Способ контроля пористости покрытий на подложках из полупроводников АшВv

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОРИСТОСТИ ПОКРЫТИЙ НА ПОДЛОЖКАХ ИЗ ПОЛУПРОВОДНИКОВ АшВ(71) Заявитель Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(57) Способ контроля пористости покрытий на подложках из полупроводников типа АшВ, включающий генерацию газа в места расположения пор и их фиксацию, отличающийся тем, что предварительно на поверхность подложки с покрытием наносят вспомогательную пленку толщиной 0,1-1,0 мкм из материала, отношение температуры плавления которого к температуре свободного конгруэнтного испарения полупроводника подложки находится в пределах 1-1,1, а генерацию газа осуществляют при давлении, верхняя граница которого находится в пределах 10-2-510-2 Па, нагреванием подложки до температуры плавления материала вспомогательной пленки с последующей выдержкой при этой температуре до вспучивания поверхности пленки в местах расположения пор.(56) 1. Вячеславов П.М., Шмелева Н.М. Контроль электролитов и покрытий. - Л. Машиностроение, 1985. - С. 37. 2.. -., . 31. - Р. 431,1970. 3. Фогель В.А. Электрохимический метод определения пористости диэлектрических пленок. - Электронная техника. - Сер. 2. - В.1. - С. 87-93, 1971 (прототип). 4. Заявка Японии 64-54732, МПК 01 21/31, 1987. Изобретение относится к твердотельной электронике, в частности к способу контроля пористости тонкопленочных покрытий в процессе изготовления интегральных схем и дискретных приборов на основе сложных полупроводниковых соединений типа АшВ. Известен способ контроля пористости покрытий из любых материалов на различных подложках 1. Предварительно взвешенную подложку с покрытием пропитывают веретенным маслом в течение 60-90 мин 3078 1 при 80 С. Остатки масла удаляют, затем подложка с покрытием взвешивается. Об общем количестве пор в покрытии судят по разности масс пропитанного маслом и непропитанного покрытия. Такой способ не обладает достаточной экспрессностыо, с его помощью нельзя определить размер пор и их распределение по поверхности покрытия. Способ определения пористости покрытий 2 позволяет определить размеры пор и их распределение на поверхности диэлектрического покрытия, нанесенного на полупроводниковую подложку. В этом способе подложку с покрытием помещают в электролит, содержащий ионы меди или никеля. Подложка служит анодом, катодом является медная или, соответственно, никелевая пластина. При подключении источника постоянного напряжения на поверхности полупроводниковой подложки в местах расположения сквозных пор осаждается медь или никель. Основной недостаток этого способа - низкая чувствительность, т.к. невозможно обнаружить поры диаметром менее 5-10 мкм. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ контроля пористости покрытий на полупроводниковых подложках, основанный на электрохимическом взаимодействии капли водного электролита с подложкой 3. Каплю электролита, например раствор хлористого калия, наносят на поверхность покрытия. При подаче постоянного напряжения к полупроводниковой подложке и к капле электролита с помощью электродов в местах расположения пор генерируются пузырьки газа (водорода), которые являются следствием электрохимической реакции при протекании тока через поры в покрытии. Количество пор и их местоположение фиксируется непосредственно глазом или с помощью фотопленки. Метод обладает высокой чувствительностью - наименьший размер поры, который способ позволяет фиксировать, составляет всего 0,1 мкм. Однако с помощью этого способа невозможно определить пористость покрытий из металлов или других электропроводящих материалов, т.к. в этом случае происходит короткое замыкание электродов. Кроме того, этим способом можно оценить лишь общую площадь сквозных пор, т.е. нельзя определить диаметр каждой из пор. В основу изобретения положена задача создания способа контроля пористости покрытий на подложках из сложных полупроводников АшВ, который бы позволил определять пористость покрытий как из диэлектрических, так и из электропроводящих материалов, позволил определять диаметр пор, обладал бы высокими экспрессностью, чувствительностью и разрешающей способностью и, тем самым, нашел широкое применение в технологических процессах, связанных с формированием покрытий на подложках из сложных полупроводников при изготовлении интегральных схем и полупроводниковых приборов. Поставленная задача решена введением в известную последовательность операций новой операции по формированию на поверхности исследуемого покрытия вспомогательной пленки, а также особым выполнением операции генерации газа в местах расположения пор. Существо способа заключается в том, что в известном способе контроля пористости покрытий, заключающемся в генерации газа в местах расположения пор и их фиксации, на поверхность покрытия предварительно наносят вспомогательную пленку толщиной 0,1-1 мкм. Пленку наносят из материала, отношение температуры плавления которого к температуре свободного конгруэнтного испарения сложного полупроводника, из которого изготовлена подложка, находится в пределах 1-1,1. Генерацию же газа осуществляют нагреванием подложки с покрытием при давлении, верхняя граница которого находится в пределах 10-2-5102 Па, до температуры плавления материала вспомогательной пленки с последующей выдержкой при этой температуре до вспучивания поверхности пленки в местах расположения пор. В основу предлагаемого способа положено явление испарения компонентов сложного полупроводника при высоких температурах. Для полупроводников типа ш происходит испарение как элемента -й, так и элемента -й групп, т.е. осуществляется генерация газа. Если на поверхности нагреваемой подложки будет находиться покрытие, то процесс испарения элементов сильно замедлится или прекратится. И только в случае наличия сквозных пор в покрытии генерация газа, состоящего из элементов полупроводника, будет происходить. Причем только в местах расположения пор. В предлагаемом способе на поверхность покрытия предварительно наносят вспомогательную пленку материала, служащую для фиксации пор. Эта пленка позволяет сформировать закрытый объем, ограниченный поверхностью подложки, вертикальными стенками поры и нижней поверхностью этой пленки. В процессе нагрева подложки до температуры плавления материала вспомогательной пленки в этом объеме будет скапливаться газ, создавая тем самым некоторое избыточное давление в закрытом объеме под пленкой. Т.к. вспомогательная пленка будет расплавлена, т.е. находиться в жидком состоянии, то газ, содержащийся внутри поры, будет вспучивать жидкую пленку в местах расположения пор в виде бугорков, причем диаметр бугорков будет определять диаметр пор. Образование бугорков будет происходить лишь тогда, когда давление газа внутри поры будет превышать давление окружающей среды. Поэтому термообработку необходимо проводить в вакууме. Экспериментальные исследования показали, что для этого достаточен вакуум с давлением не выше 10-2510-2 Па. Время выдержки в вакууме контрольной структуры, т.е. подложки с покрытием и нанесенной на поверхность последнего вспомогательной пленкой, в вакууме определяется моментом вспучивания поверхности вспомогательной пленки в местах расположения пор и на практике не превышает 10-15 мин. Температура 3078 1 плавления материала пленки должна быть выше или равна температуре свободного конгруэнтного испарения полупроводника, из которого изготовлена подложка. Это необходимо для того, чтобы создать давление,достаточное для вспучивания пленки. Нагрев при температуре меньшей, чем температура свободного конгруэнтного испарения, не обеспечивает значительной скорости испарения компонентов полупроводника и уменьшает экспрессность способа. Превышение температуры плавления над температурой испарения более чем в 1,1 раза нецелесообразно, т.к. это может привести к взаимодействию материала пленки с материалом покрытия, что повлияет на морфологию поверхности вспомогательной пленки и тем самым внесет погрешность при определении размера пор и их распределения по площади покрытия. Толщина вспомогательной пленки определяется следующим. При толщине менее 0,1 мкм сложно сформировать беспористое и однородное пленочное покрытие, а при толщине более 1 мкм в пленке под воздействием внутренних механических напряжений могут возникнуть трещины, отслоения. В каждом и этих двух случаев будут создаваться условия для увеличения погрешности контроля. Кроме того, слишком толстая вспомогательная пленка затрудняет выявление пор диаметром порядка 0,1 мкм. Выполнение операции генерации газа путем нагрева подложки позволяет осуществлять контроль как диэлектрических, так и электропроводящих покрытий, т.к. материал покрытия не оказывает влияния на процесс газообразования и, следовательно, на фиксацию пор. Предлагаемый способ обладает высокой экспрессностью,т.к. процесс нанесения вспомогательной пленки современное технологическое оборудование позволяет осуществить за 20-25 мин. Создание вакуума для процесса нагрева, непосредственно сам нагрев контрольной структуры занимает время порядка 25-35 мин. Следовательно, длительность процесса контроля пористости составит не более 45-60 мин. Наиболее целесообразно проведение процессов нанесения пленки и нагрева в едином вакуумном цикле, что позволит уменьшить время контроля на 15-20 мин. Высокая чувствительность заявляемого способа обеспечивается за счет применения тонкой вспомогательной пленки, наносимой на исследуемое покрытие. В случае, когда толщина пленки составляет 0,1 мкм,можно обнаружить и зафиксировать поры диаметром порядка 0,1 мкм. Высокая разрешающая способность способа обусловлена тем, что диаметр бугорка на поверхности вспомогательной пленки соответствует диаметру поры. Следовательно, расстояние, на котором две рядом расположенные поры будут фиксироваться раздельно, будет мало, т.е. разрешающая способность окажется высокой. Сопоставительный анализ со способом, взятым за прототип, показывает, что заявляемый способ контроля пористости отличается тем, что генерация газа в местах расположения пор осуществляется за счет термообработки, а не в результате электрохимической реакции, что позволяет достичь поставленной задачи. Известно техническое решение 4, в котором для фиксации пор используется пленка из алюминия, которая располагается под исследуемым покрытием. Затем производится химическая обработка структуры в травителе для алюминия. Травитель проникает к алюминиевой пленке в местах расположения пор и травит последнюю. После удаления исследуемого покрытия пористость определяется числом протравленных локальных участков алюминиевой пленки. Существенным отличием предлагаемого способа является то, что вспомогательная пленка наносится поверх исследуемого покрытия, а не под него, причем для фиксации пор его не надо удалять. Различен также и принцип фиксации пор. В известном способе он основан на травлении алюминиевой пленки через поры в покрытии, в заявляемом - на вспучивании жидкой вспомогательной пленки под действием давления газа в объеме поры. Анализ способа, взятого за прототип, а также других технических решений позволяет сделать вывод, что заявляемый способ обладает новизной. На фиг. 1 изображена в разрезе структура для контроля пористости покрытия, где 1 - подложка из полупроводника, 2 - исследуемое покрытие, 3 - вспомогательная пленка, 4 - поры, заполненные газом, 5 - бугорки на поверхности вспомогательной пленки. На фиг. 2 изображена поверхность вспомогательной пленки из алюминия, нанесенной на подложку из арсенида галлия с покрытием из вольфрама и прошедшей термообработку в вакууме. На фиг. 3 изображена поверхность вспомогательной пленки из сплава С- (50 ), нанесенной на подложку из фосфида галлия с покрытием из двуокиси кремния и прошедшей термообработку в вакууме. Предлагаемый способ контроля пористости покрытий на подложках из полупроводниковых соединений типа АшВ был реализован следующим образом. Пример 1. Подложку из полупроводника ш, например , с нанесенным на ее поверхность покрытием из нитрида кремния, помещают в вакуумный объем установки ВУ-2 М, оснащенной ионно-лучевым распылительным устройством, блоком инфракрасного нагрева и оптической системой, которая позволяет наблюдать за поверхностью контрольной структуры. Время достижения давления 510-2 Па в вакуумном объеме составляет 16 мин. Температура свободного конгруэнтного испарения фосфида галлия составляет 680 С. В качестве материала вспомогательной пленки используют сплав - (80 ), который имеет температуру плавления 700 С, т.е. отношение температуры плавления пленки к температуре испаренияравно 1,029. Пленку из сплава толщиной 0,25 мкм наносят на поверхность покрытия методом ионно-лучевого распыления. Скорость нанесения на неподвижную подложку составляет 0,8 нм/с, время нанесения - 5 мин 12 секунд. Далее контрольная структура подвергается нагреванию с помощью блока инфракрасного нагрева. Контроль темпера 3078 1 туры осуществляется с применением термопары хромель-алюмель и цифрового вольтметра. Давление в камере составляет 10-3 Па. Процессы расплавления пленки и образования бугорков наблюдают с помощью оптической системы на основе микроскопа, позволяющей фиксировать поры диаметром до 1 мкм. Время выдержки структуры в нагретом состоянии составляет 12 мин, т.к. дальнейший нагрев не приводит к появлению новых пор. Общее время контроля пористости, с учетом времени достижения температуры нагрева и времени межоперационных переходов, составило 40 мин. Пример 2. Подложку из арсенида галлия с нанесенным на ее поверхность покрытием из двуокиси кремния помещают в вакуумный объем установки ВУ-1 А, где на поверхность покрытия методом электроннолучевого испарения наносят вспомогательную пленку из алюминия толщиной 1 мкм. Время откачки составляет 16 мин,нанесения пленки - 2 мин. Температура свободного конгруэнтного испарения арсенида галлия равна температуре плавления алюминия и составляет 660 С. Далее контрольную структуру помещают в вакуумный объем установки ВУ-2 М, оснащенной резистивным нагревателем, нагревают до температуры 660 С и выдерживают при этой температуре 15 мин. Температуру контролируют хромель-копелевой термопарой. Вакуум в процессе термообработки составляет 510-2 Па. Время, затраченное на создание необходимого вакуума, разогрев нагревателя и непосредственно на сам нагрев, составляет 35 мин. Далее контрольную структуру извлекают из вакуумной камеры, охлаждают и контролируют пористость с помощью оптического или растрового электронного микроскопа, который позволяет обнаружить поры размером до 0,1 мкм. Контроль пористости различных покрытий, сформированных на подложках из ,и Р, условия проведения испытаний различных образцов и их результаты приведены в таблице. Таким образом, предлагаемый способ контроля пористости покрытий дает возможность определять пористость покрытий как из диэлектрических, так и электропроводящих материалов. Он обладает высокими экспрессностью, чувствительностью и разрешающей способностью, не требует специальной оснастки и оборудования и может найти широкое применение в технологии. ПолуПокры- Вспомог. плнпро-вод тие ка ник Отслоение вспомог. пл Время термообработки 40 мин Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.