Characterization of III-V materials by optical interferometry

(Received 10 November 1992, revised 10 June 1993, accepted 25 June 1993)

Abstract
Digital interference microscopy is a new measuring technique with submicron horizontal resolution and nanometric vertical resolution, that can be used for the three-dimensional analysis of surface defects and device features in many microelectronics applications on bulk materials and epitaxial layers. In this paper we show how certain defects can be analysed on III-V materials and devices using two different interferometric techniques. The choice of the technique depends on the height and the slope of the surface features to be measured. We show that small defects less than /2 in height, or surfaces with shallow continuous slopes upto one or two microns high are best profiled with the phase stepping technique (PSM) because of the high vertical resolution of 1 nm and the higher speed and precision. This is illustrated by studies of the surface polish of InP wafers, defects after chemical etching of tin doped InP, defects on an epitaxial layer of GaAs on InP and quantum dot structures on GaAs. For measuring devices which contain mesas and grooves with step heights greater than /2, the peak fringe scanning (PFSM) method is the better choice. The vertical resolution is slightly less (4 nm), but the vertical range is higher (upto 15  m) as demonstrated with the measurement of an etched groove in a laser/detector device on a quaternary layer on InP, and a MESFET device on GaAs. Compared with electron microscopy and the new near field scanning techniques, digital interference microscopy has the advantages of ease of use and speed of analysis and being able to resolve certain problems that are difficult or not possible by other means, such as profiling deep narrow etched grooves, or measuring the relief of a surface hidden under a transparent layer. The main disadvantages are that the horizontal resolution is limited to the resolving power of the objective and that errors due to variations in the optical properties of the sample need to be taken into account.

Résumé
La microscopie interférentielle numérique est une nouvelle méthode de mesure qui a une résolution latérale micronique et une résolution verticale nanométrique. Ceci est utile pour l'analyse tri-dimensionnelle des défauts de surface et de la forme des composants dans beaucoup d'applications sur les matériaux massifs et épitaxiés. Dans cet article nous démontrons comment certains défauts peuvent être analysés sur les matériaux et les composants III-V avec deux méthodes interférométriques différentes. La microscopie à saut de phase est mieux adaptée, avec sa résolution de 1 nm et sa meilleure précision, à la mesure des petits défauts de moins de /2 en hauteur, ou des surfaces avec des pentes douces et continues, jusqu'à une altitude de 1 ou 2  m. Ceci est illustré par les études du polissage de plaquettes d'InP, des défauts sur une couche épitaxiée de GaAs sur InP et des boîtes quantiques sur GaAs. Pour mesurer les motifs, les mésas et les sillons qui ont des marches de plus que /2, la microscopie à glissement de franges est le meilleur choix. La résolution verticale est un peu moins bonne que celle de la PSM (4 nm) mais la dynamique verticale est plus grande (15  m). Ceci est démontré par les mesures d'un sillon gravé dans une structure laser/détecteur sur une couche quaternaire sur InP et d'un MESFET sur GaAs. En comparaison avec la microscopie électronique et les méthodes de champ proche, la microscopie interférentielle numérique a les avantages de la facilité d'utilisation et de la rapidité. Elle est également capable de résoudre certains problèmes difficiles ou insolubles avec les autres techniques, comme par exemple le profil des sillons étroits, ou la mesure des reliefs enterrés sous une couche transparente. Les inconvénients sont la résolution latérale qui est limitée au pouvoir résolutif de l'objectif et l'introduction d'erreurs liées aux variations des propriétés optiques de l'échantillon qui doivent être prises en compte.