SU1749838A1 - Зондирующее устройство - Google Patents

Abstract

Использование: исследование свойств полупроводниковых и светочувствительных материалов при одновременном подведении в фиксированную точку исследуемого объекта как миллиметрового, так и оптического излучени  и сн ти  отклика от объекта на эти сигналы. Сущность изобретени : зондирующее устройство содержит источник миллиметрового излучени , источник оптического излучени , приемно-передающую антенну, разв зывающее устройство, направленный ответвитель, детекторы и падающий и отраженной мощности, волновод 2, световод 4 с соответствующими св з ми. Чувствительность зондирующего устройства повышаетс  за счет выполнени  приемно-передающей антенны из диэлектрического волновода 1 с излучающей поверхностью, перпендикул рной оси волновода, в виде двухслойного световода, размещенного в оболочке из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью в миллиметровом диапазоне частот. 1 з.п.ф-лы, 1 ил. (Л С

Description

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при исследований свойств полупроводниковых и светочувствительных материалов, а также в других областях науки и техники, где требу„ ется одновременное подведение в фиксированную точку исследуемого объекта как миллиметрового (ММ), так и оптическогр излучения и снятия отклика от объекта на эти сигналы.

Известно зондирующее устройство, состоящее из двух лазеров, инфракрасного и оптического диапазонов, системы фокусировки излучений в фиксированную'точку на поверхности исследуемого объекта и детекторов, регистрирующих уровень мощности отраженного или прошедшего инфракрасного излучения. Это устройство громоздко, так как включает систему юстировки, которая обеспечивает совмещение падения излучения от двух источников в одну точку, т.е. совмещение центров распределения интенсивности этих излучений в точке падения. Другим недостатком устройства является возможность нарушения юстировки и фокусировки ввиду тепловых уходов в процессе проведения измерений. '

Известно зондирующее устройство, содержащее малогабаритный диод Ганна, в качестве источника зондирующего ММ излучения, систему металлических волноводов, направляющи/ это излучение, миллиметровую антенну рупорного типа, подводящую излучение к фиксированной точке исследуемого объекта и принимаю- щую отраженный сигнал, СВЧ-детекторы, регистрирующие величину падающего и отраженного ММ излучения, а также лазерный светодиод, в качестве источника возбуждающего оптического излучения, и систему фокусировки его излучения в области падения на объект ММ излучения. Недостатком устройства является низкая точность измерения параметров исследуемого объекта, связанная с трудностью совмещения излучений двух источников в одной точке на поверхности исследуемого образца, возрастающая ввиду Сложности визуализации этих излучений и увеличения области распределения их интенсивности на повер- 50 хности объекта в силу слабой направленности источников. В результате наличия системы юстировки'ЭТО устройство полностью не решает задачи Минимизации размеров и улучшения надежности по сравнению 55 с йз'вёстным устройством. . '

С целью устранения указанных недостатков, а именно уменьшения размеров устройства, улучшения точности и надежности измерения параметров исслёдуемо15

1749838 4 го объекта, приемно-передающая миллиметровая антенна выполнена из диэлектрического волновода, состоящего из двухслойного световода, размещенного в оболочке из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью в миллиметровом диапазоне частот, причем излучающей частью антенны является поверхность волновода перпендикулярная его оси.

Предлагаемое устройство выполняет функцию аналога и прототипа, а именно подводит ММ и оптическое излучение в фиксированную точку исследуемого объекта со строгим выполнением требования совпадения центров распределения интенсивностей этих излучений в этой точке и одновременно принимает отраженный миллиметровый сигнал. При указанном выполнении приемно-передающей антенны достигается значительное уменьшение размеров зондирующего устройства, так как становятся ненужными системы фокусировки и совмещения оптического и ММ излучения в фиксированной точке на поверхности 25 исследуемого объекта. Операция совмещения осуществляется автоматически за счет конструктивного исполнения устройства, в котором зондирующее ММ излучение и возбуждающее оптическое излучение падают на исследуемый объект из одной точки. Погрешность совмещения центров распределений ММ и оптического излучений на поверхности исследуемого объекта определяется точностью совмещения осей световода и ДВ при изготовлении предлагаемого зондирующего устройства. Перенос стадии юстировки устройства с момента подготовки к измерениям, на процесс его производства обеспечивает повышение надежности и устраняет температурный дрейф метрологических параметров устройства при изме-. рениях.

Размеры областей распределения интенсивности ММ и оптического излучений сят от' дифракционных параметров излучателя'и расстояния между ним и объектом. При использовании антенны из ДВ, у которой излучающей поверхностью является поверхность среза волновода перпендикулярного его оси, ММ излучатель можно сколь угодно близко подвести к исследуемому объекту и для расстояния порядка поперечного размера используемого ДВ размер области распределения интенсивности ММ излучения на поверхности образца будет ограничен величиной порядка длины волны зондирующего излучения в воздухе.

на поверхности исследуемого объекта зави

Размер области распределения интенсивности возбуждающего оптического излучения на поверхности объекта определяется расстоянием торца световода до образца и углом расхождения свето- 5 вого потока, зависящего от диаметра центральной части двухслойного световода. Соотношение размеров областей распределения интенсивности ММ и оптического излучений зависит от положения срёза световода относительно торца, окружающей его диэлектрической оболочки, образующей ДВ. При введении в предлагаемое зондирующее.устройство механической системы перемещения световода относительно окружающей диэлектрической оболочки обеспечивается регулировка размеров светового пятна в пределах от размера центральной жилы световода до размеров, превышающих область ММ облучения на исследуемом образце.

Изменение положения исследуемой области на объекте при использовании предлагаемого зондирующего устройства может производиться как за счет перемещения ис- 2Σ следуемого объекта, так й посредством перемещения самого устройства, что обеспечено его компактностью. .

Предлагаемая конструкция также позволяет значительно расширить диапазон частотной перестройки зондирующего излучения без потери функциональных качеств устройства.

На чертеже изображено зондирующее устройство.

Зондирующее устройство включает источник ММ излучения - диод· Ганна, источник оптического излучения - лазерный светодиод, диэлектрический волновод 1 (ДВ), выполняющий функцию приемно-передающей антенны. К ДВ 1 от источника через невзаимное развязывающее устрой-. ство и направленный ответвитель с детекторами падающей ^отраженной мощности по металлическому волноводу 2 подается ММ 45 излучение. В волновод 2 через отверстие 3 вводится световод 4, по которому от источника распространяется оптической излуче ние, причем световод на отдельном участке телей заряда на поверхности образца и по; сигнала поступает модулированный ММ сигнал, который методами синхронного детектирования усиливается и по' его величине вычисляется фоточувствительность в фикси55 рованной точке полупроводниковой структуры. Далее перемещая либо само зондирующее устройство, либо’образец относительно устройства снимается распределение фоточувствительности по площади образца.

тотном диапазоне ММ излучения. С этой стороны ДВ Также осуществляется его связь со световодом 10.

Положение ДВ 1 и световода 4 относительно стенок волновода фиксируется диэлектрическими вставками 8 с малой диэлектрической проницаемостью (например, пористый пенопласт или фторопласт). Противоположный конец ДВ имеет срез перпендикулярный его оёи, однако положение торца световода (его центральной жилы 6) может меняться по отношению к срезу оболочки 7 за.счет перемещения световода при помощи мйкрометрйчёСкОго винта 5. Излучение от ММ источника посредством ДВ 1 подается на поверхность исследуемого образца 9. часть отраженного от поверхности сигнала поступает в ДВ, который служит приемной антенной ММ излучения, и направляется к детектору. Для уменьшения влияния на отражённый сигнал различных переотражений к фланцу волновода 2 прикреплен специальный поглотитель 10. Расстояние между ДВ и образцом регулируется за счёт перемещения всего устройства, а зазор между световодом и образцом дополнительно может изменяться -путем перемещения световода с помощью приспособления, что обеепечива30 ет регулировку размеров светового пятна на поверхности образца.

Для конкретного случая; измерения' локального распределения фоточувствительности полупроводниковой структуры, предложенное зондирующее устройство работает следующим образом. На образец посредством зондирующего устройства подается одновременно непрерывный сигнал ММ излучения и модулированный ¹ сигнал оптического излучения. В полупроводнике при падении на него оптического излучения генерируется плазма * неравновесных носителей заряда, плотность которой пропорциональна фоточувствитёльности (в частном случае, времени жизни неравновесных носителей заряда). Величина'отраженного ММ Сигнала пропорциональна плотности носи35 охвачен микрометрическим винтом 5, вра- 50 этому на детектор отраженного ; щением которого можно изменять длину участка световода, введенного в металлический волновод й являющегося частью ДВ1.

ДВ состоит из двухслойного световода 4 с центральной жилой б и оболочки 7, охватывающей световод со всех сторон. Часть ДВ 1 со стороны подключения диода Ганна выполнена со скосом (имеет переменное сечение), что обеспечивает согласование ДВ и металлического волновода в широком часΊ

В предложенном практическом варианте зондирующего устройства при расчете на работу с излучением диапазона 4 мм использовались стандартные металлические волноводы сечения 3,6 х 1,8 мм², ДВ сечения 1,0 х 1.0 мм² изготовлялись из полуизолируюЩего арсенида галлия, а двухслойный световод с диаметром 80 мкм оставлялся в прямоугольное отверстие в центре ДВ. сделанное путем выпиливания в арсенид галлиевых стержнях сечения 1,0 х 0,5 мм² борозд сечения 100 х 50 мкм и склеивания двух таких структур в волновод. Длина ДВ выбиралась порядка 40 мм, длина согласующего скоса порядка 10 мм.

С целью дополнительного повышения точности и локальности измерений, проводимых при помощи предлагаемого устройства. целесообразно изготавливать ДВ из одномодового световода, окруженного керамикой типа окиси титана бария (έ- 90).

Предлагаемое зондирующее устройство целесообразно использовать при реализации способов бесконтактных измерений времени жизни неравновесных носителей заряда, характеристик глубоких уровней и поверхностных состояний в полупроводниковых структурах.

Введение этого устройства в измерительные схемы приводит к уменьшению размеров и повышению надежности работы метрологической аппаратуры, что позволяет использовать их в технологических системах Для контроля качества проводимых операций, в том числе непосредственно встраивая в технологическое оборудование. За счет повышения точности измерений, связанных с повышением уровня чувстви5 тельности при локальных измерениях при помощи предлагаемого устройства можно значительно расширить класс контролируемых параметров и типы исследуемых полупроводниковых структур.

Claims (2)

10 Формула изобретения

1. Зондирующее устройство содержащее источник зондирующего излучения миллиметрового диапазона и источник возбуждающего оптического излучения, оптически связанные с приемно-передающей антенной, о т л и ча ю щ е ее я тем, что, с целью уменьшения габаритов и повышения точности и надежности измерений параметров объектов за счет автоматического совмещения излучений в фиксированной точке исследуемого объекта, приемно-передающая миллиметровая антенна выполнена из диэлектрического волновода с излучающей поверхностью, перпендикулярной оси волновода, в виде двухслойного световода, размещенного в оболочке из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью в миллиметровом диапазоне частот.

2. Устройство по п. /отличающее- с я тем, что, с целью повышения чувствительности, оно снабжено элементом перемещения световода, размещенным на волноводе приемно-передающей антенны. -