УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ

Полезная модель относится к технике измерения электрофизических параметров полупроводниковых материалов, а точнее к устройствам, применяемым для измерения удельного сопротивления (ρ) в полупроводниках.
Известно устройство для измерения удельного сопротивления четырехзондовым методом [1] с. 5-8. Устройство содержит четыре зонда, два токовых и два измерительных. Недостатком данного устройства является низкая локальность измерений. Из конструктивных соображений расстояние между зондами не может быть меньше 1≥1 мм. При этом информация о величине ρ снимается с участка, имеющего линейные размеры L≈51.
s
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения величины ≈ методом измерения ”сопротивления растекания” (R) в полупроводниках, содержащее измерительный зонд, устройство для подъема и опускания измерительного зонда, устройство для дискретного перемещения измеряемого образца относительно измерительного зонда [2, с. 49-57].
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения ρ и большое время тестирования образца.
Задачей, поставленной при разработке настоящей полезной модели, является решение проблемы достижения высокой точности измерения величины ρ и сокращение времени тестирования образца полупроводникового материала.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание устройства, обеспечивающего достижение поставленной задачи.
Поставленные задачи и технический результат обеспечиваются тем, в устройстве в для измерения распределения удельного сопротивления в полупроводниковых материалах, содержащем измерительный зонд, механизм подъема зонда и устройство для перемещения измеряемого образца относительно измерительного зонда измерительный зонд выполнен в виде пластины, концевая часть которой имеет конфигурацию лезвия ножа с углом при вершине α, пластина установлена по отношению к полупроводниковому материалу под углом β, а устройство для перемещения измеряемого образца относительно измерительного зонда выполнено обеспечивающим его непрерывное движение. Угол α составляет от 75° до 105°, а угол β составляет от 5° до 25°. Устройство для перемещения измеряемого образца относительно измерительного зонда обеспечивает скорость перемещения V=0.5÷1 см/мин.
Техническая сущность полезной модели поясняется схематическим рисунками, представленными на фигурах:
Фиг. 1. - Схема устройства для измерения распределения величины ρ в полупроводниковых материалах, принятого за прототип.
Фиг. 2. - Схема предлагаемой полезной модели для измерения распределения величины ρ в полупроводниковых материалах.
Фиг. 3А - Экспериментально полученные результаты тестирования образца монокристалла Ge:Ga с помощью предлагаемого устройства - зависимость удельного сопротивления (ρ) от координаты замеряемой точки x по оси абсцисс.
Фиг. 3Б - Экспериментально полученные результаты тестирования образца монокристалла Ge:Ga с помощью с помощью устройства-прототипа (SSM-150 USA) - зависимость удельного сопротивления (ρ) от координаты замеряемой точки x по оси абсцисс.
s
k
s1
1
si
Устройство-прототип, схематически изображенное на Фиг. 1, содержит: измерительный зонд 1, механизм подъема и опускания зонда 2, измеряемый образец 3, устройство 4 для дискретного перемещения образца 3 относительно зонда 1. Устройство также содержит датчик перемещения 5, определяющий X-координату положения зонда на образце 3, источник тока 6 и вольтметр 7 для определения сопротивления растекания R. Устройство работает следующим образом: зонд 1 с помощью механизма 2 входит в соприкосновение с образцом 3, оставляя на нем лунку диаметром d. Далее, используя показания источника тока 6 и вольтметра 7, определяют сопротивление контакта R а датчик перемещения фиксирует X-координату X положения зонда в точке измерения. С помощью устройства 2 измерительный зонд 1 поднимают, а затем с помощью механизма 4 образец перемещают на расстояние 1 и процесс измерения R повторяется.
si
i
si
i
Таким образом получают ряд значений R с соответствующими им координатами X. Значение R переводят в величины ρ по формуле
где A - константа, которую определяют из измерений эталонных образцов с известным значением ρ [2].
Устройство, представленное на рис. 1, имеет следующие недостатки. Согласно [1] (с. 6)
s
k
k
k
где k - константа. Из (1) следует, что величина R определяется как свойствами самого материала, определяемыми через ρ, так и величиной d. Чтобы формула (1) была верна, необходимо величину d во время измерений поддерживать неизменной. Учитывая, что величина d≈10÷20 мкм, это сложная задача. Она решается с помощью устройства (2), которое имеет сложную конструкцию и которая не гарантирует от сбоев. Сам процесс осуществления контакта зонда с образцом с помощью устройства 2 довольно медленный и занимает время τ≈10-15 сек. Учитывая, что расстояние между соседними контактами зонда с образцом l>20-100 мкм (рис. 1), то время на тестирование образца длиной L~100 мм составляет несколько часов.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства, в котором преодолены указанные недостатки прототипа.
Устройство содержит измерительный зонд 1, выполненный в виде пластины, концевая часть которой имеет конфигурацию лезвия ножа с углом α при вершине лезвия (показано на разрезе А-А), устройство 2 для подъема и опускания зонда, измеряемый образец 3, устройство 4, обеспечивающее непрерывное и плавное перемещения образца 4 относительно зонда 1. Зонд установлен под углом β к поверхности измеряемого образца.
Устройство также содержит элементы, аналогичные элементам устройства прототипа (Фиг. 1), а именно датчик перемещения образца 5, источник тока 6. Электрические сигналы с них, пропорциональные ρ и X, подаются на соответствующие входы Y и X двухкоординатного самописца, где графически воспроизводится зависимость ρ=ρ(X).
k
k
k
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом: измерительный зонд 1 с помощью устройства 2 опускают на образец 3. Затем включают устройство 4, обеспечивающее непрерывное перемещение образца 4. Зонд 1 начинает плавно и непрерывно перемещаться вдоль поверхности образца, оставляя за собой канавку, профиль которой изображен на сечении Б-Б фиг. 2. Таким образом, процесс измерения ведется непрерывно при перемещении образца относительно зонда. Для обеспечения высокой точности измерения ширина канавки m (сечение Б-Б фиг. 2) не должна меняться в процессе перемещения образца относительно зонда. В данном случае ширина канавки m выполняет ту же функцию, что и величина d в установке, принятой за прототип. На установке, принятой за прототип, постоянство d обеспечивается сложным устройством 2 подъема и опускания измерительного зонда, что не всегда гарантирует постоянство d. В предлагаемом устройстве постоянство ширины канавки m обеспечивается оптимизацией угла раскрытия лезвия измерительного зонда α и угла наклона измерительного зонда β по отношению к плоскости образца, а также плавностью хода устройства перемещения образца 4. (см. рис. 2),
При проведении экспериментов в качестве устройства перемещения использовали предметный столик микроскопа МИМ-10 производства ЛОМО с пультом управления, содержащим электромотор, редуктор и электронную схему управления. Оптимальные величины углов α и β определяли экспериментально. Они находятся в пределах α=90+15° и β=15±10° Существенное отклонение α и β от оптимальных величин приводит к нарушению стационарности перемещения образца относительно измерительного зонда. В случае не оптимального выбора углов α и β перемещение происходит рывками, на краях канавки образуются сколы. Это приводит к изменению величины m и, как следствие, к увеличению погрешности измерений. Скорость перемещения измерительного образца относительно зонда составляет V=0.5÷1 см/мин. Данная величина скорости выбрана из следующих соображений. При скорости существенно выше, чем 1 см/мин, происходит нагрев контакта «измерительный зонд-образец», что приводит к искажению результатов измерений. Более низкие скорости просто удлиняют время тестирования, не влияя на результаты.
Сопоставительный анализ экспериментов на установке-прототипе и предлагаемом устройстве показал, что тестирование образца длиной 100 мм с помощью устройства-прототипа составляет несколько часов. Тестирование того же образца с помощью предлагаемого устройства при скорости перемещения образца относительно зонда V=0.5÷1 см/мин занимает время от 10 до 20 мин.
На фиг. 5 представлены результаты тестирования образца монокристалла Ge:Ga с помощью предлагаемого устройства, а на фиг. 6 - результаты тестирования того же образца с помощью устройства, принятого за прототип, в качестве которого использовалась установка SSM-150 производства США. Схема этой установки и принцип ее работы аналогичен устройству принятому за прототип.
s
Тестирование проводили в направлении оси роста монокристалла. Монокристалл можно условно разделить на три области: I - область затравки; II - область с высокой неоднородностью ρ; III - областью с низкой неоднородностью ρ. Наблюдается хорошее соответствие полученных результатов в областях I и III, а также в левой части области II. В свою очередь область II условно разделена на участки II-1 - с более низкой - и II-2 - с более высокой степенью неоднородности величины ρ. В области II-2, где неоднородность ρ особенно высока, с помощью предлагаемого устройства четко выявляются пики ρ, соответствующие полосам роста кристалла. Этот же участок, тестированный с помощью установки SSM-150, структуру полос роста не выявляет. Наблюдается просто большой разброс величины ρ. Здесь проявляется явное преимущество предлагаемого устройства. Оно может быть использовано там, где требуется высокая локальность измерений распределения ρ в полупроводниковых материалах, как в научных разработках, так и на производстве высокооднородных полупроводниковых материалов.
Таким образом, экспериментально подтверждена полезность предлагаемого устройства.
Источники информации
1. Л.П. Павлов. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1975. 206 с.
2. В.В. Батавин, Ю.А. Концевой, Ю.В. Федорович. Измерение параметров полупроводниковых материалов. - М.: Радио и связь. 1985. 264 с.