СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СЛИТКАХ КРЕМНИЯ
METHOD TO MONITOR LIFE TIME OF MINORITY CHARGE CARRIER IN SILICON BARS

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области неразрушающих методов контроля параметров полупроводниковых материалов с использованием зондирующего электромагнитного излучения, и может быть использовано для определения времени жизни неосновных носителей заряда в кремниевых слитках.
1
2
Известен способ контроля времени жизни неосновных носителей заряда в кремнии, включающий облучение поверхности образца импульсным возбуждающим излучением с длиной волны λ=0,51 мкм и зондирующим ИК-излучением с длиной волны λ=3,39 мкм, сканирование поверхности образца зондирующим и возбуждающим излучением, регистрацию временной зависимости интенсивности отраженного от объекта зондирующего ИК-излучения и вычисление по измеренной временной зависимости времени жизни неосновных носителей заряда [1].
1
-9
-3
Длину волны возбуждающего излучения λ=0,51, обеспечиваемую аргоновым лазером, выбирают из расчета близости к области спектра собственного поглощения кремния (λ≈1,2 мкм). Длительность возбуждающих импульсов Δt≈25 мс выбирают из условия Δt>>τ, где τ - диапазон времени жизни неосновных носителей заряда в приповерхностной области кремния (τ=10÷10 с).
К недостаткам способа следует отнести невозможность измерения времени жизни неосновных носителей заряда на образцах толщиной более 1 мм, а также невысокую точность и локальность, обусловленную сильным влиянием на объемную составляющую времени жизни неосновных носителей заряда эффекта поверхностной рекомбинации.
1
Известен также способ контроля времени жизни неосновных носителей заряда в кремнии, включающий облучение образца зондирующим СВЧ-излучением частотой (ω~10 ГГц, кратковременное освещение поверхности объекта импульсным возбуждающим излучением с длиной волны λ=0,97 мкм, создающим избыточное количество неосновных носителей заряда, регистрацию временной зависимости интенсивности отраженного от объекта зондирующего СВЧ-излучения и вычисление по измеренной временной зависимости времени жизни неосновных носителей заряда [2].
Указанный способ характеризуется высокой точностью (±2%) и локальностью (до 1 мм), т.к. использование в качестве зондирующего излучения сигнала СВЧ-диапазона позволило существенно снизить влияние на результаты измерения объемной составляющей времени жизни неосновных носителей заряда.
К недостаткам способа следует отнести невозможность определения объемного распределения времени жизни неосновных носителей заряда, обусловленной небольшой (от 0,1 до 4,0 мм, в зависимости от величины проводимости кремния) глубиной проникновения СВЧ-излучения в кремний.
1
1
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ контроля времени жизни неосновных носителей заряда в кремнии, включающий подготовку поверхностей объекта, нагрев объекта, освещение объекта импульсным возбуждающим излучением ИК-лазера с длиной волны λ=1,15÷1,28 мкм, создающим избыточное количество неосновных носителей заряда, и непрерывным зондирующим излучением лазера с длиной волны λ<λ≤6,0 мкм, осуществление пересечения областей возбуждающего и зондирующего излучения внутри измеряемого объекта, регистрацию фотодиодом прошедшего через объект зондирующего излучения, измерение временной зависимости интенсивности прошедшего через объект зондирующего излучения с последующим определением времени жизни неосновных носителей заряда, после чего областью пересечения сканируют объем объекта и определяют время жизни неосновных носителей заряда для сканируемых областей [3].
2
В качестве основного источника зондирующего излучения в данном способе используют газовый (Не-Nе)-лазер с длиной волны λ=3,39 мкм. Выбор газового (Не-Nе)-лазера в качестве источника зондирующего излучения обусловлен тем, что он имеет большую (20÷30 см) длину когерентности (то есть длину части луча, состоящей из фотонов с одинаковой энергией), его излучение имеет очень малый угол расходимости, высокую монохроматичность и частотную стабильность.
Указанная длина когерентности (20÷30 см) как раз соответствует максимальным диаметрам кремниевых слитков, выращиваемых в промышленных масштабах для нужд микроэлектроники и фотовольтаики.
1
Выбор ИК-лазера с длиной волны λ=1,15÷1,28 мкм в качестве источника возбуждающего излучения обусловлен тем, что для выбранной длины волны возбуждающего излучения (что соответствует самому началу края фундаментального поглощения в кремнии), вблизи края фундаментального поглощения существует спектральный интервал, в котором фундаментальное поглощение становится уже достаточно малым, а другие механизмы поглощения (такие как поглощение на свободных носителях заряда, решеточное поглощение, поглощение на примесных электронных переходах, размытие края поглощения за счет встроенных электрических и деформационных полей, а также рассеяние света) тоже дают достаточно малые коэффициенты поглощения. Суммарный коэффициент поглощения в этом случае оказывается настолько малым, что импульсное возбуждающее излучение в кремнии, разогретом до температуры не менее 80°С, может распространиться на расстояние до 100 см, что оказывается вполне достаточным для контроля слитков по данному способу.
1
2
1
1
2
1
2
При заданных параметрах и режимах измерений разброс концентраций генерируемых возбуждающим излучением избыточных носителей заряда по длине слитка оказывается не ниже 15%, точность измерения времени жизни неосновных носителей заряда также оказывается не выше этой величины. Локальность измерений времени жизни неосновных носителей заряда по данному способу составляет не менее 10 мм. Она лимитируется, прежде всего, расфокусировкой луча L в объеме слитка кремния вдоль траектории луча, а также отклонением от цилиндричности формы луча L в объеме слитка, обусловленной цилиндричностью формы боковой поверхности слитка. При этом, даже имея луч L диаметром d«10 мм, форма области пересечения лучей L и L в сечении будет иметь вид размытого креста, эффективный диаметр которого оказывается близким к 10 мм, а это, в свою очередь, делает весьма затруднительным достоверную регистрацию изменений интенсивности прошедшего через слиток зондирующего излучения и регистрацию области пересечения лучей L и L. Производительность измерений по данному способу составляет 5÷10 с на одно измерение, максимальная длина контролируемого слитка - до 100 см.
Следовательно, для контроля времени жизни неосновных носителей заряда хотя бы в одной точке вдоль оси слитка длиной 100 см (при локальности ~10 мм) требуется минимум 100 замеров, т.е. 500÷1000 с. Таким образом, основным недостатком данного способа является низкая производительность процесса измерений и невысокая точность измерений.
Задачей изобретения является увеличение точности измерения времени жизни неосновных носителей заряда в слитках кремния и увеличение производительности процесса измерения.
1
2
1
2
2
2
1
2
1
1
2
1
Это достигается тем, что в способе измерения времени жизни неосновных носителей заряда в кремнии, включающем нагрев объекта, освещение объекта импульсным возбуждающим лучом L и зондирующим лучом L, пересечение лучей L и L внутри измеряемого объекта, регистрацию прошедшего через объект луча L, измерение временной зависимости интенсивности прошедшего через объект луча L с последующим определением времени жизни неосновных носителей заряда для координаты точки пересечения лучей L и L сканирование объема объекта указанной областью пересечения и определение времени жизни неосновных носителей заряда для сканируемых областей, освещение объекта лучом L осуществляют со стороны боковой поверхности объекта, причем освещение осуществляют через фокусирующую линзу, луч L фокусируют в объеме объекта, а сканировании объема объекта осуществляют областью пересечения луча L с фокусом луча L.
1
2
2
1
2
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование сфокусированного в объеме кремниевого слитка импульсного возбуждающего ИК-луча L с целью генерации избыточных носителей заряда в локальной области, концентрация которых модулирует проходящий через эту область зондирующий ИК-луч L, что позволяет по спаду интенсивности прошедшего через слиток зондирующего луча L определить величину времени жизни неосновных носителей заряда в области пересечения лучей L и L.
1
Использование для генерации носителей заряда в кремнии сфокусированного импульсного возбуждающего излучения с длиной волны λ=1,15÷1,28 мкм решает две проблемы:
1) отпадает необходимость в тщательной подготовке поверхностей слитка кремния перед измерениями, поскольку снижается влияние на объемную составляющую времени жизни неосновных носителей заряда эффекта поверхностной рекомбинации, что позволяет значительно увеличить достоверность регистрируемых сигналов;
1
2) более чем на порядок возрастает концентрация генерируемых избыточных носителей заряда в фокусе луча L, что позволяет (за счет увеличения интенсивности регистрируемого сигнала) в несколько раз увеличить точность и воспроизводимость результатов измерений.
Таким образом, во-первых, отпадает необходимость освещения объекта импульсным возбуждающим излучением через торец слитка, вместо чего может быть использовано сфокусированное импульсное возбуждающее излучение, направляемое в объем слитка через его боковую поверхность.
1
1
1
Параметры линзы при этом должны обеспечить уверенную фокусировку луча L в любой точке объема слитка. Поскольку минимальное фокусное расстояние линзы FL должно быть не менее половины предельно возможного диаметра контролируемых кремниевых слитков, выращиваемых в промышленных масштабах для нужд микроэлектроники и фотовольтаики, то величина FL не должна быть менее 175 мм. Этому критерию удовлетворяют сапфировые и германиевые линзы, серийно изготовляемые многими оптическими предприятиями.
1
2
Во-вторых, при значительно больших интенсивностях возбуждающего излучения существенно облегчаются процессы регистрации области пересечения лучей L и L и дальнейшего управления сканированием этой областью объема слитка.
Новизна заявляемого изобретения обусловлена тем, что для достижения цели изобретения (увеличение точности измерения время жизни неосновных носителей заряда в слитках кремния и увеличение производительности процесса измерения) используется сфокусированный пучок возбуждающего ИК-излучения, что позволяет увеличить точность и достоверность измерений, увеличить производительность контроля, значительно упростить аппаратурное оформление метода.
Пример конкретного выполнения.
Сущность способа поясняется фиг.1, где:
1 - объект измерения (слиток кремния);
1
2
2 - область пересечения лучей L и L в объеме слитка 1;
2
3 - прошедший через слиток 1 луч L;
1
1
L - луч импульсного возбуждающего излучения от ИК-лазера с длиной волны λ=1,15÷1,28 мкм;
2
2
L - луч непрерывного зондирующего излучения от лазера с длиной волны λ=3,39 мкм;
1
d - диаметр луча L в объеме слитка 1.
1
Для определения времени жизни неосновных носителей заряда в слитках кремния по заявляемому способу была использована система позиционирования и перемещения слитка на базе промышленный микроволновой установки MWR-2S-3 [4], на станине которой дополнительно были размещены источник импульсного возбуждающего излучения (твердотельный иттербиевый лазер с длинной волны λ=1,26 мкм и эффективностью ~82%) и фокусирующая линза из германиия.
В качестве линзы была использована стандартная плосковыпуклая германиевая линза (модель: РСХ14-20) со следующими параметрами:
диаметр Ge-линзы D, мм - 50,8;
1
фокусное расстояние FL, мм - 250,0;
радиус кривизны R, мм - 750,0;
толщина линзы по центру ts, мм - 3,4;
толщина линзы по краю te, мм - 3,0.
2
Зондирующее ИК-излучение подводилось к слитку через оптическую систему от расположенного рядом источника, в качестве которого был использован перестраиваемый трехчастотный гелий-неоновый лазер (модель: ЛГ-126) мощностью ~13 мВт, настроенный на непрерывный режим генерации излучения с длиной волны λ=3,39 мкм.
В качестве образца использовался выращенный по методу Чохральского монокристаллический слиток кремния ø150 мм марки КДБ-10 (111)-4°, у которого на станке «Алмаз-6М» алмазной дисковой пилой отрезали верхнюю и нижнюю конусообразную части. Длина слитка после отрезания нижней и верхней частей составила 85 см.
Нагрев слитка до температуры ~80÷90°С осуществлялся локально вблизи контролируемых точек, для чего использовалась галогенная лампа со щелевым ИК-фильтром.
Количество заданных точек измерения для данного слитка составила 80 единиц, локализация координат точек измерения - по оси слитка через 10 мм.
Переход от одной точки сканирования к другой осуществлялся за счет горизонтального перемещения слитка вдоль его оси по валикам установки MWR-2S-3.
Для обработки регистрируемых стандартным фотодиодом сигналов использовалась типовая методика [5].
Длительность измерения в одной точке, в результате которого осуществлялась достоверная регистрация координат точки контроля и определение величины времени жизни неосновных носителей заряда в данной точке, оказалось равной 2,0÷2,5 с, т.е. производительность одного измерения по предлагаемому способу оказывается более чем в 4 раза выше, чем по прототипу.
Длительность контроля всего слитка (с учетом подготовительных операций: закрепление слитка на узле горизонтального перемещения установки и калибровка измерительной системы, которая оказалось равной ~180 с) составила 380 с.
Таким образом, даже с учетом подготовительных операций (закрепление слитка и калибровка измерительной системы) производительность заявляемого способа превышает производительность измерения по прототипу и составляет ~8,0 с.
Точность измерений в данном примере составила ±3% и определялась на основании анализа разброса и воспроизводимости результатов измерения одного и того же слитка после четырехкратного его измерения в аналогичных режимах, т.е. время жизни неосновных носителей заряда измерялась в каждой точке 4 раза. При этом слиток размещали на станине установки измерения в другом положении и осуществляли повторную калибровку измерительной системы.
Таким образом, заявляемый способ контроля времени жизни неосновных носителей заряда в слитках кремния характеризуется высокой (±3%) точностью контроля и высокой (менее 8,0 с на одно измерение) производительностью контроля, что обеспечивается за счет применения сфокусированного импульсного возбуждающего ИК-излучения.
Источники информации:
1. Патент РФ, МПК: H01L 21/66, №2006987 от 28.06.1991 г.
2. Патент РФ, МПК: G01R 31/26, №2318218 от 21.04.2006 г.
3. Патент РФ, МПК: H01L 21/66, №2178220 от 25.02.2000 г. - прототип.
4. Измеритель времени жизни носителей заряда в кремниевых пластинах и слитках MWR-2S-3; URL: http://www.telstv.ru/show.php?page=ru_equipment (дата обращения: 20.01.2012).
5. А.Ф.Яремчук. Контроль качества кремниевых слитков методом спада фотопроводимости. - Известия ВУЗов, сер. "Электроника", №6 (86), 2010, с.3-7.