Устройство и способ измерения поверхностного сопротивления полупроводниковых пластин

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области измерения электрофизических параметров материалов, и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых материалов, в частности полупроводниковых пластин. Устройство содержит индукционный датчик, рамку-держатель с одним или несколькими контрольными образцами и блок измерений. Процедура измерения включает измерение фонового значения сигнала, измерение информационных сигналов от контрольных и исследуемого образцов. По информационным сигналам от контрольных образцов с учетом фонового сигнала рассчитывают поправочную функцию для калибровочной функции и с помощью этих двух функций по информационному сигналу от исследуемого образца определяют его поверхностное сопротивление. Изобретение позволяет без перекалибровки производить измерения в широком диапазоне измеряемого параметра с высокой точностью и экспрессностью. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к области измерения электрофизических параметров материалов и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых материалов, в частности, полупроводниковых пластин.

Для контроля электрофизических параметров полупроводниковых материалов используют как контактные, так и бесконтактные методы измерения. Контактные методы контроля в сущности являются зондовыми методами. В связи с этим они приводят к загрязнению поверхности анализируемого образца, и в подавляющем большинстве случаев, являются разрушающими методами контроля.

Бесконтактные методы измерения электрической проводимости полупроводниковых пластин, или обратной величины - поверхностного сопротивления пластин, образованы на измерении потерь высокочастотного (ВЧ) электромагнитного поля на вихревых токах, индуцируемых в исследуемой полупроводниковой пластине. С целью измерения этих потерь, создают LC высокодобротный колебательный контур. Конструктивно индуктивность выполняют таким образом, чтобы ее сердечник имел щелевой зазор. Исследуемую полупроводниковую пластину помещают в зазор сердечника индуктивности, в результате чего первичное ВЧ поле индуктивности наводит вихревые токи в полупроводниковом образце, величина которых пропорциональна σh, где σ - удельная проводимость полупроводника, h - толщина образца, а поверхностное сопротивление R_s= (σh)^-1. Индуцированные таким образом вихревые токи создают свое ВЧ-поле, которое в соответствии с законом Ленца, уменьшает первичное ВЧ-поле колебательного контура. С радиотехнической точки зрения, потери ВЧ-поля колебательного контура на вихревых токах исследуемой пластины выглядят как появление дополнительной активной составляющей импеданса колебательного контура, в результате которого добротность контура падает. Далее, в зависимости от устройства, тем или иным способом измеряют дополнительную активную составляющую импеданса контура, или изменение его добротности, или уменьшение падения напряжения на нем в силу уменьшения его комплексного сопротивления.

Известно, что для низкоомных образцов предпочтительнее исследуемый образец помещать в ВЧ-поле катушки индуктивности, а для высокоомных, т.е. с низкой электрической проводимостью, использовать схемы с емкостной связью.

Известное техническое решение (SU, авторское свидетельство 164068 G 01 R 31/26, 1964), характеризующее способ и устройство для измерения поверхностного сопротивления полупроводниковых материалов. Устройство содержит X-образный сердечник датчика с обмотками. Обмотки подключены к ВЧ-генератору, напряжение которого модулируют посредством модулятора. На концах X-образного ферритового сердечника симметрично размещены две измерительные и две компенсационные обмотки, каждая пара которых через детектор подключена к электрической схеме сравнения. Значение сигнала измеряют без внесения исследуемой пластины и с внесением исследуемой пластины в ВЧ-поле измерительных обмоток. По измеренным значениям сигналов судят о поверхностном сопротивлении исследуемой пластины. К недостаткам данного технического решения следует отнести недостаточную точность измерения и относительную сложность конструкции.

Известны также способ и устройство для бесконтактного измерения сопротивления полупроводниковых материалов (DE, заявка 3625819, G 01 R 31/26, 1987). Устройство содержит индукционный датчик и блок регистрации, включающий ВЧ-генератор, подключенный к катушке возбуждения датчика, и измеритель информационного сигнала, в качестве которого использован вольтметр. Исследуемую полупроводниковую пластину вводят в индукционный датчик, в котором предварительно сделано первичное ВЧ электромагнитное поле.

Наиболее близким к предлагаемому является способ и устройство для бесконтактного измерения поверхностного сопротивления полупроводниковых пластин (Miller G.L. et al. Contactless measurement of semiconductor conductivity by radio frequency-free carries power absorption. Rev. Sci. Instrum. 1976, vol. 47, N 7, pp. 799-805). Устройство содержит индукционный датчик и блок регистрации информационного сигнала. Этот блок включает: ВЧ-генератор, к которому подключена катушка индукционного датчика, измеритель амплитуды ВЧ-сигнала, схему автоматической регулировки амплитуды, усилитель постоянного тока. Исследуемую полупроводниковую пластину вносят в зазор ферритового сердечника датчика, в котором ВЧ-током катушки создается электромагнитное поле. Переменная магнитная составляющая этого поля вызывает появление вихревых токов Фуко в исследуемой полупроводниковой пластине. Эти вихревые токи порождают свое электромагнитное поле, уменьшающее первичное поле, породившее вихревые токи. В результате этого импеданс LC-клнтура, в котором роль индуктивности играет катушка датчика, изменяется и амплитуда ВЧ-сигнала уменьшается на величину, пропорциональную электрической проводимости σh исследуемого образца. Разность амплитуд первоначального ВЧ-сигнала (датчик без пластины) и уменьшенного ВЧ-сигнала (датчик с внесенной пластиной) и представляет собой информационный сигнал ΔI. Схема автоматической регулировки амплитуды восстанавливает уменьшенный ВЧ-сигнал до прежнего значения для чего добавляет ΔI в катушку датчика.

Проводя измерение эталонных образцов с известным значением σh, строят калибровочную кривую ΔI(σh), благодаря которой в дальнейшем по измеренному значению ΔI определяют электрическую проводимость измеряемой пластины и, следовательно, ее поверхностное сопротивление R_s= (σh)^-1. Одна из основных составляющих погрешности измерения связана с невоспроизводимостью измерения ΔI. Из-за этой погрешности возникает погрешность измерения поверхностного сопротивления измеряемого полупроводника, в результате чего необходимо производить перекалибровку прибора фактически перед каждым новым измерением пластины с неизвестным значением поверхностного сопротивления.

Данное техническое решение может быть принято в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке устройства и способа, обладающих более высокой точностью и экспрессивностью при измерении поверхностного сопротивления полупроводниковых материалов.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в разработке устройства и способа, позволяющих без перекалибровки прибора в течении многократных измерений различных образцов с неизвестным заранее, даже приблизительно значением поверхностного сопротивления производить измерения в широком диапазоне параметра с высокой точностью и экспрессностью.

Устройство содержит индуктивный датчик, блок регистрации информационного сигнала и рамку-держатель исследуемой пластины. Блок регенерации включает ВЧ-генератор, к которому подключена катушка индуктивного датчика, измеритель амплитуды ВЧ-сигнала, схему автоматической регулировки амплитуды, усилитель постоянного тока (фиг. 1). Рамка-держатель исследуемой пластины включает не менее одного контрольного образца с известным значением электрической проводимости (фиг. 2). Эти контрольные образцы на рамке держателя закреплены в плоскости исследуемой пластины и расположены таким образом вдоль осевой линии рамки, что перед первым контрольным образцом, а также между последним контрольным образцом и исследуемой пластиной оставлено пространство с линейными размерами не менее линейных размеров датчика, свободное от объектов с электрической проводимостью. Кроме того, катушка датчика подключена к ВЧ-генератору по схеме с частичным включением, т.е. по схеме с автотрансформаторной связью.

Рамка-держатель при перемещении относительно датчика вдоль своей осевой линии, подводит свободное пространство перед первым контрольным образцом под датчик и производится измерение фонового сигнала ΔI_k,o затем рамка-держатель последовательно подводит под датчик каждый из контрольных образцов и последовательно производится замер информационного сигнала ΔI_k для каждого из контрольных образцов. Далее измеряют фоновый сигнал ΔI_o на втором свободном пространстве, расположенном перед исследуемой пластиной. И наконец, производят измерения информационного сигнала ΔI от исследуемой пластины в одной или нескольких областях этой пластины. В результате нижеприведенных математических операций с измеренными сигналами получают окончательное значение величины с помощью которой по калибровочной функции определяют поверхностное сопротивление исследуемой пластины В этой формуле вычитание из каждого сигнала фонового значения, измеренного непосредственно перед измерением информационного сигнала, позволяет уменьшить ошибку, связанную с возможным "дрейфом нуля" прибора, т.е. по сути фоновый сигнал дает истинный ноль отсчета для тут же измеряемого информационного сигнала. Функция F(β) = βα позволяет вести поправку на "уход" калибровочной функции со временем, т.е., по существу, на нестабильность измерения информационных сигналов, связанную со многими случайными процессами, изменяющими параметры как радиотехнической системы, так и самих датчиков. В этой поправочной функции ΔI^o_k-ΔI^o_k,o сигнал из калибровочной функции для контрольного образца. Если контрольных образцов несколько, то в формуле используют данные измерения для тех из них, для которых значение R_{s контр} наиболее близко к поверхностному сопротивлению исследуемой пластины R_{s иск}. Другими словами, в расчет берут измерения контрольных образцов, значение поверхностного сопротивления которых оказалось наиболее близким к поверхностному сопротивлению исследуемой пластины.

Значение α лежит в пределах от 0,5 до 1,5 и зависит от того, насколько далеко друг от друга лежат значения R_{s иск} и R_{s контр} и некоторых характеристик устройства.

Таким образом, перед тем как приступить к измерению каждой новой исследуемой пластины, по существу, производят проверку калибровочной функции по одной или нескольким реперным точкам, соответствующим контрольным образцам и с помощью функции F = βα, без перекалибровки прибора, вводят поправку на "уход" координат точек калибровочной функции за время с момента проведения калибровки к моменту текущего цикла измерения.

Следует отметить также, что все величины сигналов, входящие в указанную формулу, есть усредненный результат большого числа измерений (до нескольких тысяч) данного сигнала, выполненных в автоматическом режиме через короткие промежутки времени (например через 100 мкс) в одной области измеряемого образца. Это позволяет свести к минимуму высокочастотные шумы измеряемого сигнала и повысить точность измерения. Кроме того, чтобы избежать наложения случайной погрешности в измерении ΔI_k от контрольных образцов на случайную погрешность в измерении ΔI от исследуемой пластины, в поправочной функции F = βα в знаменателе используют усредненное значение от нескольких измерений контрольных образцов в предыдущих циклах измерений.

Заявитель отмечает, что совокупности признаков, введенные им в независимые пункты формулы изобретения, необходимы и достаточны для достижения вышеуказанного технического результата. Признаки, введенные заявителем в зависимые пункты формулы изобретения, развивают и дополняют признаки, введенные в независимые пункты формулы изобретения.

Изобретение иллюстрировано графическим материалом, где на фиг. 1 приведена блок-схема блока регистрации со схемой подключения датчика, на фиг. 2 - конструкция рамки держателя с двумя (в качестве примера) контрольными образцами. На графическом материале введены следующие обозначения: ВЧ-генератор - 1, измеритель амплитуды ВЧ-сигнала - 2, узел автоматической регулировки амплитуды ВЧ-сигнала - 3, усилитель постоянного тока - 4, индукционный датчик - 5, рамка-держатель - 6, контрольные образцы - 7, исследуемая полупроводниковая пластина - 8, области не содержащие электрических проводящих объектов для измерения фонового сигнала - 9.

Изобретение может быть реализовано следующим образом.

В соответствии с описанной выше процедурой в данном цикле измерения последовательно измеряют фоновый сигнал в области, свободной от электрически проводящих объектов перед первым контрольным образом, затем информационные сигналы в области каждого контрольного образца, затем вновь считывают значения фонового сигнала (т.е. значение "нуля") в области, свободной от электрически проводящих объектов, находящейся перед исследуемой пластиной и наконец, производят измерение информационного сигнала в одной или нескольких областях исследуемой пластины. Информационный сигнал в каждой из перечисленных областей, как уже указывалось, связан с величиной электрической проводимости объектов, находящихся в зазоре датчика, за исключением случаев, когда измеряется фоновый сигнал, обусловленный факторами внешнего влияния на радиотехнические цепи и датчики (например, тепловых излучений, сквозняков, вибраций и т.д.). Этот информационный сигнал равен сигналу ΔI, который подает из узла 3 автоматической регулировки амплитуды ВЧ- генератор 1 для восстановления в нем ВЧ-сигнала, уменьшившегося из-за появления вихревых токов Фуко в измеряемых проводящих объектах. В соответствии с приведенным выражением для F, вычисляют значение и по калибровочной функции находят соответствующее значение поверхностного сопротивления исследуемой пластины. Далее, с целью устранить погрешность измерения, связанную с влиянием температуры измерения на поверхностное сопротивление измеряемого объекта, возможно введение температурной поправки на найденное из калибровочной функции значение поверхностного сопротивления.

Формула изобретения

1. Способ измерения поверхностного сопротивления полупроводниковых пластин, включающий построение калибровочной функции, процедуру измерения, состоящую из взаимного плоскопараллельного перемещения рамки держателя с исследуемой пластиной и индукционного датчика, измерение информационного сигнала от исследуемой пластины, в качестве которого использовано изменение высокочастотного сигнала в катушке датчика, и определение по информационному сигналу с помощью калибровочной функции искомого поверхностного сопротивления исследуемой пластины, отличающийся тем, что в процедуру измерения дополнительно вводят измерение информационного сигнала от контрольных образцов и измерение фоновых сигналов в пространствах, свободных от объектов с электрической проводимостью и расположенных непосредственно перед контрольными образцами и перед исследуемой пластиной, причем в измеренный информационный сигнал от исследуемой пластины вводят поправку путем его умножения на значение поправочной функции, задаваемой соотношением где ΔI_к- информационный сигнал для контрольного образца, ΔI_к.о- фоновый сигнал от пространства перед контрольным образцом, - сигнал из калибровочной функции для контрольного образца,
α - показатель степени, равный 0,5 - 1,5.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при построении поправочной функции используют усредненное значение сигналов от контрольного образца за текущую и непосредственно предшествующие процедуры измерения, причем при построении поправочной функции используют данные для одного или нескольких контрольных образцов, наиболее близких по измеряемому параметру к исследуемой пластине.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что все информационные сигналы вычисляют с учетом фонового сигнала, т.е. вычисляют как алгебраическую разность между измеренным информационным и соответствующими фоновыми сигналами.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что информационные и фоновые сигналы в рамках цикла измерения представляют собой усредненные величины.

5. Устройство измерения поверхностного сопротивления полупроводниковых пластин, содержащее индукционный датчик, рамку-держатель для исследуемой пластины, блок регистрации, в состав которого входит высокочастотный генератор, отличающееся тем, что рамка-держатель выполнена с не менее чем одним контрольным образцом и пространствами, свободными от объектов с электрической проводимостью, а катушка датчика подключена к высокочастотному генератору по схеме с частичным включением индуктивности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2