Способ определения состава и количества примесей в неметаллических средах

Союз Советски к

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ п1 857794

Ф I ! Ъ (61) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 06.01.78 (21) 2577644/18-25 (5! )М. Кл. с присоединением заявки М—

G 01 N 21/01

)асударсткнный коиитет (23) Приоритет по аелаи изо4ретеиий и открытий

Опубликовано 23.08.81. Бюллетень М 31 (53) УДК 535.411 (088.8) d а опубликования описания 23.08.81 (72) Авторы изобретения

Э. Э, Годик и А. И. Кузнецов

Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники AH СССР (7l ) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА

И КОЛИЧЕСТВА ПРИМЕСЕЙ

В НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СРЕДАХ

Изобретение относится к способам спектрального анализа вещества, а именно к способу анализа примесей в неметаллических средах.

Известен ряд способов исследования состава

S примесей в веществе, например абсорбционный спектральный анализ. При абсорбционном спект ральном анализе измеряется спектр оптического поглощения, связанного с оптическим возбуждением примесей в веществе, и по положе30 нию и высоте пиков поглощения на шкале длин волн определяют состав и количество при. месей в веществе (1).

Однако чувствительность этого метода ограничена конкурирующими механизмами поглощения в веществе и, кроме того, для осущест15 вления этого способа необходима специальная фотоприемная система для регистрации прошедшего излучения.

Известен способ определения количества и состава примесей в полупроводниках, заключающийся в том, что исследуемый полупроводник облучают светом с энергией фотонов, меньшей энергии иониэации идентифицируемой примеси, при 3IGM температура полупроводника выбира ется такой, чтобы вероятность термической ионизации возбужденных уровней исследуемой примеси была значительной (температура в энергетических единицах должна быть близка к

0,3 — 0,5 разности энергий между энергией крас- ной границы спектра примесной фотопроводимости и энергией, соответствующей данной линии в спектре фототермической ионизацни), а о количестве примесей в полупроводнике и их природе судят по высоте и положению линий в спектре фототермической ионизации.

Фототермическая ионизация — это двухступенчатый процесс ионизации примеси: примесь вначале оптически возбуждается, а затем воэ; бужденное состояние термически ионизируется (2).

Однако в известном способе измерения можно проводить лишь в определенном интервале температур (температура должна быть достаточно высокой для термической ионизации фотовоэбуждениых примесных состояний, но не выше температуры, при которой происходит термическая ионизация основного состояния ппимек где Ео энергия ионизации контролируемой примеси;

Еф — энергия фотона, соответствующая наиболее коротковолновому пику в эталонном для данной примеси спектре диэлектрической проницаемости вещества;

k — постоянная Больцмана, причем о составе примесей судят по положению пиков в полученной зависимости, а о количестве примесей — по высоте этих пиков.

При энергиях фотонов hv = Еь — Ее, где

Ео — энергия основного состояния примеси, Š— энергия возбужденного состояния, примесные центры в исследуемом образце переходят в возбужденное состояние. Стационарная концентрация возбужденных примесных центров Й при этом определяется выражением

N В, Ы -.1/ где J

hy

Np — интенсивность излучения, — сечение поглощения фотона; — концентрация нейтральных примесных центров, т — время жизни возбужденного соЬ стояния.

Изменение диэлектрической проницаемости образца, связанное с возбуждением примесных центров

QE.g < 4!(К1 (Д -Д ) где dg, Gp — пояяризуемости соответственно возбужденного и основного состояний примеси. си), что может приводить к термическому уширению линий, ограничивая и разрешающую способность способа. Известный способ связан также с регистрацией фотопроводимости, для чего требуется изготовление высококачественных омических контактов к исследуемым образцам.

Кроме того, описанный способ неприменим к исследованию диэлектриков.

Цель изобретения — расширение класса исследуемых веществ, повышение разрешающей способности и упрощение подготовки исследуемых образцов, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, включающему охлаждение образца, облучение его монохроматическим светом с изменяющейся во времени энергией фотонов, меньшей энергии ионизации исследуемой примеси, и измерение зависимости электрического параметра образца от энергии фотонов, измеряют зависимость диэлектрической проницаемости исследуемого образца от энергии фотонов при температуре образца

57794

Поляризуемость примеси d -а, где а — эффективный радиус состояния. Так как радиус возбужденных состояний а превышает радиус основного состояния п1имеси а„, то при фотовозбуждении существенно увеличивается поляризуемость примеси Ы. /а, (а/g/а )>, a следовательно, и диэлектрическая проницаемость вещества.

Температуру образца Т в процессе измерений поддерживают такой, чтобы не происходила термическая ионизация фотовозбужденных состояний (1 Те Ep — Еф, где k — постоянная

Больцмана) .

Таким образом, фотоиндуцированное изменение диэлектрической проницаемости пает возможность регистрировать примеси в веществе.

При этом для регистрации возбужденных состояний примеси нет необходимости в термической ионизации этих состояний, что позволяет проводить измерения при сколь угодно низких температурах. Это исключает температурное уширение линий примесного поглощения, что, в свою очередь, повышает разрешающую способность способа при анализе примесногo состава вещества. Поскольку измерение диэлектрической проницаемости образца проводится бесконтактным способом, не требуется изготовления омических контактов, по упрощаеттехнопогию приготовления образцов к измерениям.

З0 Так как предлагаемый способ не связан с измерением проводимости, on применим для всех веществ, кроме металлов. И металлах не существуют возбужденные состояния примесей из-за экранировки электронами проводимости. з5 Примером практической реализации является определение содержания примеси бора в кремнии.

На чертеже показана блок-схема измерительной установки.

Исследуемый образец вырезают в виде параллелепипеда размером 3 х 3 х 0,3 мм и помещают в измерительный конденсатор, т.е. зажимают между двумя металлическими пластинами площадью 3 х 3 мм через слюдяные прокладки. Измерительный конденсатор с исследуемым образцом 1 помещают в гелиевый криостат 2 и охлаждают до температуры жидкого гелия (Т = 4.2К). Образец через германиевое окно 3 в криостате облучают монохрома50 тическим излучением, длина волны которого изменяется в диапазоне длин волн 28 — 35 мкм, в котором расположены ликии возбуждения примесных атомов бора в кремнии. 8 качестве источника 4 излучения используют инжек55 ционный полупроводниковый лазер на основе тройного соединения Pb„S> „$е,перестраиваемый в этом диапазоне длин волн. МощностЬ излучения лазера В -2 10 Вт.

857794

Т< p1

Ч к

Излучение лазера модулируют с помощью вращающегося диска 5 с отверстиями и фокусируют на поверхности образца с помощью линзы 6 из бромистого калия. Регистрируют фотоиндуцированное изменение диэ11ектрической проницаемости образца по изменению емкости измерительного конденсатора а,с c в зависимости от энергии фотонов монохроматического излучения. Измерение ьс/с проводилось методом расстройки резонансного контура, в который включен исследуемый образец. Папряжение с выхода схемы 7 измерения емкости, пропорциональное dc, C регистрируют селективным усилителем 8 и синхронным детектором 9.

Опорный сигнал для синхронного детектирования получают с помощью светодиода 10, излучение которого модулируется тем же диском

5, и приемника 11 опорного сигнала. Сигнал с сннхродетектора (пропорциональный dc C ) регистрируют на самописце 12. 20

Изменение диэлектрической проницаемости образца возникает лишь при энергиях фотонов, соответствую1цих возбуждению примесных ато. мов бора в кремнии. Так как каждая примесь имеет свой набор характерных линий возбуж- 25 дения, то тип примеси определяют по положению пиков в полученной зависимости изменения dcjc от энергии фотонов возбуждающего излучения. В частности для примеси бора в кремнии наблюдаются лики при энергиях фото- 30 нов (езВ): 34,5, 38,4; 39,6; 39,9; 41,5;

42,5; 42,8 и 43,3. Количество примеси определяют по высоте пиков в полученной зависимости. Для наиболее сильной линии примеси бора (hp — 39,6 п1эВ) в исследуемом образце Ьс/с - з

-7 ° 10 з.

Отсюда определяют концентрацию примеси

N, используя формулу

6Е

4 ьс11 7 ьф(З, Ы) и известные для данной примеси значения а . т, 61,. а -10 см з; т -10 7 с; х, -10 1 смг °

При этоМ для исследуемого образца кремния, легированного бором, получают концентрацию при- 4> месиМ -3 1014 см-3 Пр дельная увитежД ность описанного в данном примере способа регистрации Ьс/с — 10"8, что дает возможность а обнаружить примесь бора в концентрации 10—

109 см . 50

Использование предлагаемого способа определения количества и состава примесей в неме6 таллических средах обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: а) позволяет расширить набор остаточных примесей, которые могут быть обнаружены в полупроводниках, что, в частности, позволит улучшить качество полупроводниковых материалов; б) исключает возможность загрязнения образцов при изготовлении контактов; в) повышает чувствительность и упрощает контроль примесей в диэлектриках.

Формула изобретения

Способ определения состава и количества примесей в неметаллических средах, включающий охлаждение образца, облучение его монохроматическим светом с изменяющейся во времени энергией фотонов, меньшей энергии ионизации исследуембй примеси и измерение зависимости электрического параметра образца от энергии фотонов, отличающийся тем, что, с целью расширения класса исследуемых веществ, повышения разрешающей спо. собности и упрощения подготовки исследуемых образцов, измеряют зависимость диэлектрической проницаемости исследуемого образца от энергии фотонов .при температуре образца где Ео — энергия ионизации контролируемой примеси;

Š— энергия фотона, соответствующая наиболее коротковолновому пику в эталонном для данной примеси спектре диэлектрической проницаемости вещества;

k — постоянная Больцмана, причем о составе примесей судят по положению пиков в полученной зависимости, а о количестве примесей — по высоте этих пиков.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Ковтонюк Н. Ф. и Концевой Ю. А. Измерение параметров полупроводниковых приборов. М., * Металлургия", 1970, с. 148.

2. Авторское свидетельство, СССР 11-" 254869, кл. G 01 М 25/58, 1969 (прототип).

857794

Составитель В. Каминский

Редактор Н. Рогулич Техред )g Кастелевнч . Корректор JI Иван

Заказ 7229/69 Тираж 907 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открмтнй

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4