CN101044409A - 用于测量导电薄片材料中迁移率和薄层电荷密度的装置和处理系统 - Google Patents

Abstract

一用于非接触地测量薄层电荷密度和迁移率的装置(10)包括一微波源(16)，一圆波导(50)，用于向在一测量位置的一样本(59)，如用于平板显示器的一半导体晶片或板，传输微波功率，用于检测该正向微波功率的一第一检测器(18)，用于检测从该样本反射的微波功率的一第二检测器(23)，和用于检测霍尔效应功率的一第三检测器(95)。还提供一自动定位子系统(700)，用以在该测试装置(10)内自动定位一晶片(59)。该定位系统(700)包括一第一末端效应器(706)和一旋转－提升器(704)。该第一末端效应器(706)可夹持一薄片元件并将它移动到该测试装置(10)内的一所需位置，同时该旋转提升器(704)提供该薄片元件(59)的一θ角度逐渐增加的调节，以允许勿需手动调节该薄片元件的位置即可自动绘制一完整的薄片元件的图。一第二末端效应器(716)可对着该第一末端效应器(706)安装，且可用于在位于装置(10)的一相对末端的一薄层电阻测验模块(718)内自动放置该薄片元件(59)。

Description

用于测量导电薄片材料中迁移率和薄层电荷密度的装置和处理系统

相关申请

本申请要求2005年3月9日提交的60/659,847号美国临时专利申请的权益，并且本申请是2004年8月11日提交的共同待审批的10/915,877号美国专利申请的部分继续申请，因此在这里通过引用全面地结合了二者。

技术领域

本发明涉及材料的无损测量和制图，特别是使用微波测量半导体晶片和平板显示器中的薄层电荷密度、迁移率和薄层电阻。

背景技术

使用微波测量砷化镓(GaAs)晶片中薄层电阻的现有装置采用配置有一300欧姆特性阻抗的X波段波导，其不能精确测量具有薄覆盖层(cap layers)的晶片。这样的装置在授予诺曼布瑞丝劳(Norman Braslau)的4,605,893号美国专利中讨论过。这些装置的一个缺点是不能分别测量晶片中多个导电层的特性，该晶片包含该多个导电层，例如，一高电子迁移率晶体管(HEMT)晶片，其包含一二维(2D)沟道层(channel layer)和一覆盖层。因此，在这样的现有系统中为了增加相对于该覆盖层电导的沟道层的迁移率，人们必须在温度低于绝对温度300度下测量薄层电阻和迁移率，例如在绝对温度77度。这些装置还需要复杂的校准程序。

用于测量薄层电阻和迁移率的有损技术同样是已知的。但是，这些技术必定损坏被测量的晶片或其他材料。

发明内容

用于无损测量薄片材料中迁移率和薄层电阻的装置包括一微波源，一圆波导，被配置以将从该微波源接收的微波传输到一导电薄片材料，比如一半导体晶片或平板显示器，用于接收正向微波功率的一第一检测器，用于检测从该材料反射的微波功率的一第二检测器和用于检测该霍尔效应功率的一第三检测器。一仅传输TE₁₁模式的圆波导被该晶片终止，在该晶片后面1/4波长处设置一短杆(short)。施加一可变磁场垂直于该晶片的平面(且沿着该波导的轴)。在这种配置中，一给定入射TE₁₁波将引起两个反射波。一个是与该入射波相同极化的基本反射波。这被用于测量薄层电阻。另一个反射波由霍尔效应引起。它的极化垂直于前一个波且这可用适当配置的探测器分别检测。

用于测量导电薄片材料中迁移率和薄层电阻的装置包括一微波源；一圆波导，被设置成从该微波源接收微波功率；一固定件，适合于在一测量位置放置一薄片材料元件以接收从该圆波导传输的微波功率；一磁体，被设置以在该测量位置产生一磁场；一第一检测器，被设置以检测该微波功率源的功率；一第二检测器，被设置以检测从该测量位置内一薄片材料元件反射的微波功率的功率；和一第三检测器，被设置以检测一霍尔效应微波功率。可以设置一第四检测器以在该测量位置检测磁场强度。该固定件可以具有一表面以及设置在该固定件中的一盘体，所述盘体具有一从所述固定件表面凹进的平表面，所述盘体可绕一轴旋转，该轴大体垂直于所述盘体平表面的平面，以及所述盘体在其中具有一孔，所述孔不与该旋转轴同轴。

用于测量导电薄片材料中迁移率和薄层电荷密度的方法包括产生微波功率；向一薄片材料样本接连地传输仅仅TE₁₁模式的所产生的微波功率；在该传输步骤中，施加一选定强度的磁场；在一正向位置检测微波场强度；检测从一导电短杆和一样本中每个反射的微波场强度；检测霍尔效应微波场强度；以及，基于该检测到的微波场强度，计算迁移率和薄层电荷密度的值。

揭示了用于测量导电薄片材料中迁移率和薄层电荷密度的一自动处理系统。该系统可以包括一微波源；一波导，被设置以从所述微波源接收微波功率；和一末端效应器，适合于将一薄片材料元件放置在一测量位置以接收从所述圆波导传输的微波功率。该末端效应器可以在一调节位置和一测试位置之间移动，其中，该调节位置是一该薄片材料元件的旋转位置可选择性调节的位置，且该测试位置是使用该波导能在该薄片材料元件上执行至少一个测试的位置。该系统可以进一步包括一磁体，被设置以在该测试位置产生一磁场，一第一检测器以检测该微波功率源的功率，一第二检测器以检测从该测量位置中一薄片材料元件反射的微波功率的功率，和一第三检测器以检测一霍尔效应微波功率。

该自动处理系统可进一步包括一被设置以与该薄片材料元件接合的第二末端效应器和一薄层电阻单元，该薄层电阻单元具有用于测量该薄片材料元件的薄层电阻的第一和第二相对设置的线圈，其中该第二末端效应器相对该薄层电阻单元是移动可调节的以使该单元可以在该薄片材料元件上进行多个测量。

揭示了用于薄片材料的一固定件，包括用于与一薄片材料元件接合并沿着一第一轴移动它的一末端效应器，使用一第一伺服电动机将该末端效应器进一步设置以绕该第一轴旋转。还包括一旋转-提升器，用于与该薄片材料元件接合并沿着大体垂直于所述第一轴的一第二轴移动它，使用一第二伺服电动机将该旋转-提升器进一步设置以绕该第二轴旋转，其中该末端效应器和该旋转-提升器每个包括用于与一薄片材料元件接合的至少一个真空元件。该固定件可以进一步包括一可调节底座，使用一第三伺服电动机可移动该可调节底座，为了相对该旋转-提升器移动，该末端效应器被安装在该可调节底座上。

附图说明

图1是依据本发明的装置的示意图。

图2是依据本发明的装置的示意图。

图3是依据本发明的装置的一部分的视图。

图4是图3装置的截面图。

图5是依据本发明的装置的视图。

图5A、5B和5C是依据本发明的装置的一部件的视图。

图6是依据本发明所使用软件的流程图。

图7是与图1-5C装置一起使用的一自动晶片处理系统的透视图；

图8是图7系统的透视图，连接到图1-5C装置；

图9是图7系统的细节视图，图解说明了不同的系统部件；

图10是图7系统的一末端效应器的细节视图，与一薄片材料元件接合；

图11是图10末端效应器在一旋转位置的细节视图；

图12是图10末端效应器和薄片材料元件在一测试位置的细节视图；

图13是图10末端效应器和薄片材料元件在一测试后位置的细节视图；

图14是图7自动晶片处理系统的透视图，包括一薄层电阻子系统；

图15是图14薄层电阻子系统的细节视图；

图16是图14子系统的一薄层电阻模块的细节视图；

图17是与要被测试的一薄片材料元件接合的图14薄层电阻子系统的一末端效应器的细节视图；

图18是配置在该薄层电阻模块内一测试位置中的图17末端效应器和薄片材料元件的细节视图；

图19是图14末端效应器和薄片材料元件在一测试后位置的细节视图。

具体实施方式

本发明包括一用于测量半导体材料中薄层电阻和薄层电荷密度的装置和方法。该装置包括一微波源，其具有与一波导配置耦合的输出，其中少量入射波被改变方向，并且大部分入射波沿着一主分支(main branch)传播。该主分支与一圆波导耦合。该圆波导仅传输TE₁₁(横电1，1)模式的微波功率。该圆波导在一接口处接收功率，且向一测试位置输出功率，该测试位置有一固定件，该固定件用于支承一导电测试元件，例如一短杆，或一要被测试的晶片或其它导电薄片元件。提供一磁体以在该测试位置施加一磁场。在本发明的一方法和装置中，薄层电阻和薄层电荷密度的计算要检测至少4个数值。提供一检测器以检测总的微波功率输出。提供一第二检测器以检测一与该入射波极化相同的常规反射波的强度。提供一第三检测器以检测一具有与该入射波相反极化的第二反射波。优选地提供一霍尔效应探测器以检测这被旋转的反射波，其探测器与一定向耦合器电耦合。为了通过破坏性干扰消除在所述检测器处的任何假入射信号，在穿过一可变衰减器和可变移相器后，该入射波的改变方向部分也与这霍尔定向耦合器耦合。然后该霍尔定向耦合器与一检测器耦合。一第四检测器检测该磁场强度。

图1和2以示意性地描述了依据本发明的装置10的部件。装置10包括可提供具有约10GHz频率的微波的微波源模块15，尽管可以采用其他频率。例如可以采用更高的频率以使在被测试的晶片或其他元件上能有一更小的测量区域。例如，源模块15可以包括一耿氏(Gunn)二极管，并且可以采用其他源。源模块15包括微波源16，例如一耿氏二极管，其与用于将一小部分正向功率改变方向到一侧分支，或衰减和相位分支的装置耦合。用于将正向功率的一小部分改变方向到一侧分支的该装置可以是耦合器21。耦合器21可以是，比如一交叉波导耦合器，并且经由实例可以更具体地是一20分贝(dB)交叉波导耦合器或一定向耦合器。定向耦合器21与侧分支22耦合，将在下面讨论。源16输出的大多数功率通过耦合器21与一第二定向耦合器210耦合。第二定向耦合器210提供一部分功率到正向功率检测器18。第二定向耦合器210可以是一10dB耦合器。第二定向耦合器210将大多数功率通过一波导输出到隔离器17。隔离器17可以是常规或其他适当设计的以阻止来自于装置10中别处的功率进入源15。可以用一第二隔离器与隔离器17相连。

一部分正向功率向侧分支22的改变方向用于在没有一施加磁场时适当地零点调整该霍尔效应探测器。为了产生一适宜相位的非常小的信号，该信号可用于当没有一磁场时在零点调整霍尔效应探测器中进行一超微小的相关(correlation)，该侧分支22具有一单一计算机控制的可变衰减器35和计算机控制的可变移相器40。当该可变衰减器35和可变移相器40优选地被计算机控制时，调节是很方便的。可以理解成，原则上，该可变衰减器和可变移相器可以是手动可调的。

耦合器21的主要输出将被称为主分支24。主分支24优选地具有用于将微波功率传输到转换器25的一波导。主分支24可以包括常规矩形波导20。如图2所示，反射功率检测器23显示在主分支24中。反射功率检测器23检测从转换器25向源15传输的微波功率。反射功率检测器23检测从测试元件反射回主分支24中的功率。在主分支24中并与源15和转换器25耦合的定向耦合器220，将从主分支24反射的功率引导到反射功率检测器23。

如上所述，提供一圆波导，被设置以从源15接收微波功率。明确地，圆波导50通过耦合器21和主分支24与源15耦合。常规矩形波导20通过一匹配的转换器25与圆波导50耦合。圆波导50是一具有圆形截面的圆柱波导。圆波导50仅传输TE₁₁模式的功率。圆波导接口25与圆波导50耦合，例如图2所示。圆波导50与常规波导20的耦合必须仔细校准以将信号强度的反射和损耗减到最少。该校准程序将在下面给出。圆波导50安装在接口25上，垂直于常规波导20的长轴。通过调整圆波导25沿它的长轴相对于接口25的位置可以实现该校准。在一个实施例中，圆波导50被安装在接口25上。以一手柄的形式提供一圆波导调节器55，其旋转圆波导50，以至可以调节圆波导50的旋转位置。

提供一固定件60以在一测量位置夹持一薄片材料样本，在该测量位置从该圆波导50传输的微波功率被接收。该样本可以是一晶片或其他半导体测试材料59。在该晶片或其他材料与圆波导50开口相反的一侧提供一移动短杆65。移动短杆65可以放置在距离该晶片或其他材料1/4波长的位置。移动短杆65可以是一磨光的金属插销(plug)。移动短杆65被安装在固定件60内，固定件60可以是一真空夹盘(vacuum chuck)。固定件60适合于将一晶片或薄片形式的其他材料夹持在圆波导50与接口25相反的一端。移动短杆65设置在固定件60内部，且能够被精确定位。固定件60能相对于圆波导50移动，以调节圆波导50和移动短杆65之间的间隙。

一检测器，正向功率检测器18，被设置在源模块15内以检测该正向功率。如上所述，一定向耦合器220设置在主分支24中以向检测器23引导反射的微波功率。检测器23检测的该反射功率具有与该正向微波功率相同的极化。霍尔探测器70被插入圆波导50内，被设置以检测从位于该真空夹盘内的材料反射的霍尔效应微波功率。霍尔探测器70可以放置在圆波导50内的多个位置上。该霍尔效应功率具有与该入射波的极化垂直的极化。正如下面讨论的，该校准和调整程序规定只有该霍尔效应功率由霍尔检测器95检测。

霍尔探测器70通过同轴线75与定向耦合器80的输入耦合。定向耦合器80可以是一20dB定向耦合器。分支22的输出，经过该衰减器模块和可变移相器后，连接到定向耦合器80的输入。定向耦合器80的输出与霍尔检测器95耦合。该校准程序，如下面讨论的，规定霍尔检测器95检测仅仅极化与该正向功率极化垂直的功率。因此，被霍尔检测器95检测的这个功率是从一样本反射的霍尔效应功率。

现在将描述该转换器、圆波导和固定件的一典型实施例的细节。图3是接口25的等比例(isometric)视图，带有局部剖面图。图4是沿图3中线4-4的截面图。接口25具有在其一个端部与常规波导20耦合的一基本矩形腔100。在矩形腔100的一上侧提供一连接到圆波导50的孔。接口25的内部，常规波导20的对面，提供有一波束停止器115，该波束停止器115完全填充一开口且具有一锥形面，优选地相对垂直线有30度角，120度。值得说明的是，本领域技术人员可以通过可选择的设计改进接口25以将在圆波导50和常规波导20之间该接口处的反射和损失减到最少。在图3-4中，可以看出圆波导50包括一在其一上端的探测器凸缘107，其在其中110处有一适合探测器的开口。一霍尔探测器可以在110处插入。

图5为一侧视图，描述了包括圆波导50、夹持器或固定件60以及相关典型硬件的一典型排列。夹持器或固定件60用来安置一薄片材料元件以从圆波导50接收微波功率。显示常规波导20与接口25耦合。显示接口25与圆波导50耦合。探测器凸缘107，位于圆波导50与接口25耦合相反的一端，与呈现一真空夹盘形式的夹持器60相对。真空夹盘60由一臂支撑，该臂为夹盘夹持器62。夹盘夹持器62由可调节的螺丝121、122支撑，因而允许调整真空夹盘60在两个轴方向上的位置。螺丝121、122被支撑在梁(bridge)124上，其为如在125、126所示的自身可调节安装。可以在螺丝122上设置弹簧123以减小梁124中任何振动的传递。可以理解的是，可以采用其他配置来设置夹持器60相对于圆波导50的位置。

参见图5A，显示了夹持器的一实例。在这个实例中，一定位夹具500可旋转地安装在一底座502上。夹具500在其中有一带有一偏离圆心的圆柱通孔的可旋转盘体504。盘体504可以被说成是夹具500中的一偏心波导调配柱。更特别的是，夹具500具有一通常为平面的表面501，且盘体504具有一可以为平面且从安装表面501凸起的表面505。安装表面501和盘体表面505可以是平行的。盘体504可绕一轴旋转，该轴大体垂直于安装表面501的平面。可以限定一直圆柱体的孔506与盘体504的旋转轴不是同轴的。盘体504的旋转调节孔506相对底座502的位置，实际上允许在垂直方向上调节孔506。孔506限定了安装在夹具500上的一晶片或其他材料暴露在圆波导50的输出之下的部分。盘体504的旋转允许垂直调节，其与如下面描述的使用螺丝520的水平调节相结合，提供了与波导50的校准。夹具500可以是一真空夹具或真空夹盘，具有一处于低压的内腔和在其中的小孔以在该夹具上固定材料。通过位于507的一排气口可建立与一泵的连接。可以使用手柄510以移动夹具500在和不在恰当位置。

夹具500通过一定位螺丝520可旋转地安装在底座502上，定位螺丝520推进一轴延伸穿过凸起固定件522、524上的孔，凸起固定件522、524刚性地固定于底座502。在固定件524处的一推力轴承和一压缩弹簧将夹具500保持在适当的位置。螺丝520与固定件522中的一螺纹孔接合，以至螺丝520的旋转使该轴移动，因此允许在一水平轴上微调该定位夹具的位置。在操作中，可以通过调节螺丝520和转动盘体504二者来调节该夹具的位置，直到该夹具被适当设置。随后可以将该夹具500锁定在适当的位置。同样刚性地固定于底座502的臂530阻止夹具500的旋转超过预定点。被限定在臂530的抓手532上的一近似半圆柱状的凹面容纳夹具500一边缘上的一圆柱旋钮507。参见图5B，显示了夹具500处于从反面看一闭合的或工作的状态。

参见图5C，底座502分为固定部分540和活动部分542，夹具500安装在活动部分542上。活动部分542相对固定部分540在垂直于螺丝520的轴的方向上可移动，因而允许调节夹具500的位置以调节夹具500(以及因此安装在其上的任何样本)和圆波导50的开口之间的间隙。在这个实施例中，配套的凹槽543和导轨544，以及配套的栓548和孔549，允许在仅仅一个方向上调节活动部分542。一螺纹栓550具有一头部551，其与活动部分542的一表面接合；栓550的主体552穿过活动部分542上一光滑的孔554并与固定部分540上的一螺纹孔556接合。通过设置一装置以推动活动部分542至栓550的位置允许的最大间距，可进一步保持一固定的间距。一例子如螺旋弹簧558所示，其与活动部分542和固定部分540的表面接合。可以采用螺旋弹簧558的任何适合的替代物。

再次参见图5，图5还示出了提供该必要磁场的磁体130通常的位置。该磁场垂直施加于该晶片或其他样本的平面且沿着圆波导50的长轴。设计一个或多个合适的磁体以提供所需的磁场强度是在现有技术普通技能水平之内的。如下面介绍的，在一个实例中，在该夹持器内的晶片或其他元件位置上的磁场强度最好是10千高斯(kG)或更高，如果必要的话。

现在将讨论该装置的校准和操作。这整个过程可以在室温下进行。室温可以理解成包括人可以舒适工作的一温度范围。室温排除低温，例如在大气压力下液氮的沸腾温度。功率表优选地连接到该霍尔检测器电缆、一输入或正向功率位置和一反射功率位置。设置一高斯计以测量该磁场的强度。优选地使用带有RS232或IEEE 488通信总线(bus communications)的商用仪表。一短杆58，例如一镀金包铜(gold plated copper coated)的个人电脑主板，被放置在该真空夹盘上并安置。计算机控制的衰减调节器35增加到一最大值。调节该圆波导50的位置以在霍尔检测器95处得到最小的功率。当监视该霍尔检测器功率表时，随后调节该计算机控制的衰减调节器35，优选地通过自动地使用计算机软件，以使检测功率达到一最小值。随后调节该计算机控制的相位调节器40，优选地通过自动地使用计算机软件，以使该霍尔检测功率达到一最小值。这时通过使用计算机软件调节该衰减调节器和相位调节器以获得一最小值。记录该霍尔检测器功率、正向检测器功率和反射检测器功率。移走该短杆，且用要测试的样本代替。该真空夹盘位置的该短杆调谐调节器65被调节以获得一最小的反射功率。该圆波导调节器55、衰减调节器35和相位调节器40均被调节以在该霍尔检测器上的一最小值。该三个功率然后被记录成对应于0磁场，且然后以连续增加的更大的磁场强度。该磁场强度作为一最小值在0-9kG范围内变化。优选的，通过使用计算机软件该磁场自动变化，该计算机软件控制该磁功率供应以获得所需的磁场。原则上，随着进一步的发展，依据本方法可以使用相当低的磁场强度。可以最优化磁场值的数量和磁场值之间的间隔以获得最佳分析精度。

然后数据被整理分析以获得迁移率、薄层电荷密度和薄层电阻读数。参见图6，给出了该软件的概述。软件可以为个人计算机编写，使用一英特尔奔腾(Intel Pentium)或兼容芯片作为一处理器，以及磁盘操作系统(DOS)或视窗(Windows)操作系统。上述硬件系统通常由时钟600指示。第一个模块，605，是一信号采集和控制模块。这个模块从上述装置中的检测器接收信号，并控制该可变移相器和衰减器模块以及该磁体。接收的信号是：霍尔功率检测；铜(Cu)短杆和晶片的正向功率检测；Cu短杆和晶片的反射功率检测；和磁场强度检测。那些信号经过功率放大器和/或超外差式接收机到模数转换器，且模块605从该数字输出得到数值。一旦这些信号被采集，相应的电压输入值被传送到信号换算模块610做进一步处理。

信号换算模块610接收来自信号采集模块605的输入作为原始的输入电压。这些电压被导入算法以获得按标准工程单位的数值。这个步骤是一直接换算。

信号换算模块610的输出被转换模块615接收。该转换模块将该输出转换成希格玛(Sigma)输出文件结构625，其然后被迁移率谱分析模块630读取。该Sigma输出文件包括含有一般测试信息的14条谱线，典型地包括该样本名称、日期和类似信息，随后是包含该样本厚度的一谱线，随后是关于收集霍尔数据的每一磁场的一谱线。这些数据谱线的每一条包含关于该磁场的分离标记(tab-separated)项，Sigma_XX，SD_XX，Sigma_XY和SD_XY，其中SD_XX和SD_XY是Sigma_XX和Sigma_XY值的标准偏差。所有项以米千克秒安培(MKSA)为单位，即厚度以米为单位，磁场以特斯拉为单位，电导率以西门子/米为单位。将这个文件作为该迁移率谱分析模块的输入以获得最终的迁移率值和薄层电荷密度。这个模块由两个分开的程序动态连接库组成，其执行多种数学计算以分析依赖于磁场的霍尔数据。这些模块读取来自Sigma输出文件的输入数据并产生一迁移率谱输出文件635，其包括一迁移率谱和一多载流子拟合(Multi-Carrier-Fit)文件640，该迁移率谱的峰值表明离散载流子类型的存在，该多载流子拟合文件包括针对那些载流子类型的最可能迁移率和薄层电荷密度值。

求出比该迁移率谱峰值更精确或更定量的解的唯一途径是通过关于范例中载流子的假设来限制可能的解的范围。例如，该多载流子拟合技术明确地假设有一确定数目的载流子——每个具有一离散迁移率。

由软件执行的计算涉及如下原理。当该晶片后面腔背面的该微波短杆被调节到适当距离时，一振幅反射系数

该晶片的薄层电阻R和该圆波导TE₁₁模式的阻抗Z之间的关系是：

$\underset{\·}{\mathrm{\Γ}}=(R-Z)/(R+Z)$

对于一半径为1.045厘米(cm)的圆波导，已知阻抗为697.5欧姆/平方(Ohm/square)，其能够对一薄覆盖进行精密测量。

必须确定该晶片处的微波电场。在不同轴上的电场振幅，例如E_x，被描绘成 $E_x=(1+\underset{\·}{\mathrm{\Γ}}){(P_{\mathrm{incident}}/A)}^{1/2},$ 和E_y＝(P_Hall/A)^1/2。在x方向，该振幅是该入射和反射波振幅的总和，或该传输(驻)波的振幅。对于y方向，唯一传播的微波信号是该霍尔波，其在该晶片处产生并在反射方向上被检测。该数值A是一常数，其可以通过对该波导模式的圆截面的求积(integration)来确定。使用这些值可以将依赖于该轴的电导率σ_xx或σ_xy描述成 ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}=(1/Z)(1-{\underset{\·}{\mathrm{\Γ}}}^2-F^2)/({(1+\underset{\·}{\mathrm{\Γ}})}^2+F^2),$ 和 ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}=(F/2Z(1+\mathrm{\Γ}))((1+\mathrm{\Γ})(3-\underset{\·}{\mathrm{\Γ}})-F^2)/({(1+\underset{\·}{\mathrm{\Γ}})}^2+F^2),$ 其中F＝E^- _y1/E⁺ _x1。因为局部垂直于已励磁TE₁₁模式的电流不与该垂直的TE₁₁模式严密耦合，还有一用于乘F的理论值的常数系数。该常数可通过求积获得，且具有一位于0和1之间的值。前面的分析假设产生在该晶片附近的另外的模式是可忽略的。在一些情况下那不能成立。对于那些情况，进行多模式分析，且该多模式分析可用于根据反射微波功率确定Sigma_XX和Sigma_XY。

为了获得该迁移率，要使用上面的计算结果和检测到的磁场强度B。对于一单一导电层内的一个载流子种类，该载流子的迁移率由μ＝(σ_xy/B)/σ_xx给出。

该多载流子拟合过程运行如下：首先，该程序使用单纯形方法确定一单一载流子的最佳拟合，以将该拟合的和测量的霍尔数据(σ_xx和σ_xy)之间的最小平方差减到最少。每一测量数据中的误差被用于加权最小平方和项，且因而获得最可能的解。导出的迁移率和载流子密度中的误差由处于最小值(处于该解)的黑森(Hessian)矩阵的分量(components)来估计。

其次，该程序确定使用两个载流子的最佳拟合。单纯形过程的初始值通过将先前确定的单一载流子替换为稍微更高和更低的迁移率来获得。该单纯形过程与一单一载流子的过程是相同的，除非有两个迁移率可以变化。像在一单一载流子的描述中一样，导出的参数中的误差再一次被确定。该程序还使用了统计学的F检验以估量该第二载流子的显著性，也就是，它通过足以作出一第二载流子很可能存在的结论，来估量该第二载流子的增加是否改进了该拟合。这是一非常有用的特点，因为它允许使用者估量该样本中出现的统计上重要的载流子的数目。该过程继续，每次增加一个载流子且估量该载流子增加的显著性，直到载流子的数目超过磁场数目的一半，该过程在此时终止。

下面列出了测试结果的一概要，比较了前述技术与已知的有损技术，即接触式单一磁场直流电(DC)霍尔技术。

表

伪形态高电子迁移率晶体管(PHEMT)测试结果概要

A-接触式单一磁场DC霍尔

B-非接触式多磁场射频(RF)

                    薄覆盖PHEMT样本

                    晶片#1

                    迁移率                薄层电荷X E12

                    cm2/V-s               载流子/cm2

A                   5391                  2.67

B                   4721                  2.848

B                   4780                  2.837

B                   4753                  2.859

                    4751.3                2.848

标准偏差(STD)       24.115                0.00898146

STD％               0.508％               0.315％

                    晶片#2

                    迁移率                薄层电荷X E12

                    cm2/V-s               载流子/cm2

A                   5391                  2.67

B                    4721                        2.831

B                    4780                        2.852

B                    4753                        2.827

                     4751.3                      2.83666667

STD                  24.115                      0.01096459

STD％                0.508％                     0.387％

                     厚覆盖PHEMT样本

                     迁移率                      薄层电荷X E12

                     cm2/V-s                     载流子/cm2

A                    7096                        2.44

B                    7783                        1.46

可以向具有最小限度训练的操作者提供用于无损、非接触测量全部半导体晶片或平板显示器材料的分析软件。通过改变易受影响的测试参数，有经验的研究人员拥有执行深入研究的能力。这样的测试参数包括该磁场强度，和该微波信号沿该分支的衰减量。该软件还可以提供图形显示，包括作为一迁移率函数的带有电导率和浓度(concentration)的迁移率谱图。

通过将一单一载流子的解用于每一场的数据可以显示作为磁场一函数的迁移率和薄层电荷密度的图。该单一载流子的解用作该分析的一综合校验；一带有一单一载流子的样本将呈现相同的薄层电荷密度和迁移率，与该磁场无关。相反地，一带有多于一个可检测载流子的样本将呈现作为该磁场一函数的不均匀度(variations)。

所有结果可以在该软件的文本窗口中显示成薄层浓度数值。一电载流子体积浓度的计算可以通过检查软件结果屏幕窗口予以启动。如果选择这个操作，通过该多载流子技术可提取出该一个载流子的解，并在一单独的窗口内显示，连同关于层厚度和载流子类型的输入字段(entry fields)。然后这个信息被用于计算从该顶表面和上基底(epi-substrate)界面的损耗宽度，因此可得到该导电层的真实厚度。可选的，使用者可以输入一厚度，并使该程序给出基于该输入厚度的该一个或多个载流子拟合的体积结果。

值得注意的是，单一场分析技术可用作上述多载流子分析的一替换物。

值得说明的是，通过在一样本上进行一测试，然后在该固定件内垂直于圆波导50中心轴的平面内移动该样本，然后重复该测试，可以获得跨一层的迁移率和薄层电荷密度中的不均匀度。为了获得一迁移率和薄层电荷密度的图可以重复这个过程。

                       自动绘图子系统

图7图解说明了一与涉及图1-5C描述的装置一起使用的子系统，且其可用于自动操作该晶片或平板迁移率制图过程。这个自动的迁移率制图子系统(以下称之为“自动制图机”)700，可以安装在一系统机箱702的内部和/或顶部上。图8示出了被安置且连接到图1-5C的迁移率制图系统的自动制图机机箱702。值得说明的是，自动制图机700可以设置为一当前迁移率制图系统的升级，或作为将要建设的新单元的一组合选择方案。

图9示出了自动制图机700的主要部件，包括一旋转/提升器704，一末端效应器706，一用于使该末端效应器绕其纵轴旋转的伺服电动机708，一x轴平板710，和一用于调节该x轴平板的伺服电动机712。没有示出的是将操纵旋转/提升器704的伺服电动机。旋转/提升器704将提升和旋转要被测试的晶片59。末端效应器706将夹持正在测试的晶片59，且与末端效应器706关联的伺服电动机708将旋转该末端效应器(和晶片)到所需的垂直方向以使该晶片能插入该测试区域。

图10是晶片59的细节试图，使用一对校准栓714将晶片59安装在末端效应器706上。一操作者使用设置成接受要被测试的特殊尺寸晶片的校准栓714将一要被测试的晶片59装在末端效应器706上。设置符合不同晶片尺寸的多个不同的栓位置以允许使用者可以在测试的适当位置容易地将该晶片安置在该末端效应器上。一旦晶片59被放置在末端效应器706上，操作者会启动一计算机控制的自动测试程序，该程序将自动地开启真空元件707(图18)，真空元件707位于末端效应器706上以在测试中将晶片56夹持在适当位置。

图11示意了如何使用伺服电动机708将末端效应器706和晶片59旋转90度以呈现一测试所需的垂直位置。一旦达到这个垂直位置，与x轴平板710关联的伺服电动机712将运转以将末端效应器706和晶片59沿着该x轴移动到一测试位置(图12)，图1-5C的迁移率制图系统的磁体713的磁极之间。这就是该测试位置。该计算机测试程序将以涉及图1-6先前描述的方式控制所需迁移率测试的性能和完成该迁移率图需要的数据点采集的性能。

在采集了一系列数据点之后，使用与末端效应器706关联的伺服电动机708，将该晶片从磁体130撤回并旋转回其水平位置，如图13所示。此时，旋转/提升器704组件将升起以与晶片59接合。该旋转/提升器将使用一个或多个真空元件(未示出)与该晶片接合且旋转该晶片以改变该晶片的θ角度(在该角度将进行一特定组数据的扫描)，以已经描述的方式使该晶片作好另一系列的测试数据点采集的准备。因此，一旦达到适当的θ角度，旋转/提升器704将该晶片降回到末端效应器708上，该末端效应器的真空元件开动，且该末端效应器和晶片将再次旋转90度。该末端效应器和晶片将再次移动到磁体130的磁极之间，并采集关于新θ角度位置的所需的系列数据点。这一测试过程将被重复，直到采集了关于测试中晶片的所需数量的数据点。在一个实施例中，使用这个技术将获得该晶片的一完整的迁移率图。

如先前说明的，使用一适当的计算机程序可以自动操作并控制所有以上步骤。

                         薄层电阻子系统

图14示意了图7-13的自动制图机子系统，连接到图1-5C迁移率测量系统，与用于自动测量一晶片的薄层电阻的一附加子系统组合。图15图解说明了该组合自动制图机和薄层电阻模块子系统的主要部件，包括一对末端效应器706、716，用于控制两个末端效应器绕其纵轴旋转的一伺服电动机708，和一薄层电阻模块718。设置一滑动平板710用于相对于该迁移率测量系统和薄层电阻模块718沿一x轴平面移动该末端效应器。末端效应器706、716和伺服电动机708被安装在滑动平板710上，且薄层电阻模块718保持固定。未示出的是操纵旋转/提升器704的伺服电动机。

该薄层电阻模块718可具有一对反作用线圈720、722(图16)，用于测量放置在其间的晶片59或其他适当的薄片材料的电阻。薄层电阻模块718的工作原理以及设计的细节披露在转让给美商立海顿电子公司(LehightonElectronics)的2004年3月30日颁发的6,711,948 B2号美国专利和2002年9月3日颁发的6,443,002 B2号美国专利中，在这里通过引用结合其全部内容。

这个实施例的自动制图机被配置，且以如上述涉及图7-13的相同方式运转。

图16更详细地示意了薄层电阻模块718，图解说明了上和下测量线圈720、722的位置，在其间使用末端效应器716和关联部件插入用于测试的一晶片或薄片59。

图17示意了在被插入用于测试的模块之前被安置在与薄层电阻模块718关联的末端效应器716上的一示范晶片59。图18示意了被安置在用于测试的薄层电阻模块718之内的晶片59。为达到这个定位，系统操作者使用与用于末端效应器708的那些类似的定位栓(未示出)把晶片59安置在末端效应器716上。然后，操作者启动一计算机程序，该程序被设定成控制末端效应器716相对薄层电阻模块718沿x方向移动。该程序将自动启动末端效应器716的真空元件724(图15)以将晶片59保持在适当位置。随后，该程序使末端效应器716沿x轴滑动(通过伺服电动机712的操作)以将该晶片放置在薄层电阻模块718之内。这样，该晶片将在线圈720、722之间沿着x轴移动到多个测试位置以进行该所需系列的薄层电阻测量。

图19示意了在进行了一最初系列的测试测量后从薄层电阻模块718撤回的晶片59。设置旋转/提升器704与该晶片接合，以提升它离开该末端效应器且旋转它以改变θ角度。一旦达到所需的新的θ角度，旋转/提升器704将该晶片放回到末端效应器716上，重新使用真空元件724以将该晶片锁定到该末端效应器，且用该x-平板伺服电动机712以前面描述的方式将晶片59重新插入到薄层电阻模块718中以采集与新的θ角度关联的另一系列数据点。这个过程被重复执行直到该薄层电阻制图完成。值得说明的是，使用一适当的计算机程序可以自动操作且控制所有这些步骤。

虽然上面结合特定的实施例描述了本发明，但在本发明精神和范围内的修改和替代对本领域技术人员是显而易见的。

Claims (20)

1、一种用于测量导电薄片材料中迁移率和薄层电荷密度的装置，包括：

一微波源；

一第一波导，被设置成从所述微波源接收微波功率；

一可调节固定件，适合于可调节地放置一具有多个测量位置的薄片材料元件以接收从所述第一波导传输的微波功率；

一磁体，被设置成在测试位置产生一磁场；

一第一检测器，用于检测该微波功率源的功率；

一第二检测器，用于检测从该测量位置内一薄片材料元件反射的微波功率的功率；

一第三检测器，用于检测一霍尔效应微波功率。

2、根据权利要求1所述的装置，进一步包括一探测器，被设置在所述第一波导中，所述探测器与所述第三检测器耦合，所述第一波导是一圆波导。

3、根据权利要求2所述的装置，进一步包括一定向耦合器，被设置成接收来自所述源的微波功率，所述定向耦合器与一侧分支和一主分支耦合，所述主分支与所述第一波导耦合，所述侧分支与所述第三检测器耦合。

4、根据权利要求3所述的装置，其中所述侧分支通过一可变衰减器和一可变移相器与所述第三检测器耦合。

5、根据权利要求1所述的装置，进一步包括计算装置，用于从所述检测器接收数据并用于基于所述数据计算迁移率和薄层电荷密度。

6、根据权利要求5所述的装置，进一步包括一功率放大器，用于接收来自所述检测器中至少一个的信号并用于向所述计算装置提供一输出信号。

7、根据权利要求5所述的装置，进一步包括一超外差式接收机，用于接收来自所述检测器中至少一个的信号并用于向所述计算装置提供一输出信号。

8、根据权利要求1所述的装置，进一步包括一位于所述微波源和所述第一波导中间的第二波导，其中所述第一波导相对所述第二波导是可调节设置的。

9、根据权利要求8所述的装置，其中所述第二检测器被设置成检测所述第二波导内的反射微波场强度，所述装置进一步包括一第四检测器用以检测该测量位置处的磁场强度。

10、根据权利要求1所述的装置，进一步包括一由导电材料制成的短杆，所述短杆相对于所述装置是可调节安装的，以使所述测量位置位于所述短杆和所述第一波导的一端部中间。

11、根据权利要求1所述的装置，其中所述可调节固定件进一步包括：

一主体，具有一第一平表面；和

一盘体，被设置在所述固定件内，所述盘体可绕一轴旋转，该轴大体垂直于所述第一平表面的一平面，所述盘体还在其中具有一孔，该孔与该旋转轴不同轴；

其中所述盘体被设置成与所述薄片材料元件接触以可调节地设置所述薄片材料元件，使所述多个测量区域中至少一个与所述第一波导相邻设置用以接收来自所述第一波导的微波功率。

12、根据权利要求11所述的装置，其中所述可调节固定件包括一真空夹盘。

13、根据权利要求11所述的装置，进一步包括一底座，所述可调节固定件可旋转地设置在底座上。

14、根据权利要求11所述的装置，其中所述可调节固定件设置在所述底座的可调节部分上，因而所述可调节固定件和所述测试装置的波导之间的间距可以调节。

15、根据权利要求1所述的装置，其中所述可调节固定件进一步包括：

一第一末端效应器，适合于在多个测量位置放置所述薄片材料元件以接收从所述第一波导传输的微波功率，所述第一末端效应器可在一调节位置和一测试位置之间移动，其中所述调节位置是该薄片材料元件的旋转位置可选择性调节的位置，且所述测试位置是使用该第一波导能在该薄片材料元件上进行至少一个测试的位置。

16、根据权利要求15所述的装置，其中所述第一末端效应器具有一纵轴，所述第一末端效应器能绕所述纵轴旋转，所述末端效应器进一步相对所述装置沿所述纵轴是可移动的。

17、根据权利要求16所述的装置，进一步包括第一和第二电动机单元，所述第一电动机单元与所述第一末端效应器关联，用于使所述第一末端效应器绕所述纵轴旋转，且所述第二电动机单元与所述第二末端效应器关联，用于相对所述装置沿所述纵轴移动所述末端效应器。

18、根据权利要求15所述的装置，进一步包括：

一第二末端效应器，被设置成与所述薄片材料元件接合；和

一薄层电阻单元，具有第一和第二相对设置的线圈，用于测量所述薄片材料元件的薄层电阻特性，其中所述第二末端效应器相对所述薄层电阻单元是可移动调节的以使该单元能够在所述薄片材料元件上的多个位置处测量所述薄层电阻特性。

19、根据权利要求15所述的装置，进一步包括：

一旋转-提升器，用于与所述薄片材料元件接合并使其沿着一第二轴移动，该第二轴大体垂直于所述末端效应器的纵轴，该旋转-提升器进一步被设置成利用一第三电动机单元绕该第二轴旋转；

其中所述第一末端效应器和所述旋转-提升器各包括用于与所述薄片材料元件接合的至少一个真空元件。

20、根据权利要求19所述的装置，进一步包括一可调节底座，该可调节底座利用一第四电动机单元可相对所述装置移动，该末端效应器安装在该可调节底座上，用以相对该旋转-提升器移动。

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