Датчик электрофизических параметров полупроводников

СОЮЗ СОВЕТСКИХсоцидлистичкснии ЯЦ Д РЕСГ(УБЛИН Н 9) ПН 1/бб(51 Н 0 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП а, -а., ЛЬ 3 от(21) 3450386/18-21(71) Сибирский Физико-технический институт им. В.Д.Кузнецова при Томс ком ордена Трудового Красного Знамени государственном университете им. В.В.Куйбышева(56) 1. Авторское свидетельство ССС Р 779937, кл. С 01 Н 31/28, 1978.2. Ахманаев В.Б. и др. Резонатор для бесконтактного измерения удельного сопротивления полупроводниковы материалов. - Электронная техника Сер.1, Электроника СВЧ, 1981, вып.4 (328), с.49.(54)(57) ДАТЧИК ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ содер щий СВЧ-реэонатор кваэистатическо типа с первым и вторым элементами связи и измерительным отверстием зи в торцовой стенке, в котором размещен индуктивный штырь, закре ленный на металлической диафрагме,образующей противоположную торцовую стенку резонатора, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности измерения,в неговведена пластина с отверстием, выполненная из низкоомного полупроводникового материала, закрепленная свнешней стороны торцовой стенкирезонатора с измерительным отверс-тием связи, при этом отверстие впластине соосно с измерительным отверстием связи, а диаметр отверстияи толщина пластины выбираются изусловия Сш - диаметр свободного торцаиндуктивного штыря; д- диаметр отверстия в пластине;3 - диаметр измерительноговерстия связи;толщина скин-слой материала пластины на рабочейчастоте резонатора;И - толщина пластины.. ромагнитной волны, распространяющейся в зазоре между исследуемым полупроводником и низкоомной пластиной, от величины удельного сопротивления Платины. Анализ распространения электромагнитной волны вдоль поверхности полупроводниковой пластины показывает, что с помощью полупроводниковой пластины, расположенной на торцовой стенке резонатора, можно исключить излучение электромагнитного поля из неконтролируемого зазора между исследуемым полупровоцником и низкоомной пластиной за счет быстрого затухания в ней, Дляэтого необходимо, чтобы толщина низкоомной пластины П была больше глурбины скин-слоя Ь материала, иэ кото го она изготовлена. Если толщинапластины Ь будет меиьше толщины еескин-слоя Ь, то н ней будет распространяться электромагнитная волназа счет малого коэффициента затухания, что приводит к снижению точности измерения электрофизическихпараметров, Потери, вносимые при этомисследуемым полупроводником н резонатор, определяются его удельным , сопротивлением и не зависят от неконтролируемого прижима и местоположения образца относительно отверстия связи резонатора.Пластина, расположенная на внешней торцовой стенке резонатора, является частью его стенок и вноситдополнительные потери, уменьшаеткоэффициент связи. Это приводит куменьшению диапазона измеряемых значений электрофизических параметровполупроводников. Для уменьшениявлияния пластины на диапазон измерения электрофизических параметров необходимо,чтобы ее толщина быламеньше диаметра отверстия связи резонатора с полупроводником (ИО),Диаметр отверстия связи определяетпространственное разрешение датчика.Диаметр отверстия в полупроводниковой пластине должен быть меньше илиравным диаметру отверстия связи.Это обясняется тем, что увеличивать диаметр отверстия в пластине.нецелесообразно из-эа ухудшенияпространственного разрешения датчика,. Минимальный диаметр отверстияв пластине ограничен диаметром торца штыря.Измерение удельного сопротивлениян полупроводниковпредлагаемым датчиком производится посредствомопределения потерь, вносимых исследуемым образцом в резонатор. Дляэтого СВЧ-резонатор через элементысвязи включается в измерительныйтракт, и по стандартной методикенаходится изменение нагруженной добротности либо коэффициента передачи,,Удельное сопротивлениеисследуемого полупроводника вычисляется поформуламе)1 через резонатор без полу- .проводника;15 Р, - СВЧ-мощность, прошедшая"ц через резонатоР с полупро.водником;а - собственная частота резонатора с полупроводником;коэффициент зависящий отвеличины связи и нагруженной добротности Я,Норезонатора,К, - коэффициент включения низкоомного полупроводника;С - емкость зазора между торцом штыря и поверхностью;.полупроводника;Р - диаметр отверстия связиЗОрезонатора " полупроводни.ком;о - диаметр свободного торцаштштыря,Дня определения коэффициентов(35 К в выражениях (2) и (3) используются эталонные образцы, по которымосуществляется калибровка резонатора. Суть калибровки заключается нтом, что по эталонным образцам40 с известным р по Формулам (2) и (3)вычисляются коэффициенты (., К.Измерение распределения Р поплощади исследуемого полупроводникового образца осуществляется путемА 5;его сканирования над (или под) отвератием связи резонатора.Предлагаемый датчик кроме удельногЬ сопротивления позволяет также измерять и другие электрофизическиепараметры 1 полупроводников, такиекак диэлектрическая проницаемость ,фотопроводимость ЬГ, время жизни би концентрация свободных носителейзаряда и, а также толщину Г полупроводниковых образцов, их неплоскостность. Методика измерения этихэлектрофизических параметров основана на регистрации изменения характеристик Резонатора (й, Я) за счетизменения характеристик полупронод 60 ника при освещении его оптическимиимпульсами.Примером выполнения изобретенияявляется датчик с пластиной, выполненной изэ легиронанного кремния с65 9 510 Ом.см. Глубина скин-слояИэобретение относится к измерительной технике, в частности ктехнике бесконтактного измеренияэлектрофиэических параметрон полупроводников, и может быть использовано на предприятиях, производящих и потребляющих полупроводниковыематериалы, в технологических процессах их раэбраковки, сортировки, а,также в исследовательской практикепри изучении природы дефектов.Известны датчики злектрофизическихпараметрон (удельного сопротивления9 ) полупроводниковых пластин на основе резонаторов квазистатическоготипа, содержащие отрезок запредельного волновода с индуктивным штыремна одной из широких стенок и элементы связи.Исследуемая полупроводниковаяпластина помещается в зазор между 20свободным торцом штыря и широкойстенкой волнонода. Основным достоинством этих датчиков является высокое пространственное разрешение,которое определяется диаметром свобод, ного торца штыря 1 ),Недостатками известных датчиковявляются необходимость приготовления полулроводниковых пластин определенной толщины, трудоемкая операция размещения исследуемого образца внутри волновода под свободнымторцом штыря и узкий диапазон измерения удельного сопротивления(= 10 - 10 Ом см) .Наиболее близким по техническойсущности и достигаемым результатамк предлагаемому является датчик,содержащий СВЧ-резонатор кваэистатического типа с первым и вторым элементами сняаи и измерительным отверстием связи в торцовой стенке,в котороЕ введен индуктивный штырь,закрепленный на металлической диафрагме, образующей противоположнуюстенку резонатора. 45Потери, вносимые исследуемым полупроводником в резонатор, определяютея удельным сопротивлением 9 образца и коэффициентом связи его срезонатором. Величина коэффициента щсвязи определяется геометрическимиразмерами отверстия снязи, торца индуктивного штыря и зазора между торцом штыря и поверхностью полупроводника. Регулируя зазор между торцомштыря и поверхностью полупроводника,можно обеспечить эффективное включение как ниэкоомных, так и высокоомных полупроводников в резонатор и,следовательно, измерить их удельноесопротивление Г 23. 60Недостатком данного датчика является ненысокая точность измеренияниэкоомных полупронодников ( ф =10 -10 Ом см). Это обусловленотем, что в зазоре между поверхностью 65 полупроводника и стенкой резонаторараспространяется электромагнитнаяволна, которая приводит к утечкеэлектромагнитной энергии из .резонатора. Величина этих потерь .имеетслучайных характер, так как зависитне только от полупроводника, но иот неконтролируемого прйкима, местоположения образца относительно отверстия связи.Цель изобретения - повышение точности измерения электрофизическихпараметров полупроводников.Указанная цель достигается тем,что н датчик, содержащий СВЧ-резонатор кваэистатического типа с первым и вторым элементами связи и измерительным отверстием связи в торцовой стенке, в котором размещен индуктивный штырь, закрепленный на металлической диафрагме, образующейпротивоположную торцовую стенку резонатора, нйедена пластина с отверстием, выполненная из низкоомногополупроводникового материала, закрепленная с внешней стороны торцовой стенки реэонатора с измерительнымотверстием связи, при этом отверстиен пластине соосно с измерительнымотверстием связи, а диаметр отверстия и толщина пластины выбираются изусловияй д О,(1)дМО,где Й- диаметр свободного торцаштиндуктинного штыря;Й - диаметр отверстия н пласот1тине;О - диаметр измерительного отнерстия связи;д - толщина скин-слоя материала пластины на рабочей частоте резонатора;Й - толщина пластины.На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого датчика электрофизических параметров полупроводников; ,на фиг.2 - узел 1 на фиг.1.Датчик содержит цилиндрический СВЧ-резонатор 1 квазистатическоготипа с измерительным отверстием 2 .связи в торцовой стенке и с исследуемым полупроводником 3, индуктивный штырь 4, свободный конец которогорасположен в отверстии 2, и первый и второй элементы 5 и б связи. Индуктивный штырь 4 укреплен на гибкой диафрагме 7, которая обеспечивает воэможность его перемещениявдоль своей оси. На торцовой поверхности резонатора 1.извне закрепленапластина 8, соотношение размеров отверстия и толщины которой показано на фиг.2,В основу работоспособности предлагаемого датчика положена зависимость коэффициента затухания элект-.1045310 Заказ 7 б 01/55.Подписное ВНИИПИТираж 70 Патент",л.Проектная 4 Филиал ПП .Ужгород этого материала на частоте й =10Гцравна-120 мкм, Толщина пластиный щ 500 мкм, что удовлетворяетвыполнению условия ЬЬ О = 1 мм. 5Поверхность пластины, на которуюнакладывается исследуемый полупроводник, полирована и покрыта диэлектрической пленкой (например, окисьюкремния 8101), противоположная поверхность пластины шлифована длялучшего сцепления со стенкой резонатора. Пластина крепится к резонатору при помощи токопроводящей пасты,Резонатор с данными геометрическики размерами работает в диапазонечастот 1000-2000 МГц Перестройкасобственной частоты резонатора в ука.занном диапазоне осуществляется путем перемещения индуктивного штырявдоль своей оси. Диапазон измерения фэлектрофизических параметров, .например удельного сопротивления, определяется коэффициентом связи, собствЕнной добротнсстью резонатора и-ЪПовышение точности измерения электрофизических параметров полупровод-.ников предлагаемым датчиком по сравнению с прототипом достигается за 30счЕт уменьшения неконтролируемыхпотерь электромагнитной энергии изрезонатора. Злектромагнитная волна, которая возбуждается в зазоремежду поверхностями образца и низкоомной пластины, затухает вблизиотверстия и не выходит за пределыплощади исследуемого полупроводника,За счет этого результаты измерения0 не зависят от местоположения кран 4 Ополупроводникового образца относи"тельно отверстия связи и от прижимаобразца к стенке резонатора.Результаты испытаний показывают,что предлагаемый датчик в 60 раз повышает точность измерения удельного сопротивления кремниевых пластин по сравнению с датчиком-прототипом.Основным техническим преимуществом предлагаемого датчика по сравнении с базовым объектом, 4-х зондоной установкой, является высокая точность (10) измерения ( в диапазоне 10" -5 10 Ом.см, в то время как 4-х зондовая установка обеспечивает эту же точность лишь в диапазоне 10 -300 Ом,см, Кроме этого существенным преимуществом предлагаемого датчика является более высокое (в 10 раз) пространственное разрешение (0,1-1 мм) и бесконтактность, Высокое пространственное разрешение предлагаемого датчика позволяет получить точную информацию о распределении электрофизических параметров по площади исследуемого по лупроводникового образца, выявить локальные дефекты,Бесконтактность измерений позволяет осуществлять измерения на чистых (травленных) поверхностях полупроводниковых пластин, что удовлетвоояет требованиям современной технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схемЭкономич окая эффективность от внедрения предлагаемого датчика на предприятиях полупроводниковой элект роники заключается в повышении точности разбраковки полупроводниковых подложек для зпитаксиальных пленок и интегральных схем. За счет точного измерения распределения электрофизических параметров по площадиподложек выявляется пригодность данной подложки для дальнейшего технологического цикла, а также появляются локальные участки, которые удовлетворяют техническому заданию на производство полупроводникового прибора. В результате увеличивается на б 0 выход годных приборов и более эффективно используется дорогостоящий полупроводниковый материал.