Фототермоакустична та фотоелектрична мікроскопія напівпровідникових структур на основі кремнію

- з’ясування фізичної природи візуалізації тепловими хвилями властивостей напівпровідника та напівпровідникових структур на основі кремнію.

Для досягнення мети дослідження необхідно було розв’язати наступні задачі:

Розробити алгоритм обробки результатів автоматизованих вимірів, за яким можливо діставати обидва параметри (амплітуду і фазу) інформативних сигналів.

Дослідити методом суміщеної ФТА та ФЕ мікроскопії напівпровідникові структури кремнію: епітаксійні з різним типом провідності, іонно-імплантовані, а також пружно напружену область в пластині кремнію.

Провести порівняльні дослідження іонно-легованих напівпровідникових структур на основі кремнію методом ФТА мікроскопії та методом фотомодуляції термовідбиття (ФМТВ – виміри змін коефіцієнта оптичного відбиття напівпровідника під дією модульованого лазерного опромінення).

Виходячи з того, що п’єзокераміка, яка є датчиком термопружних зміщень у зразку – піроелектрик, – з’ясувати вплив піроелектричного ефекту на параметри ФТА сигналу.

З’ясувати особливості формування інформативного сигналу у методі ФТА мікроскопії з п’єзореєстрацією теплових хвиль.

Об’єкт та предмет дослідження. Фототермоакустичний ефект та суміщена ФТА і ФЕ мікроскопія напівпровідників та напівпровідникових структур; неруйнівна візуалізація неоднорідності та дефектності підповерхневих шарів напівпровідникових структур.

Методи дослідження. Експериментальні дослідження структур кремнію проводились розробленим методом суміщеної ФТА та ФЕ мікроскопії та методом ФМТВ. Використовувались методи автоматизації вимірів, цифрової обробки сигналів та зображень, сучасного програмування. Для порівняння та аналізу отриманих результатів використовувались також методи селективного травлення поверхні напівпровідника, оптичної мікроскопії. Теоретичні дослідження ґрунтуються на аналітичному розв’язку систем рівнянь теорії пружності та електродинаміки.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

встановлено, що візуалізація тепловими хвилями областей епітаксійного нарощування та іонної імплантації в структурах на основі кремнію зумовлена залишковими пружними напругами, які виникають в умовах технологічного циклу їх виготовлення;

вперше експериментально встановлена наявність просторової періодичності у розподілі механічних властивостей в околі вершини технологічної тріщини у р – кремнію;

експериментально встановлено, що залежність величини фототермоакустичного сигналу від логарифма концентрації іонів бору та фосфору, що імплантовані у пластину кремнію, є лінійною при концентраціях іонів у межах 1, 81011  61013 іон/см2.

Наукове та практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що її результати сприяють більш глибокому розумінню фізичної природи візуалізації областей радіаційних пошкоджень в напівпровідниках при імплантації іонів, а також епітаксійних областей та областей з залишковими пружними напругами у пластинах кремнію. Це створює перспективи для розвитку фізичних основ неруйнівних методів оцінки залишкових пружних напруг у локальних областях твердого тіла. Створений сумісний ФТА та ФЕ мікроскоп може бути використаний в мікроелектронній промисловості для неруйнівної діагностики якості при проведенні технологичних операцій.

Особистий внесок здобувача. Автор зробив експериментальні установки, які використовувались у роботі для досліджень; створив суміщений ФТА та ФЕ мікроскоп, написав програмне забезпечення для ЕОМ, що керує мікроскопом; розробив алгоритм обробки результатів вимірів, який дозволяє діставати обидва параметри сигналів, що реєструються (амплітуду і фазу), відповідно будувати зображення розподілу цих параметрів по площині зразка [6, 7]. Всі матеріали, викладені у дисертації, опубліковані в роботах здобувача разом із співавторами. У всіх роботах здобувач безпосередньо брав участь в обговоренні та аналізі результатів досліджень, написанні та оформленні статей і матеріалів конференцій. У роботах [4-7, 8, 11, 12, 14] здобувач приймав участь у формулюванні мети та задач досліджень. Основні експериментальні результати, викладені у дисертації, отримані автором самостійно. Експериментальні результати, викладені у роботах [4-6, 12, 14], отримані автором самостійно. У роботах [1, 2, 8, 11] автор з’ясував особливості виявлення деталей дефектної структури на ФТА зображеннях пластин кремнію, які пов’язані з використанням методу синхронного детектування, провів порівняльні оптичні дослідження епітаксійних структур. У роботі [3] автор дослідив внесок піроелектричних властивостей кераміки ЦТС-19 в ФТА сигнал, провів чисельні оцінки, теоретичні дослідження виконав під керівництвом проф. І. Я. Кучерова. У роботах [8-11] автор реалізував методику вимірів ФМТВ, отримав експериментальні результати за дослідженнями іонно-імплантованих та епітаксійних структур кремнію.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації були представлені, доповідалися і обговорювалися на наступних конференціях, симпозіумах та нарадах: XV Всесоюзній конференції “Акустоэлектроника и физическая акустика твердого тела” (Ленінград, 1991) ; IV Регіональній конференції “Динамические задачи механики сплошной среды и прикладные вопросы вибрационного просвечивания Земли”: (Краснодар, 1992) ; VI Міжнародній конференції “Acoustoelectronics’93” (Bulgaria, 1993) ; Міжнародній конференції “1995 IEEE Ultrasonics Symposium” (USA, 1995) ; VII Європейській конференції “Application of Surface and Interface Analysis” (ECASIA’97, Sweden, 1997) ; X Міжнародній конференції “Photoacoustic and Photothermal Phenomena” (Italy, 1998) ; IX Міжнародній конференції “Photoacoustic and Photothermal Phenomena” (China, 1996) ; XI Міжнародній конференції “Photoacoustic and Photothermal Phenomena” (Japan, 2000).

В ході виконання роботи за темою дисертації опубліковано 13 наукових праць (у тому числі 6 статей у фахових журналах та 4 в матеріалах міжнародних наукових конференцій), отримано 1 авторське свідоцтво.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з змісту (2 стор.), переліку умовних скорочень та позначень (2 стор.), вступу (6 стор.), 3 розділів (135 стор.), основних результатів та висновків (2 стор.), списку цитованих літературних джерел (183 найменування на 20 стор.). Повний обсяг дисертації 168 сторінок, містить 48 рисунків, 3 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі сформульовано актуальність теми, стан проблеми, об’єкт та предмет досліджень. Сформульовано мету та