CC BY
143
УДК 539.67:621.315.592
УСТАНОВКА ДЛЯ ФОТОАКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ ВЫСОКООМНЫХ
ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКОВ
В.И. Митрохин, Р.Н. Антонов, Е.А. Антонова
Представлено описание установки для получения фотоакустического изображения неоднородности электрических свойств высокоомных полупроводников. Описаны структура и составные части фотоакустического микроскопа, управляемого с помощью микроконтроллера и персонального компьютера Ключевые слова: лазер, внутреннее трение, пьезополупроводик, микроскопия
В настоящее время для исследования свойств твердых тел применяются различные способы фотоакустической микроскопии, основанные на возбуждении с помощью импульсного лазера тепловых и термоупругих волн. Микроскоп такого типа позволяет получать изображение подповерхностных дефектов таких как дефектные кластеры, пустоты, дефекты ультразвуковой сварки и т. п., невидимые в оптический микроскоп. В работе [1] представлен новый способ фотоакустической микроскопии высокоомных полупроводников, основанный на изменении внутреннего трения (ВТ) в полупроводниковой пластине под действием излучения от лазерного луча, вызывающего внутренний фотоэффект в полупроводнике. Этот способ позволяет получать фотоакустическое изображение электрических неоднородностей объекта, например, распределение (топологию) примеси в приповерхностной области подложки после операции диффузии или ионной имплантации. В предлагаемой статье представлено подробное описание установки для реализации этого метода лазерной фотоакустической микроскопии. За основу была взята установка для измерения ВТ, описанная в [2]. Структурная схема этой установки показана на рис.1.
Переменное напряжение с генератора 1 подается на возбуждающий электрод 5 через ключ 3, отключающий возбуждающее напряжение в момент измерения ВТ, и конденсатор 4. На электрод 5 поступает также постоянное напряжение (120 В) с источника питания 2 для создания режима постоянного смещения при изгибных колебаниях образца 6. Конденсатор 4 позволяет предотвратить попадание постоянного напряжения в выходные цепи генератора 1. Использование режима постоянного смещения позволяет на порядок снизить величину возбуждающего напряжения.
При колебаниях образца 6 изменяется емкость, образованная регистрирующим электродом 7, образцом 6 и заземленным электродами. Эта емкость входит в колебательный контур генератора
Митрохин Виктор Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: mitro4@yandex.ru
Антонов Роман Николаевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: arn-i@mail.ru
Антонова Екатерина Александровна - ВГТУ, аспирант, e-mail: eant@inbox.ru
высокой частоты 8, и ее изменение приводит к частотной модуляции выходного сигнала генератора. С помощью измерителя модуляции 9 выделяется сигнал, пропорциональный амплитуде изгибных колебаний образца 6, а селективный усилитель 10 фильтрует сигнал от помех и наводок. Осциллографом 11 и частотомером 12 контролируется соответственно форма и частота сигнала. К выходу усилителя 10 также подключен амплитудный дискриминатор 13, который вырабатывает импульсы с частотой входного сигнала, запускает счетчик 14 при амплитуде сигнала на входе дискриминатора ниже верхнего порога ^=1,0 В и отключает счетчик 14 при амплитуде сигнала меньше порога и2=0,5 В.
Рис. 1. Структурная схема электрической части установки для измерения ВТ:
1 - генератор низкой частоты; 2 - источник постоянного напряжения; 3 - ключ; 4 - разделительный конденсатор;
5 - возбуждающий электрод; 6 - измеряемый образец; 7 - регистрирующий электрод; 8 - генератор высокой частоты; 9 - измеритель частотной модуляции;
10 - селективный усилитель; 11 - осциллограф;
12 - частотомер; 13 - амплитудный дискриминатор; 14 - электронный счетчик
Процесс измерения ВТ заключается в настройке частоты генератора 1 на частоту собственных изгибных колебаний образца 6, отключении возбуждающего напряжения ключом 3 и измерении счетчиком 14 количества свободнозатухающих колебаний N между верхним и нижним порогом дискриминатора 13. Внутреннее трение определяется по формуле:
Q"1
PN U
(1)
Для создания фотоакустического микроскопа к вышеописанной установке необходимо было добавить сканирующую часть, блок управления и обработки результатов, а также обеспечить коммуникацию с персональным компьютером (ПК).
Структурная схема электрической части фотоакустического микроскопа показана на рис.2.
Источник постоянного напряжения,
разделительный конденсатор, возбуждающий и регистрирующий электрод, генератор высокой частоты, измеритель частотной модуляции, селективный усилитель и осциллограф здесь выполняют те же функции что и в первоначальной установке.
Для построения управляющего блока 12 было решено использовать микроконтроллеры (MR) фирмы Atmel. В ходе экспериментов с MК типа ATmega и ATtiny было установлено, что входящий в их состав аналоговый компаратор оказывает меньшее влияние на входной сигнал по сравнению с
применяемым в исходной установке. Поэтому от внешних компараторов решено было отказаться, а в качестве амплитудного дискриминатора
использовать имеющиеся в МК. Блок управления построен на основе трех МК: один типа
ATmega8515 (ОБ1) и два АТ1шу2313 (ББ2 и ББ3 соответственно).
Компаратор МК ББ1 срабатывает при напряжении 0,5 В, ББ2 - при 1,0 В, ББ3 - при 1,5 В. Все три компаратора подключены к выходу селективного усилителя.
Использующиеся МК имеют следующие основные характеристики:
ATmega8515 имеет рабочую частоту до 16 МГц при напряжении питания 4,5-5,5 В. Имеет 8 кбайт внутрисхемно программируемой флэш-памяти, 512 байт внутреннего статического ОЗУ и 35 программируемых линий ввода-вывода.
АПту2313 имеет рабочую частоту до 20 МГц при напряжении питания 4,5-5,5 В. Имеет 2 кбайт внутрисхемно программируемой флэш-памяти, 128 байт внутреннего статического ОЗУ и 18
программируемых линий ввода-вывода.
МК ББ1 используется для коммуникации с ПК, ввода данных и команд с кнопочной клавиатуры, отображения различной информации на семисегментных индикаторах, управления двумя шаговыми двигателями (ШД) блока сканирования образца лазерным лучом, управления МК ББ2 и ББ3, обработкой данных измерений и пересылкой их в ПК.
Рис. 2. Структурная схема электрической части фотоакустического микроскопа:
1 - блок сканирования образца лазерным лучом; 2 - возбуждающий электрод; 3 - измеряемый образец;
4 - регистрирующий электрод; 5 - источник постоянного напряжения; 6 - генератор высокой частоты;
7 - измеритель частотной модуляции; 8 - селективный усилитель; 9 - осциллограф; 10 - разделительный конденсатор; 11 -ключ; 12 - блок управления; 13 - компьютер
Чтобы обеспечить коммуникацию между этих целей использовался входящий в состав DD1
блоком управления 12 и ПК 13, решено было универсальный синхронно-асинхронный
использовать COM порт (интерфейс RS232). Для приемопередатчик - USART (Universal Synchronous
Asynchronous Receiver Transmitter). Это потребовало использовать для DD1 кварцевую стабилизацию тактового генератора с частотой необходимой для USART. Из допустимых была выбрана частота 7,3728 МГц. Выбор именно этой величины кварцевого резонатора обусловлен отсутствием ошибок в данных при работе с USART [3]. Конвертирование уровней сигналов из стандарта TTL в стандарт RS232 и обратно выполняет установленная между МК и COM портом микросхема MAX232. С помощью получившегося интерфейса можно передавать сведенья и команды из компьютера в МК, а так же и из МК передавать данные в компьютер.
При отсутствии компьютера для подачи команд на блоке управления имеются шестнадцать кнопок, десять цифровых (0-9) и шесть командных. Опрос кнопок производится 30 раз в секунду. Для этого используется 8 линий ввода-вывода DD1. Для экономии линий ввода-вывода они же и две дополнительных используются для вывода результатов измерений, а также вспомогательных данных на два трехразрядных семисегментных светодиодных индикаторах типа GNT-5631AS-21. Индикация производится в промежутки времени между опросом кнопок. В установке используется поразрядная динамическая индикация. Ее смысл заключается в том, что в каждый момент времени отображается только один разряд (путем подключения к общему проводу через транзистор типа КТ315 катода этого разряда), а за счет инерции глаза кажется, что весь индикатор горит постоянно. Для переключения разрядов используется микросхема К561 ИЕ8 (десятичный счетчик
делитель) и две микросхемы К651ЛН1А (шесть логических элементов НЕ с блокировкой и запретом). При подаче на вход К561ИЕ8 счетного импульса происходит переключения разряда индикатора. К651ЛН1А необходимы для полного тушения индикаторов, так как имеют вход управления, который переводит все выводы в состояние Z (разомкнуто, выходное сопротивление более 10 Мом). Таким образом, вместо двадцати двух линий ввода-вывода используется только десять.
Генератор низкой частоты, имеющийся во взятой за основу установке, заменяет МК DD3.
Для генерации синусоидального сигнала в нем применен прямой цифровой синтез частоты (Direct Digital Synthesizers, DDS). За основу взята статья [4]. Суть описанного в ней метода заключается в задании таблицы мгновенных значений синуса (256 значений для одного периода), считывания из нее значений в соответствии с так называемым аккумулятором фазы и выдачи этого значения на выход одного из портов МК. Аккумулятор фазы представляет собой три восьмибитных регистра, значения которых складываются со значениями других трех аналогичных регистров, которые задают
частоту. Таким образом, аккумулятор фазы имеет разрядность 24 бита и величина приращения фазы (АРЬазе) может принимать значения в диапазоне от
0 до 224-1. Тогда частота синусоидального сигнала f и шаг ее перестройки Аf соответственно равны:
_АРЪжг/ _ (2)
У 224 , А 224 , ( )
где 0 < АРЬазе < 224, а ^ - частота дискретизации [5].
Повторить описанный в [4] алгоритм не удалось. В нем вычисление нового значения кода фазы и вывод из таблицы соответствующего ему значения синуса на один из портов МК занимало 9 тактов задающей частоты. Немного модернизировав код, удалось добиться его работоспособности, хотя и увеличило время его выполнения до 13 тактов. При тактовой частоте 18,432 МГц (определяется частотой кварцевого резонатора подключенного к данному МК) - частота дискретизации оказывается равной ~1,417 МГц. Таким образом, точность установки частоты синусоидального сигнала Аf = 0,0845 Г ц. Максимальная частота
ограничивается частотой дискретизации, но в большей степени желаемым качеством синусоидального сигнала. Так при выводе только 20 (вместо 256) значений из таблицы выходная частота будет ~70 кГц. Этого вполне достаточно для выполнения этой установкой своих функций
Полученный код мгновенного значения синуса поступает на 7 линий ввода-вывода порта Б МК ББ3, один младший бит теряется. Это связано с тем, что в этом МК используется еще и компаратор который занимает две линии ввода-вывода второго восьмибитного порта В. Для преобразования выходного кода в синусоидальный сигнал используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) называемый Я-2Я [6]. Он состоит из
резисторов с сопротивлениями Я и 2 •Я. На выходе получается синусоидальный сигнал с размахом от 0 до 5 В, с дискретизацией ~0.04 В. Для получения необходимого для возбуждения колебаний образца уровня сигнала, а также для изменения этого уровня применена схема состоящая из микросхемы КР572ПА1 (10-разрядный ЦАП), двух КМ555ИЕ10 (двоичный синхронный четырехразрядный счетчик) и операционного усилителя (ОУ) КР140УД608. За основу взята схема, приведенная в статье [7], но в цепь обратной связи ОУ включен не внутренний резистор Я, а внешний Я1 как показано на рис.3 (для КР572ПА1 Я=10 кОм). Это позволило изменять уровень сигнала в требуемых пределах, используя при этом все доступные разряды ЦАП.
Согласно [7] сопротивление резистивной матрицы Ям ЦАП изменяется в зависимости от цифрового кода:
Ям _■
я
(3)
10
Ё а •2 -
/=1
Величины а в данном выражении принимают значения 0 или 1 в зависимости от того, какое напряжение (логическая 1 или логический 0) подается на соответствующий цифровой вход ЦАП.
ОУ включен как инвертирующий усилитель. Ям используется в качестве входного резистора, Ю - в качестве резистора обратной связи, поэтому коэффициент усиления описывается формулой:
Ки _-
Я1
я„
Я1
я
(4)
Коэ ф фициент усиления схемы рис. 3 максимален и равен отношению резисторов Ю и Я, если на все цифровые входы ЦАП поданы логические единицы. Если же аю=1, а все остальные ^=0, то коэффициент передачи будет минимален - в 1024 раза меньше максимального.
Рис. 3. Схема соединения ОУ и ЦАП для цифрового управления усилением
Учитывая что амплитуда входного сигнала 2,5 В, а выходного не может быть выше напряжения питания ОУ (±15 В) - Ю должен иметь значение < 60 кОм.
Управление частотой синусоидального сигнала и его амплитудой осуществляется МК ЛТшеда8515.
Блок сканирования образца показан на рис.4. Основной частью блока является лазерный модуль, перемещаемый по направляющим вдоль первого основания первым ШД. Эта конструкция
перемещается перпендикулярно направлению движения лазерного модуля вторым ШД
расположенном на втором основании, которое крепится к вакуумной камере с исследуемым образцом. Таким образом, поверхность образца сканируется лазерным лучом в двух взаимно ортогональных направлениях. Управление сканированием осуществляется, как было сказано выше, МК ЭЭ1 посредством драйверов ШД выполненных на транзисторах типа КТ972Б и КТ973Б.
Лазерный модуль, состоящий из лазерного полупроводникового диода (ЛД) типа ЫЬЭР-635-Л501 и фокусирующей линзы, позволяет
сфокусировать лазерное излучение в точку диаметром 0,5 мм. ЛД имеет мощность 5 мВт, длину волны 635 нм, ток потребления 35 мА и диапазон рабочих температур от -10 до +40. Для стабилизации тока через ЛД используется регулируемый стабилизатор напряжения ЬМ317Т включенный по схеме стабилизации тока.
Рис. 4. Блок сканирования образца лазерным лучом:
Так как подача на ЦАП цифрового кода управления амплитудой происходит с помощью двух двоичных синхронных четырехразрядных счетчиков (это сделано с целью уменьшить количество используемых линий ввода-вывода), то на два младших из десяти разрядов ЦАП постоянно поданы логические единицы (это исключает неопределенность коэффициента усиления при всех *=0).
Таким образом, минимальный коэффициент
3 Я1
усиления данной схемы к =______________________, а
и 210 Я
1 Я1
минимальное =---------------.
и 28 Я
1 - первый шаговый двигатель; 2 - лазерный модуль; 3 - направляющие для лазерного модуля; 4 - первое основание; 5 - направляющие для первого основания;
6 - второе основание; 7 - второй шаговый двигатель
В силу особенностей работы ЛД изменять интенсивность его излучения путем изменения рабочего тока не представляется возможным. Поэтому в описываемой установке для изменения облученности исследуемого образца применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). ЛД с заданной частотой и скважностью закорачивается включенными последовательно МДП транзистором типа ШЪ2505 и сопротивлением 10 Ом, которые переключают практически весь ток на себя и гасят ЛД. Транзистор ШЬ2505 переключается
/_1
логическими уровнями напряжения, поэтому управляется непосредственно МК. Для получения ШИМ используется имеющийся в МК ББ2 шестнадцатиразрядный таймер-счетчик, считающий с частотой внутреннего тактового генератора - 8 МГц. С его помощью можно изменять интенсивность свечения ЛД от 0 до 100 % и частоту следования импульсов от 62 Гц до 40 кГц. ШИМ реализована аппаратно, то есть процессорного времени не занимает. Управление частотой следования и шириной импульсов осуществляется МК ББ1.
Установка в целом работает следующим образом. После включения устройство переходит в режим ожидания: ключ 11, выполненный на основе микросхемы К561КТ3 и управляемый сигналом от ББ1 (рис.2), замыкается, синусоидальный сигнал, генерируемый ББ3, по команде от ББ1 увеличивается и возбуждает колебания в исследуемом образце. Когда сигнал с выхода селективного усилителя превысит порог 1,5 В, ключ размыкается и амплитуда колебаний образца уменьшается за счет ВТ. Когда сигнал с выхода селективного усилителя понизится до порога 1,0 В, все повторяется с начала.
Таким образом, образец постоянно колеблется с амплитудой, дающей на выходе селективного усилителя уровень сигнала от 1,0 до 1,5В.
При подаче команды для измерения ВТ вышеописанный цикл разрывается, и ББ1 подсчитывает количество колебаний образца между уровнями компараторов 1,0 и 0,5 В. После этого в соответствии с формулой (1) вычисляет значение ВТ, отображает его на индикаторе и передает в ПК. Также во время измерения ВТ вычисляется частота свободных колебаний исследуемого образца. Если вычисленное значение сильно отличается от частоты синусоидального сигнала используемого для возбуждения колебаний, то происходит подстройка последнего.
Путем ввода соответствующих команд имеется возможность установить размеры поля сканирования и произвести последовательное измерение ВТ во всех точках этого поля с записью результатов в ПК. Также можно задавать конкретные значения частоты возбуждающего синусоидального сигнала, частоты ШИМ, интенсивности лазерного излучения, произвольно перемещать луч лазера по поверхности пластины для измерения ВТ или частоты в любой ее точке. Для получения более точных результатов имеется возможность задать количество измерений в каждой точке с последующим их усреднением.
Литература
1. Митрохин В.И., Рембеза С.И., Антонов Р.Н. Сканирующий лазерный фотоакустический микроскоп для исследования высокоомных пьезополупроводников / В.И. Митрохин, С.И. Рембеза, Р.Н. Антонов // Вестник ВГТУ. - 2011. - Т.7. - №7. - С. 65 - 68.
2. Митрохин В.И., Рембеза С.И., Свиридов В.В., Ярославцев Н. П. Воздействие оптического излучения на внутреннее трение в пьезополупроводниках с глубокими центрами / В.И. Митрохин, С.И. Рембеза, Н.П. Ярославцев ФТП. - 2002. - Т. 33. - №2. - С. 138 - 143.
3. USART "Эхо" под Attiny2313 AVR для проверки
работы устройств с использованием протокола. -
Электрон. дан. - Режим доступа: http://avrlab.com/
node/44
4. DDS генератор. - Электрон. дан. - Режим доступа: http:// cxem. net/izmer/izmer7 5. php
5. Низкочастотный генератор синусоидального сигнала с шагом сетки 0,01 Гц. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.platan.ru/shem/pdf/sin.pdf
6. Резисторные матрицы - Википедия. - Электрон.
дан. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Ре-
зисторные_матрицы
7. Усилители с электронным управлением. -
Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.radio-
master. ru/stati/radio/su_ 1. php
Воронежский государственный технический университет
PHOTOACOUSTIC MICROSCOPY DEVICE FOR A HIGH-RESISTANCE PIEZOELECTRIC
SEMICONDUCTORS
V.I. Mitrokhin, R.N. Antonov, E.A. Antonova
The installation description for obtaining the photoacoustic image of heterogeneity of electric properties of highresistance semiconductors is presented. The structure and components of the photoacoustic microscope operated by means of the microcontroller and the personal computer are described
Key words: laser, internal friction, piezoelectric semiconductor, photoacoustic microscopy
