1. Постановка задачи

В последнее время пристальное внимание уделяется карбиду кремния (SiC) - современному полупроводниковому материалу с уникальными физическими и химическими свойствами. Приборы на основе карбида кремния, способны работать при высоких температурах, в агрессивных средах, и при повышенном уровне радиации [4].

Получение высококачественных полупроводниковых монокристаллов невозможно без эффективных автоматизированных систем управления процессом роста. Все управляющие системы реализованы на базе традиционных ПИД-регуляторов, и, как правило, контролируют градиент температуры тигля, массу растущего кристалла, степень вакуума в камере. Уровень развития подобных систем достиг своего предела, и повышение качества управления практически не влияет на процент выхода качественных полупроводников.

В последнее время все чаще встречаются научные работы о применения новых, так называемых "интеллектуальных" методов контроля за сложными слабоформализуемыми процессами, в частности процессом синтеза монокристалла карбида кремния высокой степени совершенства. В основе данных методов лежит нечеткая логика и нейронные сети. Целью этих работ являются попытки авторов заглянуть вглубь ростовой ячейки и проследить на низком уровне кинетику зарождения и развития дефектов в растущем монокристалле. Сложные условия, в которых происходит рост кристалла (высокая температура, вакуум), делают невозможным применение традиционных методов для определения качества полупроводника [4]. Решить проблему позволит метод акустической эмиссии, который даст возможность проследить кинетику зарождения и развития дефектов в монокристалле в процессе его роста. Впоследствии, это позволит увидеть дефектообразование, что крайне важно при совершенствовании и оптимизации ростового процесса.

2. Описание решения

Для решения поставленной задачи был спроектирован экспериментальный комплекс, за основу которого взят метод акустооптической лазерной интерферометрии [3] (рисунок 1). Оптический интерферометр полностью соответствует дистанционной измерительной схеме, где высокая точность, большой динамический диапазон и широкополосность сочетаются с возможностью удаленных измерений, нейтральных к воздействиям, на участках, подводящих сигнал к чувствительному элементу датчика [2].

Рисунок 1 - Функциональная схема комплекса

В качестве датчика применен один из вариантов построения дистанционного двуплечевого интерферометрического измерителя с поляризационным разделением каналов в плечах и вспомогательной синусоидальной фазовой модуляцией, в которой чувствительный участок интерферометра удален от оптического источника и аппаратуры, причем подразумевается, что влияния на измерения (воздействия в области подводящей оптической трассы) подавлены. Измеритель представляет собой двуплечевую интерференционную схему Маха-Цендера, в которой на выходе подводящего участка трассы происходит поляризационное разделение луча. Прибор может работать как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях.

После прохождения пространственно разнесенных плечей, интерференционный световой сигнал через отводящий участок трассы поступает к фотоприемнику и далее в карту сбора данных PCI-6229. Там осуществляется масштабирование сигнала, после чего сигнал передается функциям Sound and Vibration Toolkit [1], где идет его обработка на взвешивающем фильтре, а затем блоками Sound Level Measurement и Limit Testing. После обработки происходит построение графика, отображающего выделенный акустический сигнал.

Разработанный виртуальный прибор позволяет одновременно наблюдать сигналы акустической эмиссии и подавать сигнал изменяемой формы на электрооптический модулятор. Блок генератора сигналов вырабатывает синусоидальный сигнал, параметры которого можно менять с помощью регуляторов частоты, амплитуды, фазы и смещения. Блок исследуемого сигнала содержит регулятор коэффициента усиления и панель управления полосовым фильтром, позволяющая настроить полосу пропускания фильтра с помощью ограничителей нижнего и верхнего пределов

Рисунок 2 - лицевая панель виртуального прибора

3. Используемое оборудование и программное обеспечение

Для регистрации и анализа акустических измерений были использованы библиотеки виртуальных приборов NI Sound and Vibration Measurement Suite 4.0 [1]. Обладая большим набором функций и способностью к открытому анализу, Sound and Vibration Assistant позволяет значительно ускорить процесс анализа акустических сигналов. Кроме того, Sound and Vibration Assistant [1] упростил процесс фильтрации и анализа акустических шумов.

Спроектированный виртуальный инструмент позволит «на лету» анализировать процессы, происходящие в растущем кристалле, сохраняя необходимую информацию на диске ПЭВМ для дальнейшего, более тщательного и подробного анализа.

Применяемая в проекте многофункциональная карта сбора данных PCI-6229 - это недорогое решение для высокоскоростных многоканальных систем высокой точности измерений. В ее состав входит два системных контроллера NI-STC и два программируемых усилителя. Наличие технологии Nl-Mcal позволяет производить калибровку прибора. Каналы системы сбора данных имеют разрешение 16 бит, частота дискретизации достигает 250 кбит/сек. Плата может работать под управлением различных операционных систем, и, конечно же, под ОС Windows.

Используемое в проекте оборудование и программное обеспечение позволило получить мощное и относительно недорогое решение проблемы.

4. Внедрение и развитие решения

Дальнейшее совершенствование и развитие программной и аппаратной частей комплекса позволит достичь следующих результатов:

• детальнее и глубже наблюдать кинетику развития дефектов в кристалле SiC во время роста;

• улучшить качество получаемых монокристаллов, оптимизируя условия роста и совершенствуя систему управления процессом, на основе полученных данных

• разработать методику обнаружения развития дефектов не только для полупроводниковых, но и для оптических кристаллов.

Дальнейшее развитие системы предполагает применение специализированных карт сбора данных типа USB-9233 или NI PCI-4461, которые оснащены 24-разрядными многоканальными АЦП, большим динамическим диапазоном и предназначены непосредственно для виброакустических измерений и анализа.

Представленное решение планируется применить для проведения научно-исследовательских работ в Северо-Кавказском государственном техническом университете на кафедре нанотехнологии и технологии материалов электронной техники и кафедре электроники и микроэлектроники химико-технологического факультета. Законченное изделие предполагается внедрить на предприятиях региона, занятых в производстве оптических и полупроводниковых монокристаллов. В Ставрополе это ООО НПФ "ЭКСИТОН", 000 НПФ "СИНКРИСТ", 000 НПФ "СТИКС".

Список литературы:

1. А.Я. Суранов LabVIEW 7: справочник по функциям. Москва: ДМК Пресс, 2005.512 с.

2. И.Л.Иванов, А.Л. Чайковский, А.Л. Кумейша ЖПФ. 1978. Т. 28. № 3

3. Др. Адриан Поллок Physical Acoustics Corporation (РАС) Металлы (METALS HANDBOOK), 9-ое издание, т. 17, ASM International (1989):с. 278-294.