光反射率

光反射率は、薄膜の材料および電子特性を調べるための光学技術です。光反射率は、振幅変調された光線の適用に対するサンプルの反射率の変化を測定します。一般に、光反射計は、サンプルの反射率を変調するために使用される強度変調された「ポンプ」光線、サンプルの反射率を測定するために使用される 2 番目の「プローブ」光線、ポンプ光線とプローブ光線をサンプルに向け、反射されたプローブ光を光検出器に向けるための光学システム、および差分反射率を記録する信号プロセッサで構成されます。ポンプ光は通常、既知の周波数で変調されるため、ロックイン アンプを使用して不要なノイズを抑制し、ppm レベルで反射率の変化を検出できます。

半導体サンプルの特性評価における光反射の有用性は、1960 年代後半から認識されてきました。特に、従来の光反射は、サンプルの内部電界が電子正孔対の光注入によって変調される点で、電気反射と密接に関連しています^{[1] [2] [3] [4] 。 [5] [6]}電気反射応答は半導体のバンド間遷移の近くで鋭くピークに達し、これが半導体の特性評価における有用性の原因となっています。^{[7] [8] [9] [10] [11]} 光反射分光法は、半導体のバンド構造、内部電界、および結晶性、組成、物理的歪み、ドーピング濃度などの他の材料特性を決定するために使用されています。^{[12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]}

「フォトリフレクタンス」または「フォトリフレクタンス」という名前は、「光変調反射率」という用語の短縮形であり、強度変調された光線を使用してサンプルの反射率を乱すことを意味します。この技術は、「変調フォトリフレクタンス」、「変調光学反射率」、「光変調光学反射率」とも呼ばれています。少なくとも 1967 年以来知られています。^[19]

光反射法は、室温で実施でき、サンプルに反射面があればよいため、変調分光法の中でも特に便利な方法です。 ^[20] これは、半導体膜の材料特性および電子特性を非接触で測定するための確立されたツールです。^[21]光反射法では、ポンプレーザービームを使用して半導体サンプル内の自由電荷密度を変調し（光注入を介して）、1つまたは複数の物理量（内部電場など）を変調します。測定信号 ΔR は、強度変調されたポンプ放射がサンプルと相互作用する際の反射プローブ光の振幅の変化です。正規化された信号は ΔR/R、つまりポンプ誘起反射率の変化（AC）をベースライン反射率（DC）で割ったものです。従来の光反射法装置では、プローブビームに分光光源を使用して、信号をプローブ光の波長の関数として記録します。一般に、信号は次のように記述できます。

${\displaystyle {\frac {\Delta R}{R}}=\alpha \Delta {\epsilon }_{1}+\beta \Delta {\epsilon }_{2}}$

ここで、ΔR/R は反射率の正規化された変化、α (≡1/R×∂R/∂ε ₁ ) とβ (≡1/R×∂R/∂ε ₂ ) はフィルムスタック情報を含む「セラフィン係数」、Δε ₁と Δε _{2 は}複素誘電関数におけるポンプ誘起変化である。^[22]しかし、従来の光反射率解析では、信号の屈折成分と吸収成分 (それぞれ ΔR/R の第 1 項と第 2 項) を独立して決定する必要はない。むしろ、Aspnesによって与えられた 3 次導関数形式を使用して、信号全体へのフィッティングが実行される。^[20]このフィッティング手順により、バンド間遷移エネルギー、振幅、および幅が得られる。しかし、信号は摂動の均一性に依存するため、このようなパラメータの抽出は慎重に行う必要がある。^{[23] [24]}

従来の光反射実験装置では、入射プローブビームを形成するためにモノクロメータを通したキセノンまたはタングステンベースのランプ光源を使用する。ポンプビームは、チョッパホイールを通した連続波（CW）レーザー（ He-Neまたは He-Cd レーザーなど）の出力によって形成されるか、直接変調された半導体ダイオードレーザーの出力によって形成される。ポンプビームはサンプル上のスポットに焦点を合わせられ、そこでサンプルと相互作用する。プローブビームはサンプル上に共焦点になり、そこで反射される。反射されたプローブビームは収集され、不要なポンプ光および/または光ルミネセンス信号を除去するために光学フィルターを通過する。その後、プローブビームは光検出器（Si または InGaAsフォトダイオードなど）に向けられ、プローブ強度が電気信号に変換される。電気信号は、通常、変調周波数を基準とするロックイン回路を使用して、不要なノイズを除去するために処理される。次に、コンピュータなどを使用して、プローブビーム波長の関数として光反射信号が記録される。^{[12] [25] [26]}

光反射法では、サンプルの内部電界は電子正孔対の光注入によって変調されます（したがって、潜在電界が減少します）。光注入を実現するには、ポンプビーム内の光子のエネルギーがサンプル内の材料のバンドギャップを超えている必要があります。さらに、電界がほとんどまたはまったくない半導体は、電気反射応答をほとんどまたはまったく示しません。この状況は一般的ではありませんが、プローブからの電子正孔対の光注入は、潜在電界を減少させることによって必然的にサンプルのベースライン状態を相殺するため、この点からプローブ強度を最小限に抑えることの重要性が明らかになります。^{[27] [28]} （同様に、ポンプの CW 成分は望ましくありません。）逆に、プローブ強度が低すぎると、従来のフォトダイオードでは検出が不可能になる場合があります。さらに考慮すべき点は、実験信号のサイズが小さい (約 ppm) ことと、位相ロック検出法が変調周波数を中心とした狭い帯域幅の外側のノイズを除去する独自の機能を備えていることから、位相ロック検出が実用上必要であるということです。

光反射法は感度の高い測定技術で、薄膜の材料特性と電子特性を特徴付けるのに比類のない能力を提供します。光反射法は半導体のバンド構造を正確に決定できるため (室温であっても)、半導体の基礎研究において特に重要です。光学技術として、光反射法は非接触であり、空間分解能が優れているため、産業用途に適していると思われます。ただし、分光情報が必要であるため測定速度が制限され、その結果、マイクロエレクトロニクス製造のプロセス制御などの産業用途では分光光反射法の採用が制限されます。

それでも、分光情報が必要ない場合、光反射技術は半導体製造プロセス制御に実装されています。たとえば、1980 年代後半に、Therma-Wave 社は半導体プロセス制御機器の市場に「Therma-Probe」光変調反射システムを導入しました。オリジナルの Therma-Probe は、強度変調ポンプ レーザー ビームをシリコン サンプル上のスポットに集束させ、サンプルの反射率を変調しました。反射率の変化は、633 ナノメートル波長の同時レーザー プローブ ビームによって検出されました。この波長では、シリコンのバンド間遷移から遠く離れているため、電気反射信号は存在しません。むしろ、Therma-Probe 信号の原因となるメカニズムは、熱変調とドルーデ自由キャリア効果です。^{[29] [30] [31] Therma-Probe は、主にシリコン半導体製造における}イオン注入プロセスの監視に使用されました。^[32] Therma-Probe などの測定システムは、ウェハに触れたり、ウェハをクリーンルームから取り出すことなく、プロセスステップが正しく実行されているかどうかを迅速に確認できるため、マイクロエレクトロニクス製造のプロセス制御に特に適しています。^[33]一般的に、ウェハの特定の領域でいくつかの測定が行われ、期待値と比較されます。測定値が一定の範囲内にある限り、ウェハは処理を継続できます。(これは統計的プロセス制御として知られています。) インプラントプロセスのプロセス制御用に販売されている他の光変調反射率システムには、PVA TePla AG が販売している「TWIN」計測システム、および Semilab Co. Ltd (元 Boxer-Cross, Inc.) が販売している「PMR-3000」があります。

しかし、2000 年代半ばまでに、新しい製造プロセスでは、新しいプロセス制御機能が必要になりました。たとえば、新しい「拡散のない」アニール プロセスや高度な歪みシリコンプロセスの制御が必要になりました。これらの新しいプロセス制御要件に対応するため、2007 年に Xitronix Corporation は半導体プロセス制御市場にフォト リフレクタンス システムを導入しました。Therma-Probe と同様に、Xitronix 計測システムは、レーザーによって生成された固定波長プローブ ビームを利用しました。ただし、Xitronix システムのプローブ ビームの波長は約 375 ナノメートルで、シリコンの最初の主要なバンド間遷移に近いものでした。この波長では電気変調信号が優勢であるため、Xitronix システムは拡散のないアニール プロセスでアクティブ ドーピング濃度を正確に測定できました。^[34]このプローブ ビーム波長は、歪みシリコン プロセスの歪みに対して優れた感度も提供しました。^[35]最近では、レーザー光反射技術を用いてキャリア拡散長、再結合寿命、移動度を精密に測定する方法が実証されている。^{[36] [37]}

分光光反射法では、赤外線から紫外線までの波長をカバーする広帯域プローブ光源を使用します。分光光反射法データを従来の 3 次導関数形式に当てはめると、包括的なバンド間遷移エネルギー、振幅、幅のセットが得られ、対象サンプルの電子特性のほぼ完全な特性評価が可能になります。ただし、プローブ光強度を最小限に抑える必要があり、位相同期検出が実際に必要なため、分光光反射法の測定は順番に、つまり 1 度に 1 つの波長をプローブする必要があります。この制約により分光光反射法の測定速度が制限され、慎重な適合手順の必要性と相まって、分光光反射法は分析用途により適しています。逆に、レーザー光反射法は単色光源を使用するため、産業用途に適しています。さらに、一般的に遭遇する状況では、レーザープローブビームのコヒーレント波面を使用して光反射信号の屈折成分を分離することができ、データ分析が大幅に簡素化されます。^[38]

• 光反射率は 1 万分の 1 という小さな反射率差を測定しますが、エリプソメトリーや標準反射率は 1 千分の 1 のオーダーの反射率差を測定します。
• 光反射スペクトルは、バンド間遷移エネルギーに局在する鋭い微分のような構造を示しますが、エリプソメトリーおよび/または標準反射スペクトルは、ゆっくりと変化する広いスペクトルを示します。
• 特定の波長での光反射応答は、通常、サンプル内の特定の材料に限定された特定のバンド間遷移から生じます。
• 位相ロック検出方法を使用すると、周囲光（非同期）が光反射率測定に影響を与えません。
• レーザープローブビームを使用することで、分光データを取得したり適合手順を実行したりすることなく、光反射応答の屈折部分を分離できます。
• レーザー光反射率は、マイクロエレクトロニクス製造における統計的プロセス制御において 30 年以上にわたって実証されてきました。

• 分光法
• エリプソメトリー
• 光ルミネセンス
• ラマン分光法
• 表面光起電力
• テラヘルツ時間領域分光法

• 半導体と半金属、第 9 巻 (「変調技術」 )、RK Willardson および AC Beer 編 (Academic Press、ニューヨーク、1972 年)。ISBN 0-12-752109-7 
• FH Pollack、「半導体および半導体微細構造の変調分光法」、 M. Balkanski 編『半導体ハンドブック』第 2 巻 (「半導体の光学特性」)、pp. 527–635 (North-Holland、アムステルダム、1994 年)。ISBN 0 444 89101 3 
• AM Mansanares、「動作中の電子デバイスにおける光熱現象の光学的検出: 温度と欠陥画像化」、Progress in Photothermal and Photoacoustic Sc​​ience and Technology 、第 4 巻 (「半導体と電子材料」 )、A. Mandelis および P. Hess 編、pp. 73–108 (SPIE Press、ワシントン州ベリンガム、2000 年)。ISBN 0-8194-3506-6