Локальный резонаторный СВЧ фотомодуляционный метод контроля параметров полупроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ХАРЬКОВСКИЙ ИНСТИТУТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Н.К.ЯНГЕЛЯ

Для слуаебного пользования На правах рукописи Экз. Н 33

!'риворучко Вячеслав Иванович

ЦДК 621.317.799:621.313.592

"ОКАЛЫШ РЕ30НАТ0РННН свч оотонодзляционнни

НЕТОД КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Специальность 01.04.03. - радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Харьковском ордена Трудового Красного Знамени институте радиоэлектроники имени академика М.К.Янгеля.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук.

профессор Гордиенко O.E.

Официальные оппоненты: доктор технических наук., профессор

Колпаков Н.Д..

доктор физико-математических наук, профессор Ахметмин А.М.

Ведущее предприятие: Светловодский завод чистых металлов

Защита диссертации состоится октября igg? г.

в J^L час. на заседании регионального специализированного совета К 068.37.02 в Харьковском институте радиоэлектроники по адресу: 310141. г. Харьков, пр. Ленина. 14.

С диссертацией moiho ознакомиться в библиотеке Харьковского института радиоэлектроники.

Автореферат разослан "_££_" С&ртрбрЯ 1992 г.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес института ученому секретарю специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совета Безрук В.И.

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 такве 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 мовно выделить сле-дувщие:

разработка методов и средств неразруващего безэлектродного, бесконтактного контроля;

создание универсальных измерительных средств многопараметро-вого контроля;

повывение локальности измерений и улучвение метрологических показателей.

Для контроля таких параметров полупроводников как удельная электропроводность б" время визни £ , подвианость носителей заряда р , фотопроводимость диэлектрическая проницаемость £ , толщина пленок А в многослойных структурах разработаны и вироко применяется зондовые, оптические . эллипсометрический, вольтфарадный и другие методы. Однако, кавдый из методов имеет свои границы применимости (часто довольно узкие ) и ограничения.

Среди неразрувавщих бесконтактных методов контроля получавт 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 А , 6 . Т , р , Е с одним измерительным преобразователем С 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 расмирения диапазона значений измеряемых параметров материалов, повыжения 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 вклвчения 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 погрежности;

разработки основных положений конструирования ИП:

анализа метрологических характеристик метода и средств контроля. выбора оптимальных режимов их работы.

Научная новизна работы.

1. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования возмучения полупроводниковыми фоточувствительными структурами СВЧ электромагнитного поля резонаторных ИП с различными типами колебаний. Проведен анализ зависимости добротности, сдвига резонансной частоты и сигнала фотопроводимости от изменения в вироком диапазоне -уровня вклпчения и параметров полупроводниковой структуры бобр,Л0ф>. . бобр. . В результате этого анализа обоснована воз-ыожность 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.

2. Доказана правомерность основных половений метода при локальном фотовозбувдении полупроводника в Нот ИП и обоснованы различные технические варианты реализации локального контроля с ИП коаксиального и квазистатического типа.

3. Исследована зависимость выходных измерительных сигналов от параметров и вариантов конструкции измерительного преобразователя цля обеспечения возможности синтеза ИП по критериям максимального диапазона измерения бобр. , Аобр. и заданной погревности измерений.

4. Проведены сравнительные исследования измерительных преобразователей Н -, Е -, ТЕН- и квазистатического типа в рамках рассматриваемого фотомодуляционного метода.

5. 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 объемных С6Ч резонаторах полупроводниковым слоистым образцом, приводящие к аномальным по знаку сигналам фотопроводимости и фотоперестройки резонатора при СВЧ смещении, качественно единообразны для локального и полного фотовозбуждения образца. »

2. На характеристики объемного резонатора ( добротность , резонансную частоту Ш , сигнал фотопроводимости при изменении уровня включения ДН полупроводникового образца в электромагнитном поле резонатора оказывает существенное влияние процесс перераспределения поля в различных частях резонатора. Сущность его состоит в вытеснении (экранировании) поля из образца в свободную часть резонатора. Зто приводите относительному уменьшению потерь в образце и к увеличению добротности ИП. Сигнал фотопроводимости при этом уменьшается вплоть до смены знака с положительного (как у полупроводников с малыми потерями) на отрицательный (как у экранирующих образцов).

3. 9 квазистатических и коаксиальных резонаторных 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.

4. Сравнительный анализ характеристик преобразования резонаторов Н -, Е -, ТЕН- и квазистатического типов для измерения параметров неэкранирующих образцов фотомодуляционным методом показывает преимущество Н(нп- 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 резонаторных ИП для СВЧ фотомодуляционной диагностики полупроводниковых материалов основные ограничения связана - с низним пределом допустимого уменьшения добротности ИП с образцом, минимально регистрируемыми сигналами фотопроводимости и фотоперестройки , стабильностью СВЧ генератора, локальностью измерений. Наиболее эффективный приемом расширения диапазона измерения величины электропроводности и толщины образцов является переход к использованию набора ИП с различной рабочей частотой СВЧ-генератора в диапазоне 1 - 37.5 ГГц и с различными типами колебаний.

Практическая ценность работы состоит в развитии СВЧ резона-торного фотомодуляционного метода и разработке средств нногопара-метрового контроля электрофизических параметров ( (5 , Л , Г , р , £ ) 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-разруааюцего контроля и диагностики в технологии микроэлектроники, машиностроения 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 поломения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ыеаотраслевоы научно-техническом семинаре "Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике" ( Харьков, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции "Оптический, радиоволновый и тепловой методы неразрушанщего контроля " (Могилев, 1989), 3 Всесоюзной конференции по физике и технологии полупроводниковых пленок ( Ивано-Франковск, 1990), 1и 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 изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 4 таблицы, список использованных источников из 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы многопараметро-вого беззлектродного контроля электрофизических параметров полупроводниковых материалов и эпитаксиальных пленок на высокоомных подложках, сформулированы цель и задачи исследований. Приведена

структура диссертационной работы и кратко изложены основные поло-нения, выносиные на защиту.

В первом разделе проведен анализ направлений развития радиоволновых средств контроля, показаны перспективы развития резона-торных методов, изложены теоретические основы СВЧ резонаторного фотомодуляционного метода и описана используемая математическая нодель исследуемых процессов возмущения электромагнитного поля в Нош цилиндрическом резонаторе полупроводниковыми слоистыми структурами.

При обосновании теоретических моделей резонаторов с частичным заполнением его полупроводниковой структурой различают вихретоко-вое и емкостное взаимодействие. U резонаторов СВЧ диапазона в чистом виде соответствующие процессы встречаются гораздо реже, чем проявление их в совокупности. Вместе с тем можно допустить, что для цилиндрического резонатора с Hoi видом колебаний при аксиальном расположении полупроводникового диска наблюдается типично вихревое взаимодействие.

В литературе изложены теоретические положения, дающие возможность практически точно решать задачи по количественной оценке любых видов взаимодействия. Однако, определенная сложность численной реализации таких решений затрудняет выяснение многих важных особенностей интересующих физических процессов. Обращение в тех случаях, когда это допустимо, к одномодовым моделям позволяет при меньших затратах решать эти задачи.

Комплексная резонансная частота определяется из решения характеристического уравнения, которое для Hoin-ИП и многослойной полупроводниковой структуры или неоднородного по толщине образца, условно представленного в виде бесконечно большого числа тонких однородных слоев, записывается в виде:

&

ЩР,3)Л ЩЩк.

щ4"Л —игш и... ^

С1)

где

^ - комплексный коэффициент рас-

т

пространения в с -м слое,

й)=и)'+1ий" - комплексная резонансная час-

тота,

- комплексная диэлектрическая

проницаемость, ~ тангенс угла потерь в / -н

слое,

п и)'

Ч - ¿>¿0" - добротность резонатора.

Специфика поведения характеристик ИП достаточно полно отражается на примере с однослойным однородным образцом, характеризуемым параметрами^^Цо,. До5/>. . £о5р.-

Анализ характеристик Нош-ИП (добротности Ц , изменения резонансной частоты ди> , сигнала фотопроводимости /Щ и др.), показывает, что изменение добротности СВЧ резонатора и его резонансной частоты сильно и неоднозначно зависит от уровня включения образца в поле резонатора. Под уровнем включения будем понимать такой геометрический параметр, выраженный в абсолютных (И ) или относительных единицах (^¡Н - электрическая длина), изменение

которого позволяет изменять степень взаимодействия образца и поля. В рассматриваемом случае Н ( ^Н ) определяется расстоянием от одной из плоскостей образца до торца перестроечного пориня .

При изменении _/3/// , когда половение образца приходится на максимум электрического поля, для полупроводников с ¿^<5 >102 = =37.5ГГц) зависимость добротности ф резонатора и резонансной частоты и) от ^Н качественно отличаются от подобных зависимостей для полупроводников с малыми потерями. Так минимальное значение добротности возрастает, а резонансная частота при резко изменяется. Указанные особенности наблюдаются в определенном диапазоне уЗ/// , размах которого определяется величинами

.» Ьодр. •бодр. и Для объяснения требуют более детального численного исследования и физического анализа.

Пользуясь уравнением (1) можно установить, что такое поведе-

ние зависимостей @ и а а) связано с сильным влиянием процессов перераспределения поля при изменении полоаения в нем образца. Зтот вывод подтверждает и анализ величины запасенной энергии и распределения ее в различных частях резонатора.

При перемещении образца к пучности электрического поля вследствие описанного выпе перераспределения электромагнитного поля наблюдается интересный эффект - появление диапазона . в котором сигналы фотопроводимости и фотодиэлектрической

расстройки меняют знак на обратный. Зти особенности повто-

ряются на второй и последующих полуволнах

Для описания рассматриваемых физических процессов целесообразна коррекция представлений об экранирующих и неэкранирующих полупроводниковых образцах. Сигнал фотопроводимости для неэкрани-рующих образцов (^М ^ннкр 0 и» соответственно, для экранирующих

Очевидно, что классификация образцов на экранирующих и неэк-

ранирующих для рассматриваемого процесса возмущения поля ИП условна, т.к. один и тот же образец в зависимости отуЗ//У может проявлять и те и другие свойства. Однако, эта классификация наиболее полно отражает качественную сторону процесса.

Можно утверждать, что возбуждение фотопроводимости в полупроводнике в диапазоне ^//У 0 приводит не к увеличению потерь, а к более сложному взаимосвязанному процессу. Сущность его состоит в вытеснении (экранировании) поля из образца в свободную часть резонатора. Это приводит к относительному уменьшению потерь в образце и росту добротности резонатора, что соответствуетА^<0

Второй раздел посвящен исследованию и развитию СВЧ резонатор-ного фотомодуляционного метода контроля 6д 8 , Л , Г , уг/ ,

Анализ зависимостей сигнала фотопроводимости от уровня включения полупроводниковых образцов в поле ИП дает возможность обосновать выбор выходных сигналов измерительной информации. Так, уровень включения при котором сигнал фотопроводимости ме-

няет знак, и величина частотной расстройки ли)± в этот момент однозначно зависят от ^ бодр. и Ьодр. • Использование этих выходных сигналов дает возможность осуществить двухпараметровый контроль толщины и электропроводности полупроводниковых пластин. Связь измерительных сигналов и параметров образца устанавливается из решения характеристического уравнения или по номограммам.

Существенно, что величины^Н*, ли)~ не зависят от характеристик СВЧ детектора , мощности генератора и условий фотовозбув-дения носителей заряда в полупроводнике.

Для оптимального проектирования ИП по критериям максимального диапазона измеряемых параметров и минимизации погрепности измерений проведены исследования, зависимости выходных измерительных сигналов от параметров резонатора в миллиметровом и сантиметровом

диапазоне длин волн. Верхняя граница выбранного частотного диапазона определяется областью, где заметно не проявляются инерциаль-ные эффекты. Нижняя граница обусловлена необходимостью обеспечения требуемой локальности контроля.

Результаты расчета верхнего Ьд&тах и нижнего Ь^бт1п предела диапазона измерений кремниевых пластин для разных значений рабочей частоты показывают, что с уменьиением частоты обе границы диапазона контролируемых параметров расииряются. Анализ чувствительности ИП при любом соотноиении входящих параметров показывает, что чувствительность максимальна для тонких высокоомных образцов и падает с увеличением и) . Поэтому конструирование из-керительного преобразователя Нот - типа для фотомодуляционной диагностики полупроводниковых материалов представляется наиболее целесообразным в частотном диапазоне 15-37.5ГГц. При таких значениях рабочей частоты возможно измерение -Ьдбодр., Ьобр. в диапазоне 0.04<^5о^з<4, 100<Лд^.<500 , что достаточно для контроля наиболее интересных в практическом отноиении полупроводниковых пластин типа КЭФ 0.3-30, КДБ 0.3 -30 и других.

С целью выяснения возможностей фотомодуляционного метода для контроля полупроводниковых пленок на высокоомной подложке проведен параметрический анализ характеристик ИП. Он показывает, что диапазон измеряемых толщин составляет 3-100 мкм, причем, минимальное контролируемое значение ?тл. определяется, с одной стороны, глубиной затухания фотовозбуждения, с другой-чувствитель-ностьв ИП. Нижний предел измеренияопределяется чувствительностью преобразователя и составляет для тонких пленок Значение верхнего предела измерений , которому соответствует условие р=0, составляет^блл.^д*^50-100.

Разнообразие требований, предъявляемых к ИП, вызывает к разработке различные конструктивные схемы резонаторов Нмп-типа. Ин-

тересным с практической точки зрения является вариант конструкции, который дает возыовность обеспечить как электрическую, так и механическую бесконтактность измерений. Благодаря этому наилучиим образом удовлетворяется требование автоматизации процесса измерений, т.к. в этом случае сканирование пластины относительно резонатора происходит без остановок на поднятие и опускание образца и верхней части резонатора. Этим обеспечивается непрерывность процесса измерений и более высокая производительность.

Как уже отмечалось измерительные преобразователи имеют лучвие характеристики при меньвих рабочих частотах СВЧ генератора. Однако, размеры измерительного отверстия с уменьвением частоты пропорционально возрастают и конструирование преобразователя Нош-типа на частотах ыеньве 10-15 ГГц нецелесообразно.

Одним из ревений возниквего противоречия является использование в качестве ИП резонатора коаксиального типа с ТЕН видом колебаний. т.к. отсутствие ограничений по критической частоте дает возможность получать в поперечном сечении минимальные размеры. Результаты исследований показывают, что у коаксиального резонатора также наблюдается эффект смены знака сигнала фотопроводимости при изменении J3tH и он может использоваться для диагностики полупроводников фотомодуляционным методом.

Характерно, что (fiiH* )тах коаксиального резонатора в несколько раз превосходит ipiH~ ïmax ИП Но<л -типа, так при f =1ГГц

/ я ..îJen о

(&Н )тах составляет величину порядка нескольких сантиметров. Это в значительной мере снижает погревность измерений. Кроме того, сравнивая результаты, полученные для цилиндрического//«/? и коаксиального резонаторов, можно сделать вывод о предпочтительности использования последнего именно для контроля более низкоомных образцов.

Высокие показатели по локальности достигаются при использова-

1Ь

нии резонатора квазистатического типа. В этом случае исследуемый образец помечается в краевое СВЧ электрическое поле, локализованное меяду торцом итнря и наруяной стенкой резонатора. Пространственное разревение определяется диаметром измерительного отверстия и мояет составлять величину порядка 0.3-3 мм.

Характерным для настроенного в резонанс квазистатического ИП является узкий диапазон ¿дбаВр, в котором сигнал фотопроводимости меняет знак. Это обеспечивает высокую точность измерений при контроле фотомодуляционным методом отклонения от номинального значзния^З^р. по площади полупроводниковой пластины.

Детальный анализ зависимости сигнала фотопроводимости от изначальной расстройкиди)г квазистатического ИП показал, что преобладание фоторасстройки над йозбуядаемой образцом добротностью ИП приводит к смене знака сигнала фотопроводимости на выходе детектора. Существенно, что величина й и) г значительно меньше зависит от погрешности установки зазора меяду образцом и измерительным отверстием, чемф ,ли), Поэтому использование д в качестве выходного сигнала измерительной информации повышает метрологические показатели.

Изучение особенностей взаимодействия полупроводникового об* разца с полем в Н ,Е ,ТЕН резонаторах в рамках фотомодуляционной методики выделения сигнала измерительной информации дает возмоа-ность обосновать новый способ измерения диэлектрической проница-мости среды.

В общем случае в задаче определения 6 необходимо знать • удельную электропроводность и толщину полупроводникового образца. Однако, для слабоэкранирующих образцов сйр<5Цо.<1-2 сГг=37.5 ГГц) имеется возмояность значительно упростить решение такой задачи. Это достигается за счет использования выходного сигнала, который

в указанном диапазоне

не зависит

Таким сигналом

является уровень включения (Д^ )тах, соответствующий максимуму отрицательного сигнала фотопроводимости.

Достоинством такого способа является отсутствие необходимости измерения добротности # пустого и нагруженного образцом резонатора. Кроме того, величина (р,Н)~тах не зависит от параметров СВЧ детектора и условий фотовозбуждения носителей в образце, что значительно упрощает эксплуатацию измерительной установки.

Изучение возмущения полупроводником электрического поля в ИП дает возможность выработать рекомендации для повыпения точности измерения р и Г фазовым методом на СВЧ. Так, при измерениях р для точного выделения сигнала от фотодиэлектрического эффекта необходимо измерения проводить при¡^Н , соответствующихли:>%о =0. Этот уровень включения определяется расчетным путем или • экспериментально. Анализ показывает, что в широком диапазоне изменения удельной электропроводности вплоть до^<5оф>.<2 при изменениир<Н наблюдается следующая закономерность : уровням включения, при которых значения сигнала фотопроводимости экстремальны )тах> )т1п. соответствует частотная расстройка .

Важной тенденцией, в значительной мере влияющей на величину погрешности при измерении Г , является стремление к увеличению абсолютного значения сигнала фотопроводимости. В рамках рассматриваемого в данной работе механизма взаимодействия полупроводникового образца с электрическим полем в Н0//7 резонаторе эта задача рассматривается как нахождение максимального сигнала фотопроводимости от уровня включения, отличного от нулевого значения ^Н* 0.

В третьем разделе рассматриваются вопросы повышения локальности измерений у цилиндрического ИП Нот -типа, которая без использования специальных мероприятий определяется диаметром резонатора и составляет на частоте 37.5 ГГц величину порядка 10 мм.

Применение световых зондов для режения указанной задачи является актуальным направлением в развитии фотомодуляционного метода. Интерес к этому направлению вызван тем. что, с одной стороны, имеются апробированные математические модели для объемных резонатор-ных ИП, а с другой - конструкция ИП и фотомодуляционная методика выделения сигнала измерительной информации позволяют органически ввести метод светового зонда для измеренияН . £ , Г рассматриваемым СВЧ методом.

Величина достигаемой локальности определяется диаметром сфокусированного светового зонда, а также процессами размывания "пятна" неосновных носителей вследствие диффузионных процессов.

Для наиболее интересных с практической точки зрения случаев контроля легированных образцов из 51, Байэ диффузионная длина составляет Ь = 10"^ -10~5 м. Такая разрежающая способность метода светового зонда соответствует предельным значениям локальности других методов.

Принятое предположение о справедливости основных теоретических положений резонаторного СВЧ фотомодуляционного метода контроля удельной электропроводности для случая локального освежения требует экспериментального подтверждения.

При выборе конструкции рассматривались различные варианты локального освещения образца - с помощью оптической системы, градиентной линзы, тонкого световода и др.

Выгодно отличается простотой конструктивного режения для локального фотовозбуждения полупроводника использование тонких световодов диаметром 50-200 мкм. В этом случае в боковой стенке нижнего корпуса под углом 45° к оси выполнено отверстие, через которое проходит световод . Положение торца световода приходится на область максимума электрического поля в радиальном направлении (г=1/2 Я). Благодаря этому легко достигается локальность освеще-

ния 10 -10 им.

* * Анализ полученных экспериментальных зависимостей сигналов фотопроводимости при локальном и интегральном освещении от уровня включения показывает их совпадение в пределах точности метода. Отсюда следует, что значения р^Н1 и дО^для различных вариантов освещения также совпадают.

Возможность выполнения измерений СВЧ резонаторным фотомодуляционным методом с локальностью 0.4-1.5 мм позволяет достаточно эффективно проводить изучение распределения электрофизических параметров полупроводников по площади пластины. Экспериментально для ряда полупроводниковых образцов были получены топограммы эк-висопротивлений.

Для повышения локальности при измерении времени жизни и подвижности носителей заряда в Н«п измерительном преобразователе исследовалась возможность применения тонких металлических диафрагм, перекрывающих поперечное сечение резонатора. Диафрагма располагается непосредственно под образцом и имеет в координате максимума электрического поля измерительное отверстие круглой или гантелеобразной формы.

Выбор оптимального размера и формы отверстия связи предполагает получение приемлемой локальности и достаточного уровня сигнала фотопроводимости. С этой целью были проведены эксперименты на круглых отверстиях размером от 0,5 до 4 мм. Результаты эксперимента показывают , что приемлемый уровень сигнала фотопроводи-ыос?и ( 30-50% отрегистрируется вплоть до (1 = 1-1.5мм.

Четвертый раздел посвящен вопросам технической реализации рассматриваемого метода измерений.

•с.

При выводе характеристического уравнения в качестве одного из основных теоретических положений использовалось одномодовое приближение решения задачи вынужденных электромагнитных колебаний на

резонансной частоте в резонаторе со слоистым заполнением.'Однако, вследствие того, что волна Hot не является низшей, справедливость одномодового приблияения имеет место не для всех уровней включения образца в поле резонатора. Интерференционные явления меяду различными типами СВЧ колебаний связаны с перераспределением энергии внутри резонатора и приводят к изменению величины добротности Q и резонансной частоты ИП, что в конечном счете резко увеличивает погрешность измерений.

В связи с этим при разработке ИП анализировались варианты устранения влияния паразитных СВЧ колебаний (применение фильтров, составных корпусов, бесконтактных поршней и др.). Однако более приемлемым решением является проведение измерений вне резонансных значений^/У^волн неосновного типа.

Поэтому определение диапазона перестройки, свободного от паразитных колебаний, становится одним из основных условий расчета параметров измерительного преобразователя. Эта задача рассматривалась в рамках общей задачи нахождения оптимальных характеристик ИП - рабочей частоты iDr . локальности d , параметра Э и др.

Анализ результатов, полученных с помощью разработанных приборов, позволяет подтвердить теоретические полояения.

Кроме того исследовалось влияние работы всех узлов на точность измерения. Проведенные на макете измерительной установки экспериментальные исследования дают возмояность установить, что основными источниками погрешности измерений в порядке весомости являются:

неточность задания параметров полупроводниковой структуры itjS/юсЦ ft под». Лпо9я. 1

неточность настройки частоты в резонанс 8Шрел.\ Флуктуации частоты генератора SuJr-неточность отсчета уровня включения Sfi,Hi-

неточность отсчета резонансной частоты S&u)* ;

отклонение истинных геометрических размеров ИП от номинальных бв.

Проведенная оценка результатов измерений tcjS и b полупроводниковых пленок показывает, что доверительная погрешность сос-тавляетб"2 = ±7./С при доверительной вероятности Р=0.95 .

Техническая реализация СВЧ фотомодуляционного метода измерения диэлектрической проницаемости полупроводников осуществлялась с использованием автодинного способа выделения сигнала фотопроводимости. Зто дает возможность при конструктивной простоте и минимальных аппаратурных затратах, регистрировать необходимые выходные измерительные сигналы с высокой точностью.

Расчет метрологических характеристик показывает, что данный прибор обеспечивает измерение £ в пределах 4-20. Погрешность измерений при этом не превышает значения ±5'/. для величины доверительной вероятности 0.95.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, имеющие научную новизну и практическую значимость.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведены исследования особенностей возмущения электромагнитного поля СВЧ резонатора полупроводниковыми структурами в широком диапазоне изменения^^.,^^^^. при различных уровнях включенияptH Для различных типов ИП -Нот,Еогп , ТЕН, квазистатического . На основе этого показано, что с помощью сигнала фотопроводимости мовно формировать выходные измерительные сигналы ( уровень включения, частотная расстройка при нулевой или экстремальной величине сигнала фотопроводимости и т.п.). обеспечивающие более высокие метрологические показатели.

2. Экспериментально установлено, что у Но/л-ИП выходной сиг-

нал измерительной информации уровень включения по величине одинаков для полного и локального фотовозбувдения полупроводника. Это дает возможность проводить контроль фотомодуляционным методой с локальностью 0.2-1 мм.

3. Проведен сравнительный анализ различных типов резонаторов (Нот.Еогп, ТЕН, квазистатического) для фотомодуляционного метода контроля. Он показал, что для контроля высокооыных образцов (0.01 <i^Sobf. 4) предпочтителен резонаторЛЬ/л-типа,- для более низ-коомных - ТЕН-типа, для измерения отклонения ¿^¿оф>.от номинального значения - квазистатический . Локальность у коаксиального и квазистатического ИП обеспечивается конструктивными решениями.

4. Выполнен оптимальный синтез ИП //сзд-типа по критериям максимального диапазона измеряемых параметров полупроводников и заданных локальности и метрологических показателей. Установлено, что параметром, в наибольшей степени определяющим показатели Нот ИП, является рабочая частота СВЧ генератора. Оптимальный диапазон частот, удовлетворяющий указанным критериям, составляет 15-37.5 ГГц. Более высокие показатели соответствуют меньаим значениям рабочей частоты.

5. Разработан способ измерения диэлектрической проницаемости полупроводниковых пластин с 0.01<^<5Цо.<1, заключающийся в использовании в качестве выходного сигнала измерительной информации уровня вклвченияуЗ/Я^у соответствующего максимальному отрицательному сигналу фотопроводимости. Предлоаено устройство, реализующее этот способ на основе автодинного метода выделения сигнала измерительной информации.

6. Выработаны рекомендации для уменьшения погрешности измерений ju , l фазовым методом на СВЧ.

7. Современный уровень развития техники СВЧ и измерительных средств для производственных условий эксплуатации определяет еле-

дующие основные метрологические показатели Н«л-иод СВЧ фотоыоду-ляционного кетода диагностики полупроводниковых структур:

диапазон измерения электропроводности однослойных полупроводниковых образцов (/jafy).=i00-5Q0 икм) - 0,01-10 С0и*смГ', с погрешностью измерений ± 6% при доверительной вероятности 0.95;

диапазон измерения электропроводности зпитаксиальных пленок на высокооыной подловке - 0.5-100 (0и*сы)"' с доверительной погрешностью ± 77.',

диапазон измерения толщины зпитаксиальных пленок - 5-50 ыкы с доверительной погрешностью ±-72;

диапазон измерения относительной диэлектрической проницаемости - 4-20 с доверительной погрешностью ± 57..

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гордиенко В.Е., Бородин Б.Г., Ириворучко В.И. Возмущение Нот мод цилиндрического резонатора аксиально расположенным фотопроводящии диском.- В сб.: Радиотехника,- Харьков: Харьковский госуниверситет, 1992, вып. 97. с.55-61.

2. Гордиенко D.E., Бородин Б.Г., Свидерская Л.И.. Криворуч-ко В.И. СВЧ фотомодуляционный метод контроля полупроводниковых материалов.- В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Оптический, радиоволновый и тепловой методы неразруиающего контроля .". Часть первая.- Могилев, 1989, с. 169-170.

3. Гордиенко D.E., Бородин Б.Г., Ириворучко В.И. Безэлектродные методы исследования физикозлектрических свойств полупроводниковых пленок. В кн.: Тезисы докладов 3 Всесоюзной конференции по физике и технологии полупроводниковых пленок. Часть первая.- Ивано-Франковск, 1990, с.224.

4. Гордиенко D.E., Бородин Б.Г.. Криворучко В.И. О синтезе СВЧ резонаторных измерительных преобразователей для фотомодуляционной диагностики полупроводниковых структур.- В сб.: Радиотехника.- Харьков: Харьковский госуниверситет, 1992, N 98, с. 51-54.

5. Гордиенко 10. Е., Бородин Б.Г.. Криворучко В.И. Измерительные преобразователи СВЧ фотомодуляционного контроля толщин полупроводниковых структур.- В кн.: Тезисы докладов IU Всесоюзной конференции и выставки " Контроль толщины покрытий и его метрологическое обеспечение ".- Иневск, 1990, с. 39- 40.

6. Гордиенко Ю.Е.,Бородин Б.Г., Криворучко В.И. Метрологическое обеспечение СВЧ фотомодуляционного контроля параметров полупроводников в производстве ЙС.- В кн: Тезисы докладов Всесоюзной научнотехнической конференции " Метрологические проблемы микроэлектроники".- М.: Радио и связь, 1991, с. 82-83.

7. Гордиенко Й.Е.,Бородин Б.Г., Криворучко В.И. Автодинный 8мм фотомодуляционный измеритель относительной диэлектрической проницаемости полупроводниковых материалов,- В кн: Тезисы докладов 1- го республиканского симпозиума " Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн ".- Харьков, 1991, с. 55.

8. A.C. 1324446 ( СССР ) Контактное устройство для устройств контроля изделий с малоразмерными контактными площадками / В.И. Криворучко и др. - Заявл. 8.10.85., N 3961839; МКИ Н 05 К / 04.

9. Разработка и исследование СВЧ методов и средств контроля параметров полупроводниковых материалов.- Отчет о НИР 88-30 / ХИРЭ,- Харьков. 1990. - 104 с.

10. Исследование принципов построения и разработка установки

контроля времени жизни носителей заряда в полупроводниковых структурах СВЧ диапазона,- Отчет о НИР 89-93 / ХИРЭ.- Харьков, 1990. - 80 с.

Подписано к печати 2.09.92. Формат 60x80/16. Бум. тип. N51. Печать офсетная Усл.-печ. лист. 1,39. Тираж 100 экз. Зак. № 1601. Тип. МААК «Содружество». 310003, г. Харьков, Костюринский пер. 2