Фототермоакустична та фотоелектрична мікроскопія напівпровідникових структур на основі кремнію

Проведено оцінки величини впливу піроелектричних властивостей п’єзокераміки ЦТС-19, на термопружний коефіцієнт для першого наближення. Доданок, що пов’язаний з вкладом справжнього піроефекту на порядок величини більший за доданок, який пов’язаний з вкладом вторинного піроефекту, та одного порядку з величиною термопружного коефіцієнту. Отже піроелектричні властивості можуть суттєво впливати на амплітуду акустичних коливань при ФТА перетворенні.

Вплив піроелектричних властивостей на ФТА ефект еквівалентний зміні величіні термопружного коефіцієнту. Тому їх вплив проявіться тільки в тих методах реєстрації ФТА сигналу, яки визначаються термопружним коефіцієнтом. Один з таких є метод п’єзодатчика. При газомікрофонному методі реєстрації ФТА сигналу вплив піроелектричних властивостей не повинен проявлятися.

Проведено експериментальні дослідження ФТА ефекту у поляризованих і деполяризованих п’єзокераміках ЦТС-19 та ТБК-3. ФТA сигнал реєструвався методами п’єзодатчика і газомікрофонним. Зразки мали форму прямокутних паралелепіпедів розмірами 431 мм3. Полярна вісь перпендикулярна поверхні зразка, що опромінювалась модульованим світлом. При п’єзоелектричній реєстрації ФТА сигналу зразок наклеювався на п’єзодатчик (ЦТС-19). Показано, що при реєстрації ФТА сигналу методом п’єзодатчика деполяризація зразка призводила до збільшення амплітуди термопружних коливань (приблизно: ЦТС-19 в 3 рази, ТБК-3 в 1, 5). При газомікрофонній реєстрації ФТА сигналу у поляризованих і деполяризованих зразках ЦТС-19 та ТБК-3 суттєвих змін амплітуди не виявлено. Проведені дослідження показали, що піроелектричні властивості вносять суттєвий вклад в величину ФТА сигналу. Тому при дослідженнях речовин методом ФТА мікроскопії, з реєстрацією теплових хвиль у зразку методом п’єзодатчика, частоти модуляції лазерного випромінювання та товщина зразка вибиралися з умови, що теплова хвиля не досягає п’єзоперетворювача.

Другий підрозділ присвячений експериментальному вивченню особливостей формування параметрів ФТА сигналу у зразках з неоднорідностями. Аналіз результатів досліджень з ФТА мікроскопії по діагностиці підповерхневих неоднорідностей, які виконані рядом авторів показав, що в багатьох випадках зображення отримані різними способами реєстрації сигналу відрізняються між собою. В роботі застосовувався для реєстрації теплових хвиль у зразку метод п’єзодатчика. Тому з’ясовувались особливості формування амплітуди і фазового зсуву ФТА сигналу у зразках з неоднорідностями.

Досліджені зразки з штучно введеними неоднорідностями виготовлені з алюмінію (глибина залягання неоднорідності 410 мкм). Дослідження проводились методом ФТА мікроскопії з реєстрацією за допомогою газомікрофонної комірки та п’єзоперетворювача. Сфокусованим модульованим за інтенсивністю променем лазеру (діаметр 10 мкм) сканувалась поверхня зразка. Досліди проводились на різних частотах модуляції fm, які вибирались за умов, що довжина теплової дифузії у зразку: 1) значно більша за глибину залягання неоднорідності (fm= 3550 Гц,   910730 мкм) ; 2) значно менша за глибину залягання неоднорідності (fm= 1950 Гц,   140 мкм). Показано, що за зміною амплітуди та фазового зсуву ФТА сигналу при газомікрофонній реєстрації місце знаходження неоднорідності визначається тільки тоді коли довжина теплової дифузії   у зразку більша за глибину залягання неоднорідності. За зміною амплітуди та фазового зсуву ФТА сигналу при реєстрації методом п’єзодатчика місце знаходження неоднорідності визначається в обох випадках. Таким чином показано, що при п’єзоелектричній реєстрації теплових хвиль можуть візуалізуватися механічні неоднорідності і за межами дії “теплового зонду”.

Третій підрозділ присвячений експериментальним дослідженням імплантованих іонами бору та фосфору пластин кремнію методом ФМТВ.

Досліджені іонно-імплантовані структури кремнію, які зазвичай використовуються в реальних технологічних процесах. А саме: пластина p-Si (КДБ-20, Na 71014 ат/см3, імплантована іонами P+ з енергією 100 кеВ, дози 0, 05; 0, 2; 0, 5; 1, 0; 5, 0; 10, 0; мкКл/см2) ; пластини n-Si (КЕФ-7. 5, Nd 51014 ат/см3, імплантовані іонами P+ з енергією 100 кеВ, дози 0, 1; 0, 12; 0, 14 мкКл/см2) ; пластини p-Si (КДБ-40, Na 51014 ат/см3, імплантовані іонами B+ з енергією 40 кеВ, дози 0, 01; 0, 02; 0, 03; 0, 04; 0, 05 мкКл/см2). Для всіх досліджених зразків (різний тип провідності підкладки та введених іонів) амплітуда сигналу ФМТВ зростає з збільшенням концентрації введеної домішки. Закономірність приблизно лінійна від логарифма концентрації введених іонів. Для зразків КДБ-40 з дозами введених іонів В+ 0, 01; 0, 02; мкКл/см2 амплітуда сигналу ФМТВ розрізняється незначно.

Зміна амплітуди сигналу ФМТВ при ведені іонів є зміна коефіцієнта оптичного відбиття, яка зумовлена зміною електричних параметрів (рухливості, коефіцієнта амбіполярної дифузії нерівноважних носіїв заряду) у імплантованих шарах. Проведено оцінки зміни рухливості (коефіцієнта амбіполярної дифузії) нерівноважних носіїв заряду для цих зразків кремнію залежно від концентрації введених іонів користуючись розрахунками в [1]. Згідно цих оцінок при легуванні зразка коефіцієнт амбіполярної дифузії зменшується. Така зміна коефіцієнта амбіполярної дифузії нерівноважних носіїв заряду, відповідно до розрахунків, що наведені в [2], повинна привести до збільшення амплітуди сигналу ФМТВ. Зміна коефіцієнта теплової дифузії у імплантованих шарах згідно розрахунків у [2] повинна призводить до зменшення амплітуди сигналу ФМТВ. Це дозволяє зробити висновок, що збільшення амплітуди сигналу ФМТВ у зразках Si імплантованих іонами, при збільшенні концентрації введених іонів, яке спостерігається експериментально, пов’язано з зміною (зменшенням) коефіцієнта амбіполярної дифузії (рухливості) нерівноважних носіїв заряду, а не з зміною теплових параметрів.

Проведено порівняння результатів досліджень іонно-імплантованих структур Si виконаних методом ФМТВ з результатами, що отримані методом ФТА мікроскопії (п’єзореєстрація). Встановлено, що відносна зміна ФТА сигналу для зразка КДБ-20, як і