Пристрій контролю багатошарових напівпровідникових структур

Пристрій контролю багатошарових напівпровідникових структур що містить блок керування технологічними приладами, джерело світла оптично зв'язане з оптичною фокусуючою системою оптичний вихід якої через зразок, розміщений на блоці позиціюваиня зразка, з'єднаний з оптичним входом монохроматора, вихід якого з'єднаний із входом фотореєструючого блока, вихід якого з'єднаний з входом аналого-цифрового перетворювача, який відрізняється тим, що додатково містить мікроелектронний співпроцесор аналізу спектральних характеристик люмінесценції, вхід якого з'єднаний з виходом аналого-цифрового перетворювача, а вихід - з входом блока керування технологічними приладами, вихід якого зв'язаний з електричним входом блока позиціювання зразка Корисна модель відноситься до мікрооптоелектронної техніки і може бути використаний в системах контролю технологічного процесу виготовлення багатошарових приладових структур оптота мікроелектроніки приладів на основі багатокомпонентних напівпровідникових сполук А 3 В 5 Відомий пристрій контролю багатошарових арсенщгалієвих структур [Chen H ,Pollak F Н Sacks R N Raman scatt, enng determination of earner concentration and surface space charge iayer in [100] n-GaAs //Proc Soc Photo- Opt Instrum Eng -1985 -524 -P 145-152] який містить джерело світла, оптично з'єднане з оптичною фокусуючою системою, вихід якої зв'язаний з входом монохроматора, оптичний вихід якого з'єднаний з входом фотореєструючого блоку а електричний вихід останнього зв'язаний з блоком керування технологічними приладами Цей пристрій дозволяє розраховувати розподіл неосновних носив заряду, що встановлюється в об'ємі напівпровідникової структури яка виготовляється Розподіл концентрації може бути досить нерівномірним, аж до розривів на границі розділу контактний шар - активний шар за рахунок витягування дірок електричним полем з контактного шару Вказана концентрація може також суттєво знижуватись за рахунок впли ву поверхневої рекомбінації, в результаті чого сумарна концентрація нерівноважних дірок в активному шарі може замітно перевищувати концентрацію дірок в контактному шарі Для контролю названих вище та ряду інших параметрів технологічного процесу використовуються допустимі величини інтенсивності фотолюмінесценцм з шарів, що формуються При цьому величина фотолюмінесценції залежить від внутрішнього квантового виходу останньої з контактного та активного шарів і коефіцієнту самопоглинання випромінювання Система контролю технологічного процесу ґрунтується на вимірюванні та корегуванні інтенсивностей люмінесцентних сигналів з активного та контактного шарів, оскільки сигнал з активного шару є більшим інтенсивним, ніж сигнал від контактного шару Сумарна інтенсивність фотолюмінесценції збільшується по мірі одержання більш ефективних параметрів структури що корелюється з наростанням частки випромінювання, яке виходить з активного шару Результати які одержуються таким чином, дозволяють визначати кореляцію між параметрами багатошарових структур та інтенсивністю смуги краєвої люмінесценції, що є основою способу контролю вказаних структур при О О) CM 2901 створенні оптоелектронних приладів (наприклад, пазерів та світло ДІОДІВ) ни базі сполук А3В Спільними ознаками ечалога та пристрою, що заявляється є наявність джерела світла, яке оптично з'єднане з оптичною Покусуючою системою, вих'д якої зв'язаний з вхо, JM монохроматора, виуд якого з'єднаний з вхсгтом фотореєструючого Слоку, вихід якого зв'язаний з блоком керування технологічними приладами Недоліком аналога є і з що в ньому не може с/ти реалізоване сканував і багатошарової струітури за допомогою спек ^фотометричного пристрою з метою побудови я кожного шару карт аналізу спектральних хар. фокусуючою системою оптичний вихід якої ~рез зразок з'єднаний з оптичним входом моно; сюматора, вихід якого з єднаний із входом фото /есетруючого блоку вихід якого з'єднаний з входе, аналогово-цифрового перетворювача вихід яко о з'єднаний з електричним входом блоку позиціювання зразка Причиною що перешкоджає досягненню по ставленої задачі є те, що в прототипі не можна реалізувати сканування компонентів кожного шару багатошарової структури за допомогою спектрофотометричного пристрою В основу корисної моделі поставлена задача створити такий пристрій, в якому через введення нових елементів було б можливо реалізувати сканування багатошарової структури за допомогою спектрофотометричного пристрою з метою моделювання та аналізу спектральних характеристик складових компонентів кожного шару структури, що дозволить суттєво розширити функціональні можливості пристрою, що пропонується Метою корисної моделі є розширення функціональних можливостей пристрою за рахунок побудови для кожного шару багатошарової структури карт аналізу спектральних характеристик складових компонентів люмінесценції Розв'язання поставленої задачі досягається тим, що, в пристрій контролю багатошарових напівпровідникових структур, який пропонується, який включає в себе блок керування технологічними приладами, джерело світла, оптично зв'язане з оптичною фокусуючою системою, оптичний вихід якої через зразок з'єднаний з оптичним входом монохроматора, вихід якого з'єднаний із входом фотореєструючого блоку, вихід якого з'єднаний з входом аналогово-цифрового перетворювача, додатково введено мікроелектронний співпроцесор аналізу спектральних характеристик люмінесценції вхід якого з'єднаний з виходом аналогово-цифрового перетворювача а вихід - з входом блока керування технологічними приладами, вихід якого зв'язаний з електричним входом блоку позиціювання зразка ВІДМІННИМИ ознаками пристрою контролю багатошарових напівпровідникових структур що пропонується, є наявність мікроелектронного співпроцесора аналізу спектральних характеристик люмінесценції, вхід якого з'єднаний з виходом аналогово-цифрового перетворювача, а вихід - з входом блоку керування технологічними приладами Ці ВІДМІННІ ознаки пристрою, що пропонується, дозволяють виконувати моделювання та аналіз спектральних характеристик складових компонентів люмінесценцм кожного шару багатошарової напівпровідникової структури, що суттєво розширює функціональні можливості системи На фіг 1 представлена структурна схема пристрою контролю багатошарових напівпровідникових структур Фіг 2 ілюструє принципову можливість розкладання будь-якого складного спектру люмінесценції на окремі складові, що досягається за допомогою пристрою, що заявляється Структурна схема пристрою контролю багатошарових напівпровідникових структур {фіг 1) містить джерело світла 1, оптично зв'язане з оптичною фокусуючою системою 2, оптичний вихід якої через блок позиціювання зразка 3, де розташований зразок(на фіг 1 зразок не показано) з'єднаний з оптичним входом монохроматора 4 вихід якого з єднаний із входом фотореєструючого блока 5, вихід якого з'єднаний з входом аналоговоцифрового перетворювача 6, вихід якого з'єднаний 2901 з входом мікроелектронного сгивпроцесора аналізу спектральних характеристик люмінесценції 7, вихід якого з'єднаний з входом блока керування технологічними приладами 8, вихід якого з'єднаний з входом блока керування технологічними приладами, вихід якого зв'язаний з електричним входом блоку позиціювання зразка. До складу фотореєструючого блока входить фотодюдна матриця та схема управління останньою. Блок керування технологічними приладами 8 містить запам'ятовуючий пристрій, процесор та схему узгодження ланки обробки інформації з вихідними технологічними приладами. Мікроелектронний співпроцесор аналізу спектральних характеристик люмінесценції 7 складається з блока синхронізації, вихід якого з'єднаний з входом блока управління операціями та входом індексного оперативного запам'ятовуючого пристрою, вхід-вихід якого зв'язаний з блоком управління, а окремий вихід зв'язаний з входом блока керування технологічними приладами. Роботу блока управління операціями побудовано таким чином, що досягається мета корисної моделі, а саме, можливість побудови для кожного окремого епітаксійного шару багатошарової напівпровідникової структури карт аналізу спектральних характеристик компонентів. Блок позиціювання зразка 3 складається з спеціальних кріпильних елементів для зразка та двох мікродвигунів, які забезпечують переміщення зразка по Х,У координатам. Монохроматор складається з системи світлофільтрів, які забезпечують виділення однієї потрібної складової оптичного сигналу. Блок управління операціями складається з задаючого генератора, що видає сигнали певної частоти на датчик тактів та датчик циклів. Датчик тактів формує часову послідовність сигналів, необхідну для виконання операцій в часі. Сигнали цієї часової послідовності поступають на центральний вузол блоку управління операціями, який видає сигнали, як для арифметичних і логічних ланцюгів, так і для управління роботою запам'ятовуючого та периферійних пристроїв. Процес збирання та обробки даних вимірювань спектральних характеристик люмінесценції проходить наступним чином. За допомогою джерела світла 1 у вигляді, наприклад, напівпровідникового лазеру, енергія кванту якого більша ширини забороненої .зони будьякого із контрольованих шарів структури, та оптичної фокусуючої системи 2 інформація про випромінювальні характеристики багатошарової напівпровідникової структури 3 надходить на оптичний вхід монохроматора 4, де формується сигнал і з вихідної щілини монохроматора у вигляді спектральної' складової фотолюмінесценції сигнал надходить на вхід фотореєструючого блоку 5, де формується електричний сигнал і подається на вхід аналогово-цифрового перетворювача Є, з виходу якого сигнал у цифровому вигляді поступає на вхід мікроелектронного співпроцесора аналізу спектральних характеристик люмінесценції 7, де виконується аналіз спектральних характеристик складових компонентів кожного мару багатошарової напівпровідникової структури на основі сполук 6 А В5. Одержана в блоці 7 інформація у цифровому вигляді поступає на вхід блока керування технологічними приладами 8, з допомогою якого виконується корегування технологічних процесів з метою одержання оптимальних параметрів структур, що виготовляються. Сигнал, що формується в блоці керування технологічними приладами 8 та подасться на вхід блока позиціювання зразка 3, визначає параметри перпендикулярним X, Y- координатам за допомогою двох мікродвигунів. Отримані в блоці 8 дискретні значення спектральної Інформації накопичуються в робочому файлі оперативного запам'ятовуючого пристрою. При оперативній обробці інформації задається крок дискретизації в межах 0,0033-5 мм і може бути зманеним при необхідності оператором. З робочого файлу оперативного запам'ятовуючого пристрою блоку 8 інформація надходить на блок позиціювання зразка 3 для корегування параметрів технологічного процесу. Система контролю технологічного процесу ґрунтується на вимірюванні та корегуванні інтенсивностей люмінесцентних сигналів з активного та контактного шарів, оскільки сигнал з активного шару є більшим від сигналу з контактного шару. Сумарна інтенсивність фотолюмінесценції зростає по мірі одержання більш ефективних параметрів структури, що корелюється з наростанням частки випромінювання, яке виходить з активного шару (фіг.2). Результати, які одержуються таким чином, дозволяють визначати кореляцію між параметрами багатошарових структур та смуги люмінесценції (в більшості випадків близькокраєвої, а інколи і інших видів випромінювальної рекомбінації, наприклад, ексітонної, чи донорно-акцепторної І т. ін.), що є основою роботи пристрою контролю вказаних структур при створенні приладів на базі багатокомпонентних напівпровідникових сполук А 3 В 5 . В подальшому за допомогою фотоелектронного підсилювача формує сигнал, що надходить на останній, з вихідної щілини монохроматора у вигляді спектральної складової фотолюмінесценції. Одержаний електричний сигнал надходить на вхід уз годжу вального підсилювача, а потім перетворюється в цифровий код в блоці аналогового вводу керуючої системи, якою є пристрій керування спектральними приладами у вигляді мультимікропроцесорноі системи. Пристрій, що пропонується, дозволяє розраховувати розподіл нерівноважних носив заряду, що встановлюється в об'ємі напівпровідникової структури, яка виготовляється Розподіл концентрації' може бути досить нерівномірним, аж до розривів на границі розділу шарів (наприклад, контактний шар - активний шар) за рахунок витягування дірок електричним полем з контактного шару. Вказана концентрація може також суттєво знижуватись за рахунок впливу поверхневої рекомбінації, в результаті чого сумарна концентрація неповноважних дірок в активному шарі може замітно перевищувати концентрацію дірок в контактному шарі. Для контролю названих вище та ряду інших параметрів технологічного процесу використовуються допустимі величини інтенсивності фотолюмінесценції з шарів, що формуються . При цьому вели 2901 чина фотолюмінесценції залежить від внутрішнього квантового виходу випромінювальної рекомбінації контактного та активного шарів і від коефіцієнту самопоглинання випромінювання шарів, що розміщені поміж контрольованим шаром та активною поверхнею зразка. Для досягнення необхідної ефективності контролю багатошарових напівпровідникових структур використовується базове програмне забезпечення, що дозволяє через контролер електроавтоматики керувати в автоматичному режимі роботою крокових двигунів механізму сканування спектру в монохроматорі та двохкоординатним переміщенням зразка в установці. Тут же формуються сигнали керування реле елементів автоматики і цифроаналоговим перетворювачем керованого високовольтного джерела живлення фотоелектронного підсилювача. В блоці аналогового вводу виконуються прийом та оцифрування сигналів фотоприймачів. Програмне забезпечення керуючої ЕОМ складається з керуючої програми та пакету прикладних програм. Вказані пакети дозволяють, в умовах функціонування в складі автоматизованої" системи управління технологічним процесом виготовлення приладових багатошарових напівпровідникових структур , формувати, обробляти та аналізувати спектральну інформацію, одержувати дані про електрофізичні характеристики та неоднорідності параметрів напівпровідникових багатошарових структур, а саме: - проводити безруйнівний безконтактний аналіз електрофізичних та люмінесцентних характеристик з наступним їх розподілом по товщині контрольованої структури; - формувати топограми багатошарової структури по масиву даних вимірювань інтенсивності фотолюмінесценції при вхідному, міжопераційному та вихідному контролі технологічного процесу виготовлення вказаних напівпровідникових структур на основі багатокомпонентних сполук А 3 В 5 . Основою комп'ютерного аналізу спектру люмінесценції є розклад його в ряд, а коефіцієнти розкладання одночасно є і характеристиками індивідуальних смуг. Такі характеристики, як An.m, де п номер характеристики, m - номер смуги, можна знайти у вигляді коефіцієнтів розкладання в ряд по 8 диференційним моментам: n rl (1) де Х.т визначається з умови Аі, т =0, а функція дт,і є експериментальним спектром F{X), з якого ВІДНЯЛИ вклади крил всіх сусідніх з т-й ліній та виконали інверсію, тобто 1 (2) Формули (1,2) дозволяють подати спектр у вигляді суми інверсних поліномів Таким чином, для визначення величин, які характеризують спектральні смуги люмінесценції, пропонується реалізувати сукупність наступних операцій: віднімання крил сусідніх смуг, інверсія інтенсивності та розкладання в ряд по диференційним моментам. Це принципово новий ПІДХІД ДО вирішення задач по аналізу складних спектрів з лініями, що перекриваються, який дозволяє значно розширити функціональні можливості пристрою. Оскільки найбільш розповсюдженим інструментом визначення характеристик індивідуальних смуг An,m є різні модифікації методу найменших квадратів, то буде доцільно порівняти ефективність методу, що пропонується з вказаним методом. Як тест, використаємо триплет ліній лоренцевої форми при інтенсивності шуму 0,001. Величина середнього квадратичного відхилення визначалась з умови (Fp03pax(?-) Рвксгшримент{Я-))г. Для - досягнення точності сходжен4 ня, рівної Ю- методом, що пропонується, потрібно виконати 8 ітерацій. Таке відхилення не перевищує похибки шкали спектральних приладів і є досить задовільним. В середньому однаковим виявився час, що витрачався при розрахункові однієї ітерації. Однак, враховуючи час, витрачений на обчислення, отримаємо в нашому випадку для 7 ліній виграш в 1000 разів. Сучасний рівень технології обробки даних вимірювань спектральних характеристик дозволяє розробити та побудувати систему контролю технологічного процесу виготовлення багатошарових напівпровідникових структур, що заявляється. 2901 Оптична фокусуючи система 10 Блок керування технологічними приладами Блок тинціювапня зраїка 2 3 5 і і Джерело світла Фсяореєструючий бя Монохроматор 4 І 5 М і кроелектро нний спїипроііесор аналізу спектральних характеристик люмінесценції Аналоговоцифровий перетворювач 7 Фіг. І Пристрій контролю багатошарових структур в I V 1 г 3 * 5 6 БО D D 7 70 а. ЇВ 6 5 . si 1 1 . 57 4 . 35 Тї 400 01 430.00 4 30-00 ьэз.оа 600.00 640.00 с 300.00 55.00 £2.00 110,ОО 50.00 SO.OD D Б .01 £ .01 С. 0 1 .01 С .01 С.01 с 0 01 01 01 01 1)1 11 0. 0. 0. 0. 0. 2 РОЇКЛШИННЯ спектру на складові Комп'ютерна верстка О.Ярославцева Підписне Тираж 38 прим. Міністерство освгги і науки України Державний департамент інтелектуальноі власності, Львівська площа, 8, м. Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ - 42, 01601