Устройство для измерения контактной разности потенциалов Советский патент 1991 года по МПК G01R29/12 

(46)07.01.91. Бюл. № 1

(21)4265698/21

(22)22.06.87 (72)Ю.П. Воронцов (53)621.317.3 (088,8)

(54). УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНдаАЛОВ (57) Изобретение относится к технике электроизмерений, в частности к устройствам для измерения распределения электрического потенциала на поверхности твердых тел, и может быть использовано для измерения контактной разности потенциалов полупроводниковых пластин при производстве полупроводниковых приборов. Цель изобретения - повышение функциональной надежности устройства за счет исключения повреждения рабочих поверхностей измерительного зонда и измеряемой пластины - достигается благодаря введению последовательно

соединенных преобразователя перемещения в напряжение, оптически связа г- ного с подвижным элементом вибратора, и формирователя сигнала управления вибратором, выход которого соединен с катушкой индуктивности вибратора. Формирователь сигнала управления внб- ратором содержит резонасный усилитель, настроенный на частоту, кратную частоте механического резонанса вибратора, и вместе с преобразователем перемещения в напряжение образует положительную обратную связь. Таким образом, устройство-представляет собой саиоуправляемую ре:1онансную систему высокой добротности, колебания в которой быстро затухают при изменении частоты колебаний вибратора, наприм ер в результате касания зондом пластины, и не возникают до устранения причины изменения частоты.

W

с

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам Для измерения распределения электрического потенциала по поверхности твердых тел, и может быть использовано для измерения контактной разности потенциалов полупроводниковых пластин при производстве полупроводниковых приборов.

Целью изобретения является повышение функциональной надежности уст- ройства за счет исключения повреждения рабочих поверхностей измерительного зонда и измеряемой пластины.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения кон- разности потенциалов, преимущественно полупроводниковых пластин, содержащее электромагнитный вибратор с катушкой индуктивности, измерительный зонд, установленный на подвижном элементе вибратора, металлический стол для размещения измеряемой пластины, электрически связанный с блоком измерения, введены последовательно соединенные преобразовз гель перемещения в напряжение, оптически связанный с подвижным эле4

со

4

00

to

3

ментом вибратора, и формирователь сигнала управления вибратором, выход которого соединен с катушкой индуктивности, при этом упомянутый форми- роватепь содержит резонансный усилитель мощности, настроенный на частоту, кратную частоте механического резонанса вибратора.

На чертеже схематично изображен пример реализации предлагаемого устройства для измерения контактной разности потенциалов.

Устройство содержит электромагнитный вибратор 1 с катушкой 2 индук тивкости и подвижным элементом (мембраной) 3, на котором жестко закрепле измерительный зонд А, расположенный над поверхностью металлического сто

ла 5 для размещения измеряемой плас- 0 ный на оптоэлектронной паре светодиод - фототранзистор с элементами режимного обеспечения, обеспечивающими работу фототранзистора в линейном режиме.

Формирователь 9 сигналов управления вибратором I предназначен для усиления сигнала положительной обратной связи, поступающего на вход формирователя 9, выработки сигнала

тины 6. Металлический стол 5 электрически связан с блоком 7 измерения, а подвижный элемент 3 с зондом А оптически связан со входом преорразо- вателя 8 перемещения в напряжение, последовательно соединенного с формирователем 9 сигналов управления вибратором 1, выход которого соединен с катушкой индуктивности 2.

25

Формирователь 9 сигналов управле- 30 управления, частота которого равна

ния вибратором I состоит из соединенных последовательно усилителя 10 напряжения, делителя 11 частоты, интегратора 12 и резонансного усилителя 13 мощности.

Электромагнитный вибратор 1 предназначен для передачи на измерительный зонд А гармонических колебаний, возбуждаемых в катушке 2 индуктивности посредством сигнала управления,40 должен быть очень высоким - порядка

вырабатываемого формирователем 9.

Измерительный зонд А служит для образования динамического конденсатора совместно с измеряемой полупроводниковой пластиной 6. Торцовая поверхность зонда А является одной из обкладок указанного динамического конденсатора. Конструктивно измерительный зонд А выполнен в виде цилиндрического стержня диаметром О,А мм из то- копроводящего материала с золоченым или платиновым покрытием толщиной 10 мкм, обеспечивающим высокую стабильность поверхностного потенциала зонда А во времени.

Металлический стол 5, предназначенный для размещения измеряемой гитас 6, служит для передачи информации об измеряемом параметре на вход

блока

7 измерения, предназначенного для вылеления нз этой информации полезных сигналов, несущих информацию о величине и знаке контактной разности потенциала.

Преобразователь 8 перемещения в напряжение служит для преобразования механических гармонических колебаний измерительного зонда 4 в электрический сигнал синусоидальной формы, являющийся сигналом положительной обратной связи для формирователя 9 сигнала управления вибратором 1, что позволяет замкнуть их н кольцо и образовать caмoyпpaвляe fylo резонансную систему высокой добротности. Преобразователь 8 представляет собой оптический фотопреобразовятель, выполненчастоте механического резонанса вибратора I, и передачи этого сигнала на катушку 2 индуктивности вибратора 1. Схемное исполнение формирователя 9 обусловлено конструкцией применяемого вибратора, однако в любом случае использование резонансного усилителя мощности является обязательным, и коэффициент усиления формирователя 9

5

0

5

Устройство работает следующим образом.

Исследуемую полупроводниковую Пластину 6 размещают на металлическом столе 5. Запуск устройства осуществляется подачей питающих напряжений в -узлы и блоки устройства в реэультате чего измерительный эо1Щ U начинает совершать затухающие колебания на частоте механического резонанса вибратора 1. В начальный момент времени эти колебания воз никают в результате прохождения через катушку 2 индуктивности тока, обусловленного переходными процессами.

Поскольку подвижный элемент 3 виб- ратора 1 оптически связан с преобразователем 8 перемещения в напряжения, то на выходе последнего формируется сигнал обратной связи, пропорциональный амплитуде колебаний. Этот сигнал поступает на вход формирователя 9 сигнала управления вибратором 1, где в узлах 10-13 последовательно осуществляется усиление сигнала обратной связи, деление его частоты на два, преобразование формы сигнала и последующее усиление его по мощности. Полученный на выходе формирователя 9 сигнал поступает на катушку 2 ин индуктивности, через нее течет ток, возбуждающий гарАонические колебания измерительного зонда 4 на частоте меха - нического резонанса вибратора 1 .При

этом изменяется емкость конденсатора,

образованного.поверхностями измерительного зонда А и пластины 6. : Переменный сигнал, вызванный изменением плотносУи поверхностного заряда на пластине 6 через металлический стол 5 поступает на вход блока 7 измере- НИН, где из зтого сигнала вьщеляется постоянная составляющая, несущая информацию о контактной разности потенциалов.

При случайном контактировании измерительного зонда 4 и полупроводниковой пластиной 6 происходит резкое снижение добротности резонансной системы, образованной колебательной сие- темой вибратора 1, преобразователем 8 перемещения в напряжение и формиро

вателем 9 сигнала управления вибратором I. Это приводит к резкому уменьшению сигнала с выхода формирователя 9 и, в конечном счете, к срыву колебаний. Возобновление колебаний hpo- исходит при устранении причины, вызвавшей случайное контактирование зонда 4 с пластиной 6.

Таким образом, в предложенном устройстве исключаются многократные колебания зонда при случайном контактировании его с пластиной, следствием чего является исключение механических повреждений зонда и пластины, приводящих к увеличению погрешности измерения и снижению процента выхода годных пластин.

Формула изобретения

Устройство для измерения контактной разности потенциалов, преимущественно полупроводниковых пластин, содержащее электромагнитный вибратор с катушкой инлуктивности измерительный зонд, установленный на подвижном элементе вибратора, металлический стол для размещения измеряемой пластины, электрически связанный с блоком измерения, отличающее- с я тем, что, с целью повышения функциональной надежности устройства за счет исключения повреждения рабочих поверхностей измерительного зонда и измеряемой пластины, в него введены последовательно соединенные преобразователь перемещения в напряжение, оптически связанный с подвижным элементом вибратора, и формирователь сигнала управления вибратором, выход которого соединен с катушкой индуктивности, при этом упомянутый формирователь содержит резонансный усилитель мощности, настроенный на частоту, кратную частоте механического резонанса вибратора.