Бесконтактный датчик поверхностных зарядов и потенциалов
Изобретение м.б. использовано в измерительной технике, электротехнике, микроэлектронике, дефектоскопии при измерении поверхностных распределений заряда и потенциала на диэлектрических и высокоомных полупроводниковых слоях. fUu 10N бЛгЙ 666666 П Металлический измерительный электрод 1 расположен в заземленном электростатическом экране 2 и отделен от него диэлектрической вставкой 3, на которую нанесен высокоомный резистивный слой 4, соединяющий металлический электрод 1 с экраном 2, на высокоомный слой и торцовую поверхность металлического электрода нанесен слой окисла 5, напыленный на слой п/п материала 6 с контактными площадками 7 и 8. Контактная площадка 8 электрически соединена через слой 9 с экраном 2, а на контактную площадку 7 через резистивный элемент 10 подается опорное напряжение и через делитель, составленный из резистивного элемента 10 и полупроводникового материала 6 с контактными площадками 7 и 8, течет электрический ток. В качестве полупроводникового материала может быть использован кремний, а слой окисла может быть изготовлен из окиси кремния . 3 ил Ё бых g С сл Os Фиг/
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (505 G 01 R 29/12
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
1l3 (21) 4782858/21 (22) 16.01.90 (46) 30.06.92. Бюл. № 24 (71) Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете (72) B.Ë.Ãðèùåíêo, И,А.Матвеева, О.Н,Макарова и Н.Ф.Демидов (53) 62.396.049(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1283672, кл. G 01 R 29/12, 1987.
Авторское свидетельство СССР
¹ 1497591, кл, G 01 R 19/12, 1988. (54) БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК ПОВЕРХНОСТНЫХ ЗАРЯДОВ И ПОТЕНЦИАЛОВ (57) Изобретение м.б, использовано в измерительной технике, электротехнике, микроэлектронике, дефектоскопии при измерении поверхностных распределений заряда и потенциала на диэлектрических и высокоомных полупроводниковых слоях, „„SU „„1744656 А1
Металлический измерительный электрод 1 расположен в заземленном электростатическом экране 2 и отделен от него диэлектрической вставкой 3, на которую нанесен высокоомный резистивный слой 4, соединяющий металлический электрод 1 с экраном
2, на высокоомный слой и торцовую поверхность металлического электрода нанесен слой окисла 5, напыленный на слой и/и материала 6 с контактными площадками 7 и 8.
Контактная площадка 8 электрически соединена через слой 9 с экраном 2, а на контактную площадку 7 через резистивный элемент 10 подается опорное напряжение и через делитель, составленный из резистивного элемента 10 и полупроводникового материала 6 с контактными площадками 7 и 8, течет электрический ток. В качестве полупроводникового материала может быть использован кремний, а слой окисла может быть изготовлен из окиси кремния . 3 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в репрографии, электротехнике, микроэлектронике, дефектоскопии при измерении поверхностных распределений заряда и потенциала на диэлектрических и высокоомных полупроводниковых слоях.
Известен датчик для бесконтактного измерения поверхностных распределений заряда и потенциала, выполненный в виде металлического измерительного электрода, расположенного s электростатическом экране-и выступающего из него. Полоса пропускания пространственных гармоник, характеризующая разрешающую способность, определяется контрастно-частотной характеристикой (КЧХ). Для данного датчика она невелика в связи с тем, что измерительный электрод выступает из экрана, Расширить полосу пропускания зондовой системы можно за счет уменьшения радиуса измерительного электрода зонда. Однако при этом резко снижается чувствительность зондового датчика, Известен зондовый датчик для бесконтактного измерения поверхностного распределения заряда и потенциала, торец измерительного металлического электрода датчика лежит в одной плоскости с заземленным электростатическим экраном. Повышение разрешающей способности и чувствительности возможно при приближении зондового датчика к исследуемой поверхности, Ограничение на повышение разрешающей способности и чувствительности накладывает величина общей емкости (включая собственную емкость зонда)
10 пФ, Кроме того, значительное уменьшение расстояния между зондовым датчиком и поверхностью невозможно вследствие возникновения электрических пробоев в воздушном зазоре между зондовым датчиком и исследуемой поверхностью, начиная с некоторого критического расстояния Z Повысить разрешающую способность и чувствительность этого датчика воз -ож о за 55 счет приближения к исследуемому слою, Однако уменьшение рабочего расстояния ограничено значением Z Zкр мальное расстояние от зондового датчика до исследуемого слоя, при котором электрический пробой в воздушном зазоре между зондовым датчиком и исследуемым слоем еще не наступает, Из-за возникновения электрического пробоя в воздушном промежутке зондовый датчик — исследуемый слой приближение к слою возможно лишь до некоторого расстояния Z Цель изобретения — повышение чувствительности. Поставленная цель достигается тем, что в датчике поверхностных зарядов и потенциалов, содержащем металлический электрод с рабочим торцом, размещенным с возможностью неконтактирования с контролируемой поверхностью, и противоположным нерабочим торцом, помещенный в полый электростатический экран, и диэлектрическую вставку, расположенную между боковой поверхностью металлического электрода и электростатического экрана, в полости электростатического экрана дополнительно размещены резистивный и полупроводниковый элементы, электрически соединен н ые между собой, п ри этом полупроводниковый элемент выполнен в виде пластины с контактными площадками, на одну сторону которой, обращенную к нерабочему торцу металлического электрода нанесен слой диэлектрика, а на торцовую поверхность диэлектрической вставки, обращенную в сторону полупроводникового элемента, нанесен высокоомный резистивный слой, электрически соединенный с металлическим электродом, экраном и слоем диэлектрика на полупроводниковом элементе, одна из контактных площадок которого соединена с экраном, а другая — с резистивным элементом, На фиг.1 представлена конструкция датчика, разрез; на фиг.2 — эквивалентная схема датчика; на фиг.3 — эквивалентная схема согласующего каскада, включающая 5 1744656 6 10 20 40 50 55 емкости Свх, Сзэ, См, где Свх — собственная емкость зонда, т.е. емкость с измерительного электрода 1 на исследуемый объект; Сзэ — входная емкость усилителя — это емкость с электрода 1 на электростатический, экран 2; См — емкость соединительных экранированных проводов между зондом и затвором полевого транзистора (емкость монтажа), она сведена к нулю в предлагаемой конструкции датчика. Устройство содержит измерительный металлический электрод 1 с рабочим торцом; размещенным над контролируемой.поверхностью, помещенный в полый электростатический экран 2, и диэлектриче- скую вставку 3, расположенную между боковой поверхностью металлического электрода и электростатического экрана. В полость электростатического экрана 2 введены резистивный 4 и полупроводниковый 5 элементы электрически соединенные между собой, при этом полупроводниковый элемент выполнен в виде пластины с двумя контактными площадками 6 и 7, на одну сторону которой, обращенную к нерабочему торцу металлического электрода 1 нанесен слой диэлектрика (слой окисла) 8, а на торцовую поверхность диэлектрической вставки 3, обращенную в сторону полупроводникового элемента 5, нанесен высокоомный резистивный слой 9, электрически соединенный с металлическим измерительным электродом 1, экраном 2 и слоем диэлектрика (окисла) 8 на полупроводниковом элементе 5. Одна из контактных площадок 7 полупроводникового элемента 5 соединяется с электростатическим экраном 2 в точке 10, а другая 6 — с одним концом резистивного элемента 4 и является выходным контактом предлагаемого зондового датчика, на второй конец реэистивного элемента 4 подается опорное напряжение 0о. Устройство работает следующим образом. Зондовый датчик устанавливается над заряженным слоем, На металлическом электроде индуцируется заряд, пропорциональный плотности поверхностного заряда на слое. Индуцируемый заряд изменяет ширину канала и/п материала, что приводит к изменению тока в делителе; резистивный элемент — и/и материал, а следовательно, к изменению напряжения на выходе зондового датчика, которое пропорционально величине зарядового воздействия. При относительном продольном перемещении зондового датчика над исследуемым слоем, имеющим неравномерную плотность поверхностного заряда, на металлическом электроде зондового датчика с индуцируется переменный заряд, а в измерительной цепи течет переменный ток, по величине которого судят о плотности поверхностного заряда на исследуемом слое. В ысокоом н резистивный слой, соединяющий металлический электрод с экраном, предназначен для предотвращения выхода из строя датчика в случае возникновения пробоя на металлический электрод. Коэффициент передачи зондового датчика Кп определяется отношением емкостей Kï С вх C вх + С зэ + С M Коэффициент передачи истокового повторителя близок к единице, Элементы R3 и R< вводят в согласующий каскад для его нормальной работы; R3 — сопротивление, предназначенное для задания рабочей точки полевого транзистора и для исключения пробоев полевого транзистора при больших статических нагрузках, в предлагаемом устройстве — это высокоомный резистивный слой 9; R< — сопротивление истоковой нагрузки полевого транзистора (усилительного каскада), в данном случае резистивный элемент 4. Все остальные элементы, входящие в эквивалентную схему усилителя, это распределенные емкости и проводимость самого полевого транзистора, Величина сопротивления R3 — 10 -10 Ом и превышает 1О 1г сопротивление рассматриваемых емкостей на несколько порядков в частотном диапазоне 50 Гц — 2 МГц измеряемого сигнала. Поэтому Кп записан без учета R3. Исходя из формулы для Кп, можно сделать вывод, что увеличение Кд возможно за счет увеличения Свх и уменьшения Сзэ и С . Так как увеличение Свх ограниченно пробивным напряжением и определяется величиной Ехр, а также формой металлического электрода 1, то для дальнейшего повышения чувствительности датчика необходимо уменьшение С» или CM. Для этой цели полевой транзистор располагают как можно ближе к электроду 1 с целью уменьшения CM. Чтобы полностью исключить CM предлагается выполнять согласующий каскад непосредственноо на торце электрода 1, так как в данном случае торец металлического электрода 1 может выполнять роль затвора полевого транзистора. Такая компоновка зондового датчика и МОП-структуры наиболее технологична и позволяет устранить некоторые элементы полевого транзистора (затвор) и соединительные элементы, создающие емкость С, Коэффициент передачи предлагаемого зондового датчика определяется величиной 1 744656 вх t п С -„»+С вв КоэффиI 7tе- IT: iеp," "и со I Pаc IOK,еro каскада, в который входит высокоомный резистив IblA слой 9 v pe Bc |! вн ь.:Й элемент, равен 1 и нг вии;-,ет на чувствительность датчика, Учитывая, гго полный коэффициент передачи зондового датчика, включая и усилительный каскад, есть величина 0вых „, : = K. и " ус > иов то на индикаторе регистрируется выходное напряжение U,i определяемое входным значе:,:яем Яиков в соответствии с соотношении. -- вых живых C С баиов, ых так как Ку, =-1. Таким образом, регистрируемое вь;ходное напряжение 0вых пропорционально либо потенциалу Uисследуемого слоя,,либо плотности поверхностного заряда о, т.к. можно записать два следующих равенства: C«oS 0 вых Свх+Сзэ Сслоя (при измерении заряда); вых С вых С + С (при измерении поверхностного потенциала). Формула изобретения Бесконтактный датчик поверхностных 5 зарядов и потенциалов, содержащий металлический электрод с рабочим торцом и противоположным нерабочим торцом, помещенный в полый электростатический экран, и диэлектрическую вставку, распо10 ложенную между боковой поверхностью металлического электрода и электростатического экрана, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в полости электростатического экрана до15 полнительно размещены резистивный и полупроводниковый элементы, электрически соединенные между собой, при этом полупроводниковый элемент выполнен в виде пластины с контактными площадками, на 20 одну сторону которой, обращенную к нерабочему торцу металлического электрода, нанесен слой диэлектрика, а на торцовую поверхность диэлектрической вставки, обращенную в сторону полупроводникового 25 элемента, нанесен высокоомный резистивный слой, электрически соединенный с металлическим электродом, экраном и слоем диэлектрика на полупроводниковом элементе, одна иэ контактных площадок котоЗО рого соединена с экраном, а другая — с резистивным элементом. 1744656 П с ll ) з з 50 Составитель Н.Шмелев Редактор Л.Пчолинская Техред М.Моргентал Корректор Н,Бонкало Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2196 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5
