0
1.0
0.5
0.0
-2
0
2
4
Distance from Substrate in µm
Extinction Coefficient ' k'
3.0
0.0
8
6
Optische Konstanten:
silicon with free carriers Optical Constants
3.432
2.5E-005
10
3.429
2.0E-005
3.426
1.5E-005
n
k
3.423
3.420
3.417
0
1.0E-005
5.0E-006
1000
2000
3000
Wave Number (cm-1)
0.0E+000
4000
Index of refraction ' n'
12
30
n
k
8
25
20
6
15
4
10
2
5
0
0
1000
2000
Wave Number (cm-1)
3000
0
4000
Extinction Coefficient ' k'
3.0E-005
Extinction Coefficient ' k'
Index of refraction ' n'
silicon depletion region Optical Constants
3.435
NIR-M-2000-Messungen:
Das verwendete ‚Rotating Compensator Ellipsometer‘ war mit einer InGaAs-Diodenzeile
ausgestattet. Es erlaubt Messungen im Spektralbereich von 1000 bis 1700 nm simultan.
Modell:
2 sio2
1 cauchy
0 void
0.0019328 µm
7.6606 µm
1 mm
Experimentelle Daten und die entsprechenden Fits:
Generated and Experimental
Generated and Experimental
3.5
30
2.5
2.0
1.5
1.0
1200
Model Fit
Exp E 75°
40
Model Fit
Exp E 75°
∆ in degrees
Ψ in degrees
3.0
50
20
10
0
-10
1300
1400
1500
Wavelength (nm)
1600
1700
-20
1200
1300
1400
1500
Wavelength (nm)
1600
1700
Optische Konstanten:
cauchy Optical Constants
0.018
n
k
3.52
0.016
3.50
0.014
3.48
0.012
3.46
0.010
3.44
1200
1300
1400
1500
Wavelength (nm)
1600
Extinction Coefficient ' k'
Index of refraction ' n'
3.54
0.008
1700
Zusammenfassung:
Es konnte gezeigt werden, daß mit spektroskopischer Ellipsometrie die Dicke einer dünnen
Si-Membran bestimmt werden kann. Die Gesamtdicke wurde mit dem IR-VASE mit 7,29 µm,
mit dem M-2000 mit 7,66 µm ermittelt. Zusätzlich konnte mit dem IR-VASE das Dotierprofil
beschrieben werden.
Wir danken Frau Sossna, Universität Kassel, Institut für Technische Physik, für die
Bereitstellung der Meßprobe.
Falls Sie Fragen zu dem Bericht haben rufen Sie uns bitte unter +49-6151-8806-68 an oder
schicken Sie eine E-mail: [email protected].