RU2561335C1 - Method for determining content of metallic microinclusions in semiconductor materials - Google Patents
Method for determining content of metallic microinclusions in semiconductor materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2561335C1 RU2561335C1 RU2014111215/28A RU2014111215A RU2561335C1 RU 2561335 C1 RU2561335 C1 RU 2561335C1 RU 2014111215/28 A RU2014111215/28 A RU 2014111215/28A RU 2014111215 A RU2014111215 A RU 2014111215A RU 2561335 C1 RU2561335 C1 RU 2561335C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- gallium
- semiconductor materials
- microinclusions
- substances
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к физико-химическому, в частности термическому, анализу веществ и может быть использовано для определения содержания металлических веществ в полупроводниковых материалах.The invention relates to physicochemical, in particular thermal, analysis of substances and can be used to determine the content of metallic substances in semiconductor materials.
Известный способ дифференциально-термического анализа (ДТА), заключающийся в измерении разности температур в исследуемом образце и эталоне при непрерывном изменении температуры, в аналитической практике не применим, так как существенным недостатком метода является низкая относительная и абсолютная чувствительность примеси на уровне 1% и 10-5 г, соответственно (Уэндландт У. Термические методы анализа. М.: Мир, 1978, с.214-227).A known method of differential thermal analysis (DTA), which consists in measuring the temperature difference in the test sample and the reference under a continuous temperature changes, not applicable in analytical practice, since a significant drawback of the method is low relative and absolute impurity sensitivity at 1% and 10 - 5 g, respectively (Wendlandt W. Thermal analysis methods. M: Mir, 1978, p. 214-227).
Реализация высокой чувствительности приборов ДТА требует больших значений термического сопротивления тепловому потоку R. Возможности ДТА существенно ограничивает большая инерционность измерений и, вследствие этого, низкая разрешающая способность. Инерционность определяется постоянной времени калориметрической камеры τяч.=RCоб: чем меньше ее значение, тем точнее регистрируется термическое поведение образца. Однако для высокой чувствительности ДТА требуется большое сопротивление R, что несовместимо с требованием быстродействия и высокой разрешающей способности. В приборах ДТА (термопарных) - типичная высокая вольт-ваттная чувствительность 10-400 мВ/Вт, но одновременно низкое быстродействие 10-1000 секунд.The implementation of the high sensitivity of DTA devices requires large values of thermal resistance to the heat flux R. The possibility of DTA is significantly limited by the large inertia of the measurements and, as a result, the low resolution. The inertia is determined by the time constant of the calorimetric chamber τ cells. = RC about : the lower its value, the more accurately the thermal behavior of the sample is recorded. However, for high sensitivity of DTA, a large resistance R is required, which is incompatible with the requirement of speed and high resolution. In DTA devices (thermocouple) - a typical high volt-watt sensitivity of 10-400 mV / W, but at the same time low speed of 10-1000 seconds.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является, выбранный нами в качестве прототипа, способ определения содержания примеси в веществах, включающих измерение дифференциального теплового потока при непрерывном уменьшении температуры, в режиме дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК), при этом содержание примеси определяют по величине скачков на этой зависимости при кристаллизации примеси (Авт.св. СССР №1704050, МКИ G01N 25/02. «Способ определения содержания примеси в веществах» Шляхов А.Т. и др. Опубл. 07.01.92).Closest to the proposed invention is, we have chosen as a prototype, a method for determining the content of impurities in substances, including the measurement of differential heat flux with a continuous decrease in temperature, in the mode of differential scanning calorimetry (DSC), while the content of the impurity is determined by the magnitude of the jumps on this dependences upon the crystallization of an impurity (Avt. St. USSR No. 1704050, MKI G01N 25/02. "Method for the determination of impurity content in substances" Shlyakhov AT and other publ. 07.01.92).
В качестве сенсора (тепломера) использована батарея из анизотропных термоэлементов (АТЭ) из висмута. Измерение дифференциального теплового потока осуществляется при условии τяч.≤τкрист.=10-2 с, где τяч. - быстродействие ячейки калориметра, τкрист. - время кристаллизации включений. Это условие достигается, во-первых, тем, что минимально возможная толщина отдельных сенсоров на основе АТЭ из висмута выбирается в пределах 100-150 мкм, что приводит к быстродействию ячейки калориметра в границах 5·10-3-10-2 с, соответственно. Во-вторых, использованы медные контейнеры, каждый массой ≈100 мг, на которых с внешней стороны, размещаются сенсорные батареи из АТЭ.A battery of anisotropic thermoelements (ATE) made of bismuth was used as a sensor (heat meter). The differential heat flux is measured under the condition of τ cells. ≤τ crist . = 10 -2 s, where τ cells. - the speed of the calorimeter cell, τ crest. - crystallization time of inclusions. This condition is achieved, firstly, by the fact that the minimum possible thickness of individual AET-based sensors from bismuth is selected in the range of 100-150 μm, which leads to the speed of the calorimeter cell within 5 · 10 -3 -10 -2 -2 s, respectively. Secondly, copper containers were used, each weighing ≈100 mg, on which from the outside, ATE sensor batteries are placed.
Недостатками способа является то, что, во-первых, использованы объемные калориметрические камеры размерами (1×0,3×0,3) см3, поэтому по этим же параметрам готовились образец и эталон в виде цельного параллелепипеда, объемом ≈0,09 см3, вследствие этого их масса составляет значительную величину ≈400 мг. Во-вторых, в прототипе нет научного анализа температурного поведения примеси (включений), поэтому в исследуемом полупроводнике арсенида галлия рассматривается только α-модификация микровключений галлия. В-третьих, использование сложной калориметрической системы, предусматривающей традиционный нагрев и охлаждение, а именно спиральные нагреватели и криогенная жидкость (жидкий азот), ведет к повышению «фонового» уровня сигнала с АТЭ и поэтому регистрация полезного сигнала в «тонких» чувствительных экспериментах может быть затруднена.The disadvantages of the method is that, firstly, volumetric calorimetric chambers with dimensions of (1 × 0.3 × 0.3) cm 3 were used , therefore, according to the same parameters, a sample and a reference were prepared in the form of a solid parallelepiped with a volume of ≈0.09 cm 3, as a consequence of their weight is considerable value ≈400 mg. Secondly, in the prototype there is no scientific analysis of the temperature behavior of the impurity (inclusions), therefore, only the α-modification of gallium microinclusions is considered in the investigated gallium arsenide semiconductor. Thirdly, the use of a complex calorimetric system that provides for traditional heating and cooling, namely spiral heaters and cryogenic liquid (liquid nitrogen), leads to an increase in the “background” level of the signal from the ATE and therefore the registration of the useful signal in “thin” sensitive experiments can be difficult.
Целью изобретения является повышение чувствительности и упрощение способа при определении содержания металлических микровключений в полупроводниковых материалах.The aim of the invention is to increase the sensitivity and simplification of the method when determining the content of metallic microinclusions in semiconductor materials.
Это достигается способом, включающим охлаждение предварительно нагретых исследуемого и эталонного веществ, помещенных на сенсорах из АТЭ с термоэлектрическими свойствами. Измеряется дифференциальный тепловой поток от температуры и по величине скачков на этой зависимости определяется содержание включений. В предлагаемом способе используется полупроводник арсенида галлия, имеющий галлиевые включения.This is achieved by a method comprising cooling preheated test and reference substances placed on sensors made of thermoelectric properties with thermoelectric properties. The differential heat flux versus temperature is measured and the content of inclusions is determined by the magnitude of the jumps in this dependence. The proposed method uses a gallium arsenide semiconductor having gallium inclusions.
Объемный кристаллический галлий может существовать в нескольких метастабильных модификациях, из которых при нормальном давлении устойчива α-модификация, образующаяся при 30°C, и β-модификация, в которую кристаллизуется переохлажденный расплав.Volumetric crystalline gallium can exist in several metastable modifications, of which the α modification formed at 30 ° C and the β modification into which the supercooled melt crystallizes are stable under normal pressure.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 - фазовые превращения в β-Ga: а) плавление, б) кристаллизация, в) переход β-Ga в α-Ga; на фиг.2 - дифференциальный микроваттметр с термоэлектрическим охлаждением; на фиг.3 - теплограмма GaAs (пики на кривой соответствуют кристаллизации микровключений β-галлия).The proposed method is illustrated by drawings, where in Fig.1 - phase transformations in β-Ga: a) melting, b) crystallization, c) transition of β-Ga to α-Ga; figure 2 - differential microwattmeter with thermoelectric cooling; figure 3 is a GaAs thermogram (peaks on the curve correspond to crystallization of β-gallium microinclusions).
В предлагаемом способе переход включений галлия из стабильной α-фазы в метастабильную β-фазу осуществляется воздействием инфракрасных лазеров с длинами волн 1,06 мкм либо 10,6 мкм. Принципиального различия между структурами галлия, полученными лазерами с разными длинами волн, нет. Это свидетельствует о том, что основную роль при образовании β-фазы играет высокая скорость закалки расплава галлия. Действительно, при воздействии лазерного излучения, температура арсенида галлия за (1-5) секунд повышается на 100-200 градусов выше температуры плавления (в зависимости от условий облучения) примерно с такой же скоростью идет и его охлаждение. Температура плавления галлия в β-фазе составила -16°C (фиг.1а). Температура кристаллизации β-модификации (-25°C) не зависит от температуры перегрева арсенида галлия лазерным лучом и наблюдается явление переохлаждения (фиг.1б). Кроме пиков, связанных с плавлением и кристаллизацией β-галлия, обнаружена низкотемпературная аномалия при -90°C, сопровождающаяся выделением теплоты и обусловленная обратным превращением галлия из β- в α-модификацию (фиг.1в).In the proposed method, the transition of gallium inclusions from the stable α-phase to the metastable β-phase is carried out by the action of infrared lasers with wavelengths of 1.06 μm or 10.6 μm. There is no fundamental difference between the gallium structures obtained by lasers with different wavelengths. This indicates that the main role in the formation of the β phase is played by the high quenching rate of gallium melt. Indeed, under the influence of laser radiation, the temperature of gallium arsenide in (1-5) seconds rises 100-200 degrees above the melting temperature (depending on the irradiation conditions), and its cooling proceeds at about the same rate. The melting point of gallium in the β phase was -16 ° C (figa). The crystallization temperature of the β-modification (-25 ° C) does not depend on the superheat temperature of gallium arsenide by the laser beam and the phenomenon of supercooling is observed (Fig. 1b). In addition to the peaks associated with the melting and crystallization of β-gallium, a low-temperature anomaly was detected at -90 ° C, accompanied by the release of heat and due to the reverse conversion of gallium from β-to α-modification (Fig.1c).
Реализация термического анализа веществ по прототипу с использованием дифференциального быстродействующего микрокалориметра в режиме ДСК в производимых условиях сопряжена с некоторыми техническими трудностями, к тому же по методическим причинам чувствительность и разрешение анализа выше при массах анализируемого вещества ≤1 мг, т.е. нет необходимости иметь объемную калориметрическую ячейку. Поэтому для достижения поставленной цели необходимо применение дифференциального быстродействующего (τ=10-2 с) микроваттметра на основе АТЭ из висмута с термоэлектрическим охлаждением.The implementation of the thermal analysis of substances according to the prototype using a differential high-speed microcalorimeter in the DSC mode under the given conditions is fraught with some technical difficulties, moreover, for methodological reasons, the sensitivity and resolution of the analysis are higher for analyte masses ≤1 mg, i.e. no need to have a volumetric calorimetric cell. Therefore, to achieve this goal, it is necessary to use a differential high-speed (τ = 10 -2 s) microwattmeter based on ATE from bismuth with thermoelectric cooling.
Схема устройства дифференциального микроваттметра с термоэлектрическим охлаждением представлена на фиг.2.The device diagram of a differential microwattmeter with thermoelectric cooling is shown in Fig.2.
Прибор состоит из двух сенсорных (тепломерных) площадок 6×10 мм2 на основе последовательно включенных АТЭ из висмута. Сенсоры 1 размещены на рабочей поверхности (S=10×30 мм2) многокаскадного микрохолодильника 2, вторая поверхность которого размещена на термостате 3, находящимся в тепловом контакте с окружающей средой. Многокаскадный микрохолодильник 2 представляет собой термоэлектрическую батарею из p и n-ветвей на основе теллурида висмута; возможно применение серийно выпускаемых термоэлектрических охладителей. Применение термоэлектрического охлаждения обеспечивает охлаждение исследуемого объекта 4 и эталона 5, расположенных на сенсорах 1 до - 100°C. Предусмотрена возможность проведения исследований в вакууме: в термостате 3 имеется сквозное отверстие для откачивания системы до давления 10-2 мм рт.ст., а в верхней части прибора через тефлоновую прокладку установлена стеклянная колба 6. На задней панели термостата 3 через разъем выведены электрические элементы прибора.The device consists of two sensory (heat-measuring)
Генерируемый термоэлектрический сигнал с сенсоров 1, на которых размещаются исследуемый образец 4 и эталон 5, соответствует кривой dq/dt, которая непосредственно фиксируется на двухкоординатном самописце, например XY-Recorder endim 620/02 от температуры. Скорость изменения температуры образцов 4 и 5 не более ≤1 град/мин. В случае необходимости применяется усилитель постоянного тока, например TR-1452 с уровнем шума ≤0,01 мкВ.The generated thermoelectric signal from the sensors 1, on which the test sample 4 and reference 5 are placed, corresponds to the dq / dt curve, which is directly recorded on a two-coordinate recorder, for example, XY-Recorder endim 620/02 from temperature. The rate of change in temperature of samples 4 and 5 is not more than ≤1 deg / min. If necessary, a direct current amplifier is used, for example TR-1452 with a noise level of ≤0.01 μV.
Термический анализ, основанный на ДСК с использованием АТЭ из висмута, способен обеспечить обнаружение микровключений галлия в арсениде галлия. Впервые экспериментально показано, что разрешение теплового спектра при термическом анализе сравнимо по чувствительности с результатами спектрального анализа. При анализе арсенида галлия ≈1 мг, приготовленного в виде порошка, дисперсность которого ≈0,1 мг, зарегистрированы отклики при кристаллизации микровключений β-галлия (фиг.3) на уровне ≈0,15 мкВт, что соответствует массе галлия 10-10 г при относительной чувствительности 10-5%.Thermal analysis based on DSC using ATE from bismuth can detect gallium microinclusions in gallium arsenide. For the first time, it was experimentally shown that the resolution of the thermal spectrum during thermal analysis is comparable in sensitivity to the results of spectral analysis. When analyzing gallium arsenide ≈1 mg, prepared in the form of a powder with a dispersion of ≈0.1 mg, responses were recorded during crystallization of β-gallium microinclusions (Fig. 3) at a level of ≈0.15 μW, which corresponds to a gallium mass of 10 -10 g with a relative sensitivity of 10 -5 %.
Технический результат: способ позволяет достигнуть относительной чувствительности определения галлиевых микровключений на уровне 10-5% и абсолютной чувствительности 10-10 г, что может быть использовано для контроля качества полупроводниковых материалов и управления технологией выращивания совершенных кристаллов.Effect: the relative sensitivity of the determination of gallium microinclusions at the level of 10 -5 % and the absolute sensitivity of 10 -10 g, which can be used to control the quality of semiconductor materials and control the technology for growing perfect crystals.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014111215/28A RU2561335C1 (en) | 2014-03-24 | 2014-03-24 | Method for determining content of metallic microinclusions in semiconductor materials |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014111215/28A RU2561335C1 (en) | 2014-03-24 | 2014-03-24 | Method for determining content of metallic microinclusions in semiconductor materials |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2561335C1 true RU2561335C1 (en) | 2015-08-27 |
Family
ID=54015587
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014111215/28A RU2561335C1 (en) | 2014-03-24 | 2014-03-24 | Method for determining content of metallic microinclusions in semiconductor materials |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2561335C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1704050A1 (en) * | 1989-06-06 | 1992-01-07 | Омский государственный университет | Method of determining impurities content in substances |
SU1755147A1 (en) * | 1989-06-26 | 1992-08-15 | Черновицкий Государственный Университет Им.Ю.Федьковича | Method of determining solidification temperature of amorphous tellurium and its binary alloys |
US5185273A (en) * | 1991-09-30 | 1993-02-09 | Motorola, Inc. | Method for measuring ions implanted into a semiconductor substrate |
-
2014
- 2014-03-24 RU RU2014111215/28A patent/RU2561335C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1704050A1 (en) * | 1989-06-06 | 1992-01-07 | Омский государственный университет | Method of determining impurities content in substances |
SU1755147A1 (en) * | 1989-06-26 | 1992-08-15 | Черновицкий Государственный Университет Им.Ю.Федьковича | Method of determining solidification temperature of amorphous tellurium and its binary alloys |
US5185273A (en) * | 1991-09-30 | 1993-02-09 | Motorola, Inc. | Method for measuring ions implanted into a semiconductor substrate |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ШЛЯХОВА А.Г., "ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-СКАНИРУЮЩАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА АРСЕНИДА-ГАЛЛИЯ", Проблемы энергетики, 2006, N11-12, стр.104-107. ШЛЯХОВА А.Г., ГАЛИМОВ Э.Р., ШЛЯХОВ А.Т., "РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ И БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ", Проблемы энергетики, 2007, N3-4, стр.125-129. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4195935B2 (en) | Thermophysical property measuring method and apparatus | |
RU2593445C1 (en) | Device for determining spectral emissivity of heat-shielding materials at high temperatures | |
Minakov et al. | Isothermal reorganization of poly (ethylene terephthalate) revealed by fast calorimetry (1000 K s− 1; 5 ms) | |
EP3470829B1 (en) | Dew point measuring method | |
JP2013511702A (en) | Thermal analysis system and thermal analysis method | |
Del Barrio et al. | Infrared thermography method for fast estimation of phase diagrams | |
Guenther et al. | Determination of the heat storage capacity of PCM and PCM-objects as a function of temperature | |
RU2577389C1 (en) | Method of calibrating thermoelectric heat flux sensors | |
Kappert et al. | Temperature calibration procedure for thin film substrates for thermo-ellipsometric analysis using melting point standards | |
RU2561335C1 (en) | Method for determining content of metallic microinclusions in semiconductor materials | |
Göbel et al. | A new method for the determination of the specific heat capacity using laser-flash calorimetry down to 77K | |
Razouk et al. | Towards accurate measurements of specific heat of solids by drop calorimetry up to 3000 C | |
JP2016133411A (en) | Radiation analysis device | |
JPS6119935B2 (en) | ||
CN203455299U (en) | Heat-flux-type differential scanning calorimeter | |
Grilli et al. | Thermal conductivity of e-beam coatings | |
RU136160U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING PHASE TRANSITION TEMPERATURES | |
Pelegrina et al. | Comment on “Effects of heat-flux features on the differential scanning calorimetry curve of a thermoelastic martensitic transformation” by Benke et al.[Mater. Sci. Eng. A 481–482 (2008) 522] | |
Romero et al. | Thermal and kinetic study of the ferroelectric phase transition in deuterated triglycine selenate | |
RU2654822C1 (en) | Device for determination of thermal parameters of phase transformation | |
Eshevskii et al. | A Low-Temperature Calorimeter Based on Anisotropic Thermocouples for Investigation of Disperse Systems | |
Freud et al. | Method for measuring pressure dependence of thermal conductivity of gases | |
Volkov et al. | A Calorimeter Based on Peltier Modules | |
RU2610552C1 (en) | Device to measure integral hemispherical emissivity of partially transparent materials | |
RU171974U1 (en) | Calorimeter for determining the temperature dependence of the specific heat of food |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210325 |