Устройство для измерения параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников Советский патент 1981 года по МПК G01R17/06 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НЕРЕЗОНАНСНЫХ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ Изобретение относится к электроизме рительной технике и может быть использовано для измерения параметров полупроводниковых структур и тонких пленок при производстве полупроводниковых приборов, во влагометрии, биологии и других областях науки и техники, где объект контроля можно представить в виде трехэлемент ного двухполюсника. Известна измерительная цепь преобразователя параметров трехэлементных двух попюсников в активные величины, содержащая источник двух напряжений различных частот, подключенные к нему ветвь с исследуемым трехэлементным двухполюсником и ветвь образцовых величин, содержащую три звена направленного действия с регулируемыми коэффициентами передачи, и узел суммирования выходных велишн ветвей, причем ветвь образ. цовых величин содержит звено с коэффициентом передачи, совпадаклдим по величине фазового угла с отнощением парамет ров двухэлементной части двухполюсника. ДВУХПОЛЮСНИКОВ охваченное отрицательной обратной связью с постоянным коэффициентом передачи и соединенное последовательно со звеном, коэффициент передачи которого совпадает по величине фазового сдвига с иммитансом одного из элементов двухэлементной части двухполюсника, а параллельно этим звеньям включено звено с коэффициентом передачи, совпадающим по величине фазового угла с иммитансом третьего элемента 1 3. К недостаткам измеритепьной цепи преобразователя параметров трехэлементных двухполосников относится низкая точность измерения параметров двухполюсника при очень высокой точности уравновешивания измерительной цепи. Это происходит по той причине, что, не зная заранее параметров двухполюсника или его характеристик, невозможно оптимально выбрать значения дискретных частот, питающих измерительную цепь, при которых погрей ность измерения минимальна. К недостаткам цепи относятся также сложности про-

цесса уравновешивания измерительной цепи, и как следствие этого - низкое быстродействие. Измерительная цепь неуниверсальна, т.е. для каждого нового вида трехэлементного двухполюсника необходимо ее составлять заново, что затрудняет ее широкое использование.

Известен также преобразователь параметров пассивных нерезонансных двухполюсников, который содержит источник литания, соединенный с трансформатором тока, два усилителя, в обратной связи одного из которых включен образцовый элемент, а выход и вход другого усилителя соединены с клеммами для подключения исследуемого двухполюсника; управляемый делитель напряжения и дополнительный образцовый элемент, конденсатор, сумматор, два измерителя отношения напряжений и фазочувствительный индикатор, причем источник питания связан с сумматором и через последовательно соединенные первичную обмотку трансформатора тока и конденсатор - со входом усилителя, подключенного к сумматору, выходом связанного со входами последовательно соединенных фазочувствительного индикатора, управляемого делителя напряжения и двух измерителей отношения напряжений, один из которых связан с фазочувствительным индикатором, вход второго усилителя одновременно подключен ко вторичной обмотке трансформатора тока, второй конец которой заземлен и через дополнительный образцовый элемент соединен с выходом управляемого делителя напряжения и входом одного из измерителей отношения напряжений, а выход второго усилителя связан одновременно со вторы ми входами фазочувствительного индика - тора и другого измерителя отношения напpяжeни i .

К недостаткам преобразователя параметров пассивных нерезонансных двухполюсников относится то, что в контролируемом двухполкхзнике измеряются параметры двух элементов только при наличии известного номинала третьего элемента. Преобразователь имеет низкую точность, так как частота питания измерительной цепи выбирается произвольно, вследствие чего на определенных частотах характеристики двухполюсника определяются, например, практически только параметрами одного из элементов схемы замещения, а также измерение параметров ряда элементов происходит прямым методом преобразования. Преобразо-

ватель также неуниверсален в смыспе измерения параметров различных видов трехэлементных двухполюсников.

Наиболее бтгазким к предлагаемо1 1у является устройство для измерения параметров нерезонансных пассивных -трехэлементных двухполюсников, содержаще е источник напряжения изменяющиеся частоты, к которому подключен преобразователь комплексного сопротивления (комплексной проводимости) исследуемого двухполюсника в активный сигнал, формирователь компенсирующего сигнала, причем выходы преобразователя и формирователя соединены со входами вычитающего устройства выход вычитающего блока соединен со входом указателя максимума реактивной составляющей, блок умножения и деления на частоту указатель равенства активной и реактивной составляющей, три отсчетных прибора, фазочувствительный детектор/С3f.

Измерение параметров трехэлементных двухполюсников в описанном устройстве основано на сочетании методов уравновешивания и прямого преобразования, поэтому два параметра двухполюсника, которые измеряются методом прямого преобразования, измеряются с низкой точностью. Низкая точность измерения этих параметров обуславливается еще и тем, что их измеряют на неблагоприятной частоте в смысле точности. Это такая частота, где измеряемые параметры мало влияют на .частотную характеристику двухполюсника. Устройство обладает малыми функциональными возможностями: при смене одного вида контролируемого двухполюсника на другой необходимо заменять целый ряд узлов устройства.

Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для. измерения параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников, содержащее источник напряжения изменяющейся частоты, преобразователь комплексного сопротивления исследуемого двухполюсника в активный сиг.нал, формирователь компенсирующего сигнала, вычитающий блок и три отсчетных прибора, выход источника напряжения изменяющейся частоты соединен со входами преобразователя комплексного сопротивления исследуемого двухполюсника и формирователя компенсирующего сигнала, а выход последнего - с одним из входов вычитающего блока, при этом

помянутый преобразовате ть содержит усиитель, во входную цепь которого включен образцовый элемент, а в обратную связьсследуемый двухполюсник, введены частотомер, фазометр усилитетш с управля- емым коэффициентом передачи, ключ, программно-вычислительный блок, блок уравновешивания и указатель экстремальных фазовых значений, причем выход преобразователя комплексного сопротивления ис- в следуемого двухполюсника в активный сигнал соединен с первым входом фазометра со входом усилителя с управляемым коэф(}яциентом передачи, а выход последнего - со вторым входом вычитающего IS лока, второй вход фазометра соединен через ключ со входом и выходом формиователя комплексирующего сигнала, при этом выход фазометра соединен с программно-вычислительным блоком и со20 входом указателя экстремальных фазовых значений, выход последнего соединен с управляющими входами частотомера и источника напряжения изменяющейся часта ты, выход вычитающего блока через блок 2S равновешивания соединен с программновычислительным блоком и усилителем с управляемым коэффициентом передачи, выход источника напряжения изменяющейся частоты соединен через частотомер сю программно-вычислительным блоком, а последний - с двумя регулирующими органами формирователя компенсирующего сигнала и тремя отсчетными приборами.

Наличие в устройстве фазометра, ука- 15

зателя экстремальных фазовых значений, частотомера и их связи обеспечивают достижение одновременно двух условий: первое - частота питания измерительной цепи приводится в область максимального 40 наклона амплитудно-частотной характеристики двухполюсника, что обеспечивает достижение необходимой точности измерения; второе - значение измеренной частоты дает возможность установки регули- 4S рующих органов формирователя компенсирующего сигнала в положение, удобное для приведения измерительной цепи в положение равновесия. Наличие в устройстве фазометра и усилителя с регулируемым JQ коэффициентом передачи и их связи обеспечивают раздельное уравновешивание измерительной цепи как по фазе, так и по амплитуде сигналов на всех частотах. В ре льтате все три измеренных парамет- jj pa для определения номиналов элементов схемы двухполюсника определяются методом у вновешивания, что повышает точность предлагаемого устройства по сравнению с известным. Натшчие в устройс-пве формирователя компенсирующего сигнала, состоящего из звена с регулируемым полюсом и нулем коэффициента передачи, позволяет с одинаково высокой точностью измерять параметры двухпопюоников разных видов и состояпщх из элементов разных номиналов. Это осуществляется за счет того, что каким бы ни был контролируемый двухпогаосник, попюс и нуль его передаточной функции располагаются всегда определенным образом и имеют одну размерность.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фяг, 2. схемы нерезонансный трехэлементных двухполюсников.

Устройство для измерения параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников содержит источник 1 напряжения изменяющейся частоты, преобразователь 2 комплексного сопротивления исследуемого двухполюсника в активный сигнал, в обратной связи которого включен контролируемый двухполюсник 3, а во входной цепи - образцовый элемент 4, формирователь 5 компенсирующего сигнала, в обратной связи которого включен образцовый конденсатор 6 и цифроуправляемый резистор 7, а во входной цепи подобным же образом включены образцовый конденсатор 8 и цифроуправляемый резистор 9, фазометр 10, один вход которого соединен с преобразователем 2, а второй - с ключем 11, имеющим контакты 12 н 13, выход фазометра соединен с указателем

14экстремальных фазовых значений и с программно-вычислительным блоком 15. Выход преобразователя 2 через уситштель 16с управляемым коэффициентом передачи соединен с одним из входов вычитающего блока 17. Выход вычитающего блока 17 подключен через блок 18 уравновешивания к блоку 15 и управляющему входу усилителя 16. Выход указателя 14 соединен со входом частотомера 19 и с управляющим входом источника 1 напряжения изменяющейся частоты. Выход блока

15соединен с тремя отсчетными приборами 20, 21 и 22.

Устройство работает следуклцим образом.

Перед началом измерения ключ 11 за мыкает контакт 13, На выходе источника 1 напряжения изменяется частота гармонического сигнала до достижения макси - мального значения фазы на выходе фазометра Ю. Экстремальное значение фазы фиксируется указателем 14, которн 1Й останавпивает изменение частоты источника 1 и дает команду частотомеру 19 на измерение этой частоты. Измеренное значение частоты в виде цифрового кода поступает в блок 15, далее ключ 11 замыкается на клемму 12,. а частота источника 1 напряжения начинает свипировать около измеренной частоты. Блок 15 на основе измеренного значения частоты устанавливает необходимые равные между собой номиналы сопротивлений резисторов 9 и 7, а затем изменяет эти сопротвления - увеличивает одно сопротивление и уменьшает другое до появления на выходе фазометра 10 нулевого сигнала. В этот момент времени регулировка цифроуправляемых резисторов 7 и 9 прекращается и их значение в виде цифрового кода запоминается в блоке 15. После этого наступает второй этап работы устройства. Блок 18 у вновешивания начинает изменять коэффициент передачи усилителя 16 так, чтобы на выходе вычитающего блока 17 отсутствовал сигнал. После уравновешивания значение коэффициента передачи усилителя 16 в виде цифрового кода поступает в блок 15. После измерения трех величин - двух сопро- тивлений резисторов 7, 9 и коэффициента передачи усилителя 16,, которые измеряются методом уравновешивания и поэтому могут быть определены с очень высокой точностью, - блок 15 производит вычисление параметров двухполюсника, функционально связанных с измеренными величинами. Найденные параметры двухполюсника высвечиваются на табло отсчет-ных приборов 2О, 21 и 22. Программа вычислительному блоку 15 задается в зависимости от вида контролируемого двухполюсника и легко может меняться.

Таким образом, происходит измерение параметров контролируемого двухполюсника и достигается поставленная цель. Так, например, для двухполюсников, изображенных на фиг. 2 а, б, операторное сопротивление имеет вид

Р +0

ZCp)--N

I

Р(Р где Р - j CJU

N - постоянЕ1ый коэффициент; of, и Р) - ноль и полюс функции операторного сопротивления. Если в качестве образцового элемента 4 взять емкость Сд, то коэффициент передачи преобразователя 2 имеет вид

PtoC

)--Со При этом частота, на которой возникает экстремум фазового сдвига, вносимого преобразователем 2, определяется следующим образом

ш-VST

Можно показать, что при свипирова НИИ частоты источника 1 в окрестностях найденной частоты Л фазовая и амплитудная характеристики преобразователя 2 обладают наибольшей чувствительностью к изменению параметров контролируемого двухполюсника, и в результате при контроле параметров в этой области частот может быть получена максимально возможная точность измерений. Коэффициент передачи формирователя 5ч имеет вид

Cg pfoC

s(P- --TTT

емкости образцовых конSгде Cg и денсаторов 8 и 6;

c.MfRgCg

P,

где Ro и -f - регулируемые

торы 9 и 7.

Как для преобразователя 2, так и для формирователя 5 фазочастотные характе - ристики определяются исключительно полюсами и нулями, т.е. , f и . ля - того чтобы фазочастотные характеристики усилителей были идентичны и фазометр 10 на всех частотах показывал ноль, необходимо, чтобыо и/ yfj, поэтому первоначально блок 15 устанавливает значения сопротивлений резисторов 7 и 9 равными между собой и чтобы при этом выполнялось условие.

-(jV

ЯтСб

при равенстве емкости , где С 2. - емкость образцового элемента 4, После этого блок 15 начинает изменять сопротивление одновременно регулируемы резисторов 7 и 9, при этом соблюдается соотношение

или

При полном совпадении фазочастотных характеристик регулировка сопротивлений R и R прекращается, что соответствует равенствам о/ с/ и р г |i. Для того, чтобы стали идентичными амплитудно-частотные характеристики преобразователя 2 и формирователя 5, необходима регулировка коэффициента передачи К усилите пя 16 до соблюдения равенства

))

ИЛИ

KNCo

Таким образом, после полного уравновешивания измерительной цепи величины контролируемого двухполюсника 3 ot, р и N; функционально связанные с его параметрами, определяются следук щими выражениями

ot,--l|RqCli ib--1(RiCi

NllKCo

Например, для двузшолюсника, изображенного на фиг. 2а, операторное сопротивление равно

) -i

f1)

1СР) ftp

этом

oC l/RCCj-Ci)

(1) 1 -- 1|RC

N-iИз (2) легко определяются значения емкости конденсаторов 23 (С) и 24 (С), а также сопротивление резистора 25 (R)

C--MNdL,, ()) (i)

,,R--()N

Из (3) и (2) находим окончательные выражения для параметров двухполюсника (фиг, 2а) через регулировки R, Rp, К и через образцовые величины Со и С.

- -с-с К -5

С --СоК.

R7 - R,-R, CaRTU9-R-7 )

RК- RO

Подобнь1м образом определяются параметры и других трехэлементных двухполюсников (фиг, 26, в, г, д, е, ж, з). Таким образом, исходные величины

К, и R для вычисления параметров контролируемых двухполюсников определяются методом полного уравновешивания и потому могут быть измерены с очень высокой точностью. Относительная погрешность измерения параметров трехэлементных двухполюсников не превьпиает 0,1%. Предлагаемое устройство применяется для контроля параметров полупроводниковых структур при производстве боль-

ших интегральных схем. Устройство позволяет за счет измерения параметров трехэлементных схем замещения полупроводниковых структу э производить отбраковку изделий уже на промежуточных ста-

диях их изготовления, а также оперативно корректировать параметры технологических режимов.

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников, содержащее источник напряжения

изменяющейся частоты, преобразователь комплексного сопротивления исследуемого двухполюсника в активный сигнал формирователь компенсирующего сигнала, вычитающий блок и три отсчетных прибора, выход источника напряжения изменяющейся частоты соединен со входами преобразователя комплексного сопротивления исследуемого двухполюсника и формирователя компенсирующего сигнала, а выход последнего - с одним из входов вычитающего блока, при этом упомянутый преобразователь содержит усилитель,во входную цепь которого включен образцовый элемент, а в обратную связь - исследуемый двухполюсник, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей, в него введены частотомер, фазометр, усилитель с управляемым коэффициентом передачи, ключ, программновычислительный блок, блок уравновещива- ВИЯ и указатель экстремальных фазовых значений, причем выход преобразователя комплексного сопротивления исследуемого двухполюсника в активный сигнал соединен с первым входом фазометра и со входом усилителя с управляемым коэффициентом передачи, а выход последнего - со вторым входом вычитающего блока, второй 118 вход фазометра соединен через ключ со входом и выходом формирователя компенсирующего сигнала, при этом выход фазометра сяэединен с программно-вычислитель ным блоком и со входом указателя экстремальных фазовых значений, выход последнего соединен с управляющими входами частотомера и источника напряжения изменяющейся частоты, выход вычитающего блока через блок уравновешивания соединен с программно-вычислительным блоком н усилителем с управляемым коэффициентом передачи, выход источника напряжения изменяющейся частоты соединен 7 через частотомер с программно-вычислительным блоком, а последний - с двумя регулирующими органами формирователя компенсирующего сигнала и с тремя отсчетными приборами. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СС5сР 444115, кл. Q 01 R 17/06, 1972. 2.Авторское свидетельство СССР 519646, кл. G 01 R 27/00, 1974. 3.Авторское свидетельство СССР № 234508, кп. GO1 R 31/26, 1966 (прототип) ,

з(с) г(с)

8 KID-CZl

-ШЗ-0

h

,z(.rv-v4.

Cpu8.2