Оборудование для ориентации полупроводниковых пластин (стр. 3 из 5)

Рентгеновский метод. В технологии производства полупроводниковых приборов рентгеновские методы применяются в первую очередь для ориентировки монокристаллов — германия, кремния, арсенида галлия, сапфира и др., а также для анализа дефектов указанных материалов и полупроводниковых структур. В меньшей степени используется фазовый анализ металлов и сплавов, флуоресцентная спектрометрия, просвечивание материалов и полупроводниковых структур или приборов, а также методы рентгеновского микроанализа. Характеристика основных рентгеновских методов приведена в табл. 2

Принцип метода основан на отражении монохроматических рентгеновских лучей от системы кристаллографических плоскостей {h, k, l}, в результате рассеяния электромагнитных волн атомами кристаллической решетки. Отражение происходит при углах θ, удовлетворяющих условию Вульфа-Брегга

2dh,k,lsinθ = nλ ,

где dh,k,l – межплоскостное расстояние; λ – длина волны, n – порядок отражения.

Зная dh,k,lрассчитывают значение угла θ для соответствующей системы плоскостей. При этом учитывают, что вследствие особенностей структуры типа алмаза для некоторых плоскостей отражение низких порядков (n = 1, 2 и т.д.) могут гаситься. Значение углов θ для ряда материалов, наиболее широко применяющихся при разработках и производстве приборов, приведены в таблице 3 (обычно используют излучение меди – линия CuKα, где λ = 1,539 ангстрем).

Для ориентации рентгеновским способом используют установки УРС-50И, УРС-60, УРС-70К1. Универсальная установка УРС-50И с приставкой ЖК 78.04 предназначена для определения ориентации в кристаллографической плоскости (111).Максимальный угол отклонения кристаллографической плоскости (111)от торца слитка Si, который можно определить на данной установке, составляет 14°, а для слитков Ge — 13°. Точность ориентации на данной установке ± 15´, время ориентации 10—15 мин.

На рис. 7 представлена схема рентгеновского метода ориентации. При ориентации слитка кремния для нахождения, например, кристаллографической плоскости (111) рентгеновскую трубку располагают под углом 17˚56΄ к плоскости торца слитка. Если торец слитка совпадает с заданной кристаллографической плоскостью (111), то счетчик Гейгера, расположенный под углом 2θ к падающему рентгеновскому пучку в плоскости падения, зафиксирует максимум отраженных лучей. Если торец слитка не совпадает с кристаллографической плоскостью, то для получения максимальной интенсивности отраженных лучей слиток поворачивают вокруг вертикальной оси по отношению к плоскости рисунка на определенный угол α, одновременно вращая его относительно оси, нормальной к плоскости торца. Угол отклонения α плоскости торца слитка от кристаллографической плоскости (111) определяют по шкале гониометра установки и записывают в паспорт слитка. На торце слитка проводят стрелку, направление которой указывает, в какую сторону от торца слитка отклонена кристаллографическая плоскость (111).

Общий вид рентгеновской установки для ориентирования монокристаллов с приставкой показан на рис. 8 (см. приложение 1). Аппарат состоит из стола 2, гониометрического устройства 5 (ГУР-3, а для модификации УРС-50ИМ – ГУР-4), рентгеновской трубки – источника рентгеновских лучей 7, счетчика квантов 4, распределительного блока 1, блока усиления импульсов 3, защитного экрана 6. Установка подключается к сети через входной стабилизатор типа СН-1. Анод рентгеновской трубки защищен массивным металлическим кожухом и охлаждается водой. Все части установки, кроме измерительного шкафа 1, который выполнен отдельно, расположены на столе 2. Внутри стола размещены пускорегулирующая аппаратура и высоковольтное генераторное устройство, питающее рентгеновскую трубку. Измерительный шкаф включает стабилизатор напряжения СН-1, блок РЕ-1 (интегрирующую схему), схему питания счетчика квантов и самопишущий потенциометр ЭПП-09. Для обеспечения высокой стабильности излучения рентгеновской трубки в аппарате, кроме стабилизатора напряжения, предусмотрен стабилизатор анодного тока. Регулировка напряжения на трубке ступенчатая (см. рис. 9. на приложении 2).

Блок схема рентгеновского аппарата УРС-50И приведена на рис. 9 (см. приложение 2).

Установка соединена с сетью через входной стабилизатор напряжения СН-1 высокой точности. Генераторное устройство предназначено для питания рентгеновской трубки высоковольтным напряжением. Блок ПС-64М-1 преобразует импульсы для нормальной работы электромеханического счетчика.

При работе аппарата рентгеновские лучи, выходящие из окна рентгеновской трубки, попадают на исследуемый образец, находящийся вместе со счетчиком рентгеновских квантов МСТР-4 (РМ-4) на гониометрическом устройстве ГУР-3. Лучи, отраженные под некоторым углом от образца, попадают на счетчик рентгеновских квантов, представляющий собой газовый конденсатор в стеклянной оболочке с тонким слюдяным оконцем в торце, наполненный смесью аргона и метилаля.

Счетчик представляет собой цилиндрический газовый конденсатор, состоящий из металлической тонкостенной трубки, вдоль оси которой протянута металлическая нить. Между центральной нитью и обкладкой счетчика прикладывается напряжение 1300-1500 В от высоковольтного выпрямителя (ВВ) блока РЕ-1, и достаточно появления в счетчике в результате ионизационного действия рентгеновских лучей одной пары ионов (электрона и положительного иона), чтобы счетчик сработал, т.е. чтобы через него прошел единичный импульс тока длительностью 200мс. Количество импульсов тока, возникающих в счетчике в единицу времени, пропорционально интенсивности отраженного рентгеновского пучка.

Монокристаллические слитки кремния и германия ориентируются с помощью специальной приставки (см. рис. 10 на приложении), состоящей из блока вращения и электрического блока управления. Блок вращения устанавливается на гониометре. С его помощью слиток прижимается к базовой поверхности и вращается в ручную или от электродвигателя относительно горизонтальной оси. Гониометрическое устройство позволяет вращать счетчик или образец независимо друг от друга или вместе. Вращение можно осуществлять с разной скоростью. Гониометрическое устройство дает возможность производить точный отсчет углов относительно первичного пучка лучей, производящих ионизацию в счетчике квантов.

Возбуждаемые в счетчике квантов импульсы тока, проходя через резисторы, преобразуются в импульсы напряжения, которые затем усиливаются в блоке РЖ (усилителя импульсов) и передаются по кабелю на вход мультивибратора блока ПС-64М-1. В первом каскаде этого блока различные по длительности, форме и амплитуде импульсы формируются в очень короткие (порядка 50 мс) прямоугольные импульсы напряжения одинаковой амплитуды. После этого каждый импульс идет по двум путям: к пересчетному устройству и к измерителю скорости счета.

Пересчетное устройство состоит их шести каскадов, каждый из которых пропускает один импульс из двух, поступающих на его вход. Импульс от соответствующего пересчетного каскада, подключенного к застопоренному выходному мультивибратору, запускает данный мультивибратор, назначением которого является формирование импульсов напряжения длительностью порядка 5 мс. На выходе пересчетного устройства, изменяя количество подключенных каскадов мультивибраторов, можно получить один импульс от 2, 4, 8, 16, 32 или 64 импульсов, подающихся на вход. Эти импульсы запускают усилитель тока, на выходе которого получаются импульсы тока 30 мА длительностью 5 мс, воздействующие на электромеханический счетчик. Уменьшение количества импульсов в пересчетном устройстве необходимо вследствие того, что счетчик квантов может считать примерно до 5000 квантов в секунду, а электромеханический счетчик до 100 импульсов в секунду.

Измеритель скорости счета блока РЕ-1 представляет собой радиотехническое устройство, состоящее из нормализатора, ограничителя импульсов, интегрирующей схемы и лампового вольтметра. Нормализатор подвергает приходящие к нему от блока ПС-64М-1 импульсы строгой нормализации по длительности и амплитуде и передает их на интегрирующую схему, представляющую собой реостатно-емкостный контур.

Среднее значение разности потенциалов на конденсаторе контура служит мерой частоты поступления импульсов. Эта разность потенциалов измеряется ламповым вольтметром, шкала которого отградуирована в импульсах в секунду.

Кроме лампового вольтметра к выходу измерителя скорости счета подключен электронный самопишущий потенциометр ЭПП-09. Отклонение записывающей системы самопишущего прибора также пропорционально среднему количеству импульсов. Таким образом, интенсивность рентгеновских лучей, воздействующих на счетчик квантов, может измеряться следующими приборами: электрическим счетчиком; ламповым вольтметром и самопишущим прибором.

Принцип определения отклонения положения кристаллографической плоскости (111) от торца слитка на рентгеновской установке состоит в нахождении угла положения торца слитка по отношению к исходному, при котором фиксируется максимальная интенсивность рентгеновских лучей, отраженных от торца слитка (пластины) и воздействующих на счетчик квантов. Такое положение слитка находят, вращая его в вертикальной и горизонтальной плоскостях и наблюдаяза максимальным отклонением стрелки прибора электромеханического счетчика. Найденное положение слитка, соответствующее максимальной интенсивностиотраженных рентгеновских лучей, отсчитывают на проекторегониометрического устройства ГУР-3и фиксируют на торце слитка прочерчиванием рисок с пометкой стороны слитка, от которой следует отсчитывать определенные отклонения в градусах кристаллографической плоскости (111) от торца слитка.