СПОСОБ СОРТИРОВКИ ПРИРОДНЫХ КРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА Российский патент 2001 года по МПК B07C5/342 

Изобретение относится к области сортировки природных алмазов с пониженным содержанием азота и может быть использовано для отбора целых кристаллов и пластин из них, пригодных при создании активных и пассивных элементов полупроводниковых приборов микроэлектроники.

Известен способ отбора кристаллов (а.с. СССР N 995029, кл. G 01 R 31/26, 29.09.81) для создания на их основе полупроводниковых структур, заключающийся в том, что кристаллы помещают в измерительную резонаторную камеру СВЧ-установки, облучают источником света, определяют интенсивность сигнала СВЧ-фотопроводимости и производят отбраковку кристаллов. Данный способ позволяет по величине сигнала СВЧ-фотопроводимости определять изменение созданной излучением электропроводности кристалла и на основании изменения оценивать качество кристалла. Малые изменения сигнала СВЧ-фотопроводимости свидетельствуют о малом времени жизни избыточных носителей заряда, что указывает на наличие большого числа дефектов в кристалле. Большое изменение интенсивности СВЧ-сигнала означает, что избыточные носители "живут" дольше, и это свидетельствует о том, что кристалл содержит мало дефектов или совсем не имеет их.

В тоже время данный способ не позволяет произвести отбраковку кристаллов, не пригодных для создания активных и пассивных полупроводниковых структур (п/п) на алмазе, т.к. не приведены критерии отбора, т.е. данное техническое решение не позволяет увеличить выход годных алмазов для изготовления на их основе однородных по электрофизическим характеристикам п/п структур.

Наиболее близким по технической сущности является способ сортировки алмазов IIа и промежуточного типов с пониженным содержанием азота (N.A. Tatyanina, V. M. Kulakov, R.B. Zezin, A.A. Mel'nickov, A.C. Zakharov, D.M. Zaitsev. The influence of discontinuities of the subsurface layer of natural diamonds of IIa and intermediate types on the lifetime of nonequilibrium charge carriers. International Conference EMRS, Strasbourg, France, November, 1990), включающий освещение кристалла плоскополяризованным светом в диапазоне длин волн 400 - 800 нм, измерение с помощью поляризационного микроскопа с фотометрическим устройством яркости интерференционной окраски в положении скрещенных николей в проходящем свете, определение удельной оптической анизотропии каждого алмаза, помещение кристалла в резонаторную камеру СВЧ-установки, облучение источником излучения, определение интенсивности сигнала СВЧ-фотопроводимости алмаза, сопоставление этих двух измерений и отбор кристаллов.

Описанный способ позволяет установить корреляцию между интенсивностью сигнала СВЧ-фотопроводимости и степенью неоднородности алмаза, связанной с дефектами внутреннего строения, вызывающими напряжение кристаллической решетки, и как следствие, проявление различной яркости интерференционной окраски, наблюдаемой в поляризованном проходящем свете в положении скрещенных николей, что позволяет определить удельную оптическую анизотропию каждого алмаза и отобрать кристаллы с определенными дефектами внутреннего строения, имеющими определенный соответствующий им сигнал СВЧ-фотопроводимости, т.е. каждый кристалл проходит аттестацию.

Техническое решение данного способа не позволяет отобрать кристаллы для изготовления на их основе однородных по электрофизическим характеристикам п/п структур, т.е. повысить выход годных алмазов, так как в данном техническом решении отсутствуют критерии отбора для кристаллов, имеющих совершенное строение, различную степень неоднородности внутреннего строения, а также кристаллов, в которых время жизни носителей заряда позволяет их использовать для создания п/п структур. Кроме того, в техническом решении не предусмотрено определение оптимальной рабочей поверхности кристаллов, пригодной для изготовления п/п активных структур в приповерхностной зоне алмаза.

Техническая задача состоит в том, чтобы отобрать природные кристаллы алмаза или пластины, полученные из них, которые содержат только те дефекты, которые не оказывают влияние на время жизни носителей заряда или наличие которых незначительно для получения на основе природного алмаза п/п активных структур с однородными по всей поверхности или объему электрофизическими характеристиками. Кроме того, ото брать оптимальную рабочую поверхность кристалла или пластины, пригодную для создания в приповерхностной зоне кристалла п/п активной структуры.

В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается процент выхода годных алмазов, так как предусмотрен отбор кристаллов природных алмазов, поверхность которых или весь объем может быть использован для создания однородных по электрофизическим характеристикам п/п активных и пассивных элементов, а также отбор оптимальной рабочей поверхности для каждого кристалла или пластины, пригодной для создания п/п активных структур в приповерхностной зоне кристалла алмаза (например, методом высокоэнергетической ионной имплантации).

Техническим результатом изобретения является то, что в способе сортировки природных кристаллов алмаза, включающем освещение кристалла плоскополяризованным светом в диапазоне длин волн 400 - 800 им, измерение с помощью поляризационного микроскопа с фотометрическим устройством яркости интерференционной окраски в положении скрещенных николей в проходящем свете, определение удельной оптической анизотропии каждого алмаза P, помещение кристалла в резонаторную камеру СВЧ-установки, облучение источником излучения, определение интенсивности сигнала СВЧ-фотопроводимости алмаза, сопоставление этих двух измерений и отбор кристаллов, причем перед помещением кристалла в резонаторную камеру СВЧ-установки измеряют яркость интерференционной окраски, определяют удельную оптическую анизотропию P в относительных единицах путем сравнения с эталонным образцом, где P_эт-1 равна 1 отн. ед., при яркости интерференционной окраски 0,1·10^-4 кд/м², с последующим отбором кристаллов с P, меньшей или равной 6 отн. ед., измеряют интенсивность сигнала J_max СВЧ-фотопроводимости в диапазоне 245 - 195 нм, приведенной к коэффициенту усиления K и площади S измеряемой поверхности кристалла и определяют J^СВЧ= J_max/KS, отбирают кристаллы с интенсивностью сигнала J^СВЧ, большей или равной интенсивности сигнала эталонного образца J_эт-2, где J_эт-2 - максимальное значение для эталонного образца с P_эт-2, равной 6 отн. ед., кроме того, дополнительно отбирают алмазы с P, меньшей или равной 300 отн.ед., повторно помещают в резонаторную камеру СВЧ-установки, измеряют интенсивность сигнала СВЧ-фотопроводимости не менее чем на двух поверхностях кристалла или пластины, отбирают поверхность с наибольшим значением J^СВЧ и маркируют другие поверхности как непригодные.

В основе предлагаемого способа сортировки природных алмазов с пониженным содержанием азота лежит экспериментально установленный факт, что изменение интенсивности сигнала СВЧ-фотопроводимости происходит в зависимости от удельной оптической анизотропии, обусловленной наличием структурно-примесной неоднородности кристаллов.

Экспериментально установлено, что в случае наличия структурных нарушений, локально проявляющихся или выходящих на одну из поверхностей кристалла или пластины, при удельной оптической анизотропии P, меньшей или равной 300 отн. ед. , полученной при интегральной оценке по объему, другие поверхности этого же кристалла или пластины могут иметь идеальную кристаллическую решетку и высокие значения сигнала J^СВЧ-фотопроводимости, т.е. данные кристаллы или пластины являются пригодными частично для создания на их основе активных п/п структур.

Экспериментально установлено, что кристаллы природного алмаза с пониженным содержанием азота с P, меньшей или равной 6 отн.ед., и интенсивностью сигнала J^СВЧ-фотопроводимости, большей или равной значению интенсивности эталонного образца J_эт-2 с P_эт-2, равной 6 отн.ед., являются практически совершенными монокристаллами с минимальным количеством структурных нарушений, которые не оказывают влияния на время жизни носителей, что обеспечивает получение на их основе п/п структуры, например, путем высокоэнергетической ионной имплантации.

Экспериментально установлено, что природные алмазы с пониженным содержанием азота, имеющие в объеме структурные нарушения, вызывающие оптическую анизотропию и имеющие значения P больше 300 отн.ед., а интенсивность сигнала J^СВЧ - фотопроводимости на порядок меньше минимального значения интенсивности сигнала J_эт-2 с P_эт-2, равной 6 отн.ед., являются непригодными для создания на их основе п/п структур, т.к. эти структурные нарушения уменьшают время жизни носителей и такие кристаллы подлежат отбраковке, в противном случае цель не будет достигнута.

Пример.

Природные алмазы с пониженным содержанием азота в количестве 18 штук были отсортированы по предлагаемому способу. Яркость интерференционной окраски измеряли с помощью поляризационного фотомикроскопа "Opton" ФРГ с фотометрическим устройством, освещение кристаллов осуществляли плоскополяризованным светом в диапазоне длин волн 400 - 800 нм. Определение удельной оптической анизотропии каждого алмаза P производили в относительных единицах путем сравнения с эталонным образцом, где P_эт-1 равна 1 отн ед., при яркости интерференционной окраски 0,1·10^-4 кд/м². Измерение сигнала СВЧ-фотопроводимости проводили на СВЧ-установке, описанной в а.с. СССР N 995029, G 01 R 31/26, 29.09.81 при облучении стандартным источником - ксеноновой лампой ДКСШ - 1000, с монохроматором МДР-12. В спектральном диапазоне 245-195 нм учитывали максимальное значение сигнала СВЧ-фотопроводимости J_max, приведенное к коэффициенту усиления K и площади S измеряемой поверхности кристалла J^СВЧ = J_max/KS и отбирали на первой стадии кристаллы или пластины с интенсивностью сигнала J^СВЧ, большей или равной интенсивности сигнала эталонного образца J_эт-2 с P_эт-2, равной 6 отн.ед. Кроме того, на второй стадии сортировки отбирали алмазы (кристаллы или пластины) с P, меньшей или равной 300 отн.ед. , повторно помещали их в резонаторную камеру СВЧ-установки, измеряли интенсивность сигнала СВЧ-фотопроводимости не менее чем на двух поверхностях кристалла или пластин, отбирали поверхность с наибольшим значением интенсивности сигнала СВЧ-фотопроводимости и маркировали другие поверхности как непригодные. Результаты измерений приведены в табл. 1.

Из табл. 1 видно:
- в трех алмазах удельная оптическая анизотропия имела значение P, меньшее или равное 6 отн.ед. Интенсивность сигнала СВЧ-фотопроводимости J^СВЧ имела значение 1085-3500 отн.ед.

- в пятнадцатити алмазах значение P было больше 6 отн.ед. и находилось в диапазоне 6-350 отн. ед. Интенсивность сигнала СВЧ-фотопроводимости J^СВЧ имела значение 27-1963 отн.ед.

- Из них, на второй стадии сортировки, были отбракованы две шт. с P больше 300 отн.ед., интенсивность сигнала СВЧ-фотопроводимости J^СВЧ которых имела значение 27-106,5 отн.ед. Кроме того, кристаллы и пластины в количестве тринадцати штук с неоднородностью P, находящейся в диапазоне 6:300 отн. ед. , были дополнительно измерены в установке СВЧ-фотопроводимости для определения оптимальной рабочей поверхности, пригодной для создания активных полупроводниковых структур. Выбирали оптимальную рабочую поверхность с наибольшим значением J^СВЧ для каждого образца. Была проведена маркировка поверхности, имеющей наименьшее значение интенсивности сигнала СВЧ-фотопроводимости. Рабочая поверхность, отобранная по максимальному сигналу СВЧ-фотопроводимости для данного образца, не маркировалась. Таким образом, как видно из табл. 1, на второй стадии сортировки всего было отобрано из измеренных двадцати шести поверхностей тринадцать рабочих поверхностей, оптимальных для конкретного образца и годных для создания на их основе п/п структур.

Контрольная проверка по созданию полупроводниковых структур проводились следующим образом: структуры p-типа создавались по всей рабочей поверхности пластины методами фотолитографии и высокоэнергетической имплантации ионами бора на установке "Бальцерс", с энергиями в диапазоне до 150 кэВ. Размеры структур 10·150 мкм, толщина легированного слоя 0,24 мкм, концентрация атомов бора составляла 10²⁰ см^-3. Омические контакты к легированному слою создавались имплантацией ионами бора дозой 2·10¹⁶ см^-2. Отжиг имплантированных кристаллов проводился в вакууме при температуре 1500^oC в течение 30 мин. Удельная проводимость легированного слоя измерялась двухконтактным методом при комнатной температуре. Измерения удельной проводимости проводили на пяти - четырех структурах, расположенных в разных точках одной пластины. Результаты контроля по некоторым образцам приведены в табл. 2.

Проведенная проверка и контроль по отбору и увеличению выхода годных алмазов путем определения оптимальной рабочей поверхности для изготовления п/п структур показали следующее.

1. Были созданы однородные по электрофизическим характеристикам полупроводниковые активные структуры на трех кристаллах, отобранных на первой стадии по предложенному способу, поверхность или весь объем которых годен для создания п/п активных и пассивных элементов, что составило 100%. Из восемнадцати исходных кристаллов выход годного составляет 16,7%.

2. Не были получены на первой стадии однородные по электрофизическим свойствам полупроводниковые активные структуры на тринадцати кристаллах, которые были аттестованы как частично пригодные и отбракованы на первой стадии как не пригодные для создания однородных по электрофизическим свойствам п/п структур, что составило 100%. Из восемнадцати исходных алмазов они составили 72,2%.

3. Были отобраны на второй стадии сортировки по предложенному способу оптимальные рабочие поверхности тринадцати алмазов пригодных для создания п/п активных структур в приповерхностной зоне кристалла алмаза, что составляет выход годных 72,2%.

4. Не были созданы п/п активные структуры на 100% отбракованных по предложенному способу кристаллов с P больше 300 отн.ед., что составляет 11,1%.

Проведенная проверка и контроль созданных на оптимальной поверхности п/п структур показали, что эти структуры на локальных участках или по всей рабочей отобранной поверхности образцов с P в диапазоне 12-50 отн.ед. и J^СВЧ в диапазоне 1983-925 отн. ед. характеризуются достаточно высоким значением проводимости на этих участках, а именно 2·10^-1-10^-3 (Ом ·см)^-1, и число таких участков с одинаковой проводимостью в 2-3 раза больше, чем в кристаллах с P, большей 50 отн.ед. или равной 100 отн.ед., значения проводимости которых отличаются на два порядка, но не превышают 10^-4(Ом·см)^-1. Чем выше было значение неоднородности и меньше значение сигнала СВЧ-фотопроводимости, тем меньше была площадь созданной активной структуры, имеющей высокое значение проводимости, тем больше было различие в проводимости на разных поверхностях и по площади образца, а именно 10^-9-10^-2(Ом·см)^-1 т.е. значения проводимости на различных участках или на двух поверхностях могут различаться в 10⁷ раз, что наблюдалось в образце с P, равной 300 отн.ед. Тем не менее отобранные кристаллы являются перспективными для изготовления на их основе полупроводниковых структур в приповерхностном слое.

Предложенный способ на первой стадии обеспечивает 100% отбор кристаллов, пригодных для создания однородных по электрофизическим характеристикам полупроводниковых структур, что составляет выход годного от общего количества исходных кристаллов 16,7% и на второй стадии обеспечивает 100% отбор алмазов с установленной для них оптимальной рабочей поверхностью, пригодной для создания на ее основе п/п структур, что составляет выход годного 72,2%.

Таким образом, предложенный способ, включающий две стадии отбора, позволяет произвести отбор 100% годных кристаллов для создания однородных по электрофизическим характеристикам, а также пригодных для создания на оптимальной рабочей поверхности п/п структур, обеспечивая выход годных до 88,9%, что невозможно выполнить с помощью известных технических решений.

Изобретение относится к области сортировки природных алмазов с пониженным содержанием азота и может быть использовано для отбора целых кристаллов и пластин из них, пригодных при создании активных и пассивных элементов полупроводниковых приборов микроэлектроники, с обеспечением повышения выхода годных природных алмазов при создании на их основе однородных по электрофизическим характеристикам полупроводниковых структур по всему объему кристаллов или пластин, а также полупроводниковых структур в приповерхностном слое. Способ сортировки природных кристаллов алмаза включает освещение кристалла плоскополяризованным светом в диапазоне длин волн 400-800 нм, измерение с помощью поляризационного микроскопа с фотометрическим устройством яркости интерференционной окраски в положении скрещенных николей в проходящем свете, определение удельной оптической анизотропии каждого алмаза Р, помещение кристалла в резонаторную камеру СВЧ-установки, облучение источником излучения, определение интенсивности сигнала СВЧ-фотопроводимости алмаза, сопоставление этих двух измерений и отбор кристаллов. Перед помещением кристалла в резонаторную камеру СВЧ-установки измеряют яркость интерференционной окраски, определяют удельную оптическую анизотропию Р в относительных единицах путем сравнения с эталонным образцом, где Р_эт-t равна 1 отн. ед., при яркости интерференционной окраски 0,1 - 10^-4 кд/м², с последующим отбором кристаллов с Р, меньшей или равной 6 отн.ед., измеряют интенсивность сигнала J_max СВЧ-фотопроводимости в диапазоне 245-195 нм, приведенной к коэффициенту усиления К и площади S измеряемой поверхности кристалла и определяют J^свч = J_max /KS, отбирают кристаллы с интенсивностью сигнала J^свч, большей или равной интенсивности сигнала эталонного образца J_эт-2, где J_эт-2- максимальное значение для эталонного образца с Р_эт-2, равной 6 отн.ед. Кроме того, дополнительно отбирают алмазы с Р, меньшей или равной 300 отн.ед., повторно помещают в резонаторную камеру СВЧ-установки, измеряют интенсивность сигнала СВЧ-фотопроводимости не менее чем на двух поверхностях кристалла или пластины, отбирают поверхность с наибольшим значением J^свч и маркируют другие поверхности как непригодные. 2 табл.

Способ сортировки природных кристаллов алмаза, включающий освещение кристалла плоскополяризованным светом в диапазоне длин волн 400 - 800 нм, измерение с помощью поляризационного микроскопа с фотометрическим устройством яркости интерференционной окраски в положении скрещенных николей в проходящем свете, определение удельной оптической анизотропии каждого алмаза P, помещение кристалла в резонаторную камеру СВЧ-установки, облучение источником излучения, определение интенсивности сигнала СВЧ-фотопроводимости алмаза, сопоставление этих двух измерений и отбор кристаллов, причем перед помещением кристалла в резонаторную камеру СВЧ-установки измеряют яркость интерференционной окраски, определяют удельную оптическую анизотропию P в относительных единицах путем сравнения с эталонным образцом, где P_эт-1 равна 1 отн. ед., при яркости интерференционной окраски 0,1 · 10^-4 кд/м², с последующим отбором кристаллов с P меньшей или равной 6 отн.ед., измеряют интенсивность сигнала J_max СВЧ-фотопроводимости в диапазоне 245 - 195 нм, приведенной к коэффициенту усиления K и площади S, измеряемой поверхности кристалла и определяют J^СВЧ = J_max/KS, отбирают кристаллы с интенсивностью сигнала J^СВЧ большей или равной интенсивности сигнала эталонного образца J_эт-2, где J_эт-2 - максимальное значение для эталонного образца с P_эт-2 равной 6 отн. ед. , кроме того, дополнительно отбирают алмазы с P меньшей или равной 300 отн. ед. , повторно помещают в резонаторную камеру СВЧ-установки, измеряют интенсивность сигнала СВЧ-фотопроводимости не менее чем на двух поверхностях кристалла или пластины, отбирают поверхность с наибольшим значением J^СВЧ и маркируют другие поверхности как непригодные.