УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОТО-ЭДС ПОЛУПРОВОДНИКОВ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к микроэлектронике, а точнее к полупроводниковому материаловедению, и может быть использовано для определения таких характеристик полупроводников, как поверхностный потенциал, ширина запрещенной зоны, концентрация примесей в поверхностных слоях и т.д.

Известно устройство для измерения фото-ЭДС (1), содержащее предметный столик, на котором размещают анализируемый образец, лампу накаливания, щелевую диафрагму с перестраиваемой щелью, фокусирующую систему и плоское вращающееся зеркало. Образец подключен через широкополосный усилитель к входу осциллографа. Данное устройство пригодно в основном для серийных анализов при определении участков образцов с неоднородной концентрацией примеси.

Недостатком его следует признать также необходимость стандартизации образцов и предварительной калибровки.

Известно также устройство для реализации способа определения концентрации электрически активной примеси в тонких полупроводниковых слоях (2). Оно содержит вакуумную камеру с расположенным в ней столиком для размещения образца. Вне камеры расположен источник оптического излучения, между столиком и источником вне камеры может быть расположен оптический фильтр. В верхней части вакуумной камеры выполнены два прозрачных окна, за одним из которых расположен источник, а за другим фотоэлектронный умножитель, подключенный через усилитель к блоку индикации. Область применения этого устройства ограничена тонкими полупроводниковыми пленками.

Изобретение представляет собой устройство, содержащее вакуумную камеру, внутри которой расположены предметный столик, снабженный нагревателем, и вторичный электронный умножитель, который через промежуточный усилитель подключен к устройству индикации. Нагреватель подключен к терморегулятору. Блок фотостимуляции, расположенный, в основном, вне камеры, содержит источник ИК-излучения, конденсор, первый монохроматор, первую фокусирующую линзу, расположенную в камере на фокусном расстоянии от предметного столика, источник УФ-излучения, вогнутое зеркало, второй монохроматор и вторую собирающую линзу, также расположенную в камере на фокусном расстоянии от предметного столика, причем монохроматоры расположены под углами 30 90^o по отношению к столику.

Докажем существенность включенных в формулу изобретения признаков. Фотоэлектронная эмиссия происходит только в вакууме при содержании остаточных газов в количестве не свыше 10^-3 Па. Следовательно, необходимо поместить образец на предметный столик в вакуумную камеру, как и ВЭУ. Нагреватель с терморегулятором обеспечивает нагрев образца на предметном столике до любой, наперед заданной температуры, что позволяет определить температурную зависимость поверхностного потенциала. Конструкция блока фотостимуляции обеспечивает эмиссию электронов с поверхности. Наличие блока фотостимуляции совместно с нагревателем в совокупности с ВЭУ и устройством индикации, снабженным предварительным усилителем, позволяет достичь желаемого эффекта.

В качестве источника ИК-излучения предпочтительнее, исходя из опыта заявителя, использовать вольфрамовую лампу мощностью 400 Вт, в качестве источника УФ-излучения дейтериевую лампу мощностью 30 Вт, в качестве первого монохроматора устройство, позволяющее выделить длину волны от 600 до 1000 нм (нами использован монохроматор УМ-2), в качестве второго монохроматора - устройство, позволяющее выделить длину волны от 86 до 300 нм (нами использован монохроматор СФ-16). Величина угла между направлениями лучей излучения выбрана экспериментально.

Техническим результатом изобретения являются:
повышение качества контроля фото-ЭДС полупроводника путем отсутствия между ним и измерительным устройством механического контакта, обеспечивая при этом неразрушаемый контроль.

отсутствие необходимости предварительной калибровки и стандартизации образцов;
увеличение диапазона толщин контролируемых образцов от тонких пленок, толщина которых несколько десятков сотен ангстрем, до массивных, толщина которых приблизительно равна глубине собственного поглощения инфракрасного света в полупроводнике, т. е. порядка мкм-см в зависимости от ширины запрещенной зоны/;
повышение достоверности измерения за счет увеличения генерируемой светом фото-ЭДС путем использования специального дополнительного мощного источника ИК-излучения в области собственного поглощения полупроводника.

Конструкция устройства представлена на фиг.1 и 2.

Устройство содержит вакуумную камеру 1, расположенный внутри ее предметный столик 2 с нагревателем 3. Нагреватель 3 подключен к терморегулятору 4. В камере 1 расположен ВЭУ 5, подключенный через промежуточный усилитель 6 к устройству индикации, состоящему из радиометра 7 и микроЭВМ 8. Для питания ВЭУ использован блок питания 9. Для фотостимуляции применен оптический блок 10, состоящий из вольфрамовой или дейтериевой лампы 11, конденсора 12, монохроматора 13, собирающей линзы 14, расположенной в вакуумной камере 1. В стенке вакуумной камеры 1 выполнено окно 15 из стекла. Кроме того, в состав оптического блока входят дейтериевая лампа 16, вогнутое зеркало 17, монохроматор СФ-16 18, собирающая линза 19, расположенная в камере 1. В стенке камеры 1 между линзой 19 и монохроматором 18 выполнено окно 20 из кварца.

Вместо вольфрамовой и дейтериевой ламп могут быть использованы другие источники ИК- и УФ-излучений, например, дейтериевый, ртутные. Аналогично, вместо монохроматоров УМ-2 и СФ-16 могут быть использованы другие, например ДРМ-4.

Покажем работу устройства на примере анализа ширины запрещенной зоны. Образец теллурида кадмия устанавливают на предметный столик. Затем производят откачку вакуумной камеры до давления 10^-3Па. После достижения такого давления, включают источники света (лампы) и систему регистрации эмиссии. Освещение образца выполняют одновременно ультрафиолетовым и инфракрасным светом, используя для этого оба монохроматора. Длина волны ультрафиолетового света не изменяется в процессе эксперимента и ее выбирают такой, чтобы обеспечить фотоэлектронную эмиссию, обычно это составляет 220 нм. Длину волны ИК-излучения изменяют плавно от 1000 до 600 нм. При этом изменяют ток 1 фотоэлектронов. При достижении длины волны (λ) величины ИК- света, соответствующей ширине запрещенной зоны (l_g) ток (I) фотоэлектронов резко увеличивается, так что его производная / / отличается от производной, имеющейся при l > λ_g. Другими словами на зависимости I=I ( λ ) при l = λ_g имеется перегиб (фиг.3), что соответствует литературным данным.

Устройство позволяет осуществить бесконтактный и неразрушающий контроль полупроводников.

Использование: микроэлектроника, область полупроводникового материаловедения, для определения таких характеристик полупроводников, как поверхностный потенциал, ширина запрещенной зоны, концентрация примесей в поверхностных слоях. Сущность изобретения: устройство для измерения фото-ЭДС полупроводников содержит вакуумную камеру с расположенным в ней предметным столиком, совмещенным с нагревателем, блок регистрации эмиттированных электронов, последовательно расположенные источник ИК-излучения, конденсор, первый монохроматор, первую собирающую линзу, установленную в вакуумной камере, а также последовательно расположенные источники УФ-излучения, второй монохроматор и вторую собирающую линзу, установленную в вакуумной камере, причем оси монохроматоров пересекаются на поверхности предметного столика и расположены под углами 30 - 90^o относительно предметного столика. 3 ил.

Устройство для измерения фото-ЭДС полупроводников, содержащее вакуумную камеру с расположенным в ней предметным столиком, совмещенным с нагревателем, и блок регистрации эмиттированных электронов, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит последовательно расположенные источник ИК-излучения, конденсор, первый монохроматор, первую собирающую линзу, установленную в вакуумной камере, а также последовательно расположенные источник УФ-излучения, второй монохроматор и вторую собирающую линзу, установленную в вакуумной камере, причем оси монохроматоров ИК и УФ пересекаются на поверхности предметного столика и расположены под углами 30 90^o относительно предметного столика.