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Verfahren zur Prüfung der Struktur und der Inhomogenität der Struktur von wenigstens einen pn-Übergang aufweisenden Halbleiterelementen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Struktur und der Inhomogenität der Struktur von wenigstens einen pn-übergang aufweisenden Halbleiterelementen und zur bildartigen Darstellung der sich an der Oberfläche des Halbleiterelementes abspielenden elektrischen Vorgänge, wobei die Oberfläche des Halbleiterelementes mittels einer punktartigen Leuchtfläche abgetastet wird und die hiebei entstehenden photoreaktiven Signale auf dem Bildschirm eines Oszilloskops wiedergegeben werden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Stabilität der elektrischen Parameter und die Zuverlässigkeit von Halbleiterelementen, wie Transistoren oder Dioden, sind durch die auf der Oberfläche stattfindenden elektrischen und physikalischen Vorgänge weitgehend beeinflusst. Diese Vorgänge sind ausserordentlich verwickelt. Der Mechanismus der verschiedenen Vorgänge ist bis heute nicht klargelegt, so dass überall in der Welt Forschungen in dieser Hinsicht im Gange sind.
Die Beobachtung der Oberflächenerscheinungen an fertigen Halbleiterelementen ist mit Schwierigkeiten verbunden, da die verwickelte Geometrie, die innere Struktur und die zumeist sehr kleinen Abmessungen die Anwendung der traditionellen und aus der Literatur bekannten physikalischen Untersuchungsmethoden, wie der Feldeffektmethode, der Kontaktpotentialmessung oder der Photoreaktivsignalmethode nicht zulässt.
Das Ziel der Erfindung besteht unter anderem darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem derartigen Prüfungen durchführbar sind.
Erfindungsgemäss laufen die horizontalen und vertikalen Ablenkspannungen des Oszilloskops synchron mit der das Halbleiterelement abtastenden Leuchtfläche, indem die Horizontalablenkung des Oszilloskops synchron mit der Horizontalbewegung der Leuchtfläche gesteuert und das der vertikalen Ablenkung dienende elektrische Signal durch Summierung des photoreaktiven Signals und eines der horizontalen Lage der Lichtfläche analogen Signals gebildet wird.
Durch die USA-Patentschrift Nr. 3,039, 056 ist bereits eine Einrichtung bekanntgeworden, die der Anzeige lokaler Inhomogenitätsverteilungen von Halbleiterkristallen dient. Mit dieser bekannten Einrichtung können jedoch weder Halbleiteranordnungen (Dioden und Transistoren) mit pu-übergangen strukturell beobachtet, noch die Parameter der Oberfläche sichtbar gemacht werden.
Ferner ist im Lehrbuch"Oszillographenmesstechnik"von J. Czech eine Möglichkeit zur Darstellung von elektrischen Signalen beschrieben, die in elektronischen Stromkreisen an verschiedenen Schaltpunkten erscheinen. Die bezügliche Vorrichtung ist jedoch lediglich für die Anzeige der Signale als Funktion der Zeit geeignet, wogegen gemäss der Erfindung eine dreidimensional wirkende Darstellung der Struktur des Halbleiterelementes als Funktion des Ortes erreicht wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren liefert ein gut sichtbares und auswertbares Bild des elektrischen
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und physikalischen Zustandes der ganzen Oberfläche des geprüften Elementes. Die verschiedenen Erscheinungen, wie lokaler Lawinenabbruch, Inversionsleitkanäle (Channelbildung) usw. werden in charakteristischer Weise sichtbar. Ferner können die zeitlichen und lokalen Änderungen der Vorgänge des Effektes der äusseren Gasatmosphäre und der Potentialverhältnisse beobachtet werden. Ausser den Vorgängen auf der Oberfläche können auch die inneren strukturellen Fehlerstellen geprüft werden.
Unter der Einwirkung der Belichtung entsteht an den Ausgängen des Halbleiterelementes ein elektrisches Zeichen, mit welchem das Bild des elektrischen und physikalischen Zustandes der Oberfläche hergestellt wird.
Die ganze Oberfläche des zu prüfenden Elementes wird mit einem kleinen Lichtfleck rasterzeilenweise abgetastet, wodurch mittels des durch die Lichteinwirkung entstehenden photoreaktiven Signals und mittels eines mit dem abtastenden Lichtfleck synchronen elektrischen Zeichens ein auf dem Bildschirm des Oszilloskops auswertbares Bild erzeugt wird, indem zur vertikalen Ablenkung des photoreaktiven Signals und dem das Raster auf dem Schirm des Oszilloskops erzeugende elektrische Signal summiert wird.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei welcher für die punktförmige Beleuchtung des Halbleiterelementes eine Nipkowscheibe vorgesehen ist, auf der ausser den die Bildzerlegung herbeiführenden Löchern sowohl Löcher für die Synchronisierung der Horizontalablenkung des Elektroverstärkers des Oszilloskops als auch Löcher für die Synchronisierung der Vertikalablenkung angeordnet sind, wobei zur Beleuchtung eines die Bildzerlegung herbeiführenden Löcher umschliessenden Teiles der Nipkowscheibe eine homogene Lichtquelle vorgesehen und an der andern Seite der Nipkowscheibe ein optisches System zur Abbildung eines verkleinerten Bildes des beleuchteten Teiles auf der Oberfläche des zu untersuchenden Halbleiterelementes angeordnet ist.
Vorteilhafterweise sind auf der Nipkowscheibe entlang der zu den die Bildzerlegung herbeiführenden auf einer archimedischen Spirale angeordneten Löchern gehörigen Radien Synchronisierlöcher für die Horizontalablenkung vorgesehen und das Synchronisierloch für die Vertikalablenkung ist in der Umgebung des Radius des ersten Loches der archimedischen Spirale angeordnet, wobei die Nipkowscheibe von ihrer von der Optik gesehenen Seite durch ein Diaphragma bedeckt ist und die Abmessungen des Diaphragmas so bemessen sind, dass im Sichtfeld der Optik gleichzeitig nur ein einziges Loch sichtbar ist. Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung.
Fig. 2 eine Draufsicht der den abtastenden Lichtfleck erzeugenden Nipkowscheibe und Fig. 3 ein charakteristisches Bild der photoreaktiven Signale.
Die Löcher--2--, die entlang einer archimedischen Spirale auf einer Nipkowscheibe--l-- (Fig. 1 und 2) angeordnet sind und eine entsprechende Abmessung aufweisen, werden durch eine ausgedehnte Leuchtfläche-3-beleuchtet, wodurch während einer Umdrehung der Scheibe-l-- das durch das Diaphragma-4-definierte Bildfeld-5--mit einer durch die Anzahl der Löcher --2-- gegebene Zeilenauflösung abgetastet wird.
Die durchleuchteten Löcher --2-- und ihr Weg werden durch ein optisches System --6-- auf die Ebene eines zu prüfenden Objektes-7-, im vorliegenden Fall ein Planartransistor, verkleinert projiziert, wodurch das Abtasten der Oberfläche des zu prüfenden Objektes mittels Lichtflecken kleinen Durchmessers zustandekommt.
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--2-- sind--9-- für die Synchronisierung der Vertikalablenkung vorgesehen.
Zufolge der Umdrehungen der Scheibe-l-werden die Phototransistoren-11 und 12-- über die Synchronisierungslöcher (8 bzw. 9) mittels der Lichtquelle --10-- impulsförmig beleuchtet und liefern dementsprechende Synchronzeichen, bei entsprechender Anordnung Synchronimpulse.
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- -14--, dessen Ausgang über den Summierstromkreis--15-an den V-Eingang des Oszilloskops --13-- angeschlossen ist. Der Impuls des Phototransistors--12--dient der Synchronisierung der Vertikalablenkung und stellt den Zeichenpegel des Rastersignal-Generators-14-nach jedem Umlauf der Scheibe also am Ende jeder Abtastperiode auf den ursprünglichen Pegel zurück.
Falls vom zu prüfenden Element --7-- auf den Summierstromkreis-15-kein Photozeichen gelangt und die Laufzeit des Elektronenstrahls des Oszilloskops nahezu so gross, jedoch etwas kleiner, als die Laufzeit der Löcher auf der Bildoberfläche ist, wird am Schirm des Oszilloskops ein Bild von parallelen horizontalen Geraden erscheinen, welches einer vergrösserten Abbildung der
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mittels des Lichtfleckes abgetasteten Oberfläche entspricht.
Mittels des Summierstromkreises-15-werden einerseits die stufenförmigen vertikalen Ablenksignale der Grössenordnung der Photozeichen angepasst, anderseits aber auch die stufenförmigen Signale und die Photozeichen summiert. Gelangen nun an den Eingang des Summierstromkreises
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entsprechenden Einstellung der V-Verstärkung des Oszilloskops, der Zeitablenkung des Oszilloskops und des stufenförmigen Signals, ein plastisch wirkendes Bild der Photoreaktivsignale gemäss Fig. 3 erscheint, auf welchem die Spitzen--16-der vertikalen Ablenkung nicht nur der örtlichen Lage der
Fehlerstellen entsprechen, sondern auch Hinweise auf die Grösse der Photoreaktion liefern. Das Bild zeigt, dass der Lavinenabbruch der Kollektor-Basis-Diode des Transistors auf einige diskrete Stellen beschränkt wird.
Das erfindungsgemäss erhaltene Bild ist auch zur quantitativen Auswertung geeignet, da die vertikale Erhebung aus der zugehörigen Rasterlinie der Grösse des Photoreaktivsignals proportional ist.
Dadurch, dass der Eingangsverstärker des Oszilloskops für die Verstärkung des Photoreaktivsignals herangezogen werden kann, ist trotz grosser Empfindlichkeit die Elektronik einfach und das Verfahren zuverlässig.
Durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens wird eine Anzahl neuartiger Versuche und Kontrollmessungen ermöglicht. Die mit dem Versuchsexemplar durchgeführten Messungen haben die praktischen Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen Verfahrens bestätigt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Prüfung der Struktur und der Inhomogenität der Struktur von wenigstens einen pn-übergang aufweisenden Halbleiterelementen und zur bildartigen Darstellung der sich an der Oberfläche des Halbleiterelementes abspielenden elektrischen Vorgänge, wobei die Oberfläche des Halbleiterelementes mittels einer punktartigen Leuchtfläche abgetastet wird und die hiebei entstehenden photoreaktiven Signale auf dem Bildschirm eines Oszilloskops wiedergegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen und vertikalen Ablenkspannungen des Oszilloskops (13) synchron mit der das Halbleiterelement (7) abtastenden Leuchtfläche laufen, indem die Horizontalablenkung des Oszilloskops (13)
synchron mit der Horizontalbewegung der Leuchtfläche gesteuert und das der vertikalen Ablenkung dienende elektrische Signal durch Summierung des photoreaktiven Signals und eines der horizontalen Lage der Lichtfläche analogen Signals gebildet wird.