СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В КРЕМНИИ
MEASUREMENT METHOD OF LIFE CYCLE OF MINOR CHARGE CARRIERS IN SILICON

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области неразрушающего контроля параметров полупроводниковых материалов с использованием зондирующего электромагнитного излучения, и может быть использовано для определения времени жизни неосновных носителей заряда в кремниевых слитках.
Известен способ измерения времени жизни неосновных носителей заряда в кремнии, предусматривающий облучение поверхности кремния прямоугольными импульсами ИК-излучения длительностью Δt, регистрацию в цифровой форме сигнала поверхностной фото-ЭДС с использованием бесконтактного емкостного электрода и анализ фронтов импульсного сигнала [1]. Длительность импульса ИК-излучения Δt выбирают существенно больше длительности переднего фронта сигнала поверхностной фото-ЭДС, а время между импульсами - больше времени заднего фронта импульсного сигнала. Корректная регистрация амплитуды и формы импульса фото-ЭДС обеспечивается за счет постоянной времени измерительной цепи, которая должна быть больше полной длительности этого импульса.
Указанный способ имеет высокую точность (±2%), т.к. позволяет исключить погрешность, обусловленную зависимостью формы импульса поверхностной фото-ЭДС от интенсивности и длины волны ИК-излучения.
К недостаткам способа следует отнести невозможность измерения времени жизни неосновных носителей заряда на образцах толщиной более 4 мм и низкую, не менее 100 с на одно измерение, производительность.
1
2
1
Известен способ измерения 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 [2]. Длину волны возбуждающего излучения λ=0,51 мкм, обеспечиваемую аргоновым лазером, выбирают из расчета близости к области спектра собственного поглощения кремния (λ≈1,2 мкм).
-9
-3
Длительность возбуждающих импульсов Δt≈25 мс выбирают из условия Δt>>τ, где τ - диапазон времени жизни неосновных носителей заряда в кремнии (τ=10÷10с).
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
1
2
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения времени жизни неосновных носителей заряда в кремнии, включающий полировку торцов слитка кремния, нагрев слитка до температуры не менее 80°С, освещение торца слитка импульсным возбуждающим излучением ИК-лазера с длиной волны λ=1,15÷1,28 мкм, создающим избыточное количество неосновных носителей заряда, и освещение боковой поверхности слитка непрерывным зондирующим излучением лазера с длиной волны λ<λ≤6,0 мкм, осуществление пересечения областей возбуждающего и зондирующего излучения внутри слитка, регистрацию прошедшего через слиток зондирующего излучения, измерение временной зависимости интенсивности прошедшего через слиток зондирующего излучения с последующим определением времени жизни неосновных носителей заряда, после чего областью пересечения сканируют объем слитка и определяют время жизни неосновных носителей заряда для сканируемых областей [3]. В качестве основного источника зондирующего излучения был использован газовый (Не-Ne)-лазер с длиной волны λ=3,39 мкм. Выбор газового (Не-Ne)-лазера в качестве источника зондирующего излучения был 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.
Нагрев слитка в процессе измерения до температуры не менее 80°С обеспечивает распространение импульсного возбуждающего излучения в кремнии на расстояния до 100 см. В этом случае вдоль траектории возбуждающего излучения происходит генерация избыточных носителей заряда, причем уровень генерации носителей оказывается сопоставимым между собой практически на всем протяжении следования возбуждающего излучения, а потери на поглощение избыточных носителей заряда незначительны.
Производительность измерений по данному способу составляет 5÷10 с на одно измерение. 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.
Задачей изобретения является увеличение производительности процесса измерения времени жизни неосновных носителей заряда в слитках кремния.
1
1
2
1
2
1
2
2
2
1
2
1
1
2
2
1
Это достигается тем, что в способе измерения времени жизни неосновных носителей заряда в кремнии, включающем нагрев слитка кремния до температуры не менее 80°С, освещение торца слитка импульсным возбуждающим лучом L с длиной волны λ=1,15÷1,28 мкм и освещение боковой поверхности слитка зондирующим лучом L с длиной волны λ<λ≤6,0 мкм, пересечение лучей L и L внутри слитка, регистрацию прошедшего через слиток луча L, измерение временнóй зависимости интенсивности прошедшего через слиток луча L с последующим определением времени жизни неосновных носителей заряда для координаты точки пересечения лучей L и L и сканирование объема слитка указанной областью пересечения и определение времени жизни неосновных носителей заряда для сканируемых областей, освещение слитка лучом L осуществляют через плоскую фокусирующую линзу, плоский фокус луча L располагают в плоскости пересечения лучей L, а сканирование объема слитка осуществляют областью пересечения лучей L с фокусом луча L.
2
1
При освещении боковой поверхности слитка не менее чем двумя лучами L производительность Способа возрастает пропорционально количеству лучей Z.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование плоскосфокусированного в объеме кремниевого слитка импульсного возбуждающего ИК-луча с целью генерации избыточных носителей заряда в локальной области, концентрация которых модулирует проходящий через эту область один или несколько зондирующих ИК-лучей, что позволяет по спаду интенсивности прошедших через слиток зондирующих лучей определить величину времени жизни неосновных носителей заряда в области пересечения возбуждающего и зондирующего лучей.
1
При использовании для генерации носителей заряда в кремнии плоскосфокусированного импульсного возбуждающего излучения с длиной волны λ=1,15÷1,28 мкм решаются две проблемы:
1
1) 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.
2) отпадает необходимость в тщательной подготовке поверхностей слитка кремния перед измерениями, поскольку снижается влияние эффекта поверхностной рекомбинации на объемную составляющую времени жизни неосновных носителей заряда, что позволяет значительно увеличить достоверность регистрируемых сигналов;
1
2
3) при обеспечении пересечения плоского фокуса луча L с более чем одним зондирующим лучом L появляется возможность в единицу времени провести измерение времени жизни неосновных носителей заряда одновременно для нескольких областей слитка.
1
1
1
Параметры линзы обеспечивают уверенную фокусировку луча L в объеме слитка. Поскольку минимальное фокусное расстояние линзы FL должно быть не менее половины предельно возможной длины контролируемых кремниевых слитков, то величина FL не должна быть менее 300 мм (например, предельная длина квадратированных слитков, размещаемых в станке проволочной резки модели MWS-610SD с верхним расположением режущего механизма производства "TAKATORI" (Япония), составляет 270 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 2 лучей L и L и дальнейшего управления сканированием этой областью объема слитка.
Новизна заявляемого изобретения обусловлена тем, что для достижения цели изобретения (увеличение производительности процесса измерения времени жизни неосновных носителей заряда в слитках кремния) используется плоскосфокусированный пучок импульсного возбуждающего излучения и более чем один луч непрерывного зондирующего излучения, что позволяет увеличить производительность способа.
Сущность способа поясняется фиг.1, где:
1 - квадратированный слиток кремния;
1
1
2 - луч импульсного возбуждающего излучения L от ИК-лазера с длиной волны λ=1,15÷1,28 мкм;
3 - плоскофокусирующая линза;
2
1
2
4 - лучи непрерывного зондирующего излучения L от твердотельного лазера с длиной волны λ<λ≤6,0 мкм;
2
5 - прошедшие через слиток 1 лучи L;
2
6 - плоскость прохождения лучей L через слиток 1;
1
7 - фокусируемый луч L в слитке 1;
1
2
8 - луч L, сфокусированный в плоскости прохождения лучей L через слиток 1.
Пример конкретного выполнения
1
1
Установка для определения времени жизни неосновных носителей заряда в слитках кремния по заявляемому способу была смонтирована на испытательном стенде, имеющем прецизионные устройства горизонтального и вертикального перемещения габаритных объектов и стандартный набор датчиков и аппаратуры для регистрации и обработки ИК-сигналов, на станине которого дополнительно были размещены источник импульсного возбуждающего излучения (твердотельный иттербиевый лазер с длинной волны λ=1,26 мкм и эффективностью ~82%) и плоская фокусирующая линза из германиия. В качестве линзы была использована специально изготовленная плосковыпуклая германиевая линза с фокусным расстоянием FL=250 мм и радиусом кривизны R=750 мм.
2
В качестве источника непрерывного зондирующего ИК-излучения использовались три твердотельных (Fe2+:ZnSe)-лазера мощностью ~50 мВт, настроенных на непрерывный режим генерации излучения с длиной волны λ=3,7 мкм. С целью предотвращения перегрева лазеров использовалась система охлаждения на базе элементов Пельтье.
В качестве объекта контроля использовался квадратированный монокристаллический слиток кремния марки КДБ-10 (111)-4°.
Размеры слитка составляли 175×175×600 мм.
Нагрев слитка до температуры ~80÷90°С осуществлялся локально вблизи плоского фокуса луча от иттербиевого лазера, для чего использовалась галогенная лампа со щелевым ИК-фильтром.
Сканирование областью пересечения плоского фокуса возбуждающего излучения с тремя лучами зондирующего излучения осуществлялось за счет вертикального перемещения слитка со скоростью 0,5 мм/с относительно неподвижно закрепленных возбуждающего и зондирующего лазеров.
Измерение времени жизни неосновных носителей заряда сначала проводились в 5 плоскостях слитка на расстоянии 50 мм друг от друга, после чего слиток переворачивали в горизонтальной плоскости на 180° и вновь проводили измерение в 5 плоскостях слитка на расстоянии 50 мм друг от друга. Таким образом, при данных параметрах плоскофокусирующей линзы, которые обеспечивали фокусировку возбуждающего луча только на половине длины слитка, слиток был проконтролирован по всей длине с шагом 50 мм.
Регистрация зондирующего излучения и обработка результатов регистрации осуществлялось по стандартной методике [4] с использованием стандартных средств обработки результатов.
Длительность единичного измерения, в результате которого осуществлялась достоверная регистрация координаты 3-х точек и определение величины времени жизни неосновных носителей заряда в этих точках, оказалось равной 1,5÷2,0 с.
Длительность контроля всего слитка с учетом подготовительных операций составила ~50 мин (с учетом длительности подготовительных операций: закрепление слитка на узле горизонтального перемещения установки, калибровка измерительной системы и поворот слитка на 180°).
В процессе измерения было обработано более чем 3000 координат.
Если бы контроль данного слитка проводился по способу-прототипу, на контроль 3000 координат потребовалось бы не менее 400 мин.
Таким образом, производительность заявляемого Способа оказывается в 8 раз выше, чем у способа-прототипа.
Точность измерений в данном примере составила ±3% и определена 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 платформе установки измерения в другом (слиток переворачивали на 90° относительно его оси и осуществляли повторную калибровку измерительной системы).
Таким образом, заявляемый способ измерения времени жизни неосновных носителей заряда в слитках кремния характеризуется высокой (менее 2,0 с на одно измерение) производительностью, что обеспечивается за счет применения плоскосфокусированного импульсного возбуждающего ИК-излучения.
Источники информации
1. ASTM F 391-96. Standard Test Methods for Minority Carrier Diffusion Length in Extrinsic Semiconductors by Measurement of Steady-State Surface Photovoltage. Annual Book of ASTM Standard. V.10.05.
2. Патент РФ, МПК: H01L 21/66, №2006987 от 28.06.1991 г.
3. Патент РФ, МПК: H01L 21/66, №2178220 от 25.02.2000 г. - прототип.
4. А.Ф.Яремчук. Контроль качества кремниевых слитков Способом спада фотопроводимости. - Известия ВУЗов, сер. "Электроника", №6 (86), 2010, с.3-7.