Бесконтактный датчик поверхностных зарядов и потенциалов Советский патент 1992 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в репрографии, электротехнике, микроэлектронике, дефектоскопии при измерении поверхностных распределений заряда и потенциала на диэлектрических и высоко- омных полупроводниковых слоях.

Известен датчик для бесконтактного измерения поверхностных распределений заряда и потенциала, выполненный в виде металлического измерительного электрода, расположенного в 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 2кр.

Известен датчик поверхностных зарядов и потенциалов, выполненный в виде измерительного металлического электрода, расположенного в заземленном электростатическом экране. Торец металлического электрода выполнен в виде конуса с вершиной в плоскости торца экрана. Диэлектриче- ская вставка расположена между образующей электрода и боковой поверхностью экрана. Вследствие того, что измерительный электрод расположен внутри электростатического экрана, датчик имеет жидкую чувствительность Повысить разрешающую способность и чувствительность этого датчика возг-ож -п за

счет приближения к исследуемому слою. Однако уменьшение рабочего расстояния ограничено значением ZKp.

Наиболее близким к предлагаемому является зондовый датчик для бесконтактного измерения поверхностного распределения заряда и потенциала, в котором на торец измерительного электрода и внешнюю поверхность электростатического экрана нанесено покрытие из электроизолирующего материала, толщина которого h выбирается

из условия 0,1 - 0,2, где ZKp ZKp

минимальное 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 ZKp, что ограничивает разрешающую способность и чувствительность датчика.

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 соединенные между собой, при 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.З - эквивалентная схема согласующего каскада, включающая

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 по- верхностью, помещенный в полый электростатический экран 2, и диэлектрическую 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 резистивного элемента 4 подается опорное напряжение Do.

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 п/п материала, что приводит к изменению тока в делителе: резистивный элемент- п/п 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

индуцируется переменный заряд, а в измерительной цепи течет переменный ток, по величине которого судят о плотности поверхностного заряда на исследуемом слое. Высокоомный 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

кС вх

Кп Свх + Сзэ+См Коэффициент передачи истокового повторителя близок к единице. Элементы R3 и RH 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; RH - 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 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 Кп возможно за счет увеличения Свх и уменьшения Сзэ и См. Так как увеличение Свх ограниченно пробивным напряжением и определяется величиной ZKp, а также формой металлического электрода 1, то для дальнейшего повышения чувствительности датчика необходимо уменьшение Сзэ или См. Для этой цели полевой транзистор располагают как можно

ближе к электроду 1 с целью уменьшения См. Чтобы полностью исключить См предлагается выполнять согласующий каскад непосредственно 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 См. Коэффициент передачи предлагаемого зондового датчика определяется величиной

/

К. п -

С

ъх

С СВ Г С 33

Коэ ффиимегт передгчи согласующего каскада, в который входмт высокоомиый ре- зистивный слой 9 i/. резист вн й элемент 4, равен 1 и не илжет на чувствительность датчика,

Учитывая, что полный коэффициент передачи зондового датчика, включая и усилительный каскад, есть величина

U вых v ,/

-14 п л ус ;

с лов

то нэ индикаторе регистрируется выходное напряжение Иных, определяемое входным значащем епов Б соответствии с

соотноше:1/,.

,, ь вых

U вых - г-i i- с лов

- вых С- зэ

так как Кус 1.

Таким образом, регистрируемое выходное напряжение ивых пропорционально л«- бо потенциалу U исследуемого слоя, лмбо плотности поверхностного заряда а, т.к. можно записать два следующих равенства:

U вых -

ffS

С вх f С зэ С слоя

(при измерении заряда):

С ВЫХ

U вых -

+ с

и

(при измерении поверхностного потенциала).

Формула изобретения Бесконтактный датчик поверхностных

зарядов и потенциалов, содержащий металлический электрод с рабочим торцом и противоположным нерабочим торцом, помещенный в полый электростатический экран, и диэлектрическую вставку, расположенную между боковой поверхностью металлического электрода и электростатического экрана, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в полости электростатического экрана дополнительно размещены резистивный и полупроводниковый элементы, электрически соединенные между собой, при 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.

Изобретение м.б. использовано в измерительной технике, электротехнике, микро- электронике, 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 резистив- ного 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/

.. I. чigb-- -

уг

УС

33

С

М

в, 2

&пав

&

ссп