Устройство для измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов Советский патент 1993 года по МПК G01N27/00 G01R27/00 

Изобретение касается измерения параметров полупроводниковых материалов и может быть использовано для контроля удельного сопротивления пластин и слитков поли- и монокристаллов кремния, арсенида галлия, теллурида кадмия и т.д.

Целью изобретения является повышение точности путем уменьшения влияния реактивного сопротивления контактных емкостей.

На фиг. приведена структурная схема стройства; на фиг.2 - упрощенная эквиваленная схема измерения полупроводниковых бразцов; на фиг.З - измерительная плата с пленарным конденсатором.

Устройство содержит полупроводниковый образец 1, стопорный штифт 2, предназначенный для прижима образца к пленарному конденсатору, пенопластовую ванну 3 для жидкого азота, электроды 4 и 5 пленарного конденсатора, измерительную плату б, образующие измерительную ячейку, сопротивление 7 нагрузки для согласования схемы с выходным сопротивлением генератора высокой частоты, ключ 8, два генератора 9 и 10 высокой частоты с частотами ш и 0)2 выходных сигналов соответст- венно, конденсатор 11 нагрузки и два высокочастотных вольтметра 12 и 13.

На фиг.2 также обозначены контактные емкости Ск1.2 первого и второго электродов планарного конденсатора, сопротивление RO образца и емкость Сн нагрузочного конденсатора.

На фиг.З представлена измерительная плата 6 с контактными электродами 4 и 5 планарного конденсатора.

Сущность способа измерений, реализуемого устройством, заключается в следующем.

При включении первого генератора 9 с частотой выходного сигнала (а в измерительную цепь вольтметрами 12 и 13 измеряются амплитуды напряжений V01 на входе измерительной цепи (фиг.2) и Vi на выходе соответственно. Затем при подключении второго генератора 10 измеряются амплитуды напряжений Vo2 и Уана частоте ai и вычисляется сопротивление R0 образца. Для конкретных практических целей проводится градуировка по образцам с известными номиналами удельных сопротивлений /Ээ (Ra - сопротивление образца с известным номиналом). По аналогичной методике измеряются амплитуды напряжений Voa1 И Val, Voa2 и Vaz эталонного образца с известным номиналом р, определяется сопротивление Ra, a затем вычисляется удельное сопротивление исследуемого образца .

k|2 - kl

Комплексное напряжение в измери- 5 тельной цепи (фиг.2)

U

вых

f U

)Си (

Ro +

1 .

JCOCc

)

10

(1)

где U о и U вых - комплексные напряжения на входе и выходе измерительной цепи;

Со - суммарная емкость, Со Ск/2.

Отношение напряжений

О ) + (2)

Модули комплексных напряжений есть измеряемые амплитуды напряжений, Тогда кваДрат модуля (2) будет

.2

Vo V ebix

,+ z+0Fc2RS, О)

et vo /

где V0 и VBWX - амплитуды напряжений на входе и выходе измерительной цепи,

При измерениях на двух частотах и 300ft)2 входных сигналах получаем систему из двух уравнений с двумя неизвестными R0 и Со.

Сн

() +

(i+-g-) +4е5гё « 2

(4)

40 гдеМ

V01 , V02 -п- и К2 п- отношения ампV1V2

литуд напряжений на двух частотах ш и УЗ входных сигналов соответственно. Решение (4):

Re

1

Сн

VkT-kT; & - aft

Сн

(5)

(6)

У 1

о% -о$ Аналогичным образом по результатам

наблюдений получаем сопротивление Вэ эталонного образца

R9 4- У k|2-k i . СН

(7)

где k3i V031

И kg2

оэ- отношения

V31 7э2

ампл.итуд напряжений при измерении на эталонном образце на двух частотах СУГИ ад входных сигналов.

Отношение (5) к (7) позволяет определить удельное сопротивление образца по эталонному образцу с известным номиналом/Ээ :

R

ig-flOr (8)

(& - ft/f

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет полностью исключить влияние контактных емкостей на результат измерения удельной проводимости образца. Измерения проводятся при любой температуре от комнатной до жидкого азота, для чего измерительная плата помещается в пенопластовый криостат.

Соотношение частот toi и ад выходных сигналов генераторов определяется из дифференциала (5):

ARo --,,- ш d(t

dR° Дам+4Ј-А«2.

Погрешность результата измерения (8) из-за нестабильности отношения напряжений k определяется также его дифференциалом

y(Ro/R3)k

К2 Aka - ki Aki

k - k

k32 Ak32 - k3l АкЭ1 - kli

(13)

относительная

:: , У Po/RJ-A i.,

15 погрешность результата измерения:

A ki, Aka и Дка1,Дкэ2 абсолютные .погрешности отношений амплитуд напряжений при наблюдении исследуемого и эталонного образцов на двух частотах r/л и (in 20 входных сигналов соответственно. .

Допуская, что девиация отношений амплитуд напряжений малы и примерно равны

25 Ah Ak2«Ak3i Ak32 Ak, (14) из (13) получим

Использование: при измерении параметров полупроводниковых материалов для контроля удельного сопротивления пластин и слитков поли- и монокристаллов кремния, арсенида галлия и т.д. Сущность изобретения: устройство состоит из двух генераторов 9,10 высокой частоты, двух высокочастотных вольтметров 12,13, сопротивления 7, конденсатора 11 и измерительной ячейки, состоящей из образца 1, конденсатора с двумя пленарными электродами 4,5 и стопорного штифта 2, которая размещена в пенопластовой ванне 3 с жидким азотом, два генератора попеременно через ключ 8 подключены к входу второго высокочастотного вольтметра, первому электроду планарного конденсатора и через сопротивление соединены с общей шиной, второй электрод планарного конденсатора соединен с входом первого высокочастотного вольтметра и через нагрузочный конденсатор с общей шиной. Устройство позволяет уменьшить влияние реактивного сопротивления контактных емкостей, что повышает to4HOCTb измерения. 3 ил.

Продифференцировав (5), получим

Д(У1 -ОД Дад

о$ - йЯ

ARo

где y(Ro) -5- относительная погреш О

ность сопротивления из-за нестабильности частот;

и Дад - девиация частот w и ад входных сигналов.

Полагая, что Дои и А ад малы и одного порядка, допускаем что они равны

До Дад .(11) Подставив (11) в (10), получим

y(Ro) ш

wi 4-ад

(12)

Погрешность y(Ro) будет минимальш

на при равенстве частота) ад, что не имеет смысла. Поэтому выбирается соотношение частот для удобств вычисления wi: (02 4:5.

При этом значение погрешности близко к минимальному значению.

30

1

У (Ro/R3) Ak- - -1---Li l (is)

Из(15) следует, что погрешность результата измерения значительно меньше, чем погрешность одиночного измерения на од- 35 ной частоте.

,Формула изобретения

Устройство для измерения удельного сопротивления полупроводниковых матери40 алов, содержащее генератор высокой частоты, первый высокочастотный вольтметр, сопротивление и измерительную ячейку, содержащую стопорный штифт для прижима образца к пленарному конденсатору, изме45 рительную плату и пенопластовую ванну для жидкого азота, первый электрод пленарного конденсатора соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, второй электрод

50 пленарного конденсатора соединен с первым высокочастотным вольтметром, о т л и- чающееся тем, что, с целью повышения точности путем исключения влияния реактивного сопротивления контактных емко55 стей, в него введены вторые генератор высокой частоты и высокочастотный вольтметр, ключ, нагрузочный конденсатор, переключающий контакт ключа соединен с : вторым высокочастотным вольтметром и с первым выводом нагрузочного резистора,

другие выводы ключа соединены каждый с соответствующим генератором высокой частоты, второй вывод высокочастотного вольтметра соединен с измерительной пла-к, ЧЬ

и,

Г

т

той, общей шиной и первой обкладкой нагрузочного конденсатора, вторая обкладка которого соединена с вторым электродом пленарного конденсатора.

RO

-н

Ы

Фиг. 2

15

Фиг.З