2
ВВЕДЕНИЕ..................................................................4
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯПИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ......................15
1.1. Волноводные методы измерения электрофизических параметров полупроводников .....................................................................15
1.2. Мостовые методы измерения параметров полупроводников..............27
1.3. Резонаторные методы измерения параметров полупроводников..........31
1.4. Измерение параметров материалов методом волноводно-диэлектрического РЕЗОНАНСА............................................................40
1.5. АВТОДИИНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР......43
1.6. Измерения параметров материалов с использованием синхронизированных ГЕНЕРАТОРОВ..........................................................44
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОИСТЫХ СТРУКТУР МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК, ДИЭЛЕКТРИК-МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК ПО СПЕКТРАМ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОХОЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ..................................47
2.1. Теоретическое обоснование волноводного метода измерения характеристик слоистых структур по спектрам отражения и прохождения электромагнитного излучения............................................................47
2.2. Измерение толщины манометровых металлических пленок и электропроводности полупроводника в слоистых структурах по спектрам отражения и прохождения ЭЛЕКГРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ..........................................49
2.2.1. Измерение толщины нанометрового металлического слоя, нанесённого на полупроводниковую подложку........................................49
2.2.2. Измерение толщины нанометровых металлических пленок и электропроводности полупроводника в слоистых структурах..............................52
3. РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕДУРЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ В МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ ПО СПЕКТРАМ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОХОЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ..............................................57
3.1. Компьютерное моделирование спектров отражения и прохождения
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СТРУКТУРАХ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК..........58
2
3
3.2. Компьютерное моделирование процедуры измерений толщины наномбтровых
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКА В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ ПО СПЕКТРАМ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОХОЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ........60
3.2.1. Компьютерное моделирование спектров отражения и прохождения электромагнитного излучения в структурах диэлектрик-металл-полупроводник и диэлектрик-полупроводник-металл......................................60
3.2.2. Компьютерное моделирование процедуры измерений диэлектрической проницаемости и электропроводности полупроводниковых пластин с использованием спектров отражения электромагнитного излучения.......................63
3.2.3. Компьютерное моделирование процедуры измерений толщины манометровых металлических пленок и электропроводности полупроводниковых подложек с использованием спектров отражения электромагнитного излучения........67
3.2.4. Особенности отражения электромагнитного излучения от многослойной структуры с манометровым металлическим слоем, нанесённым на подложку.70
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ТОЛЩИНЫ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ НАНОМЕТРОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛОЕВ В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ ПО СПЕКТРАМ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОХОЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.....................................81
4.1. Экспериментальное определение диэлектрической проницаемости и электропроводности полупроводниковых пластин с использованием спектров отражения электромагнитного ИЗЛУЧЕНИЯ...................................81
4.2. Экспериментальное определение толщины манометрового металлического слоя, нанесённого на полупроводниковую подложку, по спектрам прохождения электромагнитного излучения.............................................84
4.3. Экспериментальное определение толщины манометровых металлических пленок и электропроводности полупроводника в слоистых структурах.................85
4.4. Определение электропроводности нанометрового металлического слоя по спектру отражения электромагнитной волны........................................88
4.5. Использование методов радиоволновой интерферометрии для контроля параметров движения тела человека..................................................93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................98
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................100
3
4
ВВЕДЕНИЕ
Эффективность производства существующих и успешное создание новых приборов твердотельной микро- и наноэлектроники во многом зависит от уровня развития технологии изготовления слоев различных материалов толщиной от нескольких нанометров до десятков микрометров. Достижение высокой степени совершенства слоистых структур и, в частности, структур на основе нанометровых металлических пленок, которое и определяет возможность их успешного применения в микро-, нано-, акусто-, СВЧ- и оптоэлектронике, невозможно без использования высокоточных методов измерений электрофизических параметров диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур, металлических пленок.
При измерениях чаще всего применяются контактные методы, т. е. параметры полупроводниковых и диэлектрических материалов и металлических пленок измеряют на постоянном или низкочастотном токе [1-
3]. Измерения такими методами производятся при наличии контакта зонда с образцом. Зачастую это приводит к разрушению исследуемого материала. При использовании таких методов могут возникать характерные для них нежелательные явления, например, связанная с контактом инжекция носителей заряда в материал, возникновение контактной разности потенциалов, термоЭДС, которые приводят к трудноустранимым погрешностям при измерениях, причем влияние этих эффектов может изменяться в зависимости от температуры, что создает трудности при проведении измерений в широком интервале температур. С помощью зондовых методов затруднительно также исследовать образцы малой площади с произвольной геометрией.
Достоинством бесконтактных методов, к которым, помимо прочих, относятся СВЧ-методы, является возможность проводить измерения, не разрушая материал и не изменяя его свойства [4-29].
4
5
Преимуществом СВЧ-измерений является возможность проводить с помощью одной измерительной установки и на одном образце определение нескольких параметров, измерение которых контактными методами требует создания различных установок и использования нескольких однотипных образцов. При отсутствии контакта появляется возможность вынесения измерительных приборов за пределы области температурного воздействия на полупроводник и, как следствие, измерения свойств полупроводников в широком интервале температур. При использовании СВЧ для измерений становится возможным изучение зависимости тех или иных параметров от частоты. Бесконтактность методов открывает новые возможности для изучения анизотропных эффектов. Из-за возможности приложения сильных электрических полей без использования контактов СВЧ-методы могут быть применены для изучения кинетики разогрева носителей в электрическом поле, так как бесконтактность исключает инжекцию. С помощью данных методов возможно проводить экспрессные измерения, измерение и отбраковку полупроводниковых заготовок для приборов, контроль параметров при термообработке. Измерения с помощью СВЧ очень важны для определения параметров пленочных структур, вследствие того, что СВЧ-методы исследования пленок позволяют проводить разносторонние измерения без разрушения пленки, что открывает возможность использовать прошедшие измерения образцы для производства приборов.
Следует отметить, что СВЧ-методы являются оптимальными при использовании исследуемых материалов и структур в приборах полупроводниковой СВЧ-электроники, поскольку исследования, например, с помощью зондовых методов могут давать недостаточно информации для конструирования именно СВЧ-устройств с заданными характеристиками. Преимущества полупроводниковых СВЧ-приборов по сравнению с их вакуумными аналогами придают актуальность разработке новых методов определения параметров полупроводников.
5
6
СВЧ-методы измерения различаются по физическим эффектам, на которых они основаны, по типу используемой схемы измерений и по характеру взаимного расположения образца и электродинамической системы. В основе деления СВЧ-методов по заложенным в их основу физическим принципам лежат: эффект поглощения электромагнитной энергии
свободными носителями заряда, инерционность носителей в СВЧ-поле, поворот плоскости поляризации волны при искривлении траектории движения носителей заряда, резонансы. По типу используемой схемы СВЧ-методы делят на волноводные, мостовые, резонаторные. Рассматривая взаимное расположение исследуемого образца и электродинамической системы СВЧ-методы делят на методы измерения “проходными” системами, когда образец помещается внутри системы и методы измерения “накладными” системами, когда образец прикладывается к открытому концу СВЧ-тракта, к отверстию в резонаторе или является частью их стенок.
Наиболее распространенными методами являются волноводные и резонаторные. При использовании волноводных методов рассматривается взаимодействие СВЧ-волны, распространяющейся в волноводе, с помещенным в него образцом, и измеряются интенсивность прошедшей и отраженной волн. При измерениях резонансными методами схема настраивается в резонанс изменением размеров электродинамической системы или частоты генератора. Эти методы основаны на поглощении электромагнитной энергии свободными носителями заряда и изменении эквивалентных размеров резонатора при помещении в него полупроводника. По результатам определения изменения характеристик резонатора могут быть определены диэлектрическая проницаемость и электропроводность материала, изменение электропроводности, вызванное наложением магнитного поля, освсщениехМ образца и т. д. Если зависимость между изменением электропроводности и поглощением в образце является линейной, то можно найти величину времени установления неравновесных процессов в полупроводниках, таких как объемное время жизни неосновных
6
7
носителей заряда и скорость поверхностной рекомбинации. Введение исследуемого образца в измерительную резонаторную систему приводит к смещению резонансной частоты и изменению добротности резонатора, по изменению которых рассчитываются параметры образца.
При отработке технологии создания слоистых структур на основе нанометровых металлических пленок, используемых в микро-, акусто- и оптоэлектронике, важно точно измерить толщину слоя металла и его электропроводность по завершении технологического цикла. Такие измерения желательно производить, не разрушая структуру, например, с использованием микроволнового излучения [4-6, 9].
Для определения толщины и электропроводности нанометровых металлических пленок в слоистых структурах можно использовать результаты измерений спектров отражения и прохождения взаимодействующего с ними микроволнового излучения при условии, что известно их теоретическое описание [30,31]. Нахождение электрофизических параметров слоистых структур по спектрам отражения и прохождения электромагнитной волны связано с необходимостью решать обратную задачу.
В настоящей работе исследовались особенности взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастного диапазона со слоистыми структурами на основе тонких нанометровых металлических пленок, диэлектрических и полупроводниковых материалов в волноведущей системе, устанавливалась возможность расширения диапазона и повышения достоверности измерений параметров слоистых структур на основе тонких нанометровых металлических пленок, диэлектрических и полупроводниковых материалов по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с ними излучения сверхвысокочастного диапазона и повышения чувствительности СВЧ-методов измерения. При этом высокая точность измерений достигалась лишь при условии, что известно теоретическое описание спектров отражения и прохождения, хорошо
7
согласующееся с экспериментом, и эти спектры характеризуются высокой чувствительностью к изменению величин искомых параметров измеряемых структур.
С учетом вышесказанного была сформулирована цель диссертационной работы:
исследование особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастного диапазона со слоистыми структурами на основе тонких нанометровых металлических пленок, диэлектрических и полупроводниковых материалов в волноведущей системе для экспериментального и теоретического обоснования возможности измерений параметров исследуемых слоистых структур в широком диапазоне их изменения.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Разработка модели, которая позволяет описать взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с многослойными структурами на основе тонких металлических пленок, диэлектрических и полупроводниковых слоев в волноведущей системе;
2. Разработка метода решения обратной задачи: определения параметров металлических и полупроводниковых слоев в многослойных структурах по спектрам отражения и прохождения, взаимодействующего с ними электромагнитного излучения;
3. Экспериментальная реализация методов измерения электропроводности, толщины и диэлектрической проницаемости слоев в структурах металл-полупроводник-диэлектрик в широком диапазоне их изменения по спектрам отражения и прохождения, взаимодействующего с ними электромагнитного излучения.
Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы,
состоит в следующем:
1. Разработано теоретическое обоснование возможности измерения параметров слоистых структур металл-полупроводник-диэлектрик в
широком диапазоне изменения их параметров по спектрам отражения и прохождения, взаимодействующего с ними сверхвысокочастотного излучения;
2. Установлено изменение типа резонанса при отражении электромагнитного излучения, взаимодействующего со слоистой структурой, содержащей металлическую пленку, с ростом толщины пленки, от полуволнового, при котором на длине структуры укладывается целое число полуволн, к четвертьволновому резонансу, при котором на длине структуры укладывается нечетное число четвертей длин волн;
3. Экспериментально реализованы методы измерения толщины, электропроводности и диэлектрической проницаемости слоев в слоистых структурах металл-полупроводник-диэлектрик но спектрам отражения и прохождения, взаимодействующего с ними электромагнитного излучения.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается качественным и количественным соответствием выводов теории основным результатам, полученным экспериментально, строгостью используемых математических моделей, корректностью упрощающих допущений, сходимостью
вычислительных процессов к искомым решениям, выполнимостью
предельных переходов к известным решениям. Достоверность
экспериментальных результатов обеспечена применением стандартной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с использованием стандартных методов.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
1. Реализован метод компьютерного моделирования спектров отражения и прохождения в СВЧ-диапазоне слоистых структур, содержащих тонкие металлические пленки;
9
- Київ+380960830922