Способ определения температурного поля Советский патент 1993 года по МПК G01K11/00 G01K7/22 

Изобретение относится к термометрии и может быть йспользйвано/для записи и расшифровки записей температурШх по- . лей на поверхности нагретого твердого тела, например. в производстёе полупроводниковых приборов и интегральных схем, в частности в технологии наращивания зпитаксиальныхслоев.

Целью изобретения является снижение абсолютной погрешности измерения температуры при регистрации температурного поля.

Цель достигается тем, что в способе регистрации температурного поля, включающем размещение термоиндикатора в виде кремниевой пластины р-типа проводимости с ионно-имплантированным слоем элемента V группы в зоне нагрева, выдержку его в течение заданного промежутка времени t при температуре не менее 1000°С, охлаждение до комнатной температуры и измерение сопротивления Rs в ряде точек поверхности термойДикатора, по значениям кототорого опрёдёля|6т температуру в точках измерения, дополнительно перед размещением термоиндикатора в качестве элемента V группы, в материале kofdporo используют сурьму, в зоне-нагрева , его нагревают в среде влажного кислорода для образования окисной пленки при TeMnepafype 800-90Ь°С в течение 90-150 миу, выдержку темойндикатера проводят в течение 10-720 мин, перед измерением поверхностного сопротивления окисную пленку удаляют , а температуру определяют по формуле

Т 111794.1 /lg(5 105Rst) Ь273,2

00

ы

ё

00

В структурах, применяемых в микроэлектронике, доза имплантации Q сурьмы, составляет 3-1015-11016 .

В случае, когда скорость образования окисной пленки превышает в 2 раза и более скорость диффузии сурьмы (такие условия реализуются при температурах окисления 80р-900°С во влажном кислороде в течение 90-150 мин),происходит скопление имплан- тированной сурьмы на границе SiU2-Si в очень тонком переходном слое (ПС), расположенном со стороны окисла (толщина образующегося ПС составляет величину dnc 2 - ).

В процессе роста SI02 сурьмы непрерывно выдавливается из ПС на границу ПС-SI, и ее концентра- Q

ц и я NS(NS

dn

1,5

1021 ) на

границе с кремнием во много раз превышает величину предельной растворимости сурьмы NC(NC 4- 1019см 3 в диапазоне температур 1000-1300°С) в кремнии.

, Таким образом, ПС представляет собой источник сурьмы очень большой емкости, и если пластину, содержащую такой источник, поместить в температурное поле, сурьма будет диффундировать в кремний из ПС как из источника неограниченной мощности с поверхностной концентрацией No (равной величине предельной растворимости сурьмы при данной температуре) вплоть до полного истощения источника.

Экспериментально установлено, что в диапазоне температур Т 1000-13000С зависимость RS формирующегося диффузионного слоя от Т является линейной в координатах Аррениуса (1/T). Обработка экспериментальных данных после различной выдержки термоиндикаторов в указанном температурном диапазоне в течение фиксированного времени t( - 720 мин) позволила установить аналитическое выражение для зависимости (T.t):

T 11794,1/lg(5 105 Rs ±Vt)-273,2

и

Абсолютная погрешность при определении температуры данным методом составляет величину + (3-8)°С при выдержке 10-720 мин, т.к. длительность переходных процессов нагрева термоиндикатора при этом намного меньше его выдержки, и температура Т целиком определяется погрешностью измерения RS, которая, например, на установке ИУС-3 не превышает ± 2%.

Сформировавшийся в процессе окисления слой SlOa помимо основной функцио- нэльной нагрузки формирования источника

0

сурьмы выполняет еще и защитные функции (препятствует потере сурьмы из источника за счет испарения или взаимодействия с активной газовой средой), так что выдержку термоиндикатора можно осуществлять практически а любых условиях (в частности, в условиях воздействия химически-активной среды).

При температуре образования окисной пленки (температура окисления) более 900°С скорость окисления кремния во влажном кислороде VOK всегда больше скорости перемещения диффузионного фронта сурьмы в объем кремния из имплантированнрго 5 слоя Х/диф. Для этих температур, соответственно, имеем ,0 10 мкм/мин , мкм/мин, в результате чего в кремнии образуется шунтирующий р-п-пе- реход, который вносит неконтролируемую составляющую проводимости при измерениях Rs и, как следствие, дает эффективное значение температуры, отличающееся от реального значения. Погрешность определения температуры в данном случае составляет 18°С. .

0

5

30

35

40

45

50

55

При температуре окисления менее 800°С ионно-имплантированная сурьма не успевает полностью окислиться, вследствие чего в ПС не успевает сформироваться источник сурьмы большой емкости. В этом случае нет линейной зависимости (1/T) и расчет температуры по формуле также дает фиктивные значения температуры, отличающиеся от реальных.

Формирование окисной пленки менее чем за 90 мин также не позволяет образоваться источнику сурьмы большой емкости.

Формирование окисной пленки более чем за 150 мин нецелесообразно, т.к. известно, что такая длительная термообработка в среде влажного кислорода приводит к образованию крупных дефектов окисления, которые являются центрами стока быстро- диффундирующих примесей, т.е. образуют проводящие каналы в кремнии, влияние которых в процессе измерения Р практически невозможно учесть. Погрешность регистрации температуры в данном случае составляет 17°С.

При изотермической выдержке термоиндикатора более 720 мин наблюдается истощение источника сурьмы в ПС, т.е. слоевая концентрация сурьмы в ПС становится равной предельной растворимости сурьмы в кремнии для данной температуры. Кроме того, изотермическая выдержка более 720 мин неэффективна, т.к. всю необхо- димую информацию о температурном поле можно получить либо за более короткое время, либо используя многостадийную экспозицию с последовательной заменой термоиндикаторов.

При изотермической выдержке менее 10 мин влияние переходных процессоб нагрева термоиндикатора .до выхода на изотермический режим, а также переходных процессов охлаждения термоиндикатора приводит к тому, что скорость перемещения диффузионного фронта примеси за время переходных процессов становится соизмеримой со скоростью перемещения диффузи- онного фронта при выдержке, и рассчитанное по формуле значение температуры будет заниженным, намного отлича- ющимся от реального значения температуры.

Пример конкретного выполнения.

В пластину кремния марки КДБ-10 диаметром 76 мм и толщиной 320-380 мкм проводят имплантацию ионов сурьмы с энергией .0 кэВ и дозой 1015см%- 2, после чего ее окисляют во влажном-кислороде при Т 850°С в течение мин. Сформированный таким образом термоиндикатор размещают на графитовом пьедестале эпитаксиальной установки УНЭС-101. Затем термоиндикатор нагревают до температуры 1Т80°С, выдерживают в течение 120 мин, затем охлаждают в течение 5-10 мин, разгружают с пьедестала, после чего травлением в растворе-плавиковой кислоты удаляют с термоиндикатора слой окисла. Затем на термоиндикаторе измеряют поверхностное сопротивление Р четырехзондовым методом в трех точках, равномерно расположенных на диаметре, который перпендикулярен базовому срезу, и рассчитываЕОт температуру нагревания в точке измерения по формуле

Т 11794,1/1д(5 105RsVf)J-273,2

Для формирования термоиндикаторов могут быть использованы кремниевые пластины, применяемые в эпитаксии кремния,

с диаметром, равным 60, 100, 150 мкм и толщиной, соответственно, 210-300 , 420- 460, 480-550 мкм.

Данное изобретение может быть использовано для записи и расшифровки записей температурных полей не только на поверхности нагретого тела, но и в объеме реактора. Определение температурного поля можно проводить по любому количеству

точек, измеряя их поверхностное сопротивление, с последующим расчетом Т по формуле и независимо от их расположения.

Использование изобретения позволяет регистрировать температурное поле с погрешностью измерения температуры 2-9°С.

Формула изобретения

Способ определения температурного

поля, включающий размещение в зоне нагрева термоиндикатора в виде пластины из кремния р-типа проводимости с ионно-имплантированным слоем элемента V группы, выдержку его в течение заданного промежутка времени -1 при температуре не менее 1000°С, охлаждение до комнатной температуры и измерение сопротивлений Rs в ряде точек поверхности термоиндикатора, по значениям которых определяют температурное поле, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности, перед размещением термоиндикатора, в качестве элемента V группы, в материале которого используют сурьму з зоне нагрева, его окислягот в среде влажного кислорода при тем-, пературе 800-900°С в. течение 90-150 мин, выдержку термоиндикатора проводят в те- чение 10-720 мин., перед измерением поверхностного сопротивления окисную

пленку удаляют, а температуру определяют по формуле:

T l1794,1/lg(5 l05RsVt)-273,2.

Использование: производство полупроводниковых приборов и интегральных схем, технология наращивания эпитакси- альных слоев. Сущность изобретения: в зоне нагрева размещают термоиндикатор .в виде пластины кремния р-типа проводимости с ион но-ммплантированным слоем сурьмы, П редварительно термбийдйкат 6р окисляют в среде влажного кислорода при температуре 800-900°С в течение 90-150 мин. После выдержки тёрмоиндикатора при темпера-fype нагрева не менее 1000°С в течение 10-720 мин его охлаждают до комнатной температуру.. Удаляют окисную пленку и измерйют сопротивления в ряде точек поверхности термоиндйкатора, по значениям которых расчетом по приводимой формуле определяют температурное поле./ . / . ;. .. ; :.