Устройство для определения электрофизических характеристик полупроводниковых пластин

 

Использование: микроэлектроника, оборудование для измерения параметров полупроводниковых пластин в процессе изготовления полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: устройство содержит два источника модулированного оптического излучения, оптические элементы связи, фотоприемник, фокусирующий элемент, предметный столик, датчик фотоЭДС с электродом емкостной связи и предусилителем, два усилителя мощности, двухканальный генератор, два регистратора. Устройство может содержать два синхронных детектора, дифференциальный усилитель, источник немодулированного излучения для подсветки объекта контроля, а также более двух источников излучения и электронных блоков. В качестве источников излучения могут быть использованы лазеры и/или светодиоды. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к средствам измерения электрофизических параметров полупроводниковых пластин в процессе изготовления полупроводниковых приборов, а также при контроле качества полупроводниковых пластин.

Известно устройство [1] содержащее источник излучения, оптический элемент, формирующий световой зонд, прижимной металлический и омический контакты к поверхности контролируемой пластины, которые через измеритель тока подсоединены к источнику напряжения постоянного тока. Параметры, характеризующие полупроводниковую пластину, находят путем математической обработки экспериментальных результатов. К недостаткам данного устройства следует отнести необходимость подведения контактов к пластине, влияние поверхностной рекомбинации на точность измерений и трудоемкость процедуры их проведения.

Наиболее близким аналогом является устройство [2] характеризуемое следующей совокупностью существенных признаков: предметный столик, широкополосный источник оптического излучения, механический модулятор, монохроматор, оптические элементы формирования светового пучка, датчик фотоЭДС с электродом емкостной связи, фотоприемник, оптически связанный с монохромитором, и два регистратора, составленные из синхронных детекторов с измерительными устройствами, входы которых соединены с датчиком и фотоприемником, при этом выход синхронного детектора, связанного с датчиком фотоЭДС, через цепь обратной связи соединен с источником излучения. Это устройство является недостаточно оперативным, т.е. быстродействующим.

Техническим эффектом от осуществления настоящего изобретения является повышение точности и быстродействия измерения электрофизических параметров полупроводниковых пластин.

Изобретение представляет собой устройство для измерения электрических характеристик полупроводниковых пластин. Оно характеризуется следующей совокупностью существенных признаков: основание, на котором укреплены два источника модулированного оптического излучения с разными длинами волн, фотоприемник и фокусирующий элемент, оптические элементы передачи оптического излучения на фотоприемник и фокусирующий элемент, датчик фотоЭДС с электродом емкостной связи, предметный столик, поверхность которого расположена в фокальной плоскости, два усилителя мощности переменного тока, двухканальный импульсный генератор, причем источник оптического излучения соединения с выходами усилителей мощности, выход датчика фотоЭДС выполнен с возможностью соединения с выходами регистраторов, а столик выполнен с возможностью перемещения в фокальной плоскости.

Кроме того, устройство может дополнительно содержать два синхронных детектора и дифференциальный усилитель, причем один из усилителей мощности в этом случае выполнен с электронным управлением, а датчик фотоЭДС выполнен с возможностью соединения с двумя синхронными детекторами, выходы которых соединены со входами дифференциального усилителя, а выход дифференциального усилителя соединен со входом электронного управления усилителя мощности, при этом выходы регистраторов присоединены к фотоприемнику.

Устройство также может содержать дополнительно немодулированный источник оптического излучения, причем ось оптического излучения его направлена на область фокусировки в плоскости предметного столика, минуя фокусирующий элемент.

В качестве модулированных источников оптического излучения могут быть использованы лазеры и/или светодиоды. В случае использования светодиодов их заземляют через переменные резисторы, причем незаземленные концы резисторов подключают ко входам соответствующих регистраторов.

Устройство также может, в зависимости от решаемой задачи, дополнительно содержать более двух источников излучения, усилителей мощности, синхронных детекторов, не менее двух дифференциальных усилителей и многоканальный генератор, причем все источники оптически связаны с фотоприемником и фокусирующим элементом.

Сущность введенных в формулу изобретения признаков обусловлена работоспособностью устройства. Действительно, признаки, введенные в первый пункт формулы изобретения необходимы и достаточны для работоспособности устройства. Признаки, введенные в зависимые пункты формул и изобретений, хотя и не являются необходимыми для достижения желаемого технического эффекта, все же в отдельных случаях способствуют некоторому усилению технического эффекта.

Устройство отличается от ближайшего аналога тем, что: дополнительно содержит второй источник модулированного оптического излучения; длина волны второго источника оптического модулированного излучения отлична от длины первого источника оптического модулированного излучения; дополнительно введены оптические элементы передачи излучения от второго источника модулированного оптического излучения на фокусирующий элемент и фотоприемник; дополнительно введены два усилителя мощности переменного тока и двухканальный импульсный генератор; источники модулированного оптического излучения соединены с выходами усилителей мощности; выходы импульсного генератора соединены со входами усилителей мощности; выход датчика фотоЭДС выполнен с возможностью соединения со входами регистраторов; столик выполнен с возможностью перемещения в фокальной плоскости.

Использование вышеперечисленных признаков в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы изобретения, необходимо для получения желаемого технического результата.

Кроме того, при решении конкретных задач устройство может дополнительно содержать: два синхронных детектора и дифференциальный усилитель, в этом случае один из усилителей мощности выполнен с электронным управлением, датчик фотоЭДС выполнен с возможностью соединения с двумя синхронными детекторами, выходы которых соединены со входами дифференциального усилителя, выход которого соединен со входом электронного управления усилителя мощности, при этом входы регистраторов соединены с фотоприемником;
источник немодулированного оптического излучения, ось которого направлена на плоскость предметного столика, минуя фокусирующий элемент;
в качестве источников модулированного оптического излучения использования лазеры;
в качестве источников модулированного оптического излучения использованы светодиоды;
светодиоды заземлены через дополнительно введенные резисторы, причем незаземленные выводы резисторов выполнены с возможностью подключения ко входу регистраторов.

На фиг. 1 представлена блок-схема полного варианта заявленного устройства, т. е. устройства, содержащего все перечисленные в формуле изобретения признаки; на фиг. 2 4 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства при определении диффузионной длины неосновных носителей заряда для случая кремния.

Контролируемая пластина 1 расположена на заземленном столике 2. Модулированные источники оптического излучения 3 и 4 (выполненные в виде светодиодов) заземлены через резисторы 5 и 6. Оптические элементы 7 и 8 расположены на пути распространения излучения между источниками и фокусирующим элементом 9 и ориентированы так, чтобы совместить их излучения в одном пучке. Фокусирующий элемент 9 размещен в отверстии корпуса датчика 10, в замкнутой полости корпуса датчика размещен предусилитель 11 датчика 12. На нижней стенке корпуса через диэлектрическую прокладку 12 укреплен прозрачный электрод 13. Немодулированный источник 14 оптически связан с элементом передачи излучения 15 на поверхность пластины, минуя фокусирующий элемент 9. Фотоприемник 16 обращен к полупрозрачному зеркалу 17, размещенному между объективом и зеркалом 8.

Двухканальный импульсный генератор 18 подключен ко входам усилителей мощности 19 и 20. Вход электронного управления усилением усилителя 20 соединен с выходом дифференциального усилителя 21, входы которого соединены с выходами синхронных детекторов 22 и 23. Последние, а также регистраторы 24 и 25, своими входами, в зависимости от варианта выполнения устройства, могут быть подсоединены к резисторам 5 и 6, или фотоприемник 16, или предусилитель датчика 10.

В качестве источника 3 и 4 могут быть использованы полупроводниковые лазеры или светодиоды на основе соединений GaAlAs. В качестве источника 14 удобно использовать светодиод на основе GaAlAs. Конкретные типы используемых источников зависят от поставленной задачи и анализуруемого материала пластины.

Передачу излучения источника 14 на поверхность пластины, минуя фокусирующий элемент, обеспечивает волоконный световод 15, выходной торец которого ориентирован на зондируемую область и отнесен на расстояние, обеспечивающее облучение широким размытым пятном с характерным размером, в десятки раз превосходящим диаметр зонда.

Формирующим элементом 9 служит объектив с числовой апертурой, обеспечивающей желаемый диаметр зонда. Он установлен на расстоянии от плоскости столика, обеспечивающем фокусирвку, и от излучателя с учетом необходимого коэффициента уменьшения. В качестве элементов передачи излучения вместо зеркал могут быть использованы световодом с разветвлением. Когда не требуется высокого разрешения, вместо объектива может быть использован световод.

В качестве фотоприемника 16 можно использовать фотоэлектронный умножитель с широкой спектральной характеристикой (ФЗУ-62) или германиевый фотодиод. Для оптической связи с источником 3 и 4 можно также использовать волоконный разветвитель. Возможно также использование в качестве фотоприемника контрольных фотодиодов полупроводниковых лазеров.

Предусилитель 11 выполнен на основе малошумящего операционного усилителя в интегральном исполнении. Корпус интегральной схемы установлен так, чтобы его входная ножка была бы расположена ближе к оптической оси датчика. Электрод 13 может быть выполнен в виде стеклянного диска с нанесенным на его поверхность, обращенную к столику, прозрачным и проводящим покрытием (например, из диоксида олова), а также в виде кольца из проводящего материала. Электрод, точнее его проводящая часть, подсоединена к вышеупомянутой ножке проводником минимальной длины.

В качестве двухканального импульсного генератора можно использовать приборы, обеспечивающие генерацию последовательностей импульсов с каждого выхода, сдвинутых между собой так, чтобы любой импульс одной последовательности приходился на середину интервала между импульсами другой. Конкретные значения характеристик импульсов определяются решаемой задачей.

Усилители 19 и 20 должны обеспечить на выходе мощность, достаточную для возбуждения лазерных или светодиодных источников. Спектральные характеристики источников определяются решаемой задачей.

В качестве усилителей 22 и 23 можно использовать синхронные детекторы, т.е. фазочувствительные узкополосные усилители с демодуляторами, которые управляются подачей на вход опорного сигнала последовательности импульсов от генератора 18.

Регистраторы 22 и 23 в простейшем случае представляют собой двухканальный осциллограф, а в автоматизированном варианте содержат АЦП (один с электронным коммутатором или несколько).

Описание работы устройства будет показано на примере определения диффузионной длины неосновных носителей заряда в случае, когда выход датчика фотоЭДС подключен ко входам синхронных детекторов 22 и 23. Генератор 18 вырабатывает импульсы с определенными параметрами в зависимости от исследуемого материала. Усилители мощности 19 и 20 доводят ток и напряжение импульсов до значений, обеспечивающих работу излучателей в пределах паспортных режимов. Излучение от источников с помощью элементов 7 и 8 направляется на фокусирующий элемент 9, который концентрирует его в пятно на поверхности пластины. Таким образом микрообласть пластины попеременно освещается световыми импульсами определенной длительности и частоты следования на разных длинах волн. Прерываемое облучение вызывает пульсации поверхностного потенциала.

На фиг. 2 4 показаны соответственно типовые временные диаграммы последовательности световых импульсов от каждого источника и отклика фотоЭДС (пунктир). Интенсивность источника 14 варьируют таким образом, чтобы амплитуда пульсаций фотоЭДС оказались бы ниже, чем при нулевой интенсивности. При этом искажение формы сигналов фотоЭДС уменьшается (фиг. 4 сплошная линия).

С помощью синхронных детекторов 22 и 23 осуществляют усиление сигналов фотоЭДС, формируемых датчиком, и их разделение на две последовательности импульсов, каждая из которых соответствует сигналу фотоЭДС, вызванному освещением от соответствующего источника. В блоках 22 и 23 происходит также их демодуляция. Квазипостоянные сигналы с их выходов поступают на входы дифференциального усилителя. Разностный сигнал с его выхода попадает на вход управления усилением усилителя 20 и обеспечивает такое управление интенсивностью источника 4, при котором амплитуда пульсации фотоЭДС, вызванная источником 3 и 4, были бы равны.

Сигналы с выхода фотоприемника 16 или падение напряжения на регзисторах 5 и 6 (в случае применения светодиодов) поступают на регистраторы 24 и 25. Они позволяют осуществить подсчет относительных значений световых потоков I₁ и I₂, испускаемых источниками.

Диффузионная длина определяется по формуле:

где
α₁, α₂ соответствующие значения коэффициентов поглощения.

В другом варианте исполнения устройства, когда выход датчика фотоЭДС подключен к регистраторам 24 и 25, зондирование пластин осуществляют импульсами от источников 3 и 4 на разных длинах волн, но с фиксированными значениями интенсивности. С помощью регистраторов 24 и 25 измеряют сначала относительные значения потоков от источников I₁ и I₂, а затем соответствующие им амплитуды сигналов фотоЭДС U₁ и U₂. В этом случае формула приобретает вид:

Конструктивные элементы, присутствующие в описании, но не введенные им в формулу изобретения, не являются принципиально важными для работоспособности устройства, а являются инженерной проработкой технического решения. Именно поэтому заявитель и не ввел их в формулу изобретения.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения электрофизических характеристик полупроводниковых пластин, содержащее основание, на котором установлен источник модулированного оптического излучения, фотоприемник, оптические элементы передачи оптического излучения на фотоприемник и фокусирующий элемент, предметный столик, поверхность которого расположена в фокальной плоскости фокусирующего элемента, датчик фотоЭДС с электродом емкостной связи и предусилителем и два регистратора, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй источник модулированного оптического излучения с длиной волны, отличной от длины волны первого источника, дополнительные оптические элементы, передающие излучение от второго источника на фокусирующий элемент и фотоприемник, два усилителя мощности переменного тока, двухканальный импульсный генератор, причем источники соединены с выходами усилителей мощности, выход датчика фотоЭДС выполнен с возможностью соединения с входами регистраторов, а столик выполнен с возможностью перемещения в фокальной плоскости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит два синхронных детектора и дифференциальный усилитель, один из усилителей мощности выполнен с электронным управлением, причем датчик фотоЭДС выполнен с возможностью соединения с двумя синхронными детекторами, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя, выход дифференциального усилителя соединен с входом электронного управления усилителя мощности, входы регистраторов соединены с фотоприемником.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит источник немодулированного оптического излучения, причем ось его направлена на область фокусировки на плоскость предметного столика, минуя фокусирующий элемент.

4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в качестве источников модулированного оптического излучения использованы лазеры.

5. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в качестве источников модулированного оптического излучения использованы светодиоды.

6. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в качестве источников модулированного оптического излучения использованы лазер и светодиод.

7. Устройство по пп.5 и 6, отличающееся тем, что используемые в качестве модулированного источника светодиоды заземлены через переменные резисторы, причем незаземленные выводы резисторов выполнены с возможностью подключения к входу регистраторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4