Обнаружение скрытых слоев в кремниевых устройствах с помощью LIBS при сверлении отверстий фемтосекундными лазерными импульсами

В этой статье представлены экспериментальные исследования, проведенные на серии тестовых образцов, состоящих из тонких слоев хрома и меди, закрытых верхним слоем кремния толщиной 10–60 мкм. Доступ к скрытому слою обеспечивается фемтосекундным короткоимпульсным лазером (высверливается отверстие в верхних слоях). Высокочувствительный спектрометр предназначался для измерения спектра лазерно-индуцированной плазмы, позволяя таким образом определить характеристики материала на каждой глубине. Чтобы добиться гауссова распределения интенсивности, использовались две различные системы фокусирующих линз. Малый диаметр перетяжки пучка с гауссовым профилем обеспечивал более высокую скорость сверления. Пятно фокусировки с равномерным распределением интенсивности, несмотря на более низкую скорость сверления, позволяет проводить обработку с большей точностью. В первом случае средняя скорость сверления (разрешение по глубине) достигла порядка 1 мкм/импульс, во втором - до 30 нм за импульс.

Подготовка к эксперименту

Медь является одним из наиболее распространенных проводящих материалов, используемых при изготовлении микроэлектронных устройств. Хром часто применяют в качестве связующего слоя для нанесения другого слоя металла. Хром и медь также широко используются в качестве индикаторных слоев для обнаружения с использованием спектрального излучения, исходящего от лазерно-индуцированной плазмы. Задача эксперимента состояла в поиске оптимальных параметров лазера для достижения скрытыми под слоем кремния слоев меди и хрома.

Рисунок 1. (Слева направо) образцы А и Б, схематическое изображение слоев

Рисунок 2. Схема эксперимента

Экспериментальная установка показана на рис. 2. В настоящем исследовании использованы:

- титан-сапфировый лазер для генерации импульсов 120 фс на длине волны 800 нм с максимумом энергия 600 мкДж. Широкий ассортимент лазерного оборудования представляет компания 

- полуволновая пластинка и поляризатор Глана - для управления выходной энергией лазерного импульса. Ассортимент  отличается широким спектром оптических компонентов высочайшего качества.

-  10-кратный объектив Mitutoyo для фокусировки импульса на объект.  Параметры объектива: числовая апертура 0.28, рабочее расстояние 33.5 мм, фокусное расстояние 20 мм).

Профиль интенсивности фокального пятна представлял собой функцию Эйри с диаметром 4,7 ± 0,4 мкм (по уровню FWHM) центрального пика. Энергия импульса, подводимого к образцу, измерялась с помощью PIN фотодиода (EG&G FND100), откалиброванного с помощью измерителя мощности (например, ). Именно энергия импульса отслеживалась в каждой серии экспериментов.

Излучение плазмы собиралось кварцевой линзой с фокусным расстоянием 7,5 см и диаметром апертуры 2,5 см и отображалось на входной щели спектрометра с параболическим алюминиевым зеркалом. Для получения спектра использовалась решетка 1200 штр/мм.

Большая входная щель (400 мкм) применялась в обоих экспериментах для захвата достаточной доли излучения. Спектры регистрировали с использованием усиленной ПЗС-камеры.

Время задержки затвора было подобрано в пределах 0,5 нс после от лазерного импульса. За последовательностью лазерных импульсов, выпущенных в точку образца, измерялись спектральные эмиссионные линии кремния, хрома и меди, испускаемые лазерной плазмой. ПЗС-камера в сочетании с ахроматической линзой f = 15 см составляли блок мониторинга образцов, позволяя исследователю убедиться, что поверхность образца находится в фокусе входного пучка.

Абляция начиналась со стороны кремния, а затем достигала слоев хрома и меди. Скрытые металлические слои идентифицировали с помощью повторной лазерной абляции и измерения спектрального излучения до тех пор, пока не наблюдались эмиссионные линии хрома и меди. Отмечается, что интенсивная линия кремния (288,15 нм) появляется во время первичной абляции, а после ряда последовательных выстрелов лазера внезапно появлялись линии излучения хрома (357,86 нм, 359,35 нм, 360,53 нм) и меди (324,75 нм, 327,39 нм).

Затем были рассчитаны средние скорости абляции в различных экспериментальных условиях.

Результаты

На рис. 3 показаны одиночные спектры плазмы, полученные при облучении импульсом с энергией 16 мкДж. Совершенно очевидно, что линия кремния доминирует до 26-го кадра, поскольку линий хрома или меди практически не отслеживается. Поскольку лазер проходит расстояние более микрона за один выстрел, было невозможно различить слои хрома и меди, это означает, что средняя скорость абляции должна быть меньше толщины наблюдаемого слоя, чтобы изолировать его от других слоев. Различная энергия лазерного импульса дает разные средние скорости абляции, как показано на рис. 4.

Для достижения скрытого слоя металла потребовалось большее количество выстрелов с более низкой плотностью энергии и, соответственно, более низкой средней скорости абляции.

Рисунок 3. Сверление отверстия в слое кремния толщиной 32 мкм и спектры, полученные при последовательных лазерных выстрелах с энергией импульса 16 мкДж

Рисунок 4. Количество выстрелов до первого появления линий хрома и меди (светлые квадраты) и средние скорости абляции (сплошные кружки) для разных энергий на образце A

Рисунок 5. Сверление отверстия в слое кремния толщиной 32 мкм и спектры, полученные при последовательных лазерных выстрелах с энергией импульса 9,1 мкДж

Образец А был использован для этого эксперимента. Лазер был сфокусирован на кремниевой стороне образца при сверлении. Для этого эксперимента использованы несколько уровней энергии: 5,1 мкДж, 9,1 мкДж и 25,8 мкДж. На рис. 5. показаны спектры плазмы при однократной абляции импульсом 9,1 мкДж. Видно, что кремниевые спектры заметны до 28-го кадра, а затем внезапно исчезают. Это означает, что на 29-м кадре импульс достиг слоев хрома и меди.

Рисунок 6. Изображения образца-мишени спереди и сзади после 20, 30 и 40 выстрелов

Интересно отметить, что сигнатуры линий хрома и меди не видны на этих снимках. Это может происходить по двум причинам:

- во-первых, в цель проникает значительная ударная волна, что можно увидеть на снимке с повреждением поверхности, видимом на задней стороне после 20 выстрелов (рис. 6).  Ударная волна может затронуть хром и медь перед заключительной прорывной абляцией.

- во-вторых, последний выстрел будет направлять плазму в основном в направлении от лазера, и лишь небольшая часть плазмы будет распространяться в противоположном направлении. Сигналы от слоев хрома и меди будут значительно слабее и, возможно, затеряются на уровне фона.

Рисунок 7. Изображение абляционного кратера, полученного при облучении импульсом типа flat-top

Диаметр пятна составлял 60 мкм, как видно из рис.7. Кратер получен при облучении лазерным импульсом с энергией 38 мкДж.

На рисунке 8 показаны спектры однократного облучения, полученные нами для образца Б с толщиной верхнего слоя кремния 54 мкм. Линии хрома появляются на 1698-м выстреле, а меди - на 1703-м выстреле.

Рисунок 8. Сверление отверстия в кремниевом слое толщиной 54 мкм и спектры, полученные в результате последовательных лазерных выстрелов с энергией импульса 38 мкДж

Рисунок 9. Интегральные линии кремния, хрома и меди полученные поле выстрелов на разную глубину образца

На рис.9 показаны интегральные кривые профиля интенсивности. Интенсивность линии кремния начинает падать по мере того, как достигается слой хрома. Сначала интенсивность хрома увеличивается, а затем мы достигаем слоя меди – и интенсивность линии хрома падает. Поперечные сечения фактических отверстий для абляции представлены на рис. 10. Мы сделали 250, 500, 750, 1000, 1250 и 1500 непрерывных снимков и измерили окончательную глубину с использованием изображений с микроскопа.

Рисунок 10. Абляционный кратер в разрезе, полученный при выстреле импульсом с плотностью энергии 1,4 Дж/см²

Далее требуется рассчитать эффективность абляции как объем удаленного материала на единицу энергии импульса.

В первом эксперименте потребовалось произвести 27 выстрелов, чтобы просверлить кремниевый слой толщиной 32 мкм с помощью лазерных импульсов с энергией 16 мкДж. Форма кратера - цилиндрическая с изогнутым дном из-за формы функции Эйри. Принимая диаметр отверстия 9 мкм, объем абляции составил 2028 мкм³. Разделив это на количество выстрелов и падающую энергию, получили эффективность абляции кремниевого слоя в режиме высокой плотности энергии, равную 4,7 мкм³/мкДж.

Во втором эксперименте потребовалось произвести 1700 выстрелов для достижения аналогичного результата в слое кремния толищной 54 мкм, энергия импульса 38 мкДж. Получился кратер с диаметром 60 мкм. Объем 1,53 × 105 мкм³. Эффективность абляции в этом случае составила 2,3 мкм³/мкДж. Сходные экспериментальные параметры применялись для абляции кремниевого слоя на длине волны 800 нм с помощью лазерных импульсов 120 фс (FWHM) в диапазоне энергий от 0,1 до 10 мкДж.

Заключение

Изучена эффективность использования фемтосекундных лазеров в методе лазерно-индуцированной спектроскопии пробоя (LIBS) и лазерной абляции. Небольшое фокальное пятно абляции позволило достичь высокой скорости сверления - примерно 1 мкм за импульс. Продемонстрировано разрешение по глубине (30 нм), необходимое для точного определения глубины слоев хрома и меди под толстым слоем кремния. Эффективность удаления материала составила от 2,3 до 4,7 мкм³/мкДж в режимах низкой и высокой плотности потока энергии соответственно.

Сопутствующие товары: фемтосекундные короткоимпульсные лазеры, вспомогательная оптика, микрообъективы, спектрометры

©Appl. Phys A (2013) p. 791-798

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Mitutoyo, CNI, Avantes, Edmund Optics на территории РФ