Введение к работе
Актуальность темы исследований. В современной электронике для производства различных полупроводниковых приборов и микросхем применяется широкий спектр материалов и многослойных структур. Дальнейшее совераенствование технологии производства полупроводниковых материалов также связано с повышением эффективности производственного и лабораторного контроля, от которого зависят качество выпускаемой продукции, размеры потерь на различных этапах производства и материальные затраты на сам контроль.
Среди основных тенденций развития методов и средств диагностики полупроводниковых материалов и структур можно выделить следующие:
разработка методов и средств неразрушающего безэлектродного, бесконтактного контроля;
создание универсальных измерительных средств многопараметро-вого контроля;
повышение локальности измерений и улучшение метрологических показателей.
Для контроля таких параметров полупроводников как удельная электропроводность ст ", время жизни Z , подвижность носителей заряда/; . фотопроводимостьд?9, диэлектрическая проницаемость , толщина пленок ft в многослойных структурах разработаны и широко применяется зондовые, оптические . эллипсометрический, вольтфарадный и другие методы. Однако, каждый из методов имеет свои границы применимости (часто довольно узкие ) и ограничения.
Среди неразруаавщих бесконтактных методов контроля получают развитие радиоволновые методы сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. Одним из актуальных направлений в развитии
этого класса методов является разработка СВЧ резонаторного фотомодуляционного метода, важным достоинством которого является принципиальная возможность проведения измерений fi , 6 , с , JJ , Є с одним измерительным преобразователем ( ИП ). Метод основывается на выявленной специфике в характере поведения сигнала Фотопроводимости при СВЧ смещении от электрофизических параметров контролируемого образца и от его положения в электромагнитном поле измерительного преобразователя с различными типами электромагнитных колебаний.
Однако, для практического использования указанного метода в научных исследованиях и в производственном контроле необходимо проведение дополнительных комплексных исследований, направленных на обеспечение локального контроля и достижения высоких метрологических показателей.
Цель работы: развитие СВЧ Фотомодуляционного метода диагностики полупроводниковых материалов в направлении расжирения диапазона значений измеряемых параметров материалов, повышения локальности и улучшения метрологических показателей.
Достижение поставленной цели требует режения следующих задач:
обоснования теоретической модели процесса возмущения полупроводником электромагнитного поля в СВЧ резонаторах, проведения исследований для обеспечения локальных измерений;
исследования характеристик ИП при изменении уровня включения образца в жироком диапазоне возможных значений удельной электро-^ проводности и толщины полупроводника:
исследования зависимости выходных измерительных сигналов от параметров резонатора для проведения синтеза ИП по критериям максимального значения диапазона измеряемых величин и минимальной погремнОсти;
разработки основных положений конструирования ИП:
анализа метрологических характеристик метода и средств контроля, выбора оптимальных режимов их работы.
Научная новизна работы. І. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования возмучения полупроводниковыми фоточувствительными структурами СВЧ электромагнитного поля резонаторних ИП с различными типами колебаний. Проведен анализ зависимости добротности, сдвига резонансной частоты и сигнала фотопроводимости от изменения в вироком диапазоне -уровня включения и параметров полупроводниковой структуры 6o6p,ho6p- , бобр. . В результате этого анализа обоснована возможность выбора таких выходных сигналов измерительной информации (уровень включения, изменение резонансной частоты, отстройка от резонансного режима при нулевом или экстремальном значениях сигнала фотопроводимости и т.п.), которые обеспечивают более высокие метрологические показатели.
-
Доказана правомерность основных положений метода при локальном фотовозбуждении полупроводника в Нот ИП и обоснованы различные технические варианты реализации локального контроля с ИП коаксиального и квазистатического типа.
-
Исследована зависимость выходных измерительных сигналов от параметров и вариантов конструкции измерительного преобразователя цля обеспечения возможности синтеза ИП по критериям максимального диапазона измерения бобр., ft обр. и заданной погревности измерений.
-
Проведены сравнительные исследования измерительных преобразователей Н -, Е -, ТЕН- и квазистатического типа в рамках рассматриваемого фотомодуляционного метода.
-
Разработаны способ и устройство контроля диэлектрической проницаемости фотомодуляционным методом. Выработаны рекомендации ря уменьшения погревности измерений подвижности и времени жизни носителей заряда фазовым фотомодуляционным методом на СВЧ.
Основные научные полоаениа и результаты, выносимые на защиту:
1. Эффекты перераспределения электромагнитного поля в объем
ных СВЧ резонаторах полупроводниковым слоистым образцом, приводя
щие к аномальным по знаку сигналам фотопроводимости и фотоперест
ройки резонатора при СВЧ смещении, качественно единообразны для
локального и полного фотовозбуждения образца. »
2. На характеристики объемного резонатора ( добротность Q ,
резонансную частоту Ш , сигнал фотопроводимости л уф при изме
нении уровня включения АН полупроводникового образца в электро
магнитном поле резонатора оказывает существенное влияние процесс
перераспределения поля в различных частях резонатора. Сущность
его состоит в вытеснении (экранировании) поля из образца в сво
бодную часть резонатора. Зто приводите относительному уменьшению
потерь в образце и к увеличению добротности ИП. Сигнал фотопрово
димости при этом уменьшается вплоть до смены знака с положитель
ного ікак у полупроводников с малыми потерями) на отрицательный
(как у экранирующих образцов).
-
9 квазистатических и коаксиальных резонаторних ИП, как и у объемных, также существует смена знака сигналов фотопроводимости и фотоперестройки от параметров образца. Однако, связано это, во-первых, со спецификой поляризации слоистой полупроводниковой структуры и, во-вторых, с влиянием на коэффициент передачи (отражения) частотной расстройки, вызванной образцом.
-
Сравнительный анализ характеристик преобразования резонаторов Н -, Е -, ТЕН- и квазистатического типов для измерения параметров неэкранирующих образцов фотомодуляционным методом показывает преимущество Нот- резонатора при контроле высокоомных полупроводников, ТЕН - резонатора для более низкоомных образцов, квазистатического резонатора - при контроле отклонения удельной электропроводности от номинального значения.
5. При оптимальном синтезе резонаторних ИП для СВЧ фотомоду-ляционной диагностики полупроводниковых материалов основные ограничения связаны - с НИЗН1Ш пределом допустимого уменьшения добротности ИП с образцом, минимально регистрируемыми сигналами фотопроводимости и фотоперестройки , стабильность^! СБЧ генератора, локальностью измерении. Наиболее эффективным приемом расширения диапазона измерения величины электропроводности и толщины образцов является переход к использованию набора ИП с различной рабочей частотой СВЧ-генератора в диапазоне і - 37.5 ГГц и с различными типами колебаний.
Практическая ценность работы состоит в развитии СБЧ резонаторного фотомодуляционного метода и разработке средств нногопара-метрового контроля электрофизических параметров ( (5 , h . Г , nj , ) полупроводниковых материалов и структур.
Разработанные при выполнении диссертационной работы приборы и методики измерений могут найти применение на предприятиях радиоэлектронной промызленности, приборостроения в научно-исследовательских организациях.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа связана с направлением научно-исследозательских работ, проводимых на кафедре микроэлектроники Харьковского института радиоэлектроники, и выполнялась в рамках тем "Разработка КИО для контроля электрофизических и геометрических параметров полупроводниковых структур" в соответствии с постановлением ГКНТ Н 555 от 30.10.85 г.. "Разработка новых высокоэффективных методов и приборных средств не-разруаагощего контроля и диагностики в технологии микроэлектроники, маииностроения и производства товаров народного потребления", в соответствии с приказом Минвуза Украины, N 65 от 23.03.90 г.
Результаты диссертации использованы при выполнении следующих хоздоговорных научно-исследовательских работ N 88-30 ( N ГР
01890001288 ). N 89-93 ( N ГР 01900026898 ) и внедрены на Светло-водском заводе чистых металлов и Центральном научно-исследовательском институте измерительной аппаратуры( г. Саратов ).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на меаотраслевом научно-техническом семинаре "Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике" ( Харьков, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции "Оптический, радиоволновый и тепловой методы неразрушающего контроля " (Могилев, 1989), 3 Всесоюзной конференции по физике и технологии полупроводниковых пленок ( Ивано-Франковск, 1990), IU Всесоюзной конференции " Контроль толщины покрытий и его метрологическое обеспечение" (Ижевск, 1990 ), Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологические проблемы микроэлектроники" (Менделеево, 1991), 1-м республиканском симпозиуме " Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн " ( Харьков, 1991).
Публикации. По результатам выполненных в диссертационной работе исследований опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов , заключения и списка использованных источников.
Работа изловена на 140 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 4 таблицы, список использованных источников из 103 наименований.
