Способ определения удельного электросопротивления полупроводников с помощью инфракрасной оптики
METHOD FOR DETERMINING THE ELECTRICAL RESISTIVITY OF SEMICONDUCTORS USING INFRARED OPTICS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для неразрушающего контроля удельного электросопротивления полупроводниковых кристаллических материалов, в частности, монокристаллов германия.
Известен способ определения удельного электросопротивления (RU 95120920, опубл. 20.02.1998), где в качестве средства измерения электросопротивления тонкослойных материалов используется четырехэлектродный потенциометрический датчик. Недостатком этого метода является механический контакт датчика с образцом в каждой точке измерения.
Известен способ определения удельного электросопротивления поверхностного слоя материала (RU 2426137, опубл. 12.04.2010), включающий измерение электросопротивления контакта поверхностного слоя материала с металлической плитой методом амперметра-вольтметра, определение силы прижима поверхностного слоя материала к металлической плите, измерение параметра шероховатости и твердости поверхностного слоя с дальнейшим вычислением удельного электросопротивления. Недостатками данного способа являются определение удельного электрического сопротивления только поверхностного слоя материала, а также проведение дополнительных работ по измерению силы прижима, параметра  шероховатости и твердости.
Известен способ бесконтактного определения удельного электросопротивления (RU 2687504, опубл. 24.05.2018), который заключается в определении удельного электросопротивления металлического образца, нагреваемого  высокочастотным индукционным генератором в диапазоне температур 1000-2500 К. Способ базируется на зависимости величины электродвижущей силы от удельного электросопротивления материала образца. Недостатками этого способа является  ограничение рабочих температур диапазоном 1000-2500К, а также  образец должен быть металлическим и обладать цилиндрической формой.
Близким к заявляемому изобретению по технической сущности является способ измерения удельного электрического сопротивления четырехзондовым методом [ГОСТ 24392-80 Кремний и германий монокристаллические. Измерение удельного электрического сопротивления четырехзондовым методом]. Недостатками  способа-прототипа являются относительно низкая разрешающая способность из-за размеров контакта зонд-полупроводник, нагрев образцов при прохождении тока, что увеличивает погрешность измерений, а также контактность метода, приводящая к механическим повреждениям образца в каждой точке измерения.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка способа контроля распределения удельного электросопротивления полупроводниковых материалов, позволяющего  измерить удельное электросопротивление более точно с минимальным повреждением поверхности образца.
Данная задача решается за счет того, что в способе определения удельного электросопротивления  полупроводников с помощью инфракрасной оптики, включающем измерение удельного электросопротивления четырехзондовым методом, образец размещают на подложке, экранирующей электромагнитное излучение от нагревательного элемента, быстро нагревают, регистрируют его тепловизионное изображение, определяют  опорные точки, имеющие минимальную и максимальную температуру образца, измеряют в этих точках электросопротивление, строят температурные профили, на основе которых рассчитывают профили удельного электросопротивления.
Техническим результатом данного изобретения является снижение  механических повреждений поверхностного слоя образца, а также  повышение точности определения удельного электросопротивления.
Указанный технический результат достигается за счет того, что уменьшается количество контактов зонда с поверхностью образца, а повышение точности и горизонтального разрешения обусловлено тем, что линейные размеры пикселя тепловизионного изображения меньше размеров контакта зонд-полупроводник.
Изобретение поясняется графическими материалами:
На Фиг.1 представлена схема регистрации тепловизионных изображений, где 1 - нагревательный элемент, 2 - подложка, 3 – образец, 4 - тепловизионная (инфракрасная) камера.
На Фиг.2 представлено тепловизионное изображение образца монокристаллического германия.
На Фиг.3 представлен температурный 2D профиль, представляющий график зависимости температуры от координаты.
На Фиг.4 представлен рассчитанный 2D профиль удельного электросопротивления, представляющий график зависимости удельного электросопротивления от координаты.
Заявленный способ заключается в нагревании полупроводниковых кристаллов, регистрации их температурных профилей с помощью инфракрасного тепловизора и дальнейшего расчета карты удельного электрического сопротивления, основанного на значениях в опорных точках, полученных четырехзондовым методом.
Образец  размещается на подложке с коэффициентом излучения отличным от коэффициента излучения образца. Подложка с исследуемым образцом располагается на нагревательном элементе. Тепловизионные изображения образца регистрируют с помощью  инфракрасной камеры  в процессе быстрого нагрева образца (Фиг.1), получают температурные профили посредством программного обеспечения  (ПО) тепловизионной камеры, определяют как минимум две опорные точки, имеющие минимальную и максимальную температуру образца, в которых четырехзондовым методом измеряют удельное электросопротивление. С помощью уравнения и полученного температурного профиля рассчитывают профиль удельного электросопротивления по всей площади поверхности и интегрально по объему.
Способ осуществляется следующим образом.
Образец, находящийся на подложке, располагают на нагревательном элементе. Регистрируют тепловизионные изображения в момент нагрева, соответствующий началу стабилизации температуры. Тепловизионные изображения представляются в виде температурных профилей (характеристических температурных поверхностей)  посредством программного обеспечения. На профиле выбираются две опорные точки, в которых четырехзондовым способом определяется удельное электросопротивление. Далее, согласно уравнению (1), рассчитывают удельное электрическое сопротивление во всех точках температурного профиля и получают профиль удельного электросопротивления. Использование двух опорных точек достаточно в связи с линейной зависимостью между проводимостью и теплопроводностью, однако можно использовать и большее количество точек.
Sp1
Sp2
x
Sp1
Sp2
х
где ρ,,  - удельное сопротивление в двух опорных точках и расчётное, а Т,, - соответствующие температуры.
Пример 1. Измерения проводились на образце монокристаллического германия  с толщиной 0.7 мм и диаметром 34 мм.
Sp1
Sp2
В процессе быстрого нагрева образца было зафиксировано тепловизионное изображение (Фиг.2), на котором были взяты  две опорные точки, и измерено удельное электросопротивление с помощью четырехзондового метода, ρ=16,5 Ом∙см и ρ=24,8 Ом∙см.
С помощью программного обеспечения тепловизора,  был построен температурный 2D профиль – Li1, зависимость температуры от координаты (Фиг. 3). После применения уравнения (1) он был преобразован в 2D профиль удельного электросопротивления (Фиг. 4). Для проверки способа четырехзондовым методом измерено удельное электросопротивление вдоль данного профиля. Полученный результат был усреднён,так как размер зонда не позволяет точно позиционировать точку измерений. Общие результаты представлены в таблице:
Таблица
Номер точки
Температура в точке, °С
Расчетное удельное электросопротивление, Ом∙см
Удельное электросопротивление, четырехзондовый метод, Ом∙см
9
66,67
20,96
21,1
10
66,65
21,17
18
66,4
23,76
17,6
19
67,33
14,11
20
66,39
23,87
23
66,32
24,59
23,8
24
66,22
25,63
Представленные в таблице значения удельного электросопротивления, полученные четырехзондовым методом и заявленным способом,  сопоставимы. Однако, заявленный способ позволяет определять значения с большим горизонтальным разрешением, так как размер измерительного зонда в четырехзондовом методе соответствует  нескольким пикселям тепловизионного изображения. Данные результаты подтверждают эффективность данного способа для измерения удельного электросопротивления в полупроводниках.
Применение данного способа позволяет определять удельное электросопротивление по площади и в объеме образца, снижая количество контактов с поверхностью, что минимизирует разрушение поверхностного слоя образца, увеличивает разрешающую способность, повышает точность измерений.