Способ определения температуры образцов полупроводниковых материалов

 

(1 9 ) Q l (1 ) (Я) ЯЯ

СОЮЗ CObETCR3KX социллистичкских РкСпжпп госудАРствкннок пАткнтнок

ВКДОМСТЗО СССР (ГОСПАТКНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

К ПАТЕНТУ

1 (21) 3234182/25 (22) 06.0181 (46) 15.1293 Бюл. Ne 45-.46 (71) Научно-исследовательский институт мехаеаа и физики при Саратовском государствееюм университете имНГЧернышевского (72) Биленко ДИ„Лясковский И.И (73) НИИ механеи и физики при Саратовском Государственюм унеерситете юаНГЧернышевского (И) СПОСОБ ОПРЕДЕПЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

ОБРАЗЦОВ ПОПУПРОВОДЯИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ (57) 951938

15 шедшего излучения по изменению интерфе-,20

Изобретение относится к измеритель ной технике, конкретно к способам определения температуры твердых веществ и может быть использовано для изучения процессов в полупроводниковых материалах, Известен способ определения температуры образцов, заключающийся в сравнении двух нагретых образцов, один иэ которых является контрольным, Недостатком способа является невозможность определения температуры внутри образцов.

"Наиболее близким к предлагаемому является способ определения температуры образцов полупроводниковых материалов, заключающийся в облучении образца монохромическим излучением и регистрации временного изменения интенсивности проренционной картины на выходе иэ образцов.

В этом способе монохроматическое излучение направляют на испытуемый образец, находящийся при известной начальной температуре, нагревают образец и регистрируют временное изменение интенсивности прошедшего излучения, вызванное изменением оптического пути луча в образце, по интерференционной картине на выходе.

Недостатком этого способа является невысокая точность, так как с его помощью нельзя определить распределение температуры внутри образца при его однородном разогреве, Целью изобретения является повышение точности определения температуры образцов полупроводниковых материалов.

Это достигается тем, что в способе определения температуры образцов полупровод11иковых материалов, эакл)очающемся в облучении образца монохроматическим излучением и регистрации временного изменения интенсивности прошедшего излучения пп измененин) интерференционной картины на выходе из образца, образец облучают не менее чем с двух сторон и выделяют увеличенные иэображения выходных граней образца с локализованными на этих гранях интерференционными полосами равной оптической толщины.

При прохождении монохроматического излучения, например, от лазера через прозрачный образец на его выходной грани и за ней образуется интерференционная картина полос равной оптической толщины. При неравномерном разогреве образца в нем будет ч .равномерно, в соответс1вии с распределением tpìã)pðëòóðû. измен(тться егп

55 оптическая толщина о направлению просвечивания. Это приводит к изменению первоначальной картины интерференционных полос, образованных на выходной грани образца. Это найдет свое выражение в том, что через каждую точку изображения выходной грани "пройдет" определенное количество полос, т,е. чередующихся максимумов и минимумов излучениФ. Это колич1?ство прошедших полос соответствует интегральному по линии просвечивания изменению набега фаз, вызванному нагревом образца. По зарегистрированному изменению по время интенсивности излучения в точке изображения выходной грани образца можно определить разогрев образца, Температуру образца находят из соотношения т (т) = с, (1)

2 — 2tT + т1 — 2 (1 — тт) cos д (т) где t(t) — энергетическое пропускание прозрачной пластины;

4п пропускание каждой (и+ 1)2 грани; д = 4лп l/k — разность фаз между интерферирующими лучами;

n — показатель преломления; ! — толщина пластины в направлении распространения излучения; г время, Отс)ода видно, что при временном изменении фазы д (t), вызванном нагревом образца, его пропускание вдоль линии просвечивания будет меняться в соответствии с законом, выраженным формулой (1), Следовательно, зная временное изменение пропускания t (т), можно определить происшедший набег фаз вдоль линии просвечивания ci(t). С другой стороны это изменение фазы д(т) можно связать с температурой, Из определений температурных коэффициентов толщины и показателя преломления /31 иД следует т(т д (t) =0o exp j f )), (Т) +Т1 (Т) d T), (2) тр где др =4тгпр lo k — разность между интерферирующими лучами в начальный Мрмент времени;

Тр НаЧаЛ1>Ная ТЕ111)e ()Л 1 чЧ "1

351938

Т(r } — температура в момент измерения г.

В интервале температур 300-500 К Мзффициент Pr =Pn +ф слабозависитоттемпературы и его можно представить либо средним значением Р Д в пятидесятиградусных интервалах температур с точностью

5, либо линейной зависимостью

P6 = (Т + b) a во всем указанном интервале со значительно меньшей погрешностью. В этих случаях, поскольку фд (1 То) << 1, можно получить выраже- )5 ния для температуры Т То соответственно

1 д r — д, Т = То + д, (3),20

T(xyz, т)=То+

40 (5) по

Т(хуz, г) = (Т, + Ь)2+

Ь, (6),. и„ об

Из этих формул видно, что можно динамически измерить распределение температуры в образце, зная его начальную температуру и пространственно-временное эффективное изменение показателя преломления An,ф (х, у, z, х), вызванное неоднородным нагревом. Начальную тем= пературу измеряют, а Л и ф (х, у, z, т) определяют, просвечивая образец одновременно с нескольких направлений и измеряя т = (т. + ья + — 2 — Я: — - — ь . (41

В последней формуле Ь =Ро/а где,до =фд (To) . .Поскольку и и! в фазовом набеге равноправны, а рефракцией на температурных неоднородностях мы пренебрегаем, так как расстояние от неоднородностей до плоско- 30 сти выходной грани образца мало (100 мкм), то можно приписать все температурл ное изменение фазы показателю преломления и считать I Ф I (Ò) а зф np PD AT

Следовательно, на созданных изображениях выходных для излучения граней образца в нескольких точках иэображения изменения фазового набега по временному изменению интенсивности, а также координаты просвечивающих лучей относительно образца, Зная изменения фазового набега по линиям просвечивания и зная координаты прямых (а в.общем случае — и кривых), по которым этот набег образован, можно вычислить

Ь п,ф (х, у, г, г), которое этот фазовый набег по данным прямым вызывало. Чем балыке направлений просв чивания и точек измерения и чем более равномерно они распределены в пространстве относительно исследуемого образца, тем более полную и точную информацию о A пэф л1ожно получить. В действительности число направлений будет ограничено условиями образования интерференции в образце экспериментальными возможностями.

Таким образом, в каждый момент времени т измеряют набежавшее по прямой просвечивания изменение фазы, имеющее вид интеграла по прямой д (Р, r) = -у- ) A п,ф (х, у, z, т) d I, (7)

4л

Lj где д; — набег фазы по Pi направлению;

LI — траектория I-го луча в просвеченном теле, которую мы, пренебрегая рефракцией на исследуемых неоднородностях, считаем прямой;

Pl — параметр i-ой прямой просвечивания, Подынтегральную функцию

A п,ф (х, у, z, т) определяют известными методами решения уравнений в линейном приближении, а по ней с использованием формулы 5 и формулы б — определяют распределение Т (х, у, z, t), Поскольку полупроводниковые образцы малы по размерам и имеют значительный показатель преломления, то на расстояниях от образца порядка сантиметров или миллиметров дифракция на края образца "подавляет" полезную интерференционную картину. Таким образом, измерения необходимо проводить непосредственно на увеличенном изображении выходной грани образца, 8 качестве системы, создающей такое изображение, может быть применена чисто оптическая, например микроскоп, или комбинированная оптико-электронная, например телевизионная. В первом случае измерения проводят с помощью нескольких

951938 ния на образцы. Созданное распределение температур с максимальным значением до

90-100 С измеряют с точностью 1.7 С.

Таким образом. описанный способ позволяет измерить динамическое изменение пространственного распределения температуры внутри прозрачных для излучения материалов, чего до сих пор не обеспечивал

О ни один из способов.

Более того, поскольку преДлагаемый способ является оптическим, а следовательно,. неразрушающим, неконтактным, то он

15 не влияет на температурный баланс прибора, подвергаемого измерения, а на процесс измерения нв оказывают влияния различные электрические и магнитные поля.

20 (56) Гордов А.Н. Основы пирометрии.

M.: Металлургия, 1964. с. 285.

Патент Франции М.1596927, кл. G 01

J 5/60, 1968, прототип.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБРАЗЦОВ ПОЛУПРОВОДНИКО-(ВЫХ МАТЕРИАЛОВ, заключающййся в об- 30 лучении образца,монохроматическим излучением и регистрации временного изменения интенсивности прошедшего излучения по изменению интерференцион, !

Составитель Д.Биленко

Редактор О.Кузнецова Техред М,Моргентал Корректор С.Лисина

Заказ 3349

Ф, Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, уп.Гаi ар. i: . 101 фотодиодов, размещенных в плоскости изо бражения, во втором — фотодиоды размещены по экрану телевизора. В первом случае оказывается возможным измерять распределение температур даже в импульсном режиме.

Пример. Производят исследования температуры в полупроводниковых образцах СаР размером 2Х О, 5 X О, 03 см на длине волны 0,63 мкм при разогреве образца специально созданным токовым шнуром от комнатной температуры до 100 С. Изображения увеличивают с помощью телевизионной системы МТУ-1 в 50 раз и подают на экран телевизора, с которого пятью перемещаемыми фотодиодами через пятикратные усилитель и самописец записывают временные изменения интенсивности в точках выходных изображений образца. Г<о записанному изменению определяют распределение температур в образцах через 0,2; 0,5; 1 и 10 с после лодачи напряженой картины на выходе из образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения температуры, образец облучают не менее чем с двух сторон и выделяют увеличенные изображения выходных граней образца с локализованными на этих гранях интерференционными полосами равной оптической толщины,