Фототермоакустична та фотоелектрична мікроскопія напівпровідникових структур на основі кремнію

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

 

Кузьмич Андрій Григорович

 

УДК 534. 142: 53. 082. 52

 

 

01. 04. 07 – фізика твердого тіла

 

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

 

Київ – 2002

 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор Кучеров Іван Якович, професор кафедри загальної фізики, Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Новіков Микола Миколайович, професор кафедри фізики металів Київського національного університету імені Тараса Шевченка доктор технічних наук Прокопенко Георгій Іванович, завідувач відділу акустики твердого тіла Інституту металофізики імені Г. В. Курдюмова НАН України.

Провідна установа – Інститут фізики НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться « 25 « березня 2002 р. о 1430 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26. 001. 23 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03022, м. Київ-22, просп. Академіка Глушкова, 2, корп. 1, фізичний факультет, ауд. 200.

 

 

Актуальність теми. У сучасних мікроелектронних технологіях використовуються багатошарові структури. Присутність дефектів у таких прошарках впливає на якість мікроелектронних приладів. Тому контроль дефектності та однорідності матеріалів на різних етапах виробництва мікроелектронних приладів займає значне місце у виробництві та потребує застосування досконалих неруйнівних методів контролю.

Традиційні методи дослідження (оптична, інфрачервона, рентгенівська та растрова електронна мікроскопія) мають ряд обмежень щодо вивчення внутрішніх областей непрозорих матеріалів із порушенням цілісності (пустоти, тріщини, мікровключення, неоднорідності). Тобто, цими методами неможливо візуалізувати різноманітні підповерхневі дефекти та внутрішні напруги в напівпровідникових структурах, які виникають на різних стадіях їх виготовлення та визначають механічні, електричні та інші властивості мікроелектронних приладів. Саме тому пошук та розробка неруйнівних методів, що можуть дати інформацію про дефектний стан приповерхневого шару напівпровідникових матеріалів та надають можливість одержання зображення розподілу параметрів підповерхневих шарів є актуальна задача.

Останнім часом набув розвитку метод фототермоакустичної (ФТА) мікроскопії, який дозволяє неруйнівним методом досліджувати неоднорідності напівпровідників. Основний принцип, покладений в основу ФТА мікроскопії, – енергія сфокусованого випромінювання з модульованою інтенсивністю, поглинаючись у речовині, перетворюється на тепло. У зразку виникають теплові хвилі, які несуть інформацію про його властивості. Вони можуть бути зареєстровані різними способами: як за вимірами нестаціонарної температури у зразку або прилеглому середовище так і за вимірами пружних зміщень у зразку. Скануючи сфокусований промінь по поверхні зразка, отримують інформацію про його поверхневі та підповерхневі властивості. Багатьма дослідами продемонстровані унікальні можливості методу ФТА мікроскопії щодо діагностування підповерхневого шару непрозорих об’єктів, що особливо важливо для напівпровідникової мікроелектроніки. Це робить метод ФТА мікроскопії досить перспективним для дослідження напівпровідників, а його розвиток – досить актуальна задача.

Згідно існуючих теоретичних моделей, інформація, яку отримують методом ФТА мікроскопії залежність від способу реєстрації теплових хвиль. У способах газомікрофонному, рефракції допоміжного променю у зразку або прилеглому газі інформація, що одержують, визначається в основному, тепловими параметрами у мікрооб’ємі зразка. У способах, що реєструють пружні зміщення у зразку (дефлекціі допоміжного променя, інтерферометричному, п’єзоелектричному) – ще й пружними. Це з одного боку розширює можливості способів, що реєструють пружні зміщення у зразку, а з іншого – ускладнює і без того досить складну задачу аналізу експериментальних даних з ФТА мікроскопії напівпровідників. Мабуть тому, виконані дослідження напівпровідників методом ФТА мікроскопії з п’єзоелектричним способом реєстрації теплових хвиль в основному носять ілюстративний характер. Без використання разом з методом ФТА мікроскопії ще якогось, суто напівпровідникового, методу досліджень важко розраховувати на успіх в аналізі експериментальних даних з ФТА мікроскопії.

У наший лабораторії було запропоновано разом з тепловими хвилями у методі ФТА мікроскопії напівпровідників, використовувати як носії інформації про властивості напівпровідника ще і хвилі нерівноважних носіїв заряду (хвилі електронно-діркових пар). Хвилі нерівноважних носіїв заряду за властивостями схожі з тепловими та збуджуються разом з останніми модульованим за інтенсивністю світлом. Це надає змогу використовувати фотоелектричну (ФЕ) мікроскопію. Однак практична реалізація цієї ідеї не була доведена до кінця. До того ж у більшості експериментальних робіт з ФТА мікроскопії фазові зображення не наводяться, що суттєво звужує можливості методу. Об’єднання методів ФТА та ФЕ мікроскопії в одному пристрої, одночасне збудження і реєстрація теплових хвиль та хвиль нерівноважних носіїв заряду може дозволити з’ясувати фізичні властивості напівпровідникових структур що досліджуються.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводились за комплексною науковою програмою “Матеріали і речовини” за планами досліджень науково-дослідної лабораторії “Фізична акустика твердого тіла” кафедри загальної фізики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка в межах тем: “Розробка фізичних основ використання фотоакустичних, акустоемісійних та акустоелектронних явищ для діагностики твердих тіл та шаруватих структур” (номер держреєстрації 0193U042965), “Акустичні та фототермоакустичні явища в шаруватих структурах” (номер держреєстрації 0197U003064), “Неруйнівна оцінка залишкових напруг в твердих тілах фотоакустичними методами” (міжнародний проект № 343 Українського Науково Технологічного Центру).

Метою досліджень було:

- створення автоматизованого скануючого суміщеного фототермоакустичного та фотоелектричного мікроскопа для дослідження напівпровідників, якій би дозволяв отримувати