Акустические и капиллярные методы контроля РЭСИ. Электролиз (пузырьковый метод) (стр. 2 из 2)
Такое проникновение возможно далеко не всегда: большое поверхностное натяжение на границе раствор-пленка, малый размер пор и отсутствие смещения на ячейке препятствуют проникновению раствора к полупроводниковой пластине (см. рис.3,а)
При приложении напряжения определенной величины и полярности (« - » к кремниевой подложке, «+» к раствору электролита – рис. 3,б) наблюдается выделение пузырьков газа (водорода) и появляется электрический ток. Это объясняется тем, что на границе «раствор – диэлектрик» имеется двойной электрический слой, образованный адсорбированными ионами раствора электролита.
Полярность этого слоя обычно определяется правилом Коэна: тела с большей диэлектрической проницаемостью заряжаются положительно. Так как диэлектрическая проницаемость большинства пленок находится в пределах 4-10, а водных растворов электролитов до 81, то полярность двойного электрического слоя на границе раствор-диэлектрик будет соответствовать положительному заряду раствора. На каплю раствора в этом случае будут действовать силы, стремящиеся затянуть ее в пору диэлектрика. Затягивание раствора в мелкие капилляры происходит только при достижении определенного напряжения (20 -50 В).
При приложении напряжения обратной полярности между подложкой и раствором будет происходить выталкивание капли раствора из поры (см. рис.3,в)
Процесс электролиза включает в себя следующие стадии:
-диссоциация молекул воды
(1)-образование иона гидроксония
(2)- дрейф иона гидроксония к катоду (исследуемой пластине кремния с пористым диэлектриком SiO2);
- нейтрализация иона гидроксония электроном
(3)-образование молекулы водорода
(4)-формирование из молекул Н2 пузырька водорода и всплытие его в жидко сти под действием выталкивающей силы F, равной:
(5)где
R – радиус пузырька;
рж – плотность жидкости;
g– ускорение свободного падения.
Ток в поре диэлектрика определяется по формуле:
(6)где
е – заряд электрона;
N – число молекул водорода в объеме пузырька;
t – время образования пузырька.
От напряжения внешнего электрического поля зависят лишь третий и четвертый этапы. Оценка пористости пленки включает в себя определение диаметра пор и числа пор на единицу поверхности.
Оценка диаметра пор может проводиться следующими методами:
1) Визуально, по радиусу окрашиваемого пятна
(7)где
– радиус поры;к – поправочная функция на несферичность пузырька;
– радиус пузырька водорода;σ – поверхностное натяжение на границе газ-раствор.
Радиус пор может быть вычислен также по приближенному соотношению:
(8)2) По номограмме.
Для определения величины диаметра поры необходимо значение диаметра пятна
соединить прямой линией со значением напряжения 
(см. рис. 4). Затем прямой линией соединить значения времени 
и толщины окисной пленки кремния 
. Точки пересечения этих прямых (а и b) со вспомогательными осями 1 и 2 соединяются между собой, и точка пересечения (δ) этой линии с осью 
определяет величину диаметра поры. Этот метод оценки размера сквозных дефектов может быть использован практически для любых диэлектрических пленок.3) По ВАХ структурам (полупроводник-диэлектрик-электролит ПДЭ).
Если при обратной полярности по цепи структуры ПДЭ протекает ток в несколько миллиампер (см. рис.5), то это свидетельствует о том, что все существующие в диэлектрической пленке поры имеют размеры, превышающие 1 мкм. Мелкие поры характеризуются отсутствием тока в данной цепи.
Оценка среднего числа пор на единицу поверхности производится поформуле:
(9)где
- общее количество дефектов при фиксированном поле;S – площадь исследуемой структуры;
к – число наблюдений при фиксированном поле.
Зависимость пористости диэлектрических пленок на кремниевых подножках от способов получения пленок представлена в таблице 3.
Испытательная ячейка для электролиза представлена на рис. 6.
Рисунок 4 – Определение величины диаметра поры по номограмме.
Рисунок 5 – ВАХ структуры полупроводник-диэлектрик-электролит
Таблица 3
Зависимость пористости диэлектрических пленок на кремниевых подложках от способов получения пленок
| N | Различные способы осаждения пленок SiO2 | Плотность пор,см2 | Эффективный диаметр пор, мкм |
| 1 | Термические | 10-60 | 0,1 - 0,5 |
| 2 | Термические, после операции фотолитографии | 100 - 500 | 102- 103 |
| 3 | Пиролитические | 50 - 200 | 0,1 -0,5 |
| 4 | Электронно-лучевые | 104 - 105 | 0,01 - 0,05 |
| 5 | Катодные | 104 - 106 | 0,1 - 10 |
Рисунок 6 – Испытательная ячейка для электролиза
1 – исследуемая структура; 2 – нижний электрод; 3 - резиновое кольцо; 4 – электролит; 5 – верхний электрод.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глудкин О.П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. – М.: Высш. школа., 2001 – 335 с 2001
2. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред. А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 – 272 с.
3. Млицкий В.Д., Беглария В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 – 567 с 2003
4. Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 2007 2007
5. Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств – Техносфера, 2005. – 504с.