RU2348045C1

RU2348045C1 - Multifunction device to analyse physical-and-chemical properties of semiconductors, dielectrics and insulating materials

Info

Publication number: RU2348045C1
Application number: RU2007116909/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Тимохин (RU); Виктор Михайлович Тимохин
Original assignee: ФГОУ ВПО "Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова"
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2009-02-27

Abstract

FIELD: physics, semiconductors.

SUBSTANCE: invention is designed to be used in analysing physical and chemical properties of semiconductors, dielectrics and insulating materials. The proposed device allows analysing such properties of the said materials as dielectric loss complex dielectric coefficient, resistance and specific conductivity, capacitance, electric field strength, depolarisation and polarisation thermally-stimulated currents. The proposed device comprises a steel base, equal-weight electrodes. The lower electrode has inner spaces. Note that lead-in represents a fused quartz plate. The lower hollow electrode incorporates a replaceable ultrasound converter to generate ultrasound vibrations in a specimen. The upper electrode is pressed against the specimen fitted on the lower electrode with the help of a thin plate spring and fused quartz plate. Note that the vacuum screen cup (chamber) has two openings to irradiate the specimen and to register its radiation.

EFFECT: measurement of physical and chemical properties of semiconductors, dielectrics and insulating materials under effects of electric fields, ultrasound vibrations and electromagnetic radiation in wide range of temperatures and frequencies.

5 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающим методам определения физико-технических характеристик материалов, подвергающихся в процессе работы воздействию ультразвуковых вибраций, сильных электрических полей, облучению различными видами электромагнитных излучений. Предлагаемое устройство может использоваться для моделирования условий ряда технологических процессов.The invention relates to non-destructive methods for determining the physical and technical characteristics of materials exposed to ultrasonic vibrations, strong electric fields, irradiation with various types of electromagnetic radiation during operation. The proposed device can be used to simulate the conditions of a number of technological processes.

Известно устройство, позволяющее измерять tgδ и ε'. Однако оно предназначено только для исследования полимеров, использует узкий интервал температур и не позволяет исследовать материал в ультразвуковом и электромагнитном полях (Харланов Н.А. Установка для исследования диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь полимерных композиций. / Заводская лаборатория, М.: Металлургия, 1982. - Т.48. - №3. - С.36-38).A device is known for measuring tanδ and ε '. However, it is intended only for the study of polymers, uses a narrow temperature range and does not allow to study the material in ultrasonic and electromagnetic fields (Harlanov N.A. Installation for studying the dielectric constant and dielectric loss of polymer compositions. / Factory Laboratory, Moscow: Metallurgy, 1982. - T.48. - No. 3. - S.36-38).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство, описанное в SU 737822 А1, Авт.св. №737822, кл. МКИ 4 G01N 27/24 «Способ определения вида дефектов, их количества, энергии активации, времени релаксации, активационных объемов дефектов кристаллической решетки диэлектриков и полупроводников и устройство для его реализации» / В.И.Булах, В.А.Миронов, М.П.Тонконогов. Опубл. 1980, Бюл. №20, включающее стальное основание, в которое вмонтированы проходные изоляторы для электродов. В герметизированном нагревателе-холодильнике располагается исследуемый образец. На закрывающей ячейку камере расположен сильфон. В нижнем электроде выполнены полости. Однако это устройство не предусматривает измерение tgδ и исследования материалов под действием ультразвуковых вибраций и электромагнитных излучений.Closest to the invention in technical essence and the achieved result is the device described in SU 737822 A1, Auth. No. 737822, cl. MKI 4 G01N 27/24 “A method for determining the type of defects, their amount, activation energy, relaxation time, activation volumes of defects in the crystal lattice of dielectrics and semiconductors and a device for its implementation” / V.I. Bulakh, V.A. Mironov, M. P. Tonkonogov. Publ. 1980, Bull. No. 20, including a steel base, in which bushings for electrodes are mounted. In a sealed heater-refrigerator is located the test sample. A bellows is located on the cell closing chamber. Cavities are made in the lower electrode. However, this device does not provide for the measurement of tanδ and the study of materials under the influence of ultrasonic vibrations and electromagnetic radiation.

Техническим результатом изобретения является создание многофункционального устройства, позволяющего измерять такие физико-технические характеристики полупроводников, диэлектриков и электроизоляционных материалов под действием электрических полей, ультразвуковых вибраций и электромагнитных излучений как: диэлектрические потери tgδ, комплексную диэлектрическую проницаемость ε^*, сопротивление и удельную электропроводность, электрическую емкость, напряженность электрического поля, термостимулированные токи деполяризации (ТСТД) и поляризации (ТСТП), термостимулированную люминесценцию (ТСЛ) в широком диапазоне температур и частот.The technical result of the invention is the creation of a multifunctional device that allows to measure such physical and technical characteristics of semiconductors, dielectrics and electrical insulation materials under the influence of electric fields, ultrasonic vibrations and electromagnetic radiation such as dielectric loss tgδ, complex permittivity ε ^* , resistance and electrical conductivity, electric capacitance , electric field strength, thermally stimulated currents of depolarization (TSTD) and polarization (TSTP), thermostimulated luminescence (TSL) in a wide range of temperatures and frequencies.

Для достижения этого технического результата в многофункциональном устройстве для исследования физико-технических характеристик материалов, включающем стальное основание, электроды равновеликой массы, причем в нижнем электроде выполнены полости, и камеру, закрывающую ячейку, согласно изобретению применяется электрический ввод, осуществляемый через пластинку из плавленого кварца, в нижний полый электрод введен сменный ультразвуковой преобразователь, создающий в образце ультразвуковые вибрации, верхний электрод прижат к образцу, расположенному на нижнем электроде, при помощи тонкой пластинчатой пружины и пластинки из плавленого кварца, а в вакуумном экранирующем колпаке (камере) выполнено два окна для облучения образца и регистрации его излучения.To achieve this technical result, in a multifunctional device for studying the physical and technical characteristics of materials, including a steel base, electrodes of equal mass, and cavities are made in the lower electrode, and the chamber covering the cell, according to the invention, uses an electrical input through a fused silica plate, a removable ultrasonic transducer is introduced into the lower hollow electrode, which generates ultrasonic vibrations in the sample, the upper electrode is pressed against the sample, located on the lower electrode, using a thin leaf spring and a plate of fused quartz, and in the vacuum shielding cap (chamber) there are two windows for irradiating the sample and recording its radiation.

Использование плавленого кварца в качестве изолятора в электрическом вводе и для прижатия образца к электроду обусловлено малыми диэлектрическими потерями и малой электрической проводимостью кварца, что увеличивает возможности устройства и точность измерений.The use of fused silica as an insulator in an electrical input and for pressing a sample to an electrode is caused by low dielectric losses and low electrical conductivity of quartz, which increases the device's capabilities and measurement accuracy.

Расположение сменного ультразвукового преобразователя удобно тем, что можно, открутив крышку нижнего полого электрода, легко заменить его и изменить частоту или мощность ультразвуковых вибраций, действующих на образец.The location of the removable ultrasonic transducer is convenient in that it is possible to unscrew the cover of the lower hollow electrode, easily replace it and change the frequency or power of ultrasonic vibrations acting on the sample.

Окна, предусмотренные в вакуумном экранирующем колпаке, позволяют одновременно или поочередно облучать образец электромагнитным излучением и снимать при помощи фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) спектр термостимулированной люминесценции (ТСЛ).The windows provided in the vacuum shielding cap allow irradiating the sample simultaneously or alternately with electromagnetic radiation and taking a spectrum of thermally stimulated luminescence (TSL) using a photomultiplier tube (PMT).

Все это позволяет измерять tgδ от единиц до 10^-4 в частотном диапазоне (1-10⁸)Гц, так как для плавленого кварца tgδ≤2·10^-4, силу тока - до 10^-15 А, электроемкость до 1 пикофарады, напряженность электрического поля вплоть до пробойных значений, сопротивлений до 10¹⁸Ом, снимать температурные спектры ТСТД, ТСТП и ТСЛ в интервале температур (77-523) К, а при необходимости и при более высоких температурах для тугоплавких материалов. Таким образом, в устройстве предложена новая совокупность признаков. Изобретение и способы его использования иллюстрируются чертежами и примерами, где на фиг.1 изображено предлагаемое устройство, фиг.2 поясняет работу устройства в блок-схеме. Фигуры 3-5 иллюстрируют возможности устройства.All this makes it possible to measure tgδ from units up to 10 ^-4 in the frequency range (1-10 ⁸ ) Hz, since for fused silica tgδ≤2 · 10 ^-4 , the current strength is up to 10 ^-15 A, the electric capacity is up to 1 picofarads, the voltage electric field up to breakdown values, resistance up to 10 ¹⁸ Ohms, take temperature spectra of TSTD, TSTP and TSL in the temperature range (77-523) K, and, if necessary, at higher temperatures for refractory materials. Thus, the device proposed a new set of features. The invention and methods of its use are illustrated by drawings and examples, where in Fig.1 shows the proposed device, Fig.2 explains the operation of the device in a block diagram. Figures 3-5 illustrate the capabilities of the device.

На фигуре 1 изображено предлагаемое устройство, включающее стальное основание 1 с резиновой прокладкой 2 и вакуумным экранирующим колпаком 3 из нержавеющей стали. На основании крепится полый нижний электрод (нагреватель-холодильник) 4. К его крышке 5 приварены трубки 6 и 7 для ввода и вывода паров азота. На нижней поверхности крышки нижнего электрода в кварцевых трубках расположена спираль нагревателя 8, питаемая постоянным током. Крышка закручивается герметично с фторопластовой прокладкой 9. Внутри нижнего полого электрода (нагревателя-холодильника) при помощи пружин 10 закреплен излучающий сменный ультразвуковой преобразователь 11. Изолированный ввод 12 ультразвука от генератора ультразвуковых колебаний (УЗГ) осуществляется через трубку 7 вывода азота, что упрощает конструкцию крышки 5. Для улучшения контакта ультразвукового преобразователя с корпусом электрода используется вакуумная смазка. Азот прокачивается за счет повышения давления его паров при нагревании спирали, опущенной в жидкий азот в сосуде Дьюара. Образец 13 с охранным 14 и измерительным 15 электродами помещается на нижний электрод 4 и прижимается при помощи тонкой пластинчатой пружины 16, закрепляемой на стойке из изолирующего материала 17, и пластинки 18 из плавленого кварца.The figure 1 shows the proposed device, including a steel base 1 with a rubber gasket 2 and a vacuum shielding cap 3 made of stainless steel. A hollow bottom electrode (heater-fridge) is attached to the base 4. Tubes 6 and 7 are welded to its cover 5 for input and output of nitrogen vapor. On the lower surface of the cover of the lower electrode in quartz tubes is a spiral heater 8, powered by direct current. The lid is screwed tightly with a fluoroplastic gasket 9. Inside the lower hollow electrode (heater-cooler), a radiating replaceable ultrasonic transducer 11 is mounted using springs 10. The isolated ultrasound input 12 from the ultrasonic oscillation generator (UGS) is carried out through a nitrogen output tube 7, which simplifies the design of the lid 5. To improve the contact of the ultrasonic transducer with the electrode body, vacuum grease is used. Nitrogen is pumped by increasing the pressure of its vapor when heating a spiral dipped in liquid nitrogen in a Dewar vessel. A sample 13 with a guard 14 and a measuring 15 electrodes is placed on the lower electrode 4 and pressed using a thin leaf spring 16, mounted on a rack of insulating material 17, and a plate 18 of fused quartz.

Для облучения материала и регистрации его излучения на ФЭУ в вакуумном экранирующем колпаке выполнены окна 19 и 19а. В этом случае измерительный электрод 15 выполняется в виде «елочки». Температура измеряется посредством дифференциальной хромель-копелевой термопары 20, ввод которой осуществляется через разъем, состоящий из плотной резиновой прокладки 21 и прижимной гайки 22. Воздух откачивается при помощи форвакуумного насоса до давления 0,5 Па через штуцер 23, приваренный к основанию 1. Трубки 6 и 7 для прокачивания азота крепятся на основании при помощи проходных изоляторов (фторопластовых прокладок) 24 и прижимных гаек 25. Вакуумный электрический ввод собран на основе пластинки 26 из плавленого кварца с отверстием в центре для ввода контакта 27. Пластинка и ввод герметизируются при помощи резиновых прокладок 28 и прижимных гаек 29. Скорость естественного нагрева образца составляет от 0,1 К/с и выше. Такое размещение элементов позволило увеличить функциональные возможности устройства, уменьшить уровень паразитных наводок и увеличить точность измерений. Погрешность измерений на данном устройстве составляет: по току ±5·10^-15 A; по tgδ при

tgδ≥10^-3 ошибка - (5-7)%, при 10^-4≤tgδ<10^-3 ошибка - (10-30)%, по ε' - 2%, по электроемкости - 2%.To irradiate the material and register its radiation on a PMT, windows 19 and 19a are made in a vacuum shielding cap. In this case, the measuring electrode 15 is in the form of a "Christmas tree". The temperature is measured by means of a differential chromel-kopel thermocouple 20, the input of which is through a connector consisting of a dense rubber gasket 21 and a clamping nut 22. The air is pumped out using a fore-vacuum pump to a pressure of 0.5 Pa through a fitting 23 welded to the base 1.

Tubes

6 and 7 for pumping nitrogen are mounted on the base using bushing insulators (fluoroplastic gaskets) 24 and clamping nuts 25. The vacuum electrical input is assembled on the basis of fused quartz plate 26 with a hole in the center for I enter contact 27. The plate and input are sealed with rubber gaskets 28 and clamping nuts 29. The rate of natural heating of the sample is from 0.1 K / s and above. This arrangement of elements allowed to increase the functionality of the device, reduce the level of spurious interference and increase the accuracy of measurements. The measurement error on this device is: current ± 5 · 10 ^-15 A; by tanδ for

tgδ≥10 ^-3 error - (5-7)%, at 10 ^-4 ≤tgδ <10 ^-3 error - (10-30)%, ε '- 2%, electric capacity - 2%.

Фиг.2. Блок-схема установки с применением описанного устройства: ИН - источник стабилизированного напряжения (УИП-1 или 2), ИП - измерительный прибор (цифровой вольтметр - электрометр В7-30 для измерения токов или измерители добротности ВМ-560 и ВМ-507 для измерения tgδ и электрической емкости), ВП1 и ВП2 - вторичные приборы (самопишущие потенциометры КСП-4), Ш - шунт, П - ультразвуковой преобразователь, УЗГ - ультразвуковой генератор, БЗ - блок защиты, Ф - фотоэлектронный умножитель для измерения термостимулированной люминесценции.Figure 2. The block diagram of the installation using the described device: IN - stabilized voltage source (UIP-1 or 2), IP - measuring device (digital voltmeter - V7-30 electrometer for measuring currents or Q-meters Q-560 and VM-507 for measuring tgδ and electric capacitance), VP1 and VP2 - secondary devices (KSP-4 recording potentiometers), Sh - shunt, P - ultrasonic transducer, UZG - ultrasonic generator, BZ - protection unit, F - photoelectronic multiplier for measuring thermally stimulated luminescence.

Фиг.3. Частотная зависимость tgδ, γ и ε' для монокристаллов α-LiIO₃: 1 - с серебряными и клеевыми просушенными электродами и соединением; 2, 4, 6 - с «влажными» электродами или «влажным» соединением под действием ультразвука; 3, 5, 7 - с просушенными клеевыми электродами и соединением под действием ультразвука интенсивностью 30 кВт/м², частотой 150 кГц, Т=295 К.Figure 3. Frequency dependence of tanδ, γ, and ε 'for α-LiIO ₃ : 1 single crystals — with silver and adhesive dried electrodes and a compound; 2, 4, 6 - with “wet” electrodes or “wet” connection under the action of ultrasound; 3, 5, 7 - with dried adhesive electrodes and connection under the action of ultrasound with an intensity of 30 kW / m ² , a frequency of 150 kHz, T = 295 K.

Фиг.4. Спектр ТСТД монокристаллов α-LiIO₃вдоль оси Z [0001] при Т_п=323 К, t_п=10 мин, d=2,7 мм, диаметр электрода 25 мм при напряженностях: 1 - 8,5·10⁴В/м; 2 - 4·10⁴ В/м; 3 - 2·10⁴ В/м; 4 - 5·10³ В/м.Figure 4. The TSTD spectrum of α-LiIO ₃ single crystals along the Z axis [0001] at T _p = 323 K, t _p = 10 min, d = 2.7 mm, the diameter of the electrode 25 mm at tensions: 1 - 8.5 · 10 ⁴ V / m; 2 - 4 · 10 ⁴ V / m; 3 - 2 · 10 ⁴ V / m; 4 - 5 · 10 ³ V / m.

Фиг.5. Спектр ТСЛ кристаллов α-LiIO₃: t_п=1 час, U=15кВ, Т_п=80 К. Облучение производилось на рентгеновской установке УРС - 2,0.Figure 5. The TSL spectrum of α-LiIO ₃ crystals: t _p = 1 hour, U = 15 kV, T _p = 80 K. Irradiation was performed on an X-ray unit URS - 2.0.

Устройство работает следующим образом. В качестве примеров реализации изобретения рассмотрим технологию измерения ТСТД и tgδ (f, Т). На образец материала с двух сторон методом напыления в вакууме на установке ВУП-5 наносятся металлические электроды. Возможно также использование клеевых электродов на основе лака АК-113 и мелкодисперсного порошка никеля. Образец помещается между электродами устройства и термостатируется при определенной температуре Т_п (как правило, 300-350 К с точностью ±0,5 К), не превышающей температуру плавления. Затем к образцу через электрический ввод прикладывается электрическое поле напряженностью Е_п и производится поляризация в течение времени t_п, большем времени релаксации при данной температуре. После этого, не отключая электрического поля, производится охлаждение до температуры Т_о (в наших экспериментах до 77К), при которой термоактивационные процессы в материале практически прекращаются. Затем поле отключается, а к электрическому вводу подключают измерительный прибор при помощи кабеля с двойным экраном и осуществляется линейный нагрев (скорость нагрева β=dT/dt=conct) образца до температуры выше температуры поляризации. При наличии полярных дефектов в материале они проявятся на приборе в виде максимумов на спектре термостимулированных токов деполяризации (ТСТД), что регистрируется самописцем.The device operates as follows. As examples of the implementation of the invention, we consider the measurement technology TSTD and tanδ (f, T). On two sides of the material sample, metal electrodes are applied by vacuum deposition using the VUP-5 installation. It is also possible to use adhesive electrodes based on AK-113 varnish and fine nickel powder. The sample is placed between the electrodes of the device and thermostatted at a certain temperature T _p (usually 300-350 K with an accuracy of ± 0.5 K), not exceeding the melting temperature. Then, an electric field of strength E _{p is} applied to the sample through an electrical input and polarization is produced over a time t _p longer than the relaxation time at a given temperature. After that, without turning off the electric field, cooling is carried out to a temperature T _o (in our experiments to 77 K), at which the thermally activated processes in the material practically cease. Then the field is turned off, and the measuring device is connected to the electrical input using a cable with a double screen and linear heating (heating rate β = dT / dt = conct) of the sample to a temperature above the polarization temperature is carried out. In the presence of polar defects in the material, they will appear on the device in the form of maxima in the spectrum of thermally stimulated depolarization currents (TSTD), which is recorded by the recorder.

Спектр диэлектрических потерь tgδ (f, Т) снимается для неполяризованного образца. Для этого образец через электрический ввод подключается к измерителю добротности, по шкале которого определяется угол диэлектрических потерь δ для определенной частоты и определяется tgδ. Затем изменяется частота f и при фиксированной температуре определяется следующее значение tgδ. По этим данным строится кривая зависимости tgδ (f, Т). Затем температура изменяется, образец термостатируется и измерения повторяются.The dielectric loss spectrum tanδ (f, T) is recorded for an unpolarized sample. For this, the sample is connected through an electrical input to a Q-factor meter, on a scale of which the dielectric loss angle δ for a certain frequency is determined and tanδ is determined. Then the frequency f changes and at a fixed temperature the following value of tanδ is determined. Based on these data, the dependence curve tanδ (f, T) is constructed. Then the temperature changes, the sample is thermostated and measurements are repeated.

При воздействии ультразвуковых вибраций происходит изменение таких параметров как сопротивление, удельная электропроводность γ, диэлектрическая проницаемость ε' и tgδ (фиг.3), форма спектров ТСТД и ТСТП. Энергия активации, вычисленная по спектру tgδ (f,Т), равна (0,46±0,03) эB, что хорошо согласуется с данными работ (Абрамович А.А., Сыркин Л.Н. Сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики. - Калинин: КГУ, 1983. - С.7-15, а также Remoissenet M., Garandet J. / J Mat. Res. Bull. 1975. - V.10 - №2. - P.181-185).When exposed to ultrasonic vibrations, a change in such parameters as resistance, electrical conductivity γ, permittivity ε 'and tanδ (Fig. 3), the shape of the TSTD and TSTP spectra. The activation energy calculated from the spectrum of tanδ (f, T) is (0.46 ± 0.03) eV, which is in good agreement with the data of the works (Abramovich A.A., Syrkin L.N. Ferroelectrics and piezoelectrics. - Kalinin: KSU, 1983. - C.7-15, as well as Remoissenet M., Garandet J. / J Mat. Res. Bull. 1975. - V.10 - No. 2. - P.181-185).

Положения максимумов в спектрах ТСТД и ТСЛ (фиг.4 и 5) совпадают, что и предусмотрено теорией. Приведенные примеры использования устройства показывают, что точность измерений и функциональные возможности устройства соответствуют заявляемым. Данное устройство может применяться для экологического мониторинга состояния окружающей среды или технологического процесса по изменению параметров материалов под действием различных факторов, для исследования параметров вновь создаваемых материалов.The positions of the maxima in the TSTD and TSL spectra (Figs. 4 and 5) coincide, which is provided by the theory. The above examples of the use of the device show that the measurement accuracy and functionality of the device correspond to the claimed. This device can be used for environmental monitoring of the environment or the process of changing the parameters of materials under the influence of various factors, to study the parameters of newly created materials.

Claims

A multifunctional device for studying the physical and technical characteristics of semiconductors, dielectrics and electrical insulation materials, such as dielectric losses, complex permittivity, resistance and electrical conductivity, electric capacitance, electric field strength, thermally stimulated depolarization and polarization currents, thermally stimulated luminescence, including a steel base, electrodes of equal mass, with cavities in the lower electrode and the chamber covering the cell, characterized in that it uses an electrical input through a fused silica plate, a removable ultrasonic transducer is introduced into the lower hollow electrode, which generates ultrasonic vibrations in the sample, the upper electrode is pressed against the sample located on the lower electrode using a thin a leaf spring and a fused silica plate, and two windows are made in the vacuum shielding cap (chamber) for irradiating the sample and recording its radiation.