Бесконтактный способ измерения удельного электрического сопротивления образца цилиндрической формы Советский патент 1988 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области измерения параметров полупроводниковых материалов. Контроль за качеством полупроводниковых материалов, критичных к загрязненным, требует возможности измерения их удельного сопротивления без контактирования с поверхностью, например образцов, упакованных в полиэтиленовую пленку. Известен бесконтактный способ определения удельного сопротивления р цилиндрических стержней из долупроводникового материала с использованием генератора высокой частоты. В этом способе контролируемый образец вводят в катушку индуктивности, запитываемую от генератора. Затем определяют потери на вихревые то ки, рассчитывают величину сопротивления образца и находят значение р К недостаткам способа можно отнести то, что искомый параметр определяется в результате расчетов, а сам способ может быть использован пр измерениях образцов только с малым удельным сопротивлением ( Ом-см Наиболее близким является бесконтактный способ измерения удельного электрического сопротивления образца цилиндрической формы путем подачи на образец через кольцевые электроды, связанные с образцом емкостными связями, меняющегося во времени напряжения о Недостатком этого способа является его сложность, обусловленная тем что необходимы измерения с помощью моста, при этом для уравновешивания плеч моста необходимо одновременно подбирать емкость и сопротивление, причем с увеличением сопротивления и уменьшением емкости точность измерения падает. И, кроме того, в результате измерений определяют сопротивление образца, а не значение р, которое нужно рассчитать. Целью изобретения является упрощение процесса измерения путем непосредственного измерения удельного сопротивления образца. Поставленная цель достигается тем, что в бесконтактном способе измерения удельного электрического сопротивления образца цилиндрической формы путем подачи на образец через кольцевые электроды, связанные с образцом емкостными связями, прикладывают импульс напряжения прямоугольной формы, измеряют амплитуду тока через образец, причем электроды устанавливают друг от друга на расстоянии 1, удовлетворяющем соотношению: . °° . г/1 V , ,h ч 4 f sin ( x)sin(g х) 2 1х2 171x1 . (1) где D - диаметр образца; h - ширина электродов; 1ч (х), 1,(х) - функция Бесселя, а удельное сопротивление определяют как отношение амплитуды импульса напряжения к амплитуде импульса тока. На фиг. 1 приведена схема размещения электродов у образца, где образец 1, электроды 2, ширина электрода h, расстояние между электродами 14 на фиг. 2 - принципиальная схема устройства для реализации способа, где импульсный генератор 3, измеритель 4 тока через образец; на фиг. 3 - зависимости расстояния между электродами 1 от диаметра образца D при которых измеряемое сопротивление между электродами равно удельному сопротивлению материала образца, где кривая 5 при см, кривая 6 при см, кривая 7 при ,5 см; на фиг. 4 - схема для проверки способа, где скоростной осциллограф 8; на фиг. 5 - осциллограмма тока через образец. Предлагаемый способ состоит в следующем. Берут образец цилиндрической формы диаметром D, удельное сопротивление которого необходимо определить без непосредственного контакта с образцом, например цилиндрический образец, упакованный в полиэтиленовую пленку. На образец 1 накладывают два кольцевых электрода 2, шириной h, расположенные друг от друга на расстоянии 1. К образцу через электроды прикладывают прямоугольный импульс напряжения от импульсного генератора 3. Практически длительность фронта прямоугольного импульса генератора t должна удовлетворять условию:RC .к. при этом протекающий через образец импульс тока будет иметь такую же амплитуду и форму, как и при непосредственном контакте поясков с образцом. Измеряя с помощью измерителя импульсного тока А протекающий через образец ток, можно определить сопротивление образца между электродами, как отнощение амплитуды импульса напряжения генератора 3 к амплитуде импульса тока, измеренного измерителем 4. В качестве измерителя импульса тока можно использовать, например, включенное последовательно с образцом малое сопротивление, импульс напряжения с которого измеряется с помощью измерителя импульсных напряжений - импульсного осциллографа или импульсного вольтметра.

Для нахождения связи между удельным сопротивлением f и сопротивлением R образца между электродами можно воспользоваться следующей форму- лой:

21 . ,hч

sin (5 x)sin{5 х)

f..dx.

1-, -1 1

Отсюда видно, что электроды могут быть выставлены друг от друга на таком расстоянии 1, чтобы измеренное сопротивление R было в точности равно удельному сопротивлению образца. Дпя этого при заданном значении диаметра образца D и ширины электродов h расстояние между электродами 1 должно удовлетворять соотношению:

00 ,1

h D

1 :: r-l .

D

сг x 1,1x7

i; (4)

При вьшолнении соотнощения (4) измерение сопротивления образца между электродами и есть фактически измерение удельного сопротивления образца р . В отличие от прототипа предлагаемый способ предусматривает измерение р путем измерения амплитуды импульса тока, протекающего через образец при приложении к нему прямоугольного импульса напряжения при определенном соотнощении между диаметром образца и расстоянием между электродами. Следовательно, данным способом осуществляется непосредственное измерение удельного сопротивления и

не требуются дополнительные расчеты для определения удельного сопротивления после проведения измерений. .Соотношение (4) для требуемого расстояния между электродами записано в неявной форме. Однако не составляет труда произвести численные расчеты интеграла в правой части выражения (4) и получить зависимость для расстояния между электродами 1 от диаметра образца D при разной ширине электродов h в явной форме. Результаты таких расчетов приведены на фиг. 3. Устанавливая электроды на расстоянии 1, определяемом с помощью этих кривых для каждого значения диаметра образца D и щирины электродов h можно произвести непосредственное измерение удельного сопротивления образца р. I

Пример. От импульсного генератора 3 через омический делитель подавали на измеряемый образец импульс напряжения, амплитудой 10 воль и длительностью 100 наносекунд. Импульс на образец подавали через электроды, . связанные с образцом через . емкостные связи (фиг. 1). Соответст(3) 30 вующие емкости С показаны на схеме фиг. 4. Протекающий через образец импульс тока измеряли с помощью скоростного осциллографа 8 по падению напряжения V на последовательно включенном сопротивлении 220 Ом. Диаметр измеряемого образца составлял 2,6 Ом. Измерения производились при ширине электродов 0,5 см и 1,0 см. Б соответствии с кривыми 7 и 6 на фиг. 3 электроды устанавливались на расстоянии друг от друга соответственно 4,6 см и 5,1 см. Типичная осциллограмма импульса тока через образец показана на фиг. 5. Из осциллограммы видно, что спад вершины импульса является незначительным, сле довательно емкости между и электродами и образцом С имеют достаточно большую величину для неискаженной передачи импульса (т.е. удовлетворяют условию (2)..

Измеренные по величине спада вершины импульсов емкости С составляли соответственно 50 и 100 пф (при ширине электродов 0,5 см и 1,0 см). Амплитуда импульса тока через образец составляла в обоих случаях 7 10 ампера, т.е. измеренное удельное сопртивление образца составляло 5 14,410 Ом-см. Эта величина совпадает с удельным сопротивлением того же образца, измеренного прямым контактным методом. Предлагаемый способ измерения удельных сопротивлений обладает существенными преимуществами по сравнению с прототипом. Во-первых, метод измерения в прототипе является косвенным, измеряется не удельное сопротивление материала образца, а сопротивлением между поясками электродами. После этого необходимо производить вычисления для нахождения удельного сопротивления. В пред лагаемом же способе электроды устанавливают согласно формуле (4) таки образом, что измеряемая величина является удельным сопротивлением образца. Во-вторых, проведение изме рений в прототипе связано со сложньми операциями компенсации в одном из плеч моста одновременно двух величин - емкостей между электродами и образцом и сопротивления образца. В предлагаемом способе отсутствуют эти операции, после подключения электродов измеритель 4 (фиг. 2) сразу покажет на своей шкале величи ну удельного сопротивления образца .(при соответствую0;ей предварительно градуировке этой шкалы). Следовател 1 но, предлагаемый способ упрощает процесс измерения. Способ позволяет измерять большие удельные сопротивления, в то время как в аналоге с удельным сопротивлением не более 10 Ом-см. Кроме того, в аналоге величина удельного сопротивления измеряется не непосредственно, а косвенно. Сначала определяют потери в образце, а по ним путем расчетов находят удельное сопротивление, при этом возможны погрешности, так как связь между удельным сопротивлением и потерями не является простой. Предлагаемый способ свободен от этого недостатка, так как в нем удельное сопротивление измеряется непосредственно. По сравнению с контактными методами измерения удельных сопротивлений предлагаемый способ имеет то преимущество, что, во-первых, можно непосредственно измерять удельные сопротивления образцов , упакованных в изолирующую пленку и, во-вторых, при этом исключаются погрешности из-за образования р-п переходов в месте контакта электродов с образцом в случае измерения удельных сопротивлений полупроводников.

БЕСКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБРАЗЦА ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ путем подачи на оОразец через кольцевые электроды, связанные с образцом емкостньми связями, меняющегося во времени напряжения, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса измерений, к электродам прикладывают импульс напряжения прямоугольной формы, измеряют амплитуду тока, проходящего через образец, причем электроды устанавливают друг от друга на расстоянии 1, удовлетворяющем соотношению: 00 )sin(|x) ., -dx. 1 ... .где D - диаметр образца; i h - ширина электродов; 1,(х) (Л 1((х) функция Бесселя, а удельное сопротивление определяют как отношение амплитуды импульса напряжения к амплитуде импульса тока.

С

С 4

Фс/г.2

Фиг, 4

Фиг.5