Разработка лазерных методов ИК спектрометрии для анализа примесей в полупроводниковых материалах Выпускница: Чернышова Елена Игоревна Руководитель работы: Ястребков Андрей Борисович Консультант выпускающей кафедры: Шишков Александр Александрович Выпускная квалификационная работа на тему : Выпускная квалификационная работа на тему :

Цель работы: разработка лазерных методов определения трехмерной картины распределения, как времени жизни и диффузионной длины, так и концентрации основных загрязняющих примесей вдоль слитка кремния до его обработки. разработка лазерных методов определения трехмерной картины распределения, как времени жизни и диффузионной длины, так и концентрации основных загрязняющих примесей вдоль слитка кремния до его обработки.

Основная задача: основной задачей исследований является разработка оптических схем и методов детектирования примесей кислорода и углерода в кремнии с помощью NH 3 -CO 2 лазерной системы и оценка аналитических возможностей данной лазерной системы при детектировании примесей в кремниевых слитках. основной задачей исследований является разработка оптических схем и методов детектирования примесей кислорода и углерода в кремнии с помощью NH 3 -CO 2 лазерной системы и оценка аналитических возможностей данной лазерной системы при детектировании примесей в кремниевых слитках.

Методика расчета концентрации примесных центров углерода и кислорода в лазерной ИК спектрометрии слитков полупроводникового кремния В результате исследований получено достаточно точное соотношение для определения концентрации кислорода ( из данных ИК – измерений В результате исследований получено достаточно точное соотношение для определения концентрации кислорода (см -3 ) из данных ИК – измерений N 0 = (3,03 0,02) к, (1) где к - линейный коэффициент поглощения при 1106 см -1. Концентрацию углерода ( в кремнии можно оценить из соотношения Концентрацию углерода (см -3 ) в кремнии можно оценить из соотношения N C = (0, ) с, (2) где с - коэффициент поглощения при 606 см -1. Рисунок 1. Дифференциальные спектры ИК поглощения кремния после отжига при температуре 1080 С в течение 100 часов

Методика определения времени жизни и диффузионной длины с помощью ИК t – и L- томографии слитков полупроводникового кремния Физической основой разработанного метода является двухлучевое зондирование с использованием импульсной фотоинжекции электронов и дырок одним лучом света (лучом накачки) и последующим отслеживанием убыли числа избыточных носителей другим лучом света (тестирующим лучом) по поглощению на свободных носителях. Методика определения времени жизни ННЗ с помощью NH 3 -CO 2 лазерной системы выглядит следующим образом. С помощью полупроводникового или He-Ne лазера, излучение которого может модулироваться с переменной частотой F, в кристалле производится генерация ННЗ вдоль лазерного луча накачки. Меняя частоту модуляции, определяют значение частоты Fe, при которой поглощение на длине волны лазерной системы (тестируемое излучение), падает в е раз. Время жизни ННЗ будет определяться этим значением частоты в соответствии с формулой. С помощью полупроводникового или He-Ne лазера, излучение которого может модулироваться с переменной частотой F, в кристалле производится генерация ННЗ вдоль лазерного луча накачки. Меняя частоту модуляции, определяют значение частоты Fe, при которой поглощение на длине волны NH 3 -CO 2 лазерной системы (тестируемое излучение), падает в е раз. Время жизни ННЗ будет определяться этим значением частоты в соответствии с формулой t =1/Fe. Определение диффузионной длины производится с помощью выражения: L=, L=Dt, где. где D коэффициент диффузии, для кремния D=12cм 2 /c.

Оптическая схема экспериментальной установки по определению концентрации примесей углерода и кислорода Рисунок 2. Оптическая схема ИК лазерной системы для диагностики кремниевых слитков с параллельным распространением Л 1 - СО 2 лазер; Л 2 - NH 3 лазер; Л 3 - полупроводниковый или He-Ne лазер; М 1 -М 4 - зеркала; G 1 -G 3 - дифракционные решетки; L 1 -L 3 - линзы; D 1 -D 3 - фотоприемники

Оптическая схема экспериментальной установки для ИК t – и L- томографии слитков полупроводникового кремния Рисунок 3. Оптическая схема ИК лазерной системы для диагностики кремниевых слитков с коаксиальным распространением.

Структурная схема экспериментальной установки Рисунок 4. Структурная схема экспериментальной установки

Экспериментальные характеристики NH 3 - CO 2 лазерной системы 1) Разработаны оптические схемы лазерной системы среднего ИК диапазона (NH 3 -CO 2 лазер), позволяющие получать генерацию на двух далеко отстоящих друг от друга длинах волн, одна из которых (λ2) может перестраиваться в диапазоне Δλ=11-13,5 мкм, а другая остается фиксированной (λ1=9,22 или 9,29 мкм). 2 2) NH 3 -СО 2 лазерная система имеет следующие выходные параметры: ОПОРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (СО 2 ЛАЗЕР) а) частота генерации ν 1=1084,6 см-1 или 1076,0 см-1 б) энергия в импульсе Е 1 до 1,5 Дж в) длительность импульса излучения t 1 =100 нс - 1,5 мкс г) ширина линии генерации: не более 0,03 см-1 ПЕРЕСТРАИВАЕМОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (NH 3 ЛАЗЕР) а) частота генерации в диапазоне Δν 2 = см-1 б) энергия в импульсе Е 2 от 0,5 до 1,5 Дж в) длительность импульса излучения t 2 = 10 нс - 1,5 мкс г) ширина линии генерации : не более 0,05 см-1

В работе получили дальнейшее развитие методы оптической диагностики примесей кислорода и углерода и ИК t- томографии кремниевых слитков. Для регистрации концентраций загрязняющих примесей предлагается использовать NH 3 -CO 2 лазерную систему, позволяющую получать одновременную генерацию на двух далеко отстоящих друг от друга длинах волн. В работе получили дальнейшее развитие методы оптической диагностики примесей кислорода и углерода и ИК t- томографии кремниевых слитков. Для регистрации концентраций загрязняющих примесей предлагается использовать NH 3 -CO 2 лазерную систему, позволяющую получать одновременную генерацию на двух далеко отстоящих друг от друга длинах волн. Предложены две оптические схемы, которые позволяют проводить практически одновременную регистрацию примесей кислорода и углерода в кремниевых слитках, а также их ИК t- томографию (при введении в состав оборудования дополнительного полупроводникового или He-Ne лазера осуществляющего генерацию неосновных носителей заряда). Предложены две оптические схемы, которые позволяют проводить практически одновременную регистрацию примесей кислорода и углерода в кремниевых слитках, а также их ИК t- томографию (при введении в состав оборудования дополнительного полупроводникового или He-Ne лазера осуществляющего генерацию неосновных носителей заряда). Сделана оценка предельных регистрируемых концентраций примесей кислорода и углерода, по соответствующим значениям коэффициентов линейного поглощения α к и α с. Сделана оценка предельных регистрируемых концентраций примесей кислорода и углерода, по соответствующим значениям коэффициентов линейного поглощения α к и α с. Основные выводы и результаты работы