फोटो-प्रतिबिंब

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फोटो-प्रतिबिंब पतली फिल्मों की सामग्री और इलेक्ट्रॉनिक गुणों की जांच के लिए एक ऑप्टिकल तकनीक है। फोटो-प्रतिबिंब एक आयाम संग्राहक विद्युत चुम्बकीय विकिरण बीम के आवेदन के जवाब में एक नमूने के प्रतिबिंब में परिवर्तन को मापता है। सामान्य तौर पर, एक फोटो-रिफ्लेक्टोमीटर में एक तीव्रता मॉड्यूलेटेड पंप लाइट बीम होता है जिसका उपयोग नमूने की परावर्तकता को संशोधित करने के लिए किया जाता है, एक दूसरी जांच प्रकाश किरण का उपयोग नमूने के प्रतिबिंब को मापने के लिए किया जाता है, पंप और जांच बीम को निर्देशित करने के लिए एक ऑप्टिकल सिस्टम नमूना, और परावर्तित जांच प्रकाश को एक फोटोडिटेक्टर पर निर्देशित करने के लिए, और अंतर प्रतिबिंब को रिकॉर्ड करने के लिए एक सिग्नल प्रोसेसर। पंप लाइट को आम तौर पर ज्ञात आवृत्ति पर संशोधित किया जाता है ताकि अवांछित शोर को दबाने के लिए लॉक-इन एम्पलीफायर का उपयोग किया जा सके, जिसके परिणामस्वरूप पीपीएम स्तर पर प्रतिबिंब परिवर्तन का पता लगाने की क्षमता होती है।

1960 के दशक के उत्तरार्ध से अर्धचालक नमूनों के लक्षण वर्णन के लिए फोटो-प्रतिबिंब की उपयोगिता को मान्यता दी गई है। विशेष रूप से, पारंपरिक फोटो-परावर्तन विद्युत-प्रतिबिंब से निकटता से संबंधित है[1][2][3][4] उसमें नमूने के आंतरिक विद्युत क्षेत्र को इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्मों के फोटो-इंजेक्शन द्वारा संशोधित किया जाता है।[5][6] सेमीकंडक्टर इंटरबैंड ट्रांज़िशन के पास इलेक्ट्रो-रिफ्लेक्टेंस प्रतिक्रिया तेजी से चरम पर है, जो सेमीकंडक्टर लक्षण वर्णन में इसकी उपयोगिता के लिए जिम्मेदार है।[7][8][9][10][11] फोटो-परावर्तन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना, आंतरिक विद्युत क्षेत्र और अन्य भौतिक गुणों जैसे क्रिस्टलीय, सामग्री विज्ञान, शारीरिक तनाव और डोपिंग (सेमीकंडक्टर) को निर्धारित करने के लिए किया गया है।[12][13][14][15][16][17][18]


व्युत्पत्ति

फोटो-प्रतिबिंब या फोटोरिफ्लेक्टेंस नाम को फोटो-संग्राहक परावर्तन शब्द से छोटा किया गया है, जो एक नमूने के प्रतिबिंब को खराब करने के लिए एक तीव्रता संग्राहक प्रकाश किरण के उपयोग का वर्णन करता है। तकनीक को संशोधित फोटो-प्रतिबिंब, संग्राहक ऑप्टिकल प्रतिबिंब, और फोटो-संशोधित ऑप्टिकल प्रतिबिंब के रूप में भी संदर्भित किया गया है। यह कम से कम 1967 से जाना जाता है।[19]


मूल सिद्धांत

फोटो-परावर्तन एक विशेष रूप से सुविधाजनक प्रकार का मॉडुलन स्पेक्ट्रोस्कोपी है, क्योंकि यह कमरे के तापमान पर किया जा सकता है और केवल नमूने की एक प्रतिबिंबित सतह की आवश्यकता होती है।[20] यह सेमीकंडक्टर फिल्मों की सामग्री और इलेक्ट्रॉनिक गुणों के गैर-संपर्क निर्धारण के लिए एक स्थापित उपकरण है। रेफरी>{{cite journal | last1=Bottka | first1=N. | last2=Gaskill | first2=D. K. | last3=Sillmon | first3=R. S. | last4=Henry | first4=R. | last5=Glosser | first5=R. | title=मॉड्यूलेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी इलेक्ट्रॉनिक सामग्री लक्षण वर्णन के लिए एक उपकरण के रूप में| journal=Journal of Electronic Materials | publisher=Springer Science and Business Media LLC | volume=17 | issue=2 | year=1988 | issn=0361-5235 | doi=10.1007/bf02652147 | pages=161–170| bibcode=1988JEMat..17..161B | s2cid=96138237 }</ref> फोटो-प्रतिबिंब में, एक पंप लेजर बीम का उपयोग अर्धचालक नमूने (फोटो-इंजेक्शन के माध्यम से) में मुक्त चार्ज घनत्व को संशोधित करने के लिए किया जाता है, जिससे एक या अधिक भौतिक मात्राएं (जैसे आंतरिक विद्युत क्षेत्र) को संशोधित किया जाता है। मापा संकेत ΔR परावर्तित जांच प्रकाश के आयाम में परिवर्तन है क्योंकि तीव्रता संग्राहक पंप विकिरण नमूना के साथ इंटरैक्ट करता है। सामान्यीकृत संकेत ΔR/R है, अर्थात परावर्तन (AC) में पंप-प्रेरित परिवर्तन को आधार रेखा परावर्तन (DC) से विभाजित किया जाता है। पारंपरिक फोटो-प्रतिबिंब उपकरण जांच बीम के लिए एक स्पेक्ट्रोस्कोपिक स्रोत का उपयोग करता है, जैसे कि जांच प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के एक समारोह के रूप में संकेत दर्ज किया जा सकता है। आम तौर पर, संकेत लिखा जा सकता है:

जहां ΔR/R परावर्तन में सामान्यीकृत परिवर्तन है, α (≡1/R×∂R/∂ε1) और β (≡1/R×∂R/∂ε2) सेराफिम गुणांक हैं जिसमें पूर्ण स्टैक जानकारी और Δε शामिल हैं1 और डे2 जटिल ढांकता हुआ कार्य में पंप प्रेरित परिवर्तन हैं।[21] हालांकि, पारंपरिक फोटो-प्रतिबिंब विश्लेषण में, सिग्नल के अपवर्तक और अवशोषक घटकों (क्रमशः ΔR/R में पहला और दूसरा शब्द) को स्वतंत्र रूप से निर्धारित करना आवश्यक नहीं है। बल्कि, डेविड ई. एस्पन्स द्वारा दिए गए तीसरे व्युत्पन्न कार्यात्मक रूप का उपयोग करके समग्र संकेत के लिए एक फिट किया जाता है।[20]यह फिट प्रक्रिया इंटरबैंड ट्रांज़िशन ऊर्जा, एम्पलीट्यूड और चौड़ाई उत्पन्न करती है। हालाँकि, क्योंकि संकेत क्षोभ की एकरूपता पर निर्भर करता है, ऐसे मापदंडों के निष्कर्षण को सावधानी से व्यवहार किया जाना चाहिए।[22][23]


प्रायोगिक सेटअप

पारंपरिक फोटो-प्रतिबिंब प्रयोगात्मक सेटअप घटना जांच बीम बनाने के लिए एक मोनोक्रोमेटर के माध्यम से पारित एक क्सीनन या टंगस्टन आधारित दीपक स्रोत का उपयोग करता है। पंप बीम एक सतत तरंग (सीडब्ल्यू) लेजर (उदाहरण के लिए एक हीलियम नियॉन लेजर | हे-ने या हे-सीडी लेजर) के आउटपुट द्वारा एक हेलिकॉप्टर व्हील के माध्यम से पारित किया जा सकता है, या सीधे मॉड्यूलेटेड के आउटपुट द्वारा गठित किया जा सकता है लेज़र डायोड। पंप बीम को नमूने पर उस स्थान पर केंद्रित किया जाता है जहां यह नमूने के साथ इंटरैक्ट करता है। जांच बीम उस नमूने पर सह-केंद्रित है जहां यह परिलक्षित होता है। परावर्तित प्रोब बीम एकत्र किया जाता है और किसी भी अवांछित पंप प्रकाश और/या फोटोलुमिनेसेंस सिग्नल को खत्म करने के लिए एक ऑप्टिकल फिल्टर के माध्यम से पारित किया जाता है। इसके बाद प्रोब बीम को एक फोटोडेटेक्टर (जैसे Si या InGaAs photodiode ) पर निर्देशित किया जाता है, जो जांच की तीव्रता को एक विद्युत संकेत में परिवर्तित करता है। अवांछित शोर को खत्म करने के लिए विद्युत सिग्नल को संसाधित किया जाता है, आमतौर पर एक चरण लॉक लूप का उपयोग किया जाता है। लॉक-इन सर्किट को मॉडुलन आवृत्ति के संदर्भ में संदर्भित किया जाता है। फोटो-परावर्तन संकेत को कंप्यूटर या इसी तरह के उपयोग से जांच बीम तरंगदैर्ध्य के एक समारोह के रूप में दर्ज किया जाता है।[12][24][25]


प्रायोगिक विचार

फोटो-परावर्तन में, नमूना का आंतरिक विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़े के फोटो-इंजेक्शन द्वारा संशोधित होता है (इस प्रकार अव्यक्त क्षेत्र को कम करता है)। फोटो-इंजेक्शन प्राप्त करने के लिए, पंप बीम में फोटॉनों की ऊर्जा नमूने के भीतर सामग्री के ऊर्जा अंतराल से अधिक होनी चाहिए। इसके अलावा, कम या बिना विद्युत क्षेत्र वाले अर्धचालक बहुत कम या कोई विद्युत-प्रतिबिंब प्रतिक्रिया प्रदर्शित नहीं करेंगे। हालांकि यह स्थिति आम नहीं है, यह बिंदु कम से कम जांच की तीव्रता को बनाए रखने के महत्व को स्पष्ट करता है, क्योंकि जांच से इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े का कोई भी फोटो-इंजेक्शन आवश्यक रूप से अव्यक्त क्षेत्र को कम करके नमूना आधारभूत स्थिति को ऑफसेट करेगा।[26][27] (इसी तरह, पंप का कोई भी सीडब्ल्यू घटक अवांछनीय है।) इसके विपरीत, यदि जांच की तीव्रता बहुत कम है, तो पारंपरिक फोटोडायोड के साथ पता लगाना संभव नहीं हो सकता है। एक और विचार यह है कि प्रायोगिक संकेतों के छोटे आकार (~ppm) और मॉडुलन आवृत्ति पर केंद्रित एक संकीर्ण बैंडविड्थ के बाहर शोर को अस्वीकार करने के लिए चरण-लॉक पहचान विधियों की अद्वितीय क्षमता के कारण फेज-लॉक डिटेक्शन एक व्यावहारिक आवश्यकता है।

अनुप्रयोग

फोटो-प्रतिबिंब एक अत्यधिक संवेदनशील माप तकनीक है और पतली फिल्मों की सामग्री और इलेक्ट्रॉनिक गुणों को चिह्नित करने के लिए बेजोड़ क्षमता प्रदान करती है। सेमीकंडक्टर बैंडस्ट्रक्चर (कमरे के तापमान पर भी) को सटीक रूप से निर्धारित करने की क्षमता के कारण सेमीकंडक्टर्स पर बुनियादी शोध में फोटो-प्रतिबिंब विशेष रूप से महत्वपूर्ण रहा है। एक ऑप्टिकल तकनीक के रूप में, फोटो-प्रतिबिंब औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए अनुकूल दिखाई देगा क्योंकि यह गैर-संपर्क है, और क्योंकि इसका स्थानिक संकल्प अच्छा है। हालांकि, स्पेक्ट्रोस्कोपिक जानकारी की आवश्यकता माप की गति को सीमित करती है, और परिणामस्वरूप microelectronics निर्माण की प्रक्रिया नियंत्रण जैसे औद्योगिक अनुप्रयोगों में स्पेक्ट्रोस्कोपिक फोटो-प्रतिबिंब को अपनाना।

फिर भी, जहां स्पेक्ट्रोस्कोपिक जानकारी की आवश्यकता नहीं है, सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रिया नियंत्रण में फोटो-प्रतिबिंब तकनीकों को लागू किया गया है। उदाहरण के लिए, 1980 के दशक के अंत में, थर्मो-वेव, इंक. ने सेमीकंडक्टर प्रक्रिया नियंत्रण उपकरण के लिए बाजार में थर्मो-प्रोब फोटो-संग्राहक परावर्तन प्रणाली की शुरुआत की। मूल थर्मा-प्रोब ने एक तीव्रता संग्राहक पंप लेजर बीम को एक सिलिकॉन नमूने पर एक स्थान पर केंद्रित किया, नमूना परावर्तन को संशोधित किया। 633 नैनोमीटर वेवलेंथ के संयोगी लेजर प्रोब बीम द्वारा परावर्तकता परिवर्तनों का पता लगाया गया। इस तरंग दैर्ध्य पर कोई विद्युत-परावर्तन संकेत मौजूद नहीं है, क्योंकि यह सिलिकॉन में किसी भी इंटरबैंड संक्रमण से बहुत दूर है। बल्कि, थर्मो-प्रोब सिग्नल के लिए जिम्मेदार तंत्र थर्मो-मॉड्यूलेशन और ड्रूड मुक्त वाहक प्रभाव हैं।[28][29][30] सिलिकॉन सेमीकंडक्टर निर्माण में आयन आरोपण प्रक्रिया की निगरानी के लिए मुख्य रूप से थर्मो-प्रोब का उपयोग किया गया था।[31] माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक निर्माण के प्रक्रिया नियंत्रण में थर्मो-प्रोब जैसे मापन प्रणाली विशेष रूप से वांछनीय हैं क्योंकि वे वेफर से संपर्क किए बिना या साफ कमरे से वेफर को हटाए बिना प्रक्रिया चरणों के सही निष्पादन को जल्दी से सत्यापित करने की क्षमता प्रदान करते हैं।[32] आम तौर पर वेफर के कुछ क्षेत्रों पर कई माप किए जाएंगे और अपेक्षित मूल्यों की तुलना की जाएगी। जब तक मापा मूल्य एक निश्चित सीमा के भीतर होते हैं, वेफर्स को निरंतर प्रसंस्करण के लिए पास किया जाता है। (इसे सांख्यिकीय प्रक्रिया नियंत्रण के रूप में जाना जाता है।) इम्प्लांट प्रक्रियाओं के प्रक्रिया नियंत्रण के लिए विपणन की जाने वाली अन्य फोटो-मॉड्युलेटेड परावर्तन प्रणालियां हैं, PVA TePla AG द्वारा विपणन की गई TWIN मेट्रोलॉजी प्रणाली, और PMR-3000 का विपणन Semilab Co. Ltd (मूल रूप से Boxer-Cross, Inc.) द्वारा किया जाता है।

हालांकि, 2000 के दशक के मध्य तक, नई निर्माण प्रक्रियाओं को नई प्रक्रिया नियंत्रण क्षमताओं की आवश्यकता थी, उदाहरण के लिए नए प्रसार-रहित तेजी से थर्मल प्रसंस्करण और उन्नत तनावपूर्ण सिलिकॉन प्रक्रियाओं के नियंत्रण की आवश्यकता। इन नई प्रक्रिया नियंत्रण आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, 2007 में, Xitronix Corporation ने सेमीकंडक्टर प्रक्रिया नियंत्रण बाजार में एक फोटो-प्रतिबिंब प्रणाली पेश की। थर्मो-प्रोब की तरह, ज़िट्रोनिक्स मेट्रोलॉजी सिस्टम ने लेजर द्वारा उत्पन्न एक निश्चित तरंगदैर्ध्य जांच बीम का उपयोग किया। हालांकि, सिलिकॉन में पहले प्रमुख इंटरबैंड संक्रमण के पास, ज़िट्रोनिक्स प्रणाली के जांच बीम में लगभग 375 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य थी। इस तरंग दैर्ध्य पर इलेक्ट्रो-मॉड्यूलेशन सिग्नल प्रमुख होता है, जिसने एक्सट्रोनिक्स सिस्टम को प्रसार-कम एनीलिंग प्रक्रियाओं में सक्रिय डोपिंग एकाग्रता को सटीक रूप से मापने में सक्षम बनाया।[33] इस प्रोब बीम वेवलेंथ ने तनावपूर्ण सिलिकॉन प्रक्रियाओं में तनाव के लिए उत्कृष्ट संवेदनशीलता भी प्रदान की।[34] हाल ही में, वाहक प्रसार वर्तमान लंबाई, वाहक जीवनकाल और इलेक्ट्रॉन गतिशीलता के सटीक माप के लिए लेजर फोटो-प्रतिबिंब प्रौद्योगिकी का उपयोग प्रदर्शित किया गया है।[35][36]


स्पेक्ट्रोस्कोपिक बनाम लेजर फोटो-प्रतिबिंब

स्पेक्ट्रोस्कोपिक फोटो-प्रतिबिंब एक व्यापक बैंड जांच प्रकाश स्रोत को नियोजित करता है, जो अवरक्त से पराबैंगनी तक तरंग दैर्ध्य को कवर कर सकता है। पारंपरिक तीसरे व्युत्पन्न कार्यात्मक रूप के साथ स्पेक्ट्रोस्कोपिक फोटो-प्रतिबिंब डेटा को फिट करके, इंटरबैंड संक्रमण ऊर्जा, आयाम और चौड़ाई का एक व्यापक सेट प्राप्त किया जा सकता है, जो ब्याज के नमूने के इलेक्ट्रॉनिक गुणों का अनिवार्य रूप से पूर्ण लक्षण वर्णन प्रदान करता है। हालांकि, प्रोब लाइट इंटेंसिटी को कम से कम रखने की आवश्यकता और फेज-लॉक्ड डिटेक्शन की व्यावहारिक आवश्यकता के कारण, स्पेक्ट्रोस्कोपिक फोटो-रिफ्लेक्शन माप क्रमिक रूप से किए जाने चाहिए, यानी एक समय में एक वेवलेंथ की जांच करें। यह बाधा स्पेक्ट्रोस्कोपिक फोटो-प्रतिबिंब माप की गति को सीमित करती है, और सावधानीपूर्वक फिट प्रक्रिया की आवश्यकता के साथ मिलकर, स्पेक्ट्रोस्कोपिक फोटो-प्रतिबिंब को विश्लेषणात्मक अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त बनाती है। इसके विपरीत, लेजर फोटो-प्रतिबिंब एक एकरंगा प्रकाश स्रोत को नियोजित करता है, और इसलिए यह औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। इसके अलावा, आमतौर पर सामना की जाने वाली स्थितियों में, फोटो-प्रतिबिंब सिग्नल के अपवर्तक घटक को अलग करने के लिए लेजर जांच बीम के सुसंगत वेवफ्रंट का उपयोग किया जा सकता है, जो डेटा विश्लेषण को बहुत सरल करता है।[37]


लाभ

  • फोटो-परावर्तन, विभेदक परावर्तन को एक भाग प्रति मिलियन के रूप में मापता है, जबकि दीर्घवृत्त और/या मानक परावर्तन माप प्रति हज़ार एक भाग के क्रम में विभेदक परावर्तन को मापता है।
  • फोटो-प्रतिबिंब स्पेक्ट्रा इंटरबैंड संक्रमण ऊर्जा पर स्थानीयकृत तेज व्युत्पन्न जैसी संरचनाओं को प्रदर्शित करता है, जबकि इलिप्सोमेट्री और/या मानक परावर्तन व्यापक रूप से धीरे-धीरे बदलते स्पेक्ट्रा को प्रदर्शित करता है।
  • एक विशेष तरंग दैर्ध्य पर फोटो-परावर्तन प्रतिक्रिया आमतौर पर नमूने के भीतर विशिष्ट सामग्रियों तक सीमित विशिष्ट इंटरबैंड संक्रमणों से उत्पन्न होती है।
  • फेज-लॉक्ड डिटेक्शन विधियों का उपयोग करके, परिवेश (नॉनसिंक्रोनस) प्रकाश फोटो-प्रतिबिंब माप को प्रभावित नहीं करता है।
  • एक लेजर जांच बीम का उपयोग करके, फोटो-प्रतिबिंब प्रतिक्रिया के अपवर्तक भाग को स्पेक्ट्रोस्कोपिक डेटा लेने या फिट प्रक्रिया करने की आवश्यकता के बिना अलग किया जा सकता है।
  • तीन दशकों से अधिक समय से माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक निर्माण के लिए सांख्यिकीय प्रक्रिया नियंत्रण में लेजर फोटो-प्रतिबिंब साबित हुआ है।

यह भी देखें

संदर्भ

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अग्रिम पठन

  • Semiconductors and Semimetals, Vol. 9 ("Modulation Techniques"), edited by R.K Willardson and A.C. Beer, (Academic Press, New York, 1972). ISBN 0-12-752109-7
  • F.H. Pollack, "Modulation Spectroscopy of Semiconductors and Semiconductor Microstructures," in Handbook on Semiconductors, Vol. 2 ("Optical Properties of Semiconductors"), edited by M. Balkanski, pp. 527–635 (North-Holland, Amsterdam, 1994). ISBN 0 444 89101 3
  • A.M. Mansanares, "Optical Detection of Photothermal Phenomena in Operating Electronic Devices: Temperature and Defect Imaging," in Progress in Photothermal and Photoacoustic Science and Technology, Vol. 4 ("Semiconductors and Electronic Materials"), edited by A. Mandelis and P. Hess, pp. 73–108 (SPIE Press, Bellingham, WA, 2000). ISBN 0-8194-3506-6
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