автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Интерференционные лазерные методы неразрушающего контроля параметров кремниевых пластин в микромеханике

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Специализированный совет К 063.06.02 На правах рукописи

^ ~ Ал

2 2 АПР 193Б

ИВАНОВ Алексей Сергеевич

УДК 621.373.852

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН В МИКРОМЕХАНИКЕ

05.02.11 - методы контроля и диагностики в машиностроении Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Северо-Западном заочном политехническом институте.

Научный руководитель: д.ф.-м.н., проф. Комаровских К.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.Е.Поляков;

доктор физико-математических наук, профессор В.Е.Привалов.

Ведущая организация: ФТИ им. А.Ф.Иоффе, г.Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится Ш 0<Г _ 199(£г. в Ц час. на заседании специализированного совета К 063.06.02 в Северо-Западном заочном политехническом институте по адресу: 19105$, Санкт-Петербург, ул.Миллионная, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в биб'лио^еке Северо-Западного заочного политехническ института.

Автореферат разослан

. 04 ^

Ученый секретарь специализированного совета кандидэттймических наук, старший научный сотрудник Т.П.Курчаеова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящей работе, выполненной автором в 1987-1994 годах, |редпожены новые методы неразрушающего контроля электрофизических I геометрических параметров полупроводниковых структур для изделий чикромеханики. Разработаны, изготовлены и опробованы промышленные ¡змерительные комплексы для оперативного контроля кремниевых пластин. I основу предлагаемых методов и средств контроля положено бесконтактное (азерное интерференцион-ное зондирование исследуемых структур.

Актуальность темы

В последние годы очень быстро развивается новая область ¡риборостроения - микромеханика. Благодаря использованию микро-лектронных технологий при изготовлении механических элементов и систем тень малых размеров появилась возможность создавать микромеханические истемы, интегрированные с электронными цепями в одном кристалле и ыполненные по единому технологическому циклу. Размеры таких систем оставляют от нескольких десятых долей до нескольких миллиметров, а 1азмеры собственно микроме-ханических элементов - от десятых долей млялхиавтра до сотен микрон.

Спектр продукции современной микромеханики весьма обширен и юстоянно расширяется. Во-первых, это мембраны, служащие основой для оздания различных датчиков, а в совокупности с микродвигателем - основой ¡ля создания микронасосов и микродозаторов. Во-вторых, это диафрагмы, лужащие основой фильтров для разделения жидких и аэрозольных 1нгредиентов в различных смесях, для элиминации из крови и лимфы оксинов и плазмофореза в медицине и т.д. Наконец, это различные штические элементы: решетки, фильтры, модуляторы, устройства опряжения оптических волокон.

Прогресс микромеханики настолько важен, что ее развитие в США и 1понии идет на уровне национальных программ.

Сверхточные и сверхмалые размеры микромеханических элементов ¡редъявляют повышенные требования к технологии их изготовления и юпользуемым материалам и требуют создания новых неразрушающих ¡есконтактных методов контроля.

Л

Основным материалом как для изготовления конструкционных механических элементов, так и электронных цепей является кремний. На его основе могут быть созданы самые различные типы микромеханических структур: статические (сопла, капилляры), динамические (диафрагмы, мембраны) и кинематические (турбины, клапаны, заслонки).

Наиболее информативным параметром, зависящим от природы и количества примесей и дефектов структуры полупроводника и позволяющим интегрально оценивать его пригодность как конструкционного материала и как материала для изготовления электронных цепей при производстве микромеханических систем в одном технологическом цикле на одном кристалле, является время жизни неравновесных носителей тока. Сопоставив требуемый стандарт чистоты и совершенства структуры материала со значением времени жизни, можно осуществить входной и межоперационный контроль. Раздельное измерение времен жизни электронов и дырок, а также контроль объемного (истинного) времени жизни носителей и скорости их поверхностной рекомбинации позволят анализировать и причины непригодности полупроводника.

Функциональные свойства конструктивных микромеханических элементов определяются также их геометрическими размерами. В случае, например, мембран важнейшим таким параметром является ее толщина. При изготовлении мембран необходимо контролировать их толщину в большом числе точек на поверхности пластины-заготовки (т.к. пленарная технология позволяет одновременно изготавливать несколько сотен таких изделий). Чтобы осуществить такой контроль в производственных условиях необходимо продолжительность одного акта измерения сделать минимально возможной. Таким образом, современная микромеханика, предъявляя повышенные требования к технологии и используемым материалам, требует создания новых неразрушающих бесконтактных высоколокальных методов контроля таких параметров, как время жизни неравновесных носителей тока (электрофизический параметр) и толщина полупроводникового слоя (геометрический параметр).

Цель работы

Общей задачей настоящей работы было создание на основе

бесконтактного лазерного интерференционного зондирования неразру-шающих высоколокальных методов и средств контроля электрофизических и геометрических параметров исследуемых кремниевых структур для изделий микромеханики.

Для этого было необходимо:

1. Выбрать оптимальные параметры, которые необходимо контролировать при производстве микромеханических элементов и систем.

2. На основании анализа литературы выбрать, теоретически и экспериментально исследовать и обосновать использование абсорбционно-интерференционного взаимодействия двух лазерных излучений в полупроводнике для разработки методов и средств контроля параметров полупроводниковых структур.

3. Основываясь на проведенных исследованиях предложить новы неразрушающие бесконтактные методы контроля времени жизни неравновесных носителей в кремнии и провести их сравнительный анализ (информативные возможности, ограничения, точность измерения, целесообразность использования).

4. Предложить оригинальные технические решения, позволяющие обеспечить приемлемо малое время одного акта измерения толщины мембран согласно известным монохроматическим интерферометрическим методам.

5. Создать лабораторные и промышленные образцы средств контроля электрофизических и геометрических параметров, реализующие предложенные методы и технические решения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследован физический механизм интерференционной модуляции длинноволнового зондирующего инфракрасного лазерного излучения в полупроводнике за счет генерации в нем электронно-дырочных пар промодулированным по интенсивности коротковолновым светом оптического инжектора из области фотоактивного поглощения материала и показано, что время жизни неравновес-ных носителей тока может быть определено

¿Г

по таким параметрам модуляции зондирующего излучения, как фазовый сдвиг относительно инжектирующего излучения и зависимость ее амплитуды от частоты модуляции инжектирующего излучения.

2. Предложены методы контроля времени жизни неравновесных носителей заряда - фазовый и частотный - и проведен их сравнительный анализ.

3. Показана возможность бесконтактного неразрушающего определения объемного времени жизни неравновесных носителей заряда, как объективной характеристики материала, и скорости их поверхностной рекомбинации в кремнии.

4. Показано, что в случае равенства времен жизни электронов и дырок в исследуемом полупроводнике оптимальным является использование фазового метода.

5. Разработана оригинальная оптико-механическая схема изменения угла падения лазерного луча с использованием несферической оптики, позволяющая существенно (более чем в 10 раз) сократить время контроля толщины мембран и тонких слоев, прозрачных для лазерного излучения, что позволяет сделать монохроматический интерферометрический метод применимым для контроля толщины изделий микромеханики.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Анализ интерференционно-абсорбционного взаимодействия в полупроводнике двух лазерных излучений показал, что время жизни неравновесных носителей заряда - основной электрофизический параметр, определяющий пригодность кремниевых структур для изделий микромеханики - может быть определено по фазово-частотным и амплитудно-частотным параметрам модуляции прошедшего через исследуемый полупроводниковый образец длинноволнового зондирующего излучения.

2. Контроль объемного времени жизни как объективной электрофизической характеристики кремния, а также скорости поверхностной рекомбинации, возможен из измерения эффективных времен жизни неравновесных носителей заряда при использовании двух длин волн инжектирующего излучения, обеспечивающих генерацию неравновесных

носителей вблизи поверхности исследуемой структуры и равномерно во всем ее объеме. При контроле кремниевых образцов оптимальными являются длины волн инжектирующего излучения; равные 0,63 и 0,94 мкм.

3. Промышленный контроль толщины кремниевых пластин может быть осуществлен посредством монохроматического интерферометрического метода измерения толщины твердых прозрачных слоев, реализованного при помощи предложенной оригинальной оптико-механической схемы с эллиптическими зеркалами.

Приоритет результатов.

Основные результаты, по которым сформулированы научные положения, получены впервые.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на научных конференциях в нашей стране и за рубежом. В частности, на Международней конференции "Микро-электроника-90" в Минске в 1990 году, на Всесоюзных конференциях: по физике полупроводников в 1988 году, по неразрушающим физическим методам и средствам контроля в Свердловске в 1991 году, по метрологическим проблемам микроэлектроники в пос.Менделееве Московской области в 1991 году и ряде других, на 14-й Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике в Санкт-Петербурге в 1991 году, на 13-й Общей конференции отделения конденсированных сред Европейского Физического общества в Регенсбурге (Германия) в 1993 году.

Публикаций результатов диссертации.

Основное содержание диссертации отражено в 8 статьях, 5 авторских

свидетельствах и 10 тезисах докладов.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, а также списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 147 страниц машинописного текста, в том числе 2 таблицы, 36 рисунков. Список литературы содержит 72 наименования.

Практическая значимость результатов состоит в следующем:

1. Предложенные методы позволяют осуществлять контроль времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках бесконтактно, с высокой локальностью и не разрушая тестируемый материал.

2. Раздельное определение времен жизни неравновесных электронов и дырок, а также объемного (истинного) времени жизни носителей и скорости их поверхностной рекомбинации позволяет не только произвести отбраковку непригодных изделий, но и анализировать причины их непригодности.

3. Проведенный сравнительный анализ предложенных методов измерения времени жизни неравновесных носителей заряда позволяет определить критерий целесообразности использования каждого из них в зависимости от тестируемых изделий и круга поставленных задач.

4. Поскольку в основе всех предложенных методов контроля времени жизни неравновесных носителей заряда лежит лазерное интерференционное зондирование полупроводникового образца, то и реализующие их средства контроля включают в себя тождественный оптический тракт и отличаются лишь схемой анализа информативного сигнала, что позволяет легко переходить от одного метода к другому или использовать их одновременно.

5. Ряд разработанных технических решений может иметь самостоятельное практическое значение. В частности, предложено фотометрическое устройство, позволяющее выделять и регистрировать малые модуляции интенсивных световых потоков; предложен и реализован в оригинальной оптико-механической схеме с элементами несферической оптики способ быстрого изменения угла падения лазерного луча на образец в наперед заданной точке, позволяющий настолько сократить продолжительность одного акта измерения тонкого прозрачного слоя, что представляется возможным исследовать, например, кинетику изменения толщины жидких прозрачных пленок в процессе их испарения или растекания; предложен способ бесконтактного определения толщины эпитаксиальных полупроводниковых слоев, имеющих одинаковый показатель преломления.

6. Разработан и изготовлен промышленный лазерный комплекс для оперативного контроля качества кремниевых пластин, работающий в полуавто-матическом режиме и позволяющий измерять времена жизни носителей в диапазоне 0,1-100 мкс. Время контроля - не более 20 сек.

7. Разработан и изготовлен быстродействующий лазерный интерферометр для контроля толщины мембран, использующихся при изготовлении датчиков давления, полученных селективным травлением кремниевых пластин. Диапазон измеряемых толщин - от 10 мкм до 1 мм. Время одного измерения - 0,02 сек.

8. Предложенные методы лазерной интерферометрии полупроводников могут быть использованы в качестве методов исследования рекомби-национных характеристик и электрофизических параметров полупроводниковых материалов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во Введении обоснована актуальность задачи, рассмотренной в диссертации, определен круг параметров, подлежащих контролю, кратко изложено содержание диссертации и выдвинуты защищаемые положения.

В первой главе проведен критический анализ традиционных методов измерения параметров, выбранных для контроля качества микромеханических изделий и систем: электрофизического - времени жизни неравновесных носителей заряда и геометрического - толщины изделия. Показано, что известные методы не отвечают требованиям, предъявляемым микромеханикой. Контроль времени жизни неравновесных носителей заряда не может быть осуществлен бесконтактно, с высокой локальностью, без разрушения тестируемого образца. Информативные возможности известных методов контроля также ограничены: отсутствует возможность раздельного определения времен жизни неравновесных электронов и дырок, а также объемного (истинного) времени жизни носителей и скорости их поверхностной рекомбинации.

Оптимальным методом измерения толщины микромеханических изделий является монохроматический интерферометрический метод. Однако ни одно из известных реализующих его технических решений не обладает быстродействием для организации промышленного контроля.

о

Во второй главе сформулирована цель работы и предложены новые методы и средства контроля времени жизни неравновесных носителей тока. В основу всех предлагаемых методов положено бесконтактное оптическое зондирование исследуемого полупроводникового образца, основанное на взаимодействии в нем двух лазерных излучений. Механизм такого взаимодействия, который можно назвать интерференционно-абсорбционным, заключается в следующем. Одно из излучений (инжектирующее) имеет энергию фотонов больше ширины запрещенной зоны полупроводника. Оно поглощается в полупроводнике и генерирует в нем электронно-дырочные пары, изменяя концентрацию свободных носителей заряда. Другое излучение (зондирующее) имеет энергию фотонов меньше ширины запрещенной зоны полупроводника и соответствует области прозрачности полупроводника.

Генерация в полупроводнике неравновесных носителей заряда при его освещении лазером-инжектором приводит к изменению оптических констант -показателя преломления и коэффициента поглощения - полупроводника на длине волны зондирующего лазерного луча. Исследуемый образец представляет собой плоскопараллельную пластинку, являющуюся интерферометром Фабри-Перо, отражающими поверхностями которого служат грани образца за счет скачка показателя преломления на границе воздух-полупроводник. Изменение оптических характеристик образца-интерферометра промодулированным по интенсивности излучением лазера-инжектора приводит к изменению интенсивности (модуляции) зондирующего луча. Поскольку изменение оптических констант прямо пропорционально концентрации неравновесных носителей, а она связана с их временем жизни, то устанавливается взаимо-связь между параметрами интерференционной модуляции и временем жизни неравновесных носителей заряда. Ранее определен один из таких параметров -амплитуда модуляции прошедшего через исследуемый полупроводник зондирующего излучения, и предложен метод контроля времени жизни носителей, названный амплитудным. Его целесообразно использовать, когда времена жизни электронов и дырок различны. Амплитудный метод достаточно громоздок в реализации, кроме того, он является косвенным и требует знания (или определения из дополнительных экспериментов) ряда параметров исследуемого

полупроводни-кового образца, что приводит к весьма значительной (до 60%) погрешности в определении искомой величины.

Анализ интерференционно-абсорбционного взаимодействия в полупроводнике двух лазерных излучений и параметров модуляции зондирующего луча показал, что время жизни носителей заряда может быть определено и по таким параметрам модуляции луча лазера-зонда, как фазовый сдвиг относительно излучения инжектора и зависимость ее амплитуды от частоты модуляции инжектирующего излучения. В соответствии с регистрируемыми параметрами впервые предложены два новых метода контроля времени жизни неравновесных носителей заряда: фазовый и частотный.

Фазовый метод основан на регистрации отставания колебаний неравновесной концентрации носителей, обусловленных собственной инерционностью электронной системы полупроводника, от колебаний интенсивности генерирующего их излучения на некоторой фиксированной частоте. Поскольку регистрируемые при реализации метода величины - частота и фаза -непосредственно связаны с измеряемой величиной - временем жизни носителей, погрешность в ее определении весьма незначительна. Метод не требует никакой предварительной информации о параметрах полупроводника (в отличие от амплитудного), позволяет упростить оптико-механическую часть реализующих его средств контроля и обеспечивает высокую производительность в случае большого числа измерений. При равенстве времен жизни электронов и дырок фазовый метод оптимален для промышленной реализации.

Частотный метод контроля времен жизни неравновесных носителей заряда основан на измерении амплитудно-частотной характеристики зондирующего излучения после его взаимодействия с исследуемым образцом при изменении частоты инжектирующего излучения. Вследствие уже упоминавшегося отставания колебаний неравновесных концентраций электронов и дырок от колебаний интенсивности инжектирующего света при повышении частоты модуляции выше величины, обратной времени жизни носителей, происходит уменьшение амплитуды модуляции зондирующего луча вследствие значительного уменьшения амплитуды колебаний неравновесной концентрации носителей, которая вследствие все

той же инерционности электронной системы полупроводника попросту не успевает развиваться. Данный метод позволяет раздельно проводить измерения времен жизни электронов и дырок, не требуя знания каких-либо параметров полупроводника. Однако измерения требуют значительного времени, схема обработки информативного сигнала предполагает наличие усилителей типа "лок-ин". Кроме того, для проведения измерений малых времен жизни требуются малоинерционные фотоприемники зондирующего излучения с постоянной времени, меньшей измеряемого времени жизни.

Все три метода позволяют осуществлять контроль времени жизни неравновесных носителей бесконтактно, с высокой локальностью (до 100 мкм) и не разрушая материал. Имея под собой единую основу - лазерное зондирование тестируемой полупроводниковой структуры, данные методы при практической реализации требуют лишь различных схем обработки информатив-ного сигнала (соответствующего одному из параметров модуляции зондирующего луча), сохраняя общий оптический тракт. Это позволяет легко переходить от одного метода контроля к другому или осуществить одновременную реализацию двух из них.

В главе также предложен метод определения объемного времени жизни носителей, которое является объективной характеристикой материала изделия (в отличие от так называемого эффективного времени жизни в конкретном образце), а также определения скорости поверхностной рекомбинации носителей. Уметь определять объемное (истинное) время жизни носителей совершенно необходимо, поскольку изменение именно этой величины свидетельствует об изменении чистоты и нарушениях структуры полупровод-никового материала. Для осуществления такого контроля необходимо наличие оптического инжектора с несколькими длинами волн, на которых глубина проникновения излучения в материал и, соответственно, глубина области генерации носителей достаточно различаются. Проведя измерение эффективных времен жизни при двух различных длинах волн инжектора (и$ которых одна соответствует преимущественно поверхностному, а другая - преимущественно объемному поглощению), можно получить два уравнения, из решения которых определяются объемное время жизни и скорость поверхностной рекомбинации. Для кремния оптическим инжектором может служить гелий-неоновый лазер ЛГ-126 с длиной волны 0,63 мкм и светодиоды типа АЛ-

/п

11ЭА с длиной волны 0,94 мкм.

Определить объемное время жизни можно не только расчетным путем, но и непосредственно из эксперимента (толщина изделия в этом случае должна в несколько раз превышать диффузионную длину носителей заряда). При этом, например, в случае сильно легированного кремниевого образца (когда зондирующее излучение выбирается из условия максимальной прозрачности материала, а инжектирующее - равномерного поглощения во всем объеме образца), длины волн зондирующего и инжектирующего излучений оказываются близки и приемник зондирующего излучения оказывается "засвечен" паразитным излучением инжектора, которое оптическими фильтрами полностью подавить невозможно. Показано, что измерение времени жизни становится возможным посредством модуляции зондирующего излучения по интенсивности с частотой, отличной от частоты модуляции инжектора, и регистрации прошедшего через образец излучения на частотах, равных разности или сумме частот модуляций обоих излучений. Измеряемым параметром в данном случае может быть амплитуда или фаза.

Все описанные методы контроля времени жизни требуют регистрации

прошедшего через образец промодулированного по амплитуде

-л - с

зондирующего излучения, т.е. регистрации малых - 10 - 10 - модуляций интенсивного светового потока. Осуществить такую регистрацию традиционными средствами сложно. Необходимо осуществить преобразование светового потока в электрический сигнал так, чтобы коэффициент преобразования для модуля-ционной (информативной) составляющей многократно превосходил коэффициенты преобразования для прочих составляющих. Это позволяет сделать разработанный и изготовленный для этих целей фотометр, который благодаря использованию специально подобранной нелинейной нагрузки позволяет выделить только информативную (модуляционную) часть прошедшего через исследуемый объект зондирующего излучения и "растянуть" ее на весь амплитудный диапазон системы регистрации.

В конце второй главы представлены лабораторные средства контроля времени жизни неравновесных носителей, реализующие предложенные методы. Выполненные с их помощью измерения времен жизни на

/Я

специальных тестовых образцах находятся в хорошем соответствии с результатами, полученными традиционными контактными методами. Возможность определения объемного времени жизни носителей и скорости их поверхностной рекомбинации подтверждена экспериментом на серии тестовых образцов из кремния различной толщины, последовательно подвергшихся различным видам обработки поверхности. Разброс в определении значения объемного времени жизни не превысил 5%. Полученные величины скорости поверхностной рекомбинации соответствовали известным из литературы значениям, характерным для каждого вида обработки, и результатам, полученным в ФТИ имД.Ф.Иоффе, где изготавливались образцы.

Заключительные два параграфа главы посвящены особенностям реализации фазового метода контроля времени жизни носителей и практической реализации предложенных методов контроля.

Глава третья содержит описание промышленных средств контроля времени жизни носителей и толщины кремниевых пластин.

Полуавтоматический лазерный тауметр "Монохром-5" был создан по заказу АО "Светлана" и использовался для разбраковки кремниевых пластин диаметром 60,70,100 и 150 мм по методу "из кассеты в кассету". Он изготовлен на базе промышленного автомата подачи и позиционирования пластин 09ВК-110 М и состоит из автомата загрузки, подачи и позиционирования, оптического измерительного тракта и системы регистрации. Равенство времени жизни электронов и дырок в тестируемых пластинах позволило применить фазовую обработку сигнала. Это, в свою очередь, позволяет обеспечить высокое отношение сигнал/шум в измерительном тракте и упрощает кинематическую схему тауметра. "Монохром-5" работает по двухлучевой схеме. В качестве зонда использован гелий-неоновый лазер ЛГ-111 с длиной волны излучения 3,39 мкм, а в качестве оптического инжектора - набор из шести светодиодов АЛ-119А с длиной волны 0,94 мкм, обеспечивающих объемную генерацию в пластине неравновесных носителей. Время, затрачиваемое на контроль одной пластины, не превышает 2 секунд, а полное время разбраковки кассеты с двадцатью пятью пластинами не превышает 10 минут. Диапазон измеряемых значений времени жизни от 0,1 до 1000 мкс.

Быстродействующий лазерный интерферометр для измерения толщины кремниевых пластин был создан на основе схемы с эллиптической оптикой для изменения угла падения лазерного луча в заданную точку неподвижного образца. Разработка такой схемы позволила сделать монохроматический интерферометрический метод измерения толщины прозрачных слоев применимым для промышленного контроля. Принцип действия интерферометра, названного "Монохром-4", основан на подсчете числа интерференционных максимумов, наблюдающихся в отраженном свете при изменении угла падения зондирующего лазерного луча на измеряемый объект в заданных пределах. Максимумы и минимумы интенсивности лазерного луча наблюдаются вследствие интерференции лучей, отразившихся от верхней и нижней поверхностей тестируемого объекта. Прибор был разработан по заказу НПО "Электрон-прибор" для контроля толщины кремниевых мембран, использующихся при изготовлении микродатчиков давления масла. Измерительная схема прибора сопрягается с системой автоматизированной обработки сигнала. Интерферометр позволяет измерять толщину пластин в диапазоне от 10 мкм до 1 мм и превосходит по быстродействию японские аналоги на несколько порядков. Малая (менее 0,2 не) продолжительность одного акта измерения и высокая (более 100 с ) частота измерений позволяют использовать данный прибор и в других областях. В частности, с его помощью впервые удалось измерить толщину жидких пленок в процессе их растекания и испарения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании анализа литературы:

а) выбранны параметры (электрофизический - время жизни неравновесных носителей заряда и геометрический - толщина слоя), контроль которых является оптимальным при производстве микромеханических элементов и систем;

б) в основу методов контроля обоих параметров может быть положено лазерное интерференционное зондирование полупроводниковых структур.

2.Исследование физического механизма возникновения интерфе-

ренционной модуляции у прошедшего через полупроводниковый образец когерентного зондирующего излучения при дополнительном освещении образца промодулиро-ванным по интенсивности излучением инжектора из области фотоактивного поглощения материала образца, показало, что время жизни неравновесных носителей заряда может быть измерено по таким параметрам интерференционной модуляции зондирующего излучения, как ее. фазовый сдвиг относительно модуляции инжектирующего излучения и зависимость амплитуды модуляции от частоты модуляции инжектирующего излучения.

3. Предложены лазерно-интерферометрические методы бесконтактного контроля времени жизни неравновесных носителей заряда - фазовый и частотный.

4. Разработан метод бесконтактного определения объемного времени жизни носителей заряда и скорости их поверхностной рекомбинации в кремнии.

5. Разработаны и испытаны лабораторные средства контроля времени жизнинеравновесных носителей заряда, реализующие амплитудный, фазовый и частотный методы. Проведен сравнительный анализ методов и даны рекомендации по их применению.

6. Достоверность результатов, полученных предложенными методами, подтверждена их сравнением с результатами, полученными на тех же образцах методом фотопроводимости. Возможность определения объемного времени жизни носителей в кремнии и скорости их поверхностной рекомбинации подтверждена исследованием серии образцов различной толщины с различным состоянием поверхности, изготовленных из одного слитка.

7. Разработан и изготовлен промышленный лазерный комплекс для оперативного контроля качества кремниевых пластин, работающий в полуавтоматическом режиме и позволяющий измерять времена жизни носителей заряда в диапазоне 0,1 -100 мкс. Время контроля одной пластины - не более 20 с.

8. Предложен способ быстрого изменения угла падения лазерного луча на исследуемый образец в наперед заданной фиксированной точке. Он реализован в оригинальной оптико-механической схеме сПэлёментами несферической оптики. Показано, что применение такой схемы позволяет использовать монохромати-ческий интерферометрический метод определения толщины прозрачных слоев для промышленного контроля толщины кремниевых пластин.

9. Разработан и изготовлен быстродействующий лазерный интерферометр для контроля толщины кремниевых мембран, полученных селективным травлением кремниевых пластин, по быстродействию на несколько порядков превышающий зарубежные аналоги. Диапазон измеряемых толщин - от 10 мкм до 1 мк. Время одного измерения - 0,02 с.

10. При разработке средств контроля времени жизни неравновесных носителей заряда получены технические решения, представляющие самостоятельный интерес. Среди них двухканальный фотометр, позволяющий выделять и регистрировать малые модуляции интенсивных световых потоков, способ бесконтактного определения толщины эпитаксиапьных полупроводниковых слоев и др.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАННЫ В РАБОТАХ:

1. Воробьев Л.Е., Федорцов А.Б., Иванов А.И.,Летенко Д.Г., Комаровских К.Ф.,Чуркин Ю,В. Диагностика времен жизни электронов и дырок, а также скорости их поверхностной рекомбинации в полупроводниковых структурах по измерению интерференционной модуляции.//Изд. АН СССР, сб."Х! Всес.конф.по физике полупроводников".

2. Воронков В.Б., Иванов А.С.,Комаровских К.Ф., Федорцов А.Б., Летенко Д.Г., Чуркин Ю.В. Контроль объемного времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда в полупроводниках методом инфракрасного лазерного зондирования.//Изд."Наука". "Журнал технической физики".-1991 .-Т.61 .-N 2.-С.104-108.

3. Арешкин А.Г., Федорцов А. Б., Иванов АС., Комаровских К.Ф., Летенко

Д.Г.,Чуркин Ю.В. Неразрушающий контроль электрофизических параметров полупроводников методом инфракрасной лазерной интерферометрии. // Труды XII Всес.конф."Неразрушающие физ.методы и средства контроля".-1991. -T.IV.-C.9-10.

4. Арешкин А.Г., ФедорцовА.Б., Иванов A.C., Комаровских К.Ф.,Летенко Д.Г.,Чуркин Ю.В. Промышленная лазерная ¿Г-метрия кремниевых пластин. //Труды Межд.конф."Микроэлектроника-90".-Т.1 .-С.288.

5. Федорцов А.Б., Иванов A.C., Летенко Д.Г., Торчинский И.А., Чуркин Ю.В. Быстрое измерение угловой зависимости отражения лазерного луча неподвижным образцом.//Изд."Наука".Журн."Приб. и техн.экспер.".-1991.-N 4.-С.222-224.

6. Арешкин А.Г., Иванов A.C., Федорцов А.Б., Летенко Д.Г. Бесконтактная фазовая методика контроля времени жизни носителей тока в полупровод-никах.//Изд."Наука". Журн."Приб. и техника 3Kcnep".-1991.-N4.-C.202-203.

7. Иванов A.C., Летенко Д.Г., Чуркин Ю.В., Торчинский И.А., Федорцов A.B. A fast operating laser devise for measuring thicknesses of liqued and solid films.//H3fl.AIP. Журн."Review of Scientific Instruments".-!992.-T.63.-N 7.-C.3579-3582.

8. Арешкин А.Г., ВоробьевЛ.Е., Иванов A.C., Федорцов АБ., Комаровских К.Ф., Летенко Д.Г., Чуркин Ю.В. Бесконтактный лазерный интерференционный метод неразрушающего исследования рекомбина-ционных характеристик электронов и дырок в полупроводниках.//Изд."Наука".Журн. "Известия РАН. Серия физич.".-1992.-Т.56.^ 12.-С.121-129.

9. Арешкин А.Г., ФедорцовА.Б., Иванов A.C., Комаровских К.Ф., Летенко Д.Г., Тупицкая H.A., Чуркин Ю.В. Определение значений времени жизни электронов и дырок в полупроводниках по результатам лазерного инфракрасного зондирования./Дезисы докладов Всес.конф. "Метрологические проблемы микроэлектроники". Изд."Радио и связь".-1991.-С.81.

10. Иванов A.C. Контроль объемного времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда в полупроводниках методом инфракрасного лазерного зондирования. N 404-В90 от 19.01.90.//Деп. в ВИНИТИ 1990. N 5. Б/о 157.

/о

11. Арешкин А.Г., Воробьев Л.Е., Иванов А.С., Федорцов А.Б., Комаровских К.Ф., Летенко Д.Г., Чуркин Ю.В. Бесконтактный лазерный интерферометрический метод неразрушающего исследования рекомбина-ционных характеристик электронов и дырок в полупроводниках.//Тезисы докладов 14-й Межд.конф. по когерентной и нелинейной оптике.-Спб.-1991 .-Т.2.-С.104.

12. Иванов А.С., Летенко Д.Г.. Чуркин Ю.В., Торчинский И.А., Федорцов А.Б. Высокоскоростной лазерный прибор для интерференционного измерения толщин твердых и жидких пленок в диапазоне от 0,01 до 1,00 мм. //Изд.БПИ. Тезисы докл.Вссс.хонф. "Измерения и контроль при автоматиз. произв.процессов". - Барнаул.-1991 .-С.118.

13. Иванов А.С., Летенко Д.Г., Чуркин Ю.В., Торчинский И.А., Федорцов А.Б. Прибор для измерения толщины полупроводниковых слоев интерференционным методом. //Изд."Электроника".Журн."Электронная промышленность".-1992.-N 3.-С.46-47,

14. Федорцов А. Б., Летенко Д.Г., Торчинский И.А. Иванов А. С. Устройство для измерения угла падения луча на образец.//АС СССР N 1772609.

15. Воробьев Л.Е., Федорцов А.Б., Иванов А.С., Летенко Д.Г., Поляков А.Я.,Чуркин Ю.В. Contaktless lokal investigation the electron properties of semiconductors and insulators using the laser interferometry. //Труды "13-th Int.Conf.of Condensed matter division of Eurcp.Phys.Soc".-C.1427.

16. Иванов А.С., Летенко Д.Г., Ценципер Л.М., Федорцов А.Б., Торчинский И.А. The laser interferometry for the evaporation kinetics of liquid films.// Труды "13-th Int.Conf.of Condensed matter division of Euro p. Phys.Soc.".-C.1535.

17. Арешкин А.Г., Иванов А.С., Федорцов А.Б., Федотова К.Ю. Способ бесконтактного определения толщины эпитаксиальных полупроводниковых слоев. //А.с. N 1737261,- 1992.

18. Иванов А.С., Федорцов А.Б. Фотометр.//А.с. N1758527.

19. Иванов A.C., Федорцов А.Б. Способ бесконтактного измерения времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках.//А.с. N 1778821.

20. Иванов A.C. Быстродействующий лазерный интерферометр для измерения толщины прозрачных твердых и жидких пленок. N 4476-В91 от 03.12.91 .//Деп. в ВИНИТИ.-1992.-N4.-B/o 466.

21. Арешкин А.Г., Иванов A.C., Федорцов А.Б., Комаровских К.Ф. Полуавтоматический лазерный комплекс для оперативного контроля качества полупроводниковых пластин.//Тезисы доклада Всес.конф."Измерения и контроль при автоматиз.произв.процессов".-Барнаул.-1991.-Т.2.-Ч.Н.-С.52.

22. Арешкин А.Г., Иванов A.C., Тупицкая H.A. Полуавтоматический лазерный тауметр.//Труды I Всес.конф."Применение лазеров в технол.и сист. передачи изобр.информ". Тез.докл.-Киев.-1991.-С.73.

23. Иванов A.C., Летенко Д.Г., Торчинский И.А., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В. Устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок в фиксированной точке.//Патент на изобретение N 2025656 от 30.12.94. Бюл. N 24.