Датчик электрофизических параметров полупроводников

 

ДАТЧИК ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, содержа щий СВЧ-резонатор квазистатического типа с первым и вторым элементами связи и измерительным отверстием св зи в торцовой стенке, в котором размещен индуктивный штырь, закрепленный на металлической диафрагме, образующей противоположную то; цовую стенку резонатора, о т л и Чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения,в него введена пластина с отверстием, выполненная из низкоомного полупроводникового материала, закрепленная с внешней стороны торцовой стенки резонатора с измерительным отверстием связи, при этом отверстие в пластине соосно с измерительным отверстием связи, а диаметр отверстия и толщина пластины выбираются из условия dm т d от D гдеОшт диаметр свободного торца индуктивного штыря; диаметр отверстия в пластине; диаметр измерительного отверстия СВЯЗИ; толщина скин-слоЯ материала пластины на рабочей частоте резонатора толщина пластины.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГ(УБЛИН

3(51) Н. 01 (21/66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

С(щт C1 щ 3,)

Ь <3 где С шт

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3450386/18-21 (22) 07.06.82 (46) 30.09.83. Бюл. 9 36 (72) В.Б.Ахманаев, Г.Н.Данилов, N В.Детинко, Ю.В.Медведев и А.С.Петров (71) Сибирский физико-технический институт им. В.Д.Кузнецова при Томском ордена Трудового Красного Знамени государственном университете им. В.В.Куйбышева (53) 537.311.33.082.7(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 779937, кл. С 01 R 31/28, 1978.

2. Ахманаев В.Б. и др. Резонатор для бесконтактного измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов. — Электронная техника.

Сер.1, Электроника СВЧ, 1981, вып.4 (328), с.49. (54) (57) ДАТЧИК ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, содержащий СВЧ-резонатор кваэистатического типа с первым и вторым элементами связи и измерительным отверстием связи в торцовой стенке, в котором размещен индуктивный штырь, закреп(19) 0(ш А ленный на металлической диафрагме, образующей противоположную то)цовую стенку резонатора, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения,в него введена пластина с отверстием, выполненная из низкоомного полупроводникового материала, закрепленная с внешней стороны торцовой стенки резонатора с измерительным отверс- тием связи, при этом отверстие в пластине cc}ocHQ с измерительным отверстием связи, а диаметр отверстия и толщина пластины выбираются из условия диаметр свободного торца индуктивного штыря; диаметр отверстия в плас- С тине; диаметр измерительного от- Я верстия связи; толщина скин-слой материала пластины на рабочей частоте резонатора; толщина пластины.

10 Ь310. ромагнитной волны, распространяющейся в зазоре между исследуемым полупроводником и ниэкоомной пластиной, от величины удельного сопротивления

Пла::тины. Анализ распространения электромагнитной волны вдоль поверхности полупроводниковой пластины показывает, что с помощью полупроводниковой пластины, расположенной на торцовой стенке резонатора, можно исключить излучение электромагнитного поля иэ неконтролируемого зазора между исследуемым полупровоцником и низкоомной пластиной за счет быстрого затухания в ней. Для этого необходимо, чтобы толщина ниэкоомной пластины h была больше глу) бины скин-слоя Ь материала, иэ кото го она изготовлена. Если толщина пластины h будет меиьше толщины ее скин-слоя b, то в ней будет распространяться электромагнитная волна за счет малого коэффициента затухания, что приводит к снижению точности измерения электрофизических параметров. Потери, вносимые при этом исследуемым полупроводником в резонатор, определяются его удельным, сопротивлением и не зависят от неконтролируемого прижима и местоположения образца относительно отверстия связи резонатора.

Пластина, расположенная на внешней торцовой стенке резонатора, является частью его стенок и вносит дополнительные потери, уменьшает коэффициент связи.. Это приводит к уменьшению диапазона измеряемых значений электрофизических параметров полупроводников. Для уменьшения .влияния пластины на диапазон измерения электрофизических параметров необходимо, чтобы ее толщина была меньше диаметра отверстия связи резонатора с полупроводником (h

Диаметр отверстия связи определяет пространственное разрешение датчика.

Диаметр отверстия в полупроводниковой пластине должен быть меньше или равным диаметру отверстия связи.

Это обясняется тем, что увеличивать диаметр отверстия в пластине. нецелесообразно из-эа ухудшения пространственного разрешения датчика,. Минимальный диаметр отверстия в пластине ограничен диаметром торца штыря.

Измерение удельного сопротивления () полупроводников предлагаемым датчиком производится посредством определения потерь, вносимых исследуемым образцом в резонатор. Для этого СВЧ-резонатор через элементы связи включается в измерительный тракт, и по стандартной методике находится изменение нагруженной добротности либо коэффициента передачи. .Удельное сопротивление исследуемого полупроводника вычисляется по формулам

aL

1 (высокоомные (р, полупроводники (2)

Рд р Р ==10 -10 Ом см} г-/ т. (4 -") о. " -- - †— ниэкаомные

77 нСъ (и, "к н < -- полупроводники шт

10 10-> — 10 Ом см (Ъ7 где P, — СВЧ-мощность, прошедшая

6) через резонатор без полу- . проводника;

15 P, — СВЧ-мощность, прошедшая через резонатор с полупроводником; д „ — собственная частота резонатора с полупроводником; коэффициент зависящий от величины связи и нагруженной добротности Q.

"о резонатора;

К, — коэффициент включения низкоомного полупроводника;

C — емкость зазора между торцом штыря и поверхностью .полупроводника;

Р— диаметр отверстия связи

ЗО резонатора " полупроводником;

d — диаметр свободного торца

ШТ штыря.

Дня определения коэффициентов (Зэ К„ в выражениях (2) и (3) используются эталонные образцы, по которым осуществляется калибровка резонатора. Суть калибровки заключается в том, что по эталонным образцам

Щ с известным р по формулам (2) и (3) вычисляются коэффициенты <К, К .

Измерение распределения у по площади исследуемого полупроводникового образца осуществляется путем

@g;его сканирования над (или под) отвера тием связи резонатора.

Предлагаемый датчик кроме .удельногЬ сопротивления позволяет также измерять и другие электрофизические параметры f полупроводников, такие как диэлектрическая проницаемость Е, фотопроводимость DG время жизни т. и концентрация свободных носителей заряда и, а также толщину Г полупроводниковых образцов, их неплоскостность. Методика измерения этих электрофизических параметров основана на регистрации изменения характеристик резонатора (f, Q) эа счет изменения характеристик полупровод6 ника при освещении его оптическими импульсами.

Примером выполнения изобретения является датчик с пластиной, выполненной иэ легированного кремния с

Я f 5 10 Ом.см. Глубина скин-слоя

1045310

Иэобретение относится к измерительной.технике, в частности к технике бесконтактного измерения электрофиэических параметрон полупроводников, и может быть использовано на предприятиях, производящих и потребляющих полупроводниковые материалы, в технологических процессах их разбраковки, сортировки, а ,также в исследовательской практике при изучении природы дефектов.

Известны датчики злектрофизических параметрон (удельного сопротивления р ) полупроводниковых пластин íà основе резонаторов квазистатического типа, содержащие отрезок запредельного волновода с индуктивным штырем на одной из широких стенок и элементы связи.

Исследуемая полупроводниковая пластина помещается в зазор между 20 свободным торцом штыря и широкой стенкой волнонода. Основным достоинством этих датчикон является высокое пространственное разрешение,которое определяется диаметром свобод- 5 . ного торца штыря 1 .

Недостатками известных датчиков являются необходимость приготовления полупроводниковых.пластин определенной толщины, трудоемкая операция размещения исследуемого образца внутри волновода под свободным торцом штыря и узкий диапазон измерения удельного сопротивления (g = 10 — 10 Ом см).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому является датчик, содержащий СВЧ-резонатор кваэистатического типа с первым и вторым элементами сняаи и измерительным от- 40 верстием связи в торцовой стенке, в котороЕ введен индуктивный штырь, закрепленный на металлической диафрагме, образующей противоположную стенку резонатора. 45

Потери, вносимые исследуемым полупроводником в резонатор, определяютая удельным сопротивлением у образца и коэффициентом связи его c резонатором. Величина коэффициента щ связи определяется геометрическими размерами отверстия снязи, торца индуктивного штыря и зазора между торцом штыря и поверхностью полупроводника. Регулируя зазор между торцом штыря и поверхностью полупроводника, можно обеспечить эффективное включение как низкоомных, так и высокоомных полупроводников в резонатор и, следовательно, измерить их удельное сопротивление Г23. 60

Недостатком данного датчика является ненысокая точность измерения ниэкоомных полупронодников (P =

10 -10 Ом.см). Это обусловлено тем, что в зазоре между поверхностью 5Я полупроводника и стенкой резонатора распространяется электромагнитная

> волна, которая приводит к утечке электромагнитной энергии иэ .резонатора. Величина этих потерь .имеет случайных характер, так как зависит не только от полупроводника, но и от неконтролируемого прижима, местоположения образца относительно отверстия связи.

Цель изобретения - повышение точности измерения электрофизических параметров полупроводников.

Указанная цель достигается тем, что н датчик, содержащий СВЧ-резонатор кваэистатического типа с первым и вторым элементами связи и измерительным отверстием связи в торцовой стенке, в котором размещен индуктивный штырь, закрепленный на металлической диафрагме, образующей противоположную торцовую стенку резонатора, нйедена пластина с отверстием, выполненная из низкоомного полупроводникового материала, закрепленная с внешней стороны торцовой стенки реэонатора с измерительным отверстием связи, при этом отверстие н пластине соосно с измерительным отверстием связи, а диаметр отверстия и толщина пластины выбираются из условия

d

6

d — диаметр отверстия н пласот

1 тине;

D — диаметр измерительного отнерстия связи; д †.толщина скин-слоя материала пластины на рабочей час тоте резонатора;

h — толщина пластины.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого датчика электрофизических параметров полупроводников; ,на фиг.2 — узел Х на фиг.1.

Датчик содержит цилиндрический

СВЧ-резонатор 1 квазистатического типа с измерительным отверстием 2 .связи в торцовой стенке и с исследуемым полупроводником 3, индуктивный штырь 4, свободный конец которого расположен в отверстии 2, и первый и второй элементы 5 и б связи. Индуктивный штырь 4 укреплен на гибкой диафрагме 7, которая обеспечивает воэможность его перемещения вдоль своей оси. На торцовой поверхности резонатора 1.извне закреплена пластина 8, соотношение размеров отверстия и толщины которой показано на фиг.2, В основу работоспособности предлагаемого датчика положена зависимость коэффициента затухания элект .

1045310 ф„. 2 э-.ого материала на частоте f =10 Гц равна >--120 мкм, Толщина пластины и 500 мкм, что удовлетворяет выполнению условия

h

Поверхность пластины, на которую накладывается исследуемый полупровод ник, полирована и покрыта диэлектрической пленкой (например, окисью кремния 810 ), противоположная поверХность пластины шлифована для лучшего сцепления со стенкой резонатора. Пластина крепится к резонатору при помощи токопроводящей пасты.

Резонатор с данными геометрическики размерами работает в диапазоне частот 1000-2000 МГц„ Перестройка собственной частоты резонатора в указанном диапазоне осуществляется путем перемещения индуктивного штыря вдоль свсей оси. Диапазон измерения О электрофизических параметров, .например удельного сопротивления, оп-ределяется коэффициентом связи, собствЕнной добротнсстью резонатора и

)составляет для данного датчика

25 .110 -10 Ом ° см.

-Ъ

Повышение точности измерения элект рофи зических параметров полупроводников предлагаемым датчиком по срав. нению с прототипом достигается за 3() счЕт уменьшения неконтролируемых потерь злектромагHHTHQA энергии из резонатора. Злектромагнитная волна, которая возбуждается в зазоре между поверхностями образца и низ- 35 коомной пластины, затухает вблизи отверстия и не выходит за пределы площади исследуемого полупроводника, За счет этого результаты измерения

0 не зависят от местоположения кран 4() полупроводникового образца относительно отверстия связи и от прижима образца к стенке резонатора.

Результаты испытаний показывают, что предлагаемый датчик в 60 раз повышает точность измерения удельного сопротивления кремниевых пластин по сравнению с датчиком-прототипом.

Основным техническим преимуществом предлагаемого датчика по сравнении с базовым .объектом, 4-х зондоной установкой, является высокая точность (10%) измерения (в диапазоне 10 -5 10 Ом.см, в то вре-. 1 мя как 4-х зондовая установка обеспечивает зту же точность лишь в диапазоне 10 -300 Ом,см. Кроме этого

1 существенным преимуществом предлагаемого датчика является более высокое (в 10 раз) пространственное разрешение (0,1-1 мм) и бесконтактность. Высокое пространственное раз решение предлагаемого датчика позволяет получить точную информацию о распределении электрофизических параметров по площади исследуемого по. лупроводникового образца, выявить локальные дефекты.

Бесконтактность измерений позволяет осуществлять измерения на чистых (травленных) поверхностях полупроводниковых пластин, что удовлет.воряет требованиям современной технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схем

Экономическая эффективность от внедрения предлагаемого датчика на предприятиях полупроводниковой элект роники заключается в повышении точности разбраковки полупроводниковых подложек для зпи аксиальных пленок и интегральных схем. За счет точного измерения распределения электрофизических параметров по площади подложек выявляется пригодность данной подложки для дальнейшего технологического цикла, а также появляются локальные участки, которые удовлетворяют техническому заданию на производство полупроводникового прибора. В результате увеличивается на бОЪ выход годных приборов и более эффективно используется дорогостоящий полупроводниковый материал.

ВНИИПИ Заказ 7б01! 55.

Тираж 703 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Уж-ород, ул.Проектная„4