УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА

Предлагаемая полезная модель относится к области измерений электрофизических параметров полупроводниковых материалов, в том числе фотоэлементов, и может быть использована для мониторинга и контроля вольтамперных характеристик полупроводниковых материалов в зависимости от параметров окружающей среды. Устройство может быть использовано как для контроля свойств конечного продукта -полупроводниковых изделий, например солнечных элементов, так и в режиме измерения вольтамперных зависимостей на различных стадиях технологического процесса при известных технологических режимах.
Известно устройство для мониторинга полупроводникового материала при реализации способа определения вольтамперных характеристик кремниевых солнечных элементов (патент РФ №2476958, МПК G01R 31/40, опубл. 27.02.2013), включающее симулятор солнечного излучения, который состоит из импульсного осветителя с источником питания, схемы для подачи напряжения смещения, измерительного блока. Осветитель позволяет сформировать световой импульс, активно контролируемый по форме и интенсивности. В качестве осветителя используется ксеноновая импульсная лампа. Для обеспечения максимального совпадения спектра светового потока в соответствии со стандартами AM 1,5 G имеются световые фильтры, подавляющие характерные отклонения спектральной характеристики ксеноновой лампы (пики интенсивности света при определенных длинах световых волн).
К недостаткам данного устройства следует отнести невозможность определения характеристик полупроводникового материала в зависимости от различных параметров окружающей среды в условиях лаборатории или производства.
Известно устройство мониторинга полупроводникового материала (патент РФ №2 460083, МПК G01R 31/26, H01L 21/66, опубл. 27.08.2012), относящееся к области микроэлектроники, в частности к устройствам контроля и диагностики полупроводниковых изделий (ППИ), таких как диоды, транзисторы и интегральные схемы, которое содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), электронно-вычислительную машину (ЭВМ), монитор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), схему управления, блок формирования бигармонического сигнала, выход которого подключен к входу ППИ, а вход подключен к первому выходу схемы управления, управляемый источник напряжения (УИН), выход которого также подключен к входу ППИ, а вход подключен ко второму выходу схемы управления, блок измерений информационного сигнала, вход которого подключен к выходу ППИ, а выход соединен с входом АЦП. Устройство может быть использовано как в технологии изготовления ППИ, так и для анализа изделий у потребителей.
К недостаткам данного устройства следует отнести невозможность определения характеристик полупроводникового материала в зависимости от искусственно созданных различных параметров окружающей среды.
Наиболее близким к предлагаемому (прототип) является устройство мониторинга полупроводниковых материалов (патент на полезную модель РФ №132212, МПК G01R 31/00 - устройство мониторинга работы солнечной батареи, опубл. 10.09.2013), включающее, по меньшей мере, два блока измерения параметров и отбора максимальной мощности солнечной батареи, блок измерения параметров солнечного излучения, блок измерения параметров окружающей среды, web-камеру, блок управления, блок измерения в ольтамперной характеристики, блок электронной нагрузки, по меньшей мере, два блока коммутации, блок передачи данных, включающий последовательно соединенные проводными или беспроводными каналами связи модем, сервер и компьютер. При этом, первый вход блока управления соединен с выходом web-камеры, второй и последующие входы блока управления подключены к выходам соответствующих блоков измерения параметров и отбора максимальной мощности солнечной батареи, первый выход блока управления соединен с первым входом блока электронной нагрузки, второй и последующие входы которого подключены к первым выходам соответствующих блоков коммутации, подключаемых первыми входами к соответствующим солнечным батареям, вторыми входами соединенными соответственно со вторым и последующими выходами блока управления, а вторыми выходами, подключенными к входам соответствующих блоков измерения параметров и отбора максимальной мощности солнечной батареи; выход блока электронной нагрузки соединен с входом блока измерения вольтамперной характеристики, вход/выход которого подключен к первому входу/выходу блока управления, второй вход/выход блока управления соединен с входом/выходом блока измерения параметров солнечного излучения, третий вход/выход блока управления подключен к входу/выходу блока измерения параметров окружающей среды, четвертый вход/выход блока управления соединен с входом/выходом блока передачи данных, а пятый и последующие входы/выходы блока управления подключены к входам/выходам соответствующих блоков измерения параметров и отбора максимальной мощности солнечной батареи. Устройство по патенту РФ №132212 позволяет осуществлять удаленный круглогодичный мониторинг и контроль работы нескольких солнечных батарей.
Недостатком является то, что вольтамперные характеристики с помощью устройства по патенту РФ №132212 можно измерить только в существующих условиях окружающей среды, а проанализировать их изменение в изменяющихся или заданных условиях нельзя, что сужает область применения.
Задача (технический результат) предлагаемого изобретения заключается в расширении области применения устройства.
Поставленная задача решается тем, что устройство мониторинга полупроводникового материала, включающее блок управления, блок измерения вольтамперной характеристики, блок электронной нагрузки, блок передачи данных, по меньшей мере, два блока коммутации, блок обработки и отображения информации, снабжено блоком формирования и измерения параметров окружающей среды и камерой для размещения исследуемого полупроводникового материала, а блоки коммутации, управления и передачи данных выполнены в виде блока микропроцессорного управления, при этом блок микропроцессорного управления соединен двухсторонней связью проводными или беспроводными каналами связи с блоком электронной нагрузки, блоком измерения вольтамперной характеристики, блоком обработки и отображения информации и блоком формирования и измерения параметров окружающей среды, камера для размещения исследуемого полупроводникового материала соединена проводными каналами связи - с блоком электронной нагрузки, блоком измерения вольтамперной характеристики и блоком формирования и измерения параметров окружающей среды, а блок обработки и отображения информации выполнен в виде человек-машинного интерфейса.
На чертеже представлена блок-схема заявляемого устройства мониторинга полупроводникового материала.
Устройство мониторинга полупроводникового материала включает in-situ камеру 1, соединенную двухсторонней связью проводными каналами связи с блоком электронной нагрузки 2, блоком измерения вольтамперной характеристики 3 и блоком формирования и измерения параметров окружающей среды 4. Блок микропроцессорного управления 5 соединен также двухсторонней связью проводными или беспроводными каналами связи с блоком электронной нагрузки 2, блоком измерения вольтамперной характеристики 3, блоком формирования и измерения параметров окружающей среды 4, блоком обработки и отображения информации 6, выполненным в виде человек-машинного интерфейса (HMI).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед началом работы в камере 1 размещают исследуемый полупроводниковый материал. С блока обработки и отображения информации 6 (человеко-машинного интерфейса HMI) задают параметры работы блока микропроцессорного управления 5, такие как температура в in-situ камере 1 (далее камера), уровень и характеристики освещенности полупроводникового материала, закон и величина изменения напряжения в камере 1, параметры блока измерения вольтамперных характеристик 3. После передачи параметров с блока микропроцессорного управления 5 подают сигнал на блок электронной нагрузки 2. Блок электронной нагрузки 2 автоматически формирует требуемый уровень активной нагрузки, которая включается последовательно с исследуемым материалом в камере 1, и передает данные о величине нагрузки в блок микропроцессорного управления 5. Блок микропроцессорного управления 5 формирует задание на установку параметров окружающей среды в блоке формирования и измерения параметров окружающей среды 4, который связан двухсторонней обратной связью с камерой 1. Блок микропроцессорного управления 5 передает параметры напряжения в блок измерения вольтамперных характеристик 3, который измеряет значение уровня тока в исследуемом веществе и передает данные через обратную связь блоку микропроцессорного управления 5. Блок микропроцессорного управления 5 передает измеренные параметры температуры, напряжения и тока в блок обработки и отображения информации (человеко-машинный интерфейс HMI) 6.
In-situ камера 1 может быть выполнена в виде корпуса призматической формы с герметично закрытым внутренним объемом, ограниченным с боковых сторон четырьмя окнами из полиамидной пленки, а сверху крышкой, с расположенным в ней симулятором солнечного излучения. Замкнутый объем камеры в совокупности с набором входных и выходных штуцеров позволяют обеспечить контролируемую среду в объеме камеры.Внутри камеры на основании располагается терморегулируемый столик, который обеспечивает нагрев полупроводникового материала. В столике расположена термопара, обеспечивающая обратную связь при стабилизации температуры. К полупроводниковому материалу подведены электроды, соединенные с блоком измерения вольтамперных характеристик. При необходимости обеспечить быстрое охлаждение нагретой подложки столик снабжен змеевиком, через который прокачивается жидкий азот. Примером такой камеры может служить, например, устройство, которое описано в статье Equipment for in situ studies of the surface structure of thin surface layers in the process of their formation (Applied Mechanics and Materials. 2015. - Vol. 788: Bataev V., Burov V., Grigorian S., Ivanov D., Plotnikova N., Smirnov A. Actual Problems and Decisions in Machine Building. - P. 301-305).
Таким образом, задача расширения области применения устройства обеспечивается путем реализации возможности определения характеристик полупроводникового материала при различных параметрах окружающей среды. Снабжение предлагаемого устройства камерой для размещения исследуемого полупроводникового материала (in-situ камерой), соединенной с блоком формирования и измерения параметров окружающей среды, позволяет проводить измерение вольтамперных характеристик при различных внешних условиях. На вольтамперные характеристики всех видов полупроводниковых материалов оказывают влияние температура, при которой проводятся измерения, состав и влажность окружающей среды, уровень освещенности. Предлагаемое устройство обеспечивает варьирование и стабилизацию параметров окружающей среды в процессе измерения, что позволяет надежно оценивать соответствие исследуемого полупроводникового материала заданным параметрам в процессе производства и в лабораторных исследованиях.
В производственных условиях устройство позволяет на различных стадиях технологического процесса оценивать отклонения в структуре полупроводникового материала, используемого для изготовления полупроводниковых изделий. О наличии отклонений в структуре материала от заданной в производственной документации свидетельствуют отклонения вольтамперной зависимости от полученной на этапе исследования взаимосвязи структуры и вольтамперных характеристик. Наличие таких отклонений свидетельствует о необходимости внесения изменений в параметры технологического процесса.