Способ определения состава и количества примесей в неметаллических средах Советский патент 1981 года по МПК G01N21/01 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА

И КОЛИЧЕСТВА ПРИМЕСЕЙ В НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СРЕДАХ

Изобретение относится к способам спектрального анализа вещества, а именно к способу анализа примесей в неметаллических средах.

Известен ряд способов исследования состава примесей в веществе, например абсорбционный спектральный анализ. При абсорбционном спектральном анализе измеряется спектр оптического поглощения, связанного с оптическим возбуждением примесей в веществе, и по положению и высоте пиков поглощения на щкале длин волн определяют состав и количество примесей в веществе 1.

Однако чувствительность этого метода ограничена конкурирующими механизмами поглощения в веществе и, кроме того, для осуществления этого способа необходима специальная фотоприемная система для регистрации прошедшего излучения.

Известен способ определения количества и состава примесей в полупроводниках, заключающийся в том, что исследуемый полупровощшк облучают светом с энергией фотонов, меньшей энергии ионизации идентифицируемой примеси.

при этом температура полупроводника выбира ется такой, чтобы верюятность термической ионизации возбужденных уровней исследуемой примеси была значительной (температура в энергетических единицах должна быть близка к 0,3-0,5 разности энергий между энергией красной границы спектра примесной фотопроводимости и энергией, соответствующей даниой лигаш в спектре фототермической ионизашш), а о количестве примесей в полупроводнике и их

10 природе судят по высоте и положению линий в спектре фототермической ионизации.

Фототермическая ионизация - зто двухступенчатый процесс ионизации примеси: примесь вначале оптически возбуждается, а затем воз-,

IS бужденцое состояние термически ионизируется 2.

Однако в известном способе измерения можно проводить лишь в определенном интервале температур (температура должна быть достаточ20но высокой для термической ионизации фотовозбужденных примесных состояний, но не выше температуры, при которой происходит термическая ионизация основного состояния примеси), что может приводить к термическому уширенто линий, ограничивая и разрешающую способность способа. Известный способ связан также с регистрацией фотопроводимости, для чего требуется изготовле1ше высококачественных омических контактов к исследуемым образцам. Кроме того, описанный способ непримедам к исследованию диэлектриков.

Цель изобретения - расширение класса исследуемых веществ, повышение разрешающей способности и упрощение подготовки исследуемых образцов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, включающему охлаждение образца, облучение его монохроматическим светом с изменяющейся во времени энергией фотонов, меньшей энергии ионизации исследуемой примеси, и измерение зависимости электрического параметра образца от энергии фотонов, измеряют зависимость диэлектрической проницаемости исследуемого образца от энергии фотонов при температуре образца

1о-ф

,1

где ЕО

энергия ионизации контролируемой примеси;

энергия фотона, соответству-Фющая наиболее коротковолновому пику в эталонном для данной примеси спектре диэлектрической проницаемости вещества;

k - постоянная Больцмана, причем о составе примесей судят по положению пиков в полученной зависимости, а о количестве примесей: - по высоте этих пиков. При энергиях фотонов НУ Ej, - ЕО, где ЕО - энергия основного состояния примеси, EJ, - энергия возбужденного состояния, примесные центры JB исследуемом образце переходят в возбужденное состояние. Стационарная концентрация возбужденных примесных центрой NP

ч при ЭТОМ определяется выражением Ч 3/11 V),.

где 3 - интенсивность излучения; Йф - сечение поглощения фотона; NO - концентрация нейтральных примесных центров,

т. - время жизни возбужденного состояния.

Изменение диэлектрической проницаемости образда, связанное с возбуждением примесных центров,

,-4K:N(da-d),

где dg, do - поляризуемости соответственно возбужденного и основного состояний примеси

Поляризуемость примеси d а ,где а - эффективный радиус состояния. Так как ралиус возбужденных состояний а превышает радиус основного состояния П имеси ао, то при фотовозбуждении существенно увеличивается поляризуемость примеси об/сь -(а/Ь/ад)- , а следовательно, и диэлектрическая проницаемость вещества.

Температуру образца Т в процессе измерений поддерживают такой, чтобы не происхо/шла термическая ионизация фотовозбужденмых

СОСТОЯНИЙ (kT«Eo - Еф , где k - постоянная Больцмана).

Таким образом, фотоиндуцированное изменение диэлектрической проницаемости дает возможность регистрировать примеси в веществе. При этом для регистрации возбужденных состояний примеси нет необходимости в термической ио1шзации этих состояний, что позволяет проводить измерения при сколь угодно низких температурах. Это исключает температурное уширение линий примесного поглощения, что, в свою очередь, повышает разрешающую способность способа при анализе примесного состава вещества. Поскольку измерение диэлектрической проницаемости образца проводится бесконтактным способом, не требуется изготовления омических контактов, что упрощает техно.чогию приготовления образцов к измерениям

Так как предлагаемый способ не связан с измерением проводимости, он применим для всех веществ, кроме металлов. В металлах не существуют возбужденные состояния примесей из-за экранировки электронами проводимости. Примером практической реа;шзаиии является определение содержа1шя примеси бора в кремнии.

На чертеже показана блок-схема измерительной установки.

Исследуемый образец вырезают в виде пара.члелепипеда размером 3 х 3 х 0,3 мм и помещают в измерительный конденсатор, т.е. зажимают между двумя металлическими пластинами площадью 3x3 Мм через слюдяные прокладки. Измерительный конденсатор с исследуемым образцом 1 помещают в гелиевый криостат 2 и Охлаждают до температуры жидкого гелия (Т 4.2К). Образец через германиевое окно 3 в криостате облучают монохроматическим излучением, длина волны которого изменяется в диапазоне длин волн 28-35 мкм в котором расположены линии возбуждения примесных атомов бора в кремнии. В качестве источника 4 излучения используют инжекционный полупроводниковый лазер на основе тройного соединения Se. перестраиваемый в этом диапазоне длин волн. Мощности излучения лазера W Вт. 5 Излучение лазера модулируют с помощью вращающегося диска 5 с отверстиями и фокусируют на поверхности образца с помощью лин зы 6 из бромистого калия. Регистрируют фотоиндуцированное изменение диэлектрической про ницаемости образца по изменению емкости измерительного конденсатора йс/с в зависимости от энергии фотонов монохроматического излучения. Измерение лс/с проводилось методом расстройки резонансного контура, в который включен исследуемый образец. Напряжение с выхода схемы 7 измере1тя емкости, пропорциональное ДС/С , регистрируют селективным усилителем 8 и синхронным детектором 9. Опорный сигнал для синхронного детектирования получают с помощью светодиода 10, излучение которого модулируется тем же диском 5, и приемщ1ка 11 опорного сигнала. Сигнал с сннхродетектора (пропорциональный ДС/С ) регистрируют на самописце 12. Изменение дизлектрической проницаемости образца возникает лишь при знергиях фотонов, соответствующих возбуждению примесных атомов бора в кремнии. Так как каждая примесь имеет свой набор характерных ли1шй возбуждения, то тип примеси определяют по положению пиков в полученной зависимости изменения vC/C от энергии фотонов возбуждающего излучения. В частности для примеси бора в кремнии наблюдаются пики при энергиях фотонов (тзВ): 34,5, 38,4; 39,6; 39,9; 41,5; 42,5; 42,8 и 43,3. Количество примеси определяют по высоте пиков в полученной зависимос ти. Для наиболее сильной линии примеси бора (hi 39,6 тэВ) в исследуемом образце Дс/с 7-10 Отсюда определяют концентрацию примеси используя формулу 4iud ) И известные для данной ггримеси значения otf, -10- см- : При этом для исследуемого образца кремния, легированного бором, получают концентрацию примеси Nд 3« 10 . Предельная чувствитель ность описанного в данном примере способа ре гистрации Дс/с 10, что дает возможность обнаружить примесь бора в концентрации cмИспользование предлагаемого способа определения количества и состава примесей в неметаллических средах обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:а)позволяет расщирить набор остаточных примесей, которые Morjrr быть обнаружены в полупроводниках, что, в частности, позволит улучшить качество попупровощшковых материалов;б)исключает возможность загрязнения образцов при изготовлении контактов; в)повышает чувствительность и упрощает контроль примесей в диэлектриках. Формула изобретения Способ определения состава и количества примесей в неметаллических средах, включающий охлаждение образца, облучение его монохроматическим светом с изменяющейся во времени энергией фотонов, энергии ионизации исследуемой примеси и измерение зависимости электрического параметра образца от энергии фотонов, отличающийся тем, что, с целью расщирения класса исследуемых веществ, повышения разрешающей способности и упрощения подготовки исследуемых образцов, измеряют зависимость дизлектрической проницаемости исследуемого образца от энергии фотонов-При температуре образца TiO.. - энергия ионизации контролируемой где ЁО примеси; Еф - энергия фотона, соответствующая наиболее коротковолновому пику В эталонном для даьшой примеси спектре диэлектрической проницаемости вещества; k - постоянная Больцмана, причем о составе примесей судят по положению пиков в полученной зависимости, а о количестве примесей - по высоте этих пиков. Источники информации, принятые во внимаш{е при экспертизе 1.Ковтонюк Н. Ф. и Концевой Ю. А. Измерение параметров полупроводниковых приборов. М., Металлургия, 1970, с. 148. 2.Авторское свидетельство чСССР № 254869, кл. G 01 N 25/58, 1969 (прототип).