МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 3, с. 234-240
= МЕТРОЛОГИЯ
УДК 621.315.592
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КОМПЛЕКСНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ СТРУКТУР И ПЛАСТИН В ДИАПАЗОНЕ ОТ 15 ДО 475 K НА БАЗЕ КРИОГЕННОЙ ЗОНДОВОЙ СТАНЦИИ © 2015 г. В. И. Зубков, О. В. Кучерова, И. Н. Яковлев, А. В. Соломонов
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ"
E-mail: vizubkov@mail.eltech.ru Поступила в редакцию 14.02.2013 г.
Разработана автоматизированная система для комплексных электрофизических и оптических исследований полупроводниковых наногетероструктур, работающая в широком температурном интервале от 15 до 475 K. Установка позволяет измерять температурные и частотные спектры адмит-танса и спектры электролюминесценции светодиодных и лазерных чипов, сформированных на подложках диаметром до 50.2 мм, а также распределение параметров по пластине. В состав установки входит гелиевая криогенная станция замкнутого цикла, LCR-метр и контроллер температуры. Представлены результаты характеризации наногетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN, применяющихся для создания высокоэффективных белых и синих светодиодов.
DOI: 10.7868/S0544126915030096
ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование измерительной аппаратуры и расширение ее функциональных возможностей принципиально для обеспечения научно-технического прогресса и диктуется современными потребностями как исследовательской лаборатории, так и высокотехнологичного производства. Особенно это актуально в бурно развивающейся области нанотехнологии, к которой относится физика и технология полупроводниковых светоизлу-чающих наногетероструктур. Актуальными экспериментальными задачами в данной области, с которыми мы столкнулись, являются разносторонний контроль электрофизических и оптических параметров структур и отдельных светодиодных чипов, с расширением измерений на всю изготавливаемую пластину в широком диапазоне температур.
Созданная нами для решения этих задач автоматизированная система диагностики является развитием предыдущей версии диагностического комплекса [1] и дает возможность проводить измерения не только отдельных чипов, но и пластин диаметром до двух дюймов. Система обеспечивает неразрушающий контроль распределения параметров приборов по пластине на различных стадиях производства и позволяет проводить отбраковку гетероструктур на ранних стадиях технологического процесса. Важной особенностью комплекса является наличие кварцевого окна, которое позволяет в едином процессе измерений интегрировать электрофизическую и оптическую характеризацию.
РАЗРАБОТАННЫЙ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС
Для изучения свойств полупроводниковых структур и приборов принципиальной является возможность проведения измерений в широком диапазоне температур, что традиционно осуществлялось в лабораториях при использовании азотных либо гелиевых криостатов преимущественно проточного типа [2—5], или в последнее время на основе замкнутого цикла Гиффорда— Мак-Магона ([1, 6—9] и др). Одновременно в связи с тенденцией миниатюризации, сопровождающейся увеличением количества приборов, создаваемых в рамках одного технологического цикла, неизбежно становится важной задача анализа распределения параметров приборов (чипов) по полупроводниковой пластине ("маппинг" пластины) [10]. Поэтому актуальным является объединение возможностей низкотемпературного криостата с зондовой станцией, что логически приводит к понятию криогенной зондовой станции. Очевидно, управление измерительными приборами должно быть автоматизировано с помощью компьютера.
При построении автоматизированной системы диагностики электрофизических параметров светоизлучающих диодов и пластин мы руководствовались следующими критериями оптимального выбора приборов, составляющих аппаратно-программный комплекс: (1) размер измеряемого образца — не менее 2 дюймов; (2) наличие зондов, позволяющих дистанционно без разваку-умирования системы осуществлять смену изме-
Характеристики автоматизированного комплекса на базе криогенной станции
Параметр Значение
Диапазон температур от 15 до 475 К
Точность криостатирования 0.1 К
Время захолаживания до 15 К около 6 ч
Количество датчиков температуры 5
Количество нагревателей 3
Максимальный диаметр образца 50.2 мм (2'')
Точность позиционирования зондов до 5 мкм
Кратность увеличения микроскопа х216
Диапазон частот от 20 Гц до 2 МГц
Диапазон смещений ±40 В
Реализованные методы C—V, G—V, C-T, G-T, C-f G-f, I-V
ряемых образцов или чипов на пластине в режиме стабилизированной температуры; (3) возможность измерений в диапазоне температур от гелиевых до значительно превышающих комнатную; (4) возможность проведения оптических измерений; (5) наличие микроскопа с видеокамерой.
В состав созданного нами многофункционального комплекса входит система криостатирова-ния образцов, состоящая из криогенной зондо-вой станции замкнутого гелиевого цикла Janis CCR-10-2-(2CXKEL-4PORTS), контроллера температуры LakeShore 336 и турбомолекулярного вакуумного поста Pfeiffer TSH 071 E. В качестве измерителя электрических параметров полупроводников взят прецизионный LCR-метр Agilent E4980A с базовой погрешностью измерений 0.05%, который обеспечивает измерение различных параметров: емкость, индуктивность, сопротивление, проводимость, импеданс, адмиттанс, тангенс угла потерь, добротность, фазовый угол — и позволяет реализовать целый набор методов измерения, которые будут рассмотрены в следующем разделе.
Созданный комплекс отвечает современным требованиям диагностики светоизлучающих структур по всем перечисленным критериям. Основные параметры приведены в таблице. Основой комплекса является криогенная зондовая станция Ja-nis, выбранная среди станций, близких по характеристикам: LakeShore CRX-4K, PSF-10-1-4 фирмы Advanced Research Systems — и обеспечивающих в стандартной конфигурации диапазон температур от 10...15 до 300...400 K. Отметим Cascade Microtech PLC50 с возможностью оптических измерений, но с заливным гелиевым криостатом, и оригинальную разработку авторов [11] с возможностью измерения пластин диаметром до 100 мм. Особенностью используемой нами станции является расширение рабочего диапазона в область высоких (до 475 K) температур, что имеет особую важность при из-
мерениях современных широкозонных светоиз-лучающих структур на основе 111-нитридов.
Для изменения и стабилизации температуры образца в диапазоне 15...475 К в зондовой станции (рис. 1) использован гелиевый двухступенчатый криорефрижератор DE-204N, работающий на основе замкнутого газового цикла Гиффорда— Мак-Магона, и гелиевый компрессор с водяным охлаждением. Внутри криогенной зондовой станции находится инфракрасный экран, в котором размещен столик из позолоченной бескислород-
Рис. 1. Криогенная зондовая станция.
Рис. 2. Пластина с зондами, размещенными на светодиодном чипе.
ной меди, обеспечивающий равномерность распределения температуры по образцу не хуже 0.1 K, и система антивибрационной развязки образца и тепловой мост для предотвращения перегрева второй ступени криокулера. Отметим, что система не требует залива жидких хладагентов.
Система охлаждения работает в непрерывном режиме, а регулировка и поддержание температуры осуществляется резистивным нагревательным элементом под управлением контроллера температуры LakeShore 336 с паспортной погрешностью не хуже ±0.1 K. Точность измерения температуры достигается с помощью пяти датчиков температуры, расположенных в ключевых узлах системы охлаждения. Непосредственно вблизи образца расположен калиброванный датчик, гарантирующий погрешность измерения не более ±0.02 K. Сигналы с датчиков считываются с частотой 10 Гц, поступают на высокоразрешающий 24-х битный аналого-цифровой преобразователь контроллера температуры и обрабатываются по PID алгоритму для определения значения мощности нагрева. Для предотвращения перегрева верхней ступени вытеснителя криокулера, выполненной из текстолита, нагреватель с держателем образцов установлен на тепловой мост. Контроллер температуры автоматизирован через интерфейс GPIB.
Электрический контакт с образцом осуществляется двумя микроманипуляторами со сменными пробниками различной конструкции из вольфрама, вольфрама-никеля, бериллиевой меди и др. Материал, форма и качество игл влияют на электрические свойства контакта и степень механического воздействия на образец при изменении температуры во время сканирования более чем на 400°. Точное позиционирование зондов обеспечивается манипуляторами с прецизионными механическими приводами по трем координатам (X, Y и Z). Дополнительный электрический контакт к образцу может быть реализован непосредственно через столик. Для контроля микро-
манипуляторов служит моноскопическая оптическая система с 216-ти кратным увеличением, ПЗС-матрицей и 19'' монитором, разрешение системы достигает 5 мкм, рис. 2. Мониторинг осуществляется через горизонтальное оптическое окно из кварца диаметром 3'', расположенное над предметным столиком.
Аппаратно-программный комплекс автоматизирован оригинальным программным обеспечением, созданным в среде графического программирования LabVIEW [12].
Расширение возможностей криостанции
Для исследования характеристик светоизлуча-ющих гетероструктур важное значение имеет обеспечение оптических измерений. Наличие трехдюймового кварцевого окна с высоким коэффициентом пропускания в том числе в ультрафиолетовой области позволяет расширить возможности установки и реализовать оптические измерения отдельных чипов и целых пластин. Для этого специально разработан коллиматор с вертикальной системой линз, которая фокусирует излучение с любой точки пластины на приемник волновода, через который оно попадает на спектрометр быстрого сканирования Ocean HR 400. Таким образом, реализуется комплексная система диагностики, позволяющая делать маппинг электрофизических и оптических параметров по пластине, что предоставляет широкие возможности для сравнительного анализа качества отдельных чипов по пластине.
РЕАЛИЗОВАННЫЕ МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ
Методы адмиттансной спектроскопии являются основными, используем
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.