Спосіб визначення розподілу електрофізичних неоднорідностей в кристалічних матеріалах

Спосіб визначення розподілу електрофізичних неоднорідностей в кристалічних матеріалах шляхом переміщення електродів відносно поверхні зразка з одночасним вимірюванням в змінному електричному полі їх електрофізичних параметрів, який відрізняється тим, що на плоскому електроді розміщують еталонний зразок товщиною d з pівномірним розподілом діелектричної проникності 3 Винахід відноситься до напівпровідникового матеріалознавства і може також використовуватись в напівпровідниковому приладобудуванні. Відомий спосіб визначення однорідності електрофізичних параметрів кристалів, що отримав назву "опору розтікання" [Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - с.207]. Метод заснований на вимірюванні електроопору постійному струму зразка у формі пластини з використанням точкового електричного контакту. Цей електрод переміщують відносно зразка. Інший електрод утворює електричний контакт з протилежною поверхнею зразка. До недоліків цього способу відносяться чутливість лише до тих неоднорідностей, що дають внесок в питому об'ємну електропровідність при сталому електричному струмі, та суттєвий вплив на результати вимірювань приповерхневих напівізолюючих шарів. Цей вплив важко врахувати через залежність електропровідності шарів від координати електрода, що зумовлюється відповідною залежністю їх товщини та електрофізичних властивостей. Крім того, відомий спосіб визначення електрофізичних неоднорідностей [патент США №US 6,173,604 В1 від 16 січня 2001], заснований на використанні електрода в формі голки, що переміщують відносно зразка, поміщеного в мікрохвильовий резонатор. Зразок не має механічного контакту з електродом. Здійснюючи цей спосіб, в залежності від координат електрода вимірюють електрофізичні параметри резонатора в області надвисоких частот. Недоліками цього способу є такі: 1) неможливість визначення розподілу неоднорідностей, що зумовлюють вплив на діелектричні параметри в низькочастотній області, 2) високі вимоги щодо паралельності поверхонь зразка та незмінності відстані між ним та рухомим електродом, 3) висока вартість обладнання та відповідно визначення розподілу електрофізичних неоднорідностей. Найбільш близьким за технічним змістом є спосіб визначення неоднорідності кристала [Универсальный точечный емкостной зонд для исследования параметров полупроводников //ПТЭ. 1978. - №6. - С.187-188], оснований на вимірюванні в змінному електричному полі залежності сигналу від координати зонда, утвореного коаксіальними електродами. Цей спосіб має наступні недоліки: 1) неможливість отримання окремо розподілу неоднорідностей, що визначають діелектричну проникність або діелектричні втрати; 2) високі вимоги щодо геометрії зразка та конструкції пристрою для переміщення електрода; зокрема, при реалізації способу відстань між електродами та зразком повинна буди сталою; 3) низька чутливість. Зазначимо, що недоліки 1) та 3) взаємопов'язані і зумовлені геометричними характеристиками та конфігурацією електричного поля коаксіальних електродів. Саме мала відстань між електродами визначає те, що практично вся енергія електричного поля зосереджена в області поза зразком. Фактично, на зразок діє лише суттєво неоднорідне крайове поле двох 92595 4 коаксіальних електродів. Загальновідомо, що енергія цього поля набагато менша за енергію поля, зосередженого між коаксіальними електродами. З іншого боку, суттєво неоднорідний характер поля унеможливлює визначення діелектричних сталих зразка. В основу запропонованого винаходу покладено задачу розширення функціональних можливостей відомого способу - завдяки визначенню окремо розподілу неоднорідностей, що визначають діелектричну проникність та діелектричні втрати, при одночасному підвищенні чутливості вимірювань та спрощенню пристрою для переміщення електрода відносно зразка. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення розподілу електрофізичних неоднорідностей в кристалічних матеріалах, у вигляді пластин шляхом переміщення відносно їх поверхні ємнісного зонду з одночасним вимірюванням в змінному електричному полі електричного сигналу, використовують систему утворену плоским електродом та електродом у формі кулі. На плоский електрод розміщують еталонний зразок товщини d з рівномірним розподілом діелектричної проникності ' та коефіцієнта діелектричних втрат ", значення яких відомі заздалегідь, на іншу поверхню еталонного зразка розміщують електрод в формі кулі і вимірюють електроємність С та тангенс кута діелектричних втрат tg системи електроди - еталонний зразок, далі, відновивши відстань між плоским електродом та електродом в формі кулі рівною d, вимірюють електроємність С0 і тангенс кута діелектричних втрат tg 0 системи електрод в формі кулі - плоский електрод та розраховують коефіциєнти Sef та Kef згідно формул (C C0 )d Sef (1) 0 ( ' 1) " (C C0 ) ' (Ctg C0tg K ef 0) (2) ( 0 - електрична стала) після чого на плоский електрод розміщують досліджуваний зразок товщини d та, перемішуючи відносно його поверхні електрод в формі кулі, для кожного і-го положення цього електрода вимірюють електроємність Ci та тангенс кута діелектричних втрат tg i системи електроди досліджуваний зразок, визначають локальні значення діелектричної проникності та коефіцієнта діелектричних втрат згідно формул (Ci C0 ) d ' 1 (3) i 0Sef (Citg i C0tg 0 ) (4) Ci C0 На відміну від відомого способу, обраного за прототип, в запропонованому способі визначення розподілу електрофізичних неоднорідностей в кристалічних матеріалах використовують рухомий електрод в формі кулі, котрий механічно контактує з поверхнею зразка. Завдяки цьому майже вся енергія електричного поля сигналу зосереджена в області зразка поблизу вказаного електрода, поле має порівняно просту симетрію. Все це важливо з огляду досягнення високої чутливості та визна" i ' i K ef 5 92595 6 чення локальних значень діелектричних сталих. лонний зразок 5 товщини d з рівномірним розподіКрім того, відмінність запропонованого способу від лом діелектричної проникності ' та коефіцієнта обраного за прототип полягає в тому, що окремо діелектричних втрат ", значення яких відомі завимірюють електроємність та тангенс кута діелекздалегідь; б) на іншу поверхню еталонного зразка тричних втрат системи електроди - зразок і ці дані 5 розміщують електрод в формі кулі 4; в) вимірювикористовують для визначення розподілу в зразють електроємність С та тангенс кута діелектричку локальних значень діелектричної проникності та них втрат tg системи електроди - еталонний зракоефіцієнта діелектричних втрат. зок; г) забирають еталонний зразок 5 з плоского На фігурах зображено: Фіг.1 - блок-схема приелектрода 7 та встановлюють відстань між електстрою, що реалізує спосіб. Фіг.2 - координатна родом 7 та електродом в формі кулі 4 рівною d; д) залежність діелектричної проникності зразка вимірюють електроємність С0 та тангенс кута діеCd0,84Zn0,16Te. Фіг.3 - координатна залежність коелектричних втрат tg 0 системи електрод в формі фіцієнта діелектричних втрат зразка Сd0,84Zn0,16Те. кулі - плоский електрод; розраховують коефіциєнПристрій для визначення розподілу електроти Sef та Кеf згідно формул фізичних неоднорідностей в кристалічних матеріа(C C0 )d Sef лах складається з моста змінного струму 1, трима(1) 0 ( ' 1) ча 2, пружного елемента 3, електрода в формі кулі 4, зразка 5, електричного екрана 6, прозорого ізолятора 8, на поверхні якого нанесено плоский електрод 7. При цьому електрод в формі кулі 4 механічно та електрично контактує з поверхнею зразка 5, який знаходиться у електричному контакті з електродом 7 плоскої форми. Електроди електрично з'єднані з мостом змінного струму 1. З'єднання електрода в формі кулі 4 з мостом змінного струму 1 здійснюється за допомогою пружного елемента 3, що водночас забезпечує сталу величину тиску електрода 4 на поверхню зразка 5. Тримач 2 слугує для переміщення електрода 4 по поверхні зразка 5. Екран 6 забезпечує захист сигналу вимірювань від зовнішніх електричних впливів. Спосіб здійснюють при кімнатній температурі та нормальному атмосферному тиску за допомогою установки, блок-схема якої зображена на Фіг.1. Для отримання розподілу електрофізичних неоднорідностей виконують такі операції: а) на плоский електрод 7 ізолятора 8 розміщують ета " (C C0 ) ' (Ctg C0tg K ef (2) 0) ( 0 - електрична стала); на електрод 7 розміщують досліджувальний зразок 5 товщини d; з) на іншу поверхню досліджуваного зразка 5 розміщують електрод в формі кулі 4; з) переміщуючи цей електрод відносно поверхні досліджуваного зразка 5, для кожного і-го положення цього електрода вимірюють електроємність Ci та тангенс кута діелектричних втрат tg i системи електроди - досліджуваний зразок, визначають локальні значення діелектричної проникності та коефіцієнта діелектричних втрат згідно формул (Ci C0 ) d ' 1 (3) i 0Sef " i ' i K ef (Citg i C0tg Ci C0 0) (4) 7 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 92595 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601