Выявление особенностей алмазного сырья методом ИК Фурье-спектроскопии для изготовления высокотехнологических изделий микроэлектроники

В настоящее время проблемы экологии выходят на передний план во многих странах мира. Одним из решений этих проблем является переход промышленности на новый технологический уровень. Этот переход обусловлен внедрением новых технологий и использованием эффективных материалов. Эти меры позволят экономить энергию, выпускать экологически чистую продукцию, заботиться о проблемах окружающей среды.

Например, в микроэлектронике переход на новые технологии может выражаться в изготовлении подложечных пластин (рис.1) высокого качества из более совершенных материалов.

Рис.1.

Подложка – заготовка, изготовленная из кристаллов (кремния, лейкосап-фира, алмаза и других твердых материалов). Она выполняет роль механического носителя и отводит тепло от микросхемы в процессе её работы.

Технологический процесс изготовления микросхемы начинается с изготовления подложки. Долговечность и безотказность микросхемы напрямую зависит от качества подложечной пластины. На её качество влияют не только геометрические, электрофизические и оптические характеристики, но также материал. В настоящее время наиболее перспективными материалами для изготовления подложек являются алмаз, лейкосапфир, карбид кремния и арсенид галлия. В табл. 1 эти материалы сравниваются по пяти важнейшим для микроэлектроники параметрам.

Таблица 1

Параметры	Монокристаллические полупроводники
	Алмаз	Si	SiC	GaAs
Ширина запрещенной зоны при 300К, эВ	5.5	1.12	2.4	1.42
Дрейфовая  скорость насыщения, см/с	2.8*107	107	2*107	107
Электрическая  проч ность, В/см	2.2*107	3*105	3*106	3.5*105
Теплопроводность при 300К, Вт/см*К	20-25	1.4	2.8	0.81
Подвижность    при 300К: Электронов Дырок	2500 2100	1350 480	1000 60	8500 450

Проанализировав данные табл. 1 можно сделать вывод, что алмаз наиболее пригоден для изготовления электронных приборов на его основе. Но при всех неоспоримых достоинствах этого материала существуют определенные факторы, затрудняющие его использование.

Одна из важных сдерживающих причин – различные примеси в алмазе. К сожалению, также существуют различные причины, затрудняющие использование алмаза в электронике. Одна из таких причин - примеси. Имеется большое количество работ, в которых приводятся сведения о нахождении в алмазах в качестве примеси тех или других элементов, среди которых можно выделить: водород, азот, кислород, бор, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, кальций и др.

Главной примесью в алмазах является азот, который оказывает большое влияние на физические свойства и текстуру кристаллов алмаза. Количество азота в алмазе может колебаться от 0,01% до 30%. Робертсон, Фокс и Мартин (1934г.), первые обратили внимание, что существует два типа спектров оптического поглощения в ИК-диапазоне и соответственно два типа алмазов. В частности, алмазы типа I обнаруживают ИК-поглощение в области длин волн от 2 до 6 мкм и от 8 до 33 мкм. Алмазы типа II имеют поглощение только в области 2-6 мкм. Поглощение в этой области является собственным решеточным поглощением, тогда как поглощение в более длинноволновой области 8-33 мкм обусловлено присутствием примесного азота. Ими была предложена физическая классификация алмазов, подразделяющая алмазы на четыре типа:

• •    Iа - наиболее распространенный (до 98%) тип природных алмазов, содержащих до 0.3 ат.% азота.

• •    Ib - наиболее редко (0.1%) встречающиеся в природе желтые алмазы. составляют большинство синтетических алмазов. содержат одиночные атомы азота как примесь замещения в количестве до 0.05 ат.%, что приводит к парамагнитным свойствам.

• •    IIа - малоазотные алмазы. основные классификационные признаки: отсутствие ИК поглощения в однофононной области. Коэффициент теплопроводности близок к 20Вт/см*К. Алмазы этого типа достаточно редки.

• •    IIb - голубые проводниковые алмазы. Содержат еще меньше азота, чем алмазы IIа, порядка 10^15 смˉ³.

В свою очередь, в алмазе азот образует около двух десятков различных центров, но заметное влияние на свойства алмаза оказывают лишь несколько (табл. 2); примесный полиморфизм азота является главной особенностью спектроскопии дефектов в природных кристаллах.

Таблица 2

Тип дефекта	Структура дефекта	Концентрация азота, см-3	Оптическое поглощение
С	N Парамагнитный центр	1014 – 2*1019	270 нм 8.8 мкм 1130 см-1
А	1         1 2- N N Пара атомов азота в соседних узлах с дополнительной спаренной электронной орбиталью	1017 - 1021	7.8 мкм 1282 см-1
В 1	\| / \|/ \|/ N N N N N N /\ /\ л\ Изометрические многоатомные образования,   включаю щие азот	1017 – 4*1020	8.5 мкм 1175 см-1
В 2	N N N 1 1 1 N N N Пластиинчатые дефекты в плоскости (100)	До 1.5*1020	7.3 мкм 1370 см-1

Для того, что бы определить наличие азота в алмазе рекомендуется воспользоваться одним из методов спектроскопии. Понятие спектроскопии обобщает класс методов, исследующих взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. В зависимости от используемых длин волн (например, микроволновое, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение) или исследуемых веществ (ионы, атомы, молекулы) различают отдельные методы.

Спектроскопия служит в основном для структурного исследования и идентификации ионов, атомов и молекул. По диапазону длин волн (или частот) электромагнитного излучения выделяют следующие виды спектроскопии:

• •    радиоспектроскопия

• •    микроволновая спектроскопия

• •    оптическая спектроскопия: ИК спектроскопия, УФ спектроскопия.

• •    рентгеновская спектроскопия

• •    гамма-спектроскопия

• •    специальные разделы спектроскопии: Фурье-спектроскопия, лазерная спектроскопия.

Для исследования азота в алмазе я пользовалась методом ИК Фурье -спектроскопии. Исследования особенностей алмазного сырья проводились на базе ООО «ПТЦ УралАлмазИнвест».

При исследовании алмаза на наличие примеси азота были поставленыс-ледующие задачи :

• 1.    Определение типа материала по рисунку спектра.

• 2.    Определение нахождения примеси азота в кристалле, а также определение формы дефектного центра, образованного примесью.

• 3.    Расчет количества атомов азота.

• 4.    Определение природы происхождения материала.

• 5.    Определение и расчет легирующих примесей в кристаллах синтетического алмаза.

Исследования были проведены на лабораторном спектрометре ФСМ 1201 (рис. 2). ИК фурье-спектрометры ФСМ — семейство лабораторных спектрометров для средней и ближней ИК-областей, предназначенных для качественного и количественного анализа твердых, жидких и газообразных веществ, многокомпонентных растворов и смесей, контроля качества продукции по ИК-спектрам. Приборы полностью автоматизированы и управляются от персонального компьютера.

Рис. 2.

Началом Фурье-спектроскопии считается 1880 год, когда А.А. Майкель-сон изобрел свой интерферометр. Основной оптической частью Фурье-ИК спектрометра является интерферометр. Схема идеализированного интерферометра Майкельсона показана на рис. 3.

Рис. 3.

Инфракрасное излучение, испускаемое источником, направляется на светоделитель, который (в идеальном случае) половину излучения пропускает, а половину - отражает.

Отраженная часть пучка, пройдя расстояние L , попадает на неподвижное зеркало М 1, отражается от него и вновь попадает на светоделитель, с общей длиной пробега 2 L . Аналогично происходит с прошедшей частью пучка. Однако так как отражающее зеркало М 2 не зафиксировано на расстоянии L , а может с высокой точностью перемещаться вблизи этого положения на расстояние х , общая длина пробега этого луча равна 2( L + x ). Таким образом, когда две части исходного пучка вновь сойдутся на светоделителе, они будут обладать оптической разностью хода или оптической задержкой 2 х , а так как эти части исходного пучка пространственно когерентны, они при этом будут интерферировать.

Луч, вышедший из интерферометра, проходит через отсек с образцом и, в конечном счете, фокусируется на детектор D . Таким образом, интенсивность, измеряемая детектором, является интенсивностью I ( x ) интерференции ИК лучей, и зависит от смещения подвижного зеркала х - это так называемая интерферограмма. Фурье-анализ позволяет преобразовать интерферограмму в спектр, т.е. представить сигнал как функцию частоты. Фурье-анализ интерферограммы выделяет каждую частоту и определяет величину потока на этой частоте, т.е. коэффициент Фурье.

Преимущества Фурье-спектрометров по сравнению с дифракционными приборами вытекают из двух основных понятий, известных как "выигрыши" Фелжета и Жакино.

Выигрыш Фелжета. В интерферометре за каждый малый интервал времени сканирования получается информация сразу обо всем спектральном диапазоне, в то время как в обычном дифракционном спектрометре за то же время получается информация только об узком спектральном интервале, который попадает на входную щель прибора. Таким образом, в интерферометре информация обо всем спектральном диапазоне получается за все время сканирования, в случае же дифракционного прибора в каждый определенный момент времени будет получена информация только об узкой спектральной полосе. Фелжет назвал это свойство мультиплекс-фактором.

Выигрыш Жакино. Способность интерферометра пропускать большое количество энергии при высоком разрешении.

С помощью ФСМ 1201 были получены следующие спектры:

Рис. 4

Приведенные спектры 1 и 2 (рис.4) принадлежат кристаллам алмаза. Об этом можно говорить с уверенностью, т.к. центральная часть спектра представляет типичный для алмаза рисунок.

Эти два спектра отличаются друг от друга тем, что спектр 1 принадлежит алмазу малоазотному, а спектр 2 содержит значительное количество азота. О наличии примеси азота в кристалле 2 свидетельствует наличие дополнительного пика.

Рис. 5

Спектры 3 и 4 (рис.5) принадлежат синтетическим кристаллам алмаза, содержащим примесь азота.

Рис.6                               Рис.7

По спектру можно определить природу происхождения кристалла алмаза. Как правило, в природных кристаллах азот образует меньшее количество азотных центров, о чем свидетельствует один характерный пик (рис.6). В синтетических кристаллах количество пиков больше (рис.7).

Вывод по работе

Таким образом, с помощью метода ИК Фурье-спектроскопии можно определить пригодность сырья для использования его в микроэлектронике. Предприятия, которые выпускают различные приборы на основе алмаза, предъявляют строгие требования к качеству исходной пластины. Контролируют геометрические, электрофизические и оптические характеристики. Для дальнейшего применения в микроэлектронике необходимо, чтобы алмаз принадлежал к IIа типу, т.е. с пониженным содержанием азота (~5*1019 ат/см3), а для определения этого параметра метод ИК Фурье-спектроскопии является оптимальным.