Спосіб вивчення кінетики процесу окислення напівпровідникових елементів і пристрій для його здійснення

1 Спосіб вивчення кінетики окислення напівпровідникових елементів, який включає відпал елементів у повітряній атмосфері при одночасному опроміненні їх протилежних поверхонь УФвипромінюванням і вивчення кінетики окислення, який відрізняється тим, що вивчення кінетики окислення здійснюють шляхом пропускання крізь досліджуваний елемент когерентного випроміню вання і безперервного контролю залежностей від часу величин оптичного пропускання і відбиття від досліджуваного елементу 2 Пристрій для вивчення кінетики окислення напівпровідникових елементів, який містить піч відпалу, забезпечену пристроєм вимірювання температури елемента, і розташовані за її межами на єдиній оптичній осі джерела УФ-випромінювання, який відрізняється тим, що він додатково має встановлені на вказаній оптичній осі джерело когерентного випромінювання та розподільну пластинку, фотоприймачі когерентного випромінювання, яке пройшло і відбилося від досліджуваного елемента, та фотоприймачі випромінювання УФджерел, ВІДПОВІДНО попарно підключених до ВІДПОВІДНИХ входів блока спряження, а також фотоприймач відбитого від розподільної пластинки випромінювання, також підключений до входу блока спряження, виходи котрого підключені до ЕОМ Винахід відноситься до області дослідження процесів кінетики окислення напівпровідникових матеріалів Макрокшетика процесів окислення різних твердих речовин аж до теперішнього часу є предметом численних досліджень [В П Кобяков, Г Н Комратов, И М Овчинников Окисление композиционного материала системы Mo-Si-C Макрокинетика процесса и состояние поверхности образцов Неорганические материалы, т 35, №2, 1999, с 183-189] Дослідження фізики окислення напівпровідникових матеріалів необхідно для покращання характеристик приладних структур і розширення можливостей використання напівпровідникових матеріалів у сучасній електроніці Наприклад, отримання шарів ZnO заданої товщини на поверхні кристалічних підкладок із ZnSe являє значний практичний інтерес для створення провідних, маскуючих або просвітлюючих шарів, для збудження поверхневих акустичних хвиль, для визначення як режимів експлуатації, так і робочого ресурсу приладів, виготовлених на їх основі Однак, до тепе рішнього часу порівняно добре вивчені кінетика окислення тільки деяких напівпровідників (Si, Ge, GaAs), а про особливості окислення інших напівпровідникових матеріалів є тільки уривчасті і притому, часто суперечні дані Це пояснюється насамперед складним характером кінетики окислення напівпровідників, при цьому швидкість окислення залежить від температури процесу, присутності водяної пари в атмосфері, від кристалографічної орієнтації підкладки, від концентрації легуючих домішок у напівпровіднику та інше На основі усього вищесказаного зрозуміло, що вивчення кінетики і механізму окислення напівпровідників, а також впливу окислення на їх властивості має значний науковий і практичний інтерес Як правило, вивчення кінетики процесів окислення здійснюють визначенням залежності швидкості росту оксидних плівок від часу окислення при фіксованій температурі шляхом вимірювання зміни маси напівпровідникового елементу в часі (залежність Д т /S = h = f(x), де т - маса, S - площа поверхні зразка, х - час, h - товщина оксидного шару) в CO 00 о сч ю 52083 4 результаті їх окислення у печі відпалу у повітряній атмосфері [В П Кобяков, Г Н Комратов, И М Овчинников Окисление композиционного материала системы Mo-Si-C Макрокинетика процесса и состояние поверхности образцов Неорганические материалы, т 35, №2, 1999, с 183 - 189], [ЯД Нисневич Кінетика окисления шлифованных пластин кремния на воздухе Неорганические материалы, т 21, №11, 1985, с 1818-1820] В цих способах для проведення вимірів досліджувані елементи періодично виймають із пристрою окислення, охолоджують до кімнатної температури, після чого здійснюють вимір маси напівпровідникового елементу, а потім елементи повертають у пристрій для окислення Періодичне переривання процесу окислення призводить до великих похибок вимірювань швидкості окислення і не забезпечують отримання оксидних покриттів з високим відтворюванням по товщині Наслідком цього є і недостатньо високе відтворення робочих характеритик напівпровідникових елементів і приладів, виготовлених на основі напівпровідникових підкладок з оксидними покриттями, таких, наприклад, як напівпровідникові оптичні елементи з інтерференційними (просвітлюючими або частково відбиваючими) оксидними покриттями, напівпровідникові прилади на основі М ОН -структур (М-метал, Ооксид, Н - напівпровідник) та ін соби не забезпечують високу точність визначення товщини оксидних шарів і не забезпечують отримання оксидних покриттів з високим відтворенням по товщині Періодичне переривання процесу окислення призводить до великих похибок вимірювань швидкості окислення, що суттєво утруднює дослідження кінетики (закономірностей і особливостей) процесів окислення напівпровідникових елементів При виготовленні напівпровідникових приборів з оксидними покриттями (які використовуються, наприклад, в якості інтерференційних покриттів) ці недоліки не дозволяють отримувати напівпровідникові елементи і прилади із високим відтворенням їх робочих характеристик Вивчення кінетики процесів окислення, яке проводиться шляхом визначення залежності Д т /S від х ( т - маса, S - площина поверхні зразка, х час) в умовах програмованого нагрівання на деріватографі Ц-1500Д зі швидкістю 20град/хвил до заданої температури з подальшою витримкою на протязі 3 годин [Ю Г Гогоци, Л В Лаврив, О Д Щербина Особенности кинетики окисления реакционно-спеченной керамики на основе нитрида кремния Неорганические материалы, т 27, №11, 1991, с 2449 - 2451], дозволяє проводити дослідження без переривання процесу окислення, що забезпечує підвищення точності визначення залежності Д т /S від х, але при цьому не дає достовірну інформацію про товщину оксидних шарів, які утворюються на поверхні елементів ВІДОМІ способи потребують використання складних приладів для вимірювання маси зразків і товщини отриманих оксидних шарів, таких, наприклад, як еліпсометри, деріватографи, спектрофотометри, вимірювання на яких трудомісткі і тривалі Пристрій для отримання оксидних шарів являє собою, як правило, загальновідому піч для відпалу, яка працює в повітряній атмосфері Відомий спосіб вивчення кінетики процесу окислення напівпровідникових елементів (наприклад, ZnSe), який включає відпал елементів в повітряній атмосфері при одночасному опроміненні їх поверхонь УФ-випромінюванням з подальшим охолодженням і контролем зміни маси елементів та товщини оксидних плівок [Патент Украины №16719, кл G02B 1/12, СОЗС 23/00] Пристрій для реалізації даного способу містить муфельну піч із термопарою і встановлені на єдиній оптичній ВІСІ з досліджуваним елементом, розташованим у ній, джерела УФ-випромінювання, розташовані з обох боків від нього поза піччю Як і в аналогах, вивчення кінетики здійснюється періодичним вийманням елементу з печі для вимірювання його маси на терезах і товщини оксидної плівки за допомогою вимірів на спектрофотометрі, тобто таке вивчення також являється тривалим, трудомістким, і не забезпечує високу точність вимірів і відтворення отримання оксидних плівок контрольованої товщини, котрі можуть бути використані в якості інтерференційних, діелектричних, захисних і іншого роду покриттів Більш достовірну інформацію про товщину оксидних шарів, які утворюються на поверхні напівпровідникових елементів, дає метод лазерної еліпсометрм [И Я Миттова, И М Сошников, Н Т Дементьев, С А Пономарева, В М Кашкаров Влияние VO2 на окисление фосфида индия азотной кислотой Неорганические материалы, т 37, №1, 2001, с 9] Для проведення вимірів досліджувані елементи періодично виймаються із пристрою окислення, котре являє собою піч відпалу, охолоджують до кімнатної температури, після чого вимірюють товщину оксидних шарів за допомогою лазерного еліпсометра, після чого елементи повертають до пристрою окислення Періодичне переривання процесу окислення призводить до великих похибок як при дослідженні кінетики окислення, так і при вимірюванні швидкості окислення і не забезпечує отримання оксидних покриттів з високим відтворенням по товщині Недоліками всіх цих відомих способів є їх трудомісткість і тривалість При цьому ВІДОМІ СПО Крім того, до недоліків відомих способів слід віднести також і неможливість дослідження кінетики процесів окислення напівпровідникових елементів в залежності від їх домішкового складу, кристалографічної орієнтації, газового складу і вологості окислювальної атмосфери, параметрів опромінюючих оптичних випромінювань тощо Ці недоліки утруднюють визначення робочого ресурсу напівпровідникових елементів, і особливо тих, котрі призначені для роботи в складних кліматичних умовах і в жорстких умовах експлуатації (високі температури, широкий інтервал робочих температур, лазерні випромінювання високої інтенсивності, окислювальна атмосфера і т п ) Даний спосіб і пристрій вибрані нами в якості прототипу В основу даного винаходу поставлена задача розробки способу і пристрою для вивчення кінетики процесу окислення напівпровідникових елементів, котрі забезпечили б підвищення точності дослідження кінетики процесів окислення напівпровідникових елементів 52083 за рахунок забезпечення безперервності дослідження і виключення флуктуацій в режимах роботи елементів конструкції, відтворення отримання оксидних плівок контрольованої товщини, що використовуються в якості інтерференційних (просвітлюючих або відбиваючих) покриттів Вирішення поставленої задачі забезпечується тим, що в способі вивчення кінетики окислення напівпровідникових елементів, який включає відпал елементів у повітряній атмосфері при одночасному опромінюванні їх протилежних поверхонь УФ-випромінюванням і вивченням кінетики окислення, згідно винаходу, вивчення кінетики окислення здійснюють шляхом пропускання крізь досліджуваний елемент когерентного випромінювання і безперервного контролю залежностей від часу оптичного пропускання і відбиття від досліджуваного елементу Вирішення поставленої задачі забезпечується і тим, що в пристрої для вивчення кінетики процесу окислення напівпровідникових елементів, який вміщує піч для відпалу з пристроєм для вимірювання температури елементу і встановлені за її межами на єдиній оптичній ВІСІ, джерела УФвипромінювання, згідно винаходу, він додатково вміщує, встановлені на указаній оптичній ВІСІ, джерело когерентного випромінювання і розподілювальну пластинку, фотоприймачі прохідного і відбитого когерентного випромінювання від досліджуваного елементу та фотоприймачі випромінювання УФ-джерел ВІДПОВІДНО попарно підключені до ВІДПОВІДНИХ входів блока спряження, а також фотоприймач відбитого від розподілювальної пластинки випромінювання, також підключений до входу блока спряження, зв'язаного з ЕОМ Підвищення точності і достовірності вивчення кінетики процесу окислення напівпровідникових елементів і отримання оксидних покриттів відтворюваної і контрольованої товщини на них забезпечується можливістю безперервного контролю залежностей від часу оптичного пропускання і відбиття від досліджуваного елементу при пропусканні крізь нього когерентного випромінювання, що не здійснюється в аналогах Так як процес окислення здійснюється безперервно і без періодичного переривання для проміжних вимірів (як у аналогах), підвищується точність і достовірність вимірювання, а також знижується тривалість і трудомісткість процесу Введення у пристрій фотоприймачів УФвипромінювання, підключених до ВІДПОВІДНИХ ВХОДІВ блока спряження завдяки електричному зворотному зв'язку виключає флуктуації інтенсивностей УФ- випромінювачів, отже забезпечує однакову стабілізовану інтенсивність опромінювання протилежних поверхонь досліджуваного напівпровідникового елементу, що підвищує 1) достовірність і точність вивчення кінетики окислення напівпровідників, 2) відтворення отримання оксидних покриттів однакової товщини Введення в пристрій фотоприймачів когерентного випромінювання, яке пройшло і відбилося від досліджуваного елементу, підключених до ВІДПОВІДНИХ входів блока спряження, забезпечує безперервне вимірювання залежностей від часу оптич 6 ного пропускання і відбиття від досліджуваного напівпровідникового елементу Введення в пристрій фотоприймача відбитого когерентного випромінювання від розподілювальної пластинки, підключеного до ВІДПОВІДНОГО входу блока спряження, служить для норміровки сигналів випромінювання, яке пройшло і відбилося від досліджуваного елементу, що дозволяє усунути сигнал шума, який визвано нестабільністю випромінювання джерела когерентного випромінювання Завдяки цьому підвищується точність контролю кінетики окислення і отримання оксидних покриттів відтворюваної товщини На фіг наведено схему запропонованого пристрою Пропонуємий спосіб реалізують таким чином досліджуваний елемент вміщують у піч відпалу, включають блок спряження та ЕОМ, на протилежні поверхні досліджуваного елемента направляють випромінювання УФ-джерел, крізь досліджуваний напівпровідниковий елемент пропускають когерентне випромінювання, вмикають блок керування печі, запускають програму ЕОМ, котра керує роботою блока живлення печі, безперервно контролює інтенсивності УФ-джерел, стабілізує їх, а також контролює залежності від часу величин оптичного пропускання і відбиття від досліджуваного елемента Пристрій для реалізації пропонуємого способу містить піч для відпалу 1, встановлені на єдиній оптичній ВІСІ джерело 2 когерентного випромінювання, розподілювальну пластинку 3 та джерела 4 і 5 УФ-випромінювання, розвернуті назустріч друг другу, підключені через блоки 6 та 7 живлення до ВІДПОВІДНИХ входів блока спряження 8, до других ВІДПОВІДНИХ входів котрого підключені попарно фотоприймачі 9 і 10, які контролюють інтенсивність потоків УФ-випромінювання та фотоприймачі 11 і 12, котрі реєструють ВІДПОВІДНО когерентне випромінювання, яке відбилося і пройшло крізь досліджуваний елемент 13 Фотоприймач 14 також підключено до ВІДПОВІДНОГО входу блока спряження 8 Виходи блока спряження 8 підключені до входів ЕОМ 16 Піч відпалу 1 обладнана термопарою 15 для контролю температури досліджуваного елементу 13, котра поєднана також із блоком спряження 8 У прикладі конкретного виконання пропонуємий спосіб реалізують на пропонуємому пристрої таким чином Напівпровідниковий елемент 13 із кристалічного ZnSe діаметром 14мм і товщиною Змм вміщують у піч відпалу 1 На протилежні поверхні елементу 13 скеровують УФ-випромінювання від джерел 4 і 5 (інтенсивність УФ-випромінювання на поверхнях елемента 13 складає 0,1Вт/см2 в інтервалі довжин хвиль 0,24 0,40мкм) і одночасно з цим по нормалі к поверхні елемента 13 скеровують низькоштенсивне когерентне випромінювання, зокрема He-Ne-лазера 2 (інтенсивність випромінювання 2тВт/см 2 на довжині хвилі О.бЗмкм) Частина випромінювання лазера 2 за допомогою розподілювальної пластинки 3 скеровують у фотоприймач 14, сигнал котрого служить для нор 52083 8 і 10 УФ-випромінювання, фотоприймачів 11, 12, 14, які вимірюють відбиту потужність, потужність, що пройшла і частину потужності, яка падає на елемент, та сигнал з термопари 15, який відповідає температурі елементу На протязі усього процесу термообробки (34хвил) сигнали фотоприймачів 9 і 10 використовують для регулювання величини токів через блоки живлення 6 і 7 для вирівнювання величин інтенсивностей випромінювання джерел УФ-випромінювання 4 і 5, сигнали фотоприймачів 11 і 12 використовують для реєстрації залежностей від часу інтенсивностей відбитого випромінювання і випромінювання, що пройшло, які відповідають ЕОМ 16 через блок спряження 8 послідовно утворенню оксидних шарів, відображають на екраопитує ВХІДНІ канали, кожний ~ 1000 разів у секунні монітору та запам'ятовують ду, на які поступають сигнали від фотоприймачів 9 мування сигналів відбитого випромінювання і випромінювання, яке пройшло крізь елемент 13, що дозволяє усунути сигнал шуму, викликаний нестабільністю випромінювання лазера 2 Суміщають приймачі 11 та 12 відбитого випромінювання і випромінювання, що пройшло, з променем відбитим і який пройшов, ВІДПОВІДНО Вмикають блок спряження 8, ЕОМ 16 і задають температуру відпалу Після завдання температури відпалу блок спряження 8 подає керуючі сигнали в блок живлення печі 1 (на фіг не приведено) і при виході на задану температуру 507°С, вона стабілізується з точністю 0,5°С . 10ЛГ і О О Q О | I П 12 п13 -— t 15 [о~о о" б'~о І - J - f l 8 А ЭВМ Фіг. ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71