Введение к работе
Актуальность темы Необходимость непрерывного улучшения качества активных электронных элементов, увеличения возможностей влияния на качество на различных этапах технологического цикла и улучшения параметров устройств, в которых применяются эти элементы, стимулируют поиски новых и расширение диапазона применения нетрадиционных принципов нераарушающего контроля качества и разработку на их основе способов, ориентированных на конкретные типы изделий. В основе одного из таких принципов лежит использование информации, содержащейся в характеристиках низкочастотных флуктуации токов и напряжений в цепях электронных элементов. В соответствии с известными физическими представлениями, флуктуации токов и напряжений в значительной степени отражают существование дефектов в контролируемых изделиях и могут рассматриваться поэтому как информативные параметры. В настоящее время известны и находят применения способы диагностики и прогнозирования надежности на основе измерения шумовых параметров для отдельных типов полупроводниковых активных элементов и полупроводниковых резисторов. В то же время расширение диапазона контролируемых изделий и увеличение эффективности контроля ограничивается рядом факторов, среди которых основную роль играет отсутствие общей концепции при разработке шумовых способов контроля, что обусловлено недостаточностью существующих модельных представлений о механизме возникновения шумов различных типов в низкочастотной области, их связи со свойствами структуры и средствах разделения при измерениях. Для электровакуумных электронных приборов с низкотемпературными эффективными катодами, составляющих заметную и неотъемлемую часть современной элементной базы, дополнительным к указанным выше факторам является отсутствие или недостаточность модельных представлений о влиянии на уровень низкочастотных шумов условий токоотбора с поверхности катода. Для всех типов электронных приборов широкое применение способов контроля на основе измерения низкочастотных шумовых параметров сдер-
живается также отсутствием доступного оборудования с необходимым уровнем автоматизации для массовых измерении и легко адаптируемым к условиям производства.
В настоящей работе развита концепция разработки и совершенствования шумовых способов оценки качества активных электронных элементов, основанная на представлениях о поверхности, границах раздела различных сред и периферийных областях структуры, как местах преимущественной локализации информативных источников шума для арсенидгаллиевых полупроводниковых С8Ч-приборов и структур, а также для электровакуумных приборов с оксидным катодом. На базе этой концепции разработаны модели фликкерной и генерационно-ре-комбинационной компонент поверхностно-барьерного шума, а для электровакуумных приборов, кроме того, раэработана модель, учитывающая условия отбора тока с поверхности катода в рабочих режимах. С помощью указанных моделей, а также путем физического и статистического моделирования найдены новые эффективные способы, позволяющие прогнозировать выходные параметры изделий посредством измерения их низкочастотных шумов в специально подобранных условиях на ранних стадиях технологического цикла, а также значительно улучшить параметры устройств посредством рациональной разбраковки используемых в них активных элементов. Для ряда электронных приборов найдены не имеющие в настоящее время аналогов способы прогнозирования деградации параметров в процессе длительной работы. Рааработан комплекс аппаратуры, позволяющий испольэовать шумовые способы контроля в условиях массового производства с высоким уровнем автоматизации.
Цель работы: Разработка способов и средств контроля качества электронных приборов на основе моделирования информативных компонент низкочастотного шума при локализации основных источников их возникновения в периферийных областях структуры вблизи поверхности и на границе раздела различных сред.
Основные положения, выносимые на защиту. - Раздельное моделирование основных компонент низкочастотного шума, оптимизация условий измерения шума в температурно-частотном диапазоне и структуры алгоритма обобщенного контролирующего шумового параметра являются эффективным средством разработки шумовых
- Б -способов контроля качества электронных приборов.
Измерение, анализ и компьютерное моделирование кривых температурного шумового сканирования представляют эффективный инструмент экспериментального изучения генерационно-рекомбинационных компонент низкочастотного шума полупроводниковых структур, эффективный вариант шумовой спектроскопии и поиска шумовых способов контроля качества полупроводниковых приборов и структур.
Изучение, анализ и компьютерное моделирование кривых токового шумового зондирования представляют новый эффективный инструмент диагностирования катодов в электровакуумных приборах и средство поиска способов оценки качества электровакуумных приборов.
Общая для арсенидгаллиевых активных СБЧ-элементов и структур, а также для полупроводниковых термокатодов модель фликкерной компоненты низкочастотного шума связывает его уровень с размерами активной области, электрофизическими характеристиками, температурным и токовым режимами и местами локализации преимущественно на периферии активной области, вблизи поверхности и на границах раздела рааличных сред.
Уровень фликкерной компоненты низкочастотных шумов отбираемого катодного тока в электровакуумных приборах с термокатодом в широком диапазоне температурного и токового режимов определяется демпфирующим влиянием прикатодного пространственного заряда, рассчитываемым с учетом исходного характера флуктуации работы выхода.
Группа шумовых способов контроля качества, рааработанных при реализации приоритетных направлений поиска и с использованием предложенных средств, обладает высокой эффективностью и не имеет аналогов среди традиционно применяемых.
Научная новизна.
Установлена значительная роль генерационно-рекомбинационных компонент низкочастотного шума полупроводниковых приборов как информативных шумовых параметров при разработке не имеющих аналогов способов контроля качества.
Предложен и разработан метод компьютерного моделирования кривых температурного шумового сканирования, являющийся средством для раздельного изучения компонент низкочастотного шума, шумовой спектроскопии и поиска эффективных способов контроля качества электронных приборов.
Предложено токовое шумовое зондирование и компьютерное моделирование как новый метод диагностирования катодов, представляющий основу для поиска эффективных способов контроля качества электровакуумных приборов.
Разработала и экспериментально подтверждена поверхностно-барьерная модель фликкерной компоненты низкочастотного шума для арсенидгалливых активных СВЧ-элементов и полупроводниковых термокатодов, устанавливающая свяеь абсолютного уровня шума с размерами активной области, электрофизическими характеристиками, токовым и температурным режимами.
Предложена и экспериментально подтверждена теория демпфирования шумов катодного тока в электровакуумных приборах с термокатодом, представляющая количественную основу для расчета абсолютного уровня шумов при различных температурах и токовых нагрузках катода.
Практическая ценность.
-
Определены перспективные направления поиска эффективных способов контроля качества электронных приборов по характеристикам низкочастотного шума.
-
Найдены средства для осуществления такого контроля - рабочие модели основных компонент низкочастотного шума, компьютерное моделирование кривых шумового температурного сканирования и токового шумового зондирования, оптимизация структуры алгоритма контролирующего обобщенного шумового параметра и оптимизация условий измерения НЧ-шумов в температурно-частотном диапазоне.
-
Создан комплекс многовариантной и многофункциональной аппаратуры для реализации способов контроля с различным уровнем автоматизации, включая системы для проведения выборочного и массового контроля в производственных условиях.
Реализация результатов. Результаты работы внедрены на предприятиях по разработке и изготовлению активных электронных элементов и устройств на их основе в виде способов формирования заказных групп изделий с улучшенными качественными показателями (НИИПП г.Томск, НПО "Исток", завод "ЗЗЛТА"), методики использования шумовых параметров при оптимизации технологических процессов (НИШШ) и снижении эмиссионных браков ("ЗаЛТА"), для повышения надежности устройств (НПО "Ис-
- 7 -ток"), а также аппаратуры для контроля шумовых параметров (НИИПП, "ЗЭЛТА").Предложенные способы расчёта шумовых характеристик электровакуумных приборов использованы при разработке приборов и устройств для измерения малых перемещений на предприятии ОКБ МЭЛЗ.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы были представлены на 25 научных конференциях и симпозиумах:
Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике (1973, 1976, 1984, 1994); Всесоюзная конференция "Флуктуационные явления в физических системах" (1982, 1985, 1988, 1991); Всесоюзная конференция "Физические основы надежности и деградации электронных приборов" (1982); Научно-техническая конференция по интегральной электронике СВЧ (19В2, 1988); Всесоюзная конференция по электронике СВЧ (1979, 1983, 1986); Всесоюзная конференция по твердотельной электронике СВЧ (1990); Республиканская научно-техническая конференция "Исследование и разработка современных радиоэлектронных элементов и устройств". Рига. 1989 г.; Всесоюзное совещание по исследованию арсенида галлия (1987); Всесоюзное совещание "Физика отказов" (1984); Научно-технический семинар Московского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им.А.С. Попова "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (1987, 1990, 1992, 1993, 1994); Всесоюзный семинар "Злектрофлуктуационная диагностика материалов и изделий микроэлектроники", Казань (1983); Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог (1994).
Публикации Основное содержание диссертации отражено в 26 печатных трудах и 4 авторских свидетельствах на изобретение. Общее количество печатных трудов по теме диссертации - 52.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографии и приложения. Изложена на 295 страницах машинописного текста, содержит 188 рисунков и 288 ссылок на литературные источники.
