Скануючий мікрохвильовий мікроскоп для контролю електрофізичних параметрів напівпровідникових структур

Реферат: Скануючий мікрохвильовий мікроскоп для контролю електрофізичних параметрів напівпровідникових структур містить НВЧ генератор, коаксіальний резонатор із загостреним на кінці центральним провідником, детектор, керований столик для напівпровідникових зразків, блок керування та обробки інформативних сигналів. Центральний провідник резонатора розташовано всередині діелектричного трубчатого світловоду, з торцем якого зв'язане додатково введене джерело випромінювання. UA 83012 U (12) UA 83012 U UA 83012 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі вимірювальної техніки, а більш конкретно до засобів НВЧ діагностики матеріалів і малорозмірних структур. Корисна модель може бути використана для вимірювання часу життя та визначення дифузійної довжини неосновних носіїв заряду у напівпровідникових пластинах та плівках, вимірювання розподілу по поверхні напівпровідникових структур фотопровідності, поверхневого опору, визначення розподілу дефектів в напівпровідникових гетероепітаксійних плівках. Відомий пристрій для вимірювання часу життя неосновних носіїв заряду в напівпровідниках (див. патент США 3939415). Пристрій містіть джерело НВЧ коливань, які через зонд у вигляді хвилеводу з прямокутним перерізом на звуженому кінці взаємодіють з досліджуваним напівпровідниковим зразком, джерело імпульсів світла, детектори НВЧ випромінювання та світла, аналізатор інформативного НВЧ сигналу. Недоліками даного пристрою є порівняно низька чутливість до змін параметрів зразка, що пов'язано з відносно невисокою добротністю системи "зонд-зразок", та низька просторова роздільна здатність, яка визначається розміром звуженого торця хвилеводу. Опромінювання зразка збоку не дозволяє отримати рівномірне засвічення напівпровідника під зондом, що може призводити до похибок у визначенні часу життя носіїв заряду. Відомий пристрій для контролю стану глибоких рівнів домішки у напівпровідниковому кристалі (див. патент США 5047713). Пристрій містить НВЧ генератор на діоді Гана, мікрохвильовий зонд, детектор НВЧ сигналу, лазерний діод, предметний столик з нагрівником для напівпровідникового зразка, блок обробки інформативного НВЧ сигналу з осцилоскопом та комп'ютером. Недоліком такого пристрою є недостатня точність вимірювання, пов'язана з відносно невисокою добротністю системи "зонд-зразок", що не дозволяє вимірювати параметри досліджуваного напівпровідника з високим відношенням "сигнал-шум". Відомий пристрій для вимірювання електрофізичних параметрів напівпровідників безконтактним НВЧ-методом (див. патент Російської Федерації № 2451298), що містить керований НВЧ-блок, керований вимірювальний блок з НВЧ-резонатором, а також блок управління із застосуванням комп'ютера, де НВЧ-резонатор виконаний у вигляді циліндричного діелектричного резонатора, з одного боку якого закріплений напівпровідниковий лазерний діод, а між торцевими поверхнями діелектричного резонатора співвісно з віссю циліндра виконано наскрізний отвір, через яке проходить випромінювання лазерного діода. Недоліком даного пристрою є низька просторова роздільна здатність, що визначається діаметром отвору в діелектричному резонаторі та мінімальною відстанню, на яку резонатор може бути наближено до досліджуваного зразка. Відомий скануючий мікрохвильовий мікроскоп (див. патент США № 5821410), що містить НВЧ генератор, коаксіальний резонатор із загостреним на конці центральним провідником, детектор НВЧ випромінювання, нагромаджувач інформативних даних на виході детектора, керований предметний столик для напівпровідникових зразків з контролером точного переміщення, комп'ютер (блок керування та обробки інформативних сигналів), за допомогою якого здійснюється керування столиком та обробляються інформативні сигнали після нагромаджувача даних з НВЧ детектора. В даному пристрою передбачено використання для модуляції сигналу фотопровідності сфокусованого променя лазера, що опромінює збоку ділянку досліджуваного напівпровідникового зразка під вістрям зонда (центрального провідника коаксіального резонатора). Недоліком вказаного скануючого мікрохвильового мікроскопа є відносно невисока просторова роздільна здатність та точність вимірювання параметрів напівпровідника, оскільки неможливо наблизити мікрохвильовий зонд до досліджуваного зразка на малі відстані та забезпечити рівномірне підсвічування ділянки зразка під зондом. Найбільш близьким за технічною суттю до корисної моделі, що пропонується, є скануючий мікрохвильовий мікроскоп (див. патент США № 5821410). Задачею корисної моделі є підвищення просторової роздільної здатності та точності вимірювання параметрів напівпровідників. Технічний результат вирішується завдяки тому, що в скануючому мікрохвильовому мікроскопі для контролю електрофізичних параметрів напівпровідникових структур, що містить НВЧ генератор, коаксіальний резонатор із загостреним на кінці центральним провідником, детектор, керований столик для напівпровідникових зразків, блок керування та обробки інформативних сигналів, згідно з корисною моделлю, центральний провідник резонатора розташовано всередині діелектричного трубчатого світловоду співвісно з ним, причому торець світловоду зв'язаний з додатково введеним джерелом випромінювання. 1 UA 83012 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропоноване розміщення центрального провідника резонатора всередині діелектричного трубчатого світловоду співвісно з ним, де торець світловоду зв'язаний з джерелом випромінювання, що додатково введений, дозволяє наблизити коаксіальний резонатор з виступним загостреним зондом (провідником) на будь-яку малу відстань до досліджуваного зразка при розташуванні світлової плями на поверхні напівпровідника під вістрям зонда. Це дозволяє отримати найкращу роздільну здатність, яку може забезпечити даний зонд. Співвісне розташування світловоду і зонда сприяє створенню рівномірного опромінювання ділянки напівпровідника під зондом. Це дає можливість уникнути похибок вимірювання досліджуваних фізичних характеристик, пов'язаних з неоднорідністю підсвічування зразка, та підвищити, таким чином, точність НВЧ контролю параметрів напівпровідників. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1. показана схема запропонованого скануючого мікрохвильового мікроскопа для контролю електрофізичних параметрів напівпровідникових структур; на Фіг. 2, Фіг. 3 показано можливі схематичні конструкції виконання коаксіального резонатора з джерелом випромінювання та світловодом; на Фіг. 4 показано графіки залежності від часу опромінення зразка та навантаженої добротності резонатора. Запропонований пристрій (див. Фіг. 1) містить НВЧ генератор 1 з'єднаний з резонатором 2, пов'язаним з детектором 3, який з'єднано з блоком керування та обробки інформативних сигналів 4. Досліджуваний зразок 5 розміщений на рухомому предметному столику 6 поблизу торцевої стінки резонатора 2 з виступаючим із нього загостреним центральним провідником 7 і світловодом 8. Столик 6 керується за допомогою блока керування та обробки інформативних сигналів 4, який з'єднано також з генератором 1 та пов'язаним зі світловодом джерелом випромінювання 9. Схематичні конструкції виконання коаксіального резонатора з джерелом випромінювання та світловодом: Чвертьхвильовий коаксіальний резонатор (Фіг. 2) містить загострений на кінці центральний провідник 7, розташований всередині діелектричного трубчатого світловоду 8 співвісно з ним, з торцем світловоду 8 якого оптичне волокно 10 зв'язано джерело випромінювання 9 (наприклад, лазерний світлодіод). Елементи зв'язку 11, 12, що входять всередину резонатора через отвори в його циліндричній металевій стінці, призначені для збудження в резонаторі за допомогою генератора НВЧ коливань та виведення їх до детектора. Півхвильовий коаксіальний резонатор (Фіг. 3) містить джерело випромінювання 9, яке виконано у вигляді світлодіодних чипів, які встановлено на торці світловоду 8. Скануючий мікрохвильовий мікроскоп працює таким чином. За допомогою генератора 1 в резонаторі 2 збуджуються НВЧ коливання. Через зонд (загострений центральний провідник 7) НВЧ випромінювання поширюється до встановленого поблизу нього досліджуваного зразка 5 і частково відбивається в зворотному напрямку до зонда. Коаксіальний резонатор із виступаючим зондом і зразок створюють складну коливальну систему. При скануванні зондом різних ділянок зразка з відмінними параметрами змінюється добротність і резонансна частота резонатора. НВЧ коливання реєструються пов'язаним з резонатором детектором 3 і блоком керування та обробки інформативних сигналів 4. Світло від джерела 9 після проходження по трубчатому світловоду рівномірно опромінює зі всіх боків ділянку досліджуваного зразка 5 під вістрям зонда. Світло зазнає численні повні внутрішні відбиття всередині прозорої діелектричної трубки, завдяки чому на виході світловода кутова діаграма поширення випромінювання має майже симетричний відносно вісі трубки розподіл, який практично не залежить від розподілу світла на вході трубчатого світловода. Вибирають імпульсний режим роботи джерела 9. Імпульси світла спричиняють генерацію неосновних носіїв заряду в напівпровіднику, що викликає зменшення опору напівпровідника, зміну поглинання НВЧ випромінювання в зразку та відповідні варіації резонансної частоти і навантаженої добротності резонатора. Зміни цих величин з частотою модуляції світла реєструються блоком керування та обробки інформативних сигналів 4. Використовують прямокутні імпульси світла достатньої тривалості для усталення стаціонарної концентрації неосновних носіїв в конці імпульсу. Після закінчення імпульсу світла концентрація неосновних носіїв зменшується за їх час життя приблизно за експоненційним законом. Це викликає відповідні зміни НВЧ сигналів. Для прикладу на Фіг. 4 наведено графіки залежності від часу опромінення зразка та навантаженої добротності резонатора. Обробка інформативних НВЧ сигналів за допомогою блока 4 дозволяє знайти час життя  неосновних носіїв заряду і визначити дифузійну довжину L носіїв за формулою L  D , де D - коефіцієнт дифузії. 2 UA 83012 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Рівномірне засвічення напівпровідника під зондом (на відміну від використання світлової плями розміром порядку дифузійної довжини носіїв заряду) дозволяє уникнути похибок у визначенні часу життя носіїв заряду, пов'язаних з дифузією носіїв із невеликої опроміненої ділянки напівпровідника. Просторова роздільна здатність НВЧ контролю визначається переважно розмірами вістря зонда та відстанню між зондом та поверхнею напівпровідника. Однак, при вимірюванні часу життя неосновних носіїв заряду просторова роздільна здатність не може бути кращою, ніж дифузійна довжина носіїв заряду, створених під впливом світла. Імпульсне освітлення допомагає підвищити відношення "сигнал-шум" і, відповідно, точність безконтактного вимірювання електрофізичних параметрів напівпровідника (наприклад, поверхневого опору, тангенсу кута діелектричних витрат, питомої електропровідності) завдяки можливості використання методу синхронного детектування при обробці інформативних НВЧ сигналів. Аналіз змін добротності та частоти дає інформацію щодо змінення параметрів досліджуваної напівпровідникової структури при скануванні зразка за допомогою рухомого предметного столика 6, що переміщується згідно з сигналами блока керування та обробки інформативних сигналів 4. Блок 4 задає параметри імпульсного режиму джерела випромінювання 9, за допомогою системи зворотного зв'язку через детектор 3 керує частотою генератора 1 та здійснює її модуляцію, що дозволяє відслідковувати резонансну частоту при її змінюванні та визначати зміни добротності системи. Подальша обробка отриманих сигналів дає потрібну інформацію про параметри досліджуваних напівпровідникових структур. Виготовити об'ємний коаксіальний резонатор із загостреним на кінці центральним провідником можливо з використанням відомих способів і технологічного обладнання НВЧ техніки. У складі запропонованого пристрою як генератор 1 можуть бути використані стандартні джерела НВЧ сигналів, наприклад генератори НР83620А або НР83623А (Hewlett Packard), що дозволяють одержати сигнали з частотою до 20 ГГц з можливістю електричного керування частотою, модулювання амплітуди та частоти. Блок керування та обробки інформативних сигналів 4 має в своєму складі комп'ютер, що відповідно з керуючою програмою синхронізує роботу всіх вузлів пристрою. Крім забезпечення вибраних режимів імпульсного опромінювання напівпровідника джерелом 9 та сканування зразка шляхом переміщень столику 6 по трьох координатах, блок 4 виконує реєстрацію змін резонансної частоти та навантаженої добротності резонатора і подальшу обробку інформативних сигналів. Опис процесу обробки сигналів і відповідних електронних блоків скануючих мікрохвильових мікроскопів міститься у численних публікаціях (див., наприклад, огляд Anlage S.M. Principles of near-field microwave microscopy / S.M. Anlage, V.V. Talanov, A.R. Schwartz // Scanning probe microscopy: electrical and electromechanical phenomena at the nanoscale / edited by S.V. Kalinin, A. Gruverman. - New York: Springer-Verlag, 2007. V. 1. P. 215253.). В багатьох варіантах блока обробки інформації використовується частотна слідкувальна система з використанням частотної модуляції для автоматичного підстроювання частоти НВЧ генератора на резонансну частоту системи "резонатор-зонд-зразок". Струм і напруга на навантажувальному опорі на виході детектора пропорційні потужності НВЧ коливань в резонансної системі. Сигнал після цього детектора підсилюється підсилювачем. Деякі конструкції блоків обробки інформації поряд з іншими компонентами містять два фазочутливих синхронних детектори, призначених для вимірювання амплітуди сигналів після згаданого детектора на частоті модуляції НВЧ сигналу генератора та на подвоєної частоті модуляції. Сигнал першого синхронного детектора використовується системою зворотного зв'язку для керування частотою генератора таким чином, щоб вона дорівнювала частоті резонансної системи, сигнал другого синхронного детектора на подвоєної частоті модуляції дозволяє за допомогою спеціалізованого обчислювального модуля або комп'ютера визначити кривизну кривої залежності потужності НВЧ коливань від частоти і пов'язану з нею добротність резонансної системи. Подальша обробка сигналів з врахуванням вихідних параметрів досліджуваних матеріалів дозволяє зв'язати зміни частоти і добротності системи "резонаторзонд-зразок" зі змінами електрофізичних характеристик зразка в процесі сканування його різних ділянок. Для практичної реалізації блока керування та обробки інформативних сигналів зручно використовувати як його основної складової стандартний аналізатор електричних мереж (векторний мережевий аналізатор), наприклад, НР-8510-С, 8753ES, N5230A виробництва компанії Agilent Technologies (США). Вказані прилади містять частотоміри, підсилювачі, вузли керування частотою, схеми синхронного детектування, вимірювальні генератори та інші основні 3 UA 83012 U 5 10 15 вузли блока обробки інформативних сигналів, що дозволяє ефективно вимірювати параметри НВЧ сигналів та визначати пов'язані з ними характеристики досліджуваних напівпровідникових зразків. В залежності від потрібного спектра випромінювання для збудження напівпровідника як джерело випромінювання зручно використовувати світлодіоди, наприклад, на основі GaAs, GaP, GaN або інші. Трубчатий світловод може бути виготовлено із кварцового або іншого скла, поліметилметакрилату, полікарбонату, іншого прозорого діелектричного матеріалу. Запропоноване технічне рішення дозволяє контролювати електрофізичні характеристики напівпровідникових пластин, епітаксійних плівок, проводити діагностику приладових напівпровідникових структур, наприклад, надвеликих інтегральних схем тощо. Запропонована корисна модель може знайти широке використання в галузі вимірювальної техніки, зокрема в засобах НВЧ діагностики матеріалів і малорозмірних структур, а саме для вимірювання часу життя та визначення дифузійної довжини неосновних носіїв заряду у напівпровідникових пластинах та плівках, вимірювання розподілу по поверхні напівпровідникових структур фотопровідності, поверхневого опору, визначення розподілу дефектів в напівпровідникових гетероепітаксійних плівках. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Скануючий мікрохвильовий мікроскоп для контролю електрофізичних параметрів напівпровідникових структур, що містить НВЧ генератор, коаксіальний резонатор із загостреним на кінці центральним провідником, детектор, керований столик для напівпровідникових зразків, блок керування та обробки інформативних сигналів, який відрізняється тим, що центральний провідник резонатора розташовано всередині діелектричного трубчатого світловоду, з торцем якого зв'язане додатково введене джерело випромінювання. 4 UA 83012 U 5 UA 83012 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6