CN104614654B - 一种半导体多电学参数的自动化测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体多电学参数的自动化测试系统，测试环境调控单元，其用以提供不同温度、磁场和光照的测试环境；信号测试单元，其用以测试在不同测试环境下被测样品的多种电学参数；主控单元，其控制测试环境调控单元调节测试环境，控制信号测试单元完成自动化测试以及处理分析上被测样品的各种电学特性参数。本发明能够自动化测试样品的多种电学参数，其具有很高测试精度与测试效率。

Description

一种半导体多电学参数的自动化测试系统

技术领域

本发明属于半导体材料与器件技术领域，尤其涉及一种用于在复杂环境下自动化测量多种电学输运参数的半导体多电学参数的自动化测试系统。

背景技术

在研究半导体材料与器件的过程中，电学输运测试是一种十分重要而且常用的研究手段。通过改变温度磁场等外界条件，可以研究样品的电阻率、迁移率、载流子浓度等不同输运参数受外场的影响。

然而，目前大部分精密电输运测试系统的功能都比较单一，只能实现一种或少数几种电输运特性的测试。如果需要测试现有系统所测电输运特性之外的参数，则又需要重新购置另外一整套系统，这样既浪费了资金又需要重新花费精力去学习新系统的使用。

仅以电阻测试为例，不同的样品具有的电阻大小不同，其测试方法也不一样，尤其是阻值很低和阻值很高的电阻，都分别需要特殊的测试方法才能实现精确测试。而传统的输运测试系统很少能同时兼顾超低阻和超高阻材料的精确测试。而且有些半导体的霍尔现象不是很明显，即使加很大的磁场所得到的霍尔电压也不是很大，很容易被噪声淹没，这就需要极其良好的屏蔽及接地，同时对仪器及测试导线进行更加精密的加工，但即使这样也可能不能保证系统的精度效果。

现有的精密电输运测试系统的变温测试均为手动控制的，比如在第一个温度点下测试完一系列参数之后，需要手动控制温控仪将温度改变到第二个温度点，再进行下一步的测试。这样如果需要测试很多温度点，就会很耗时而且非常繁琐。

同样的很少有系统能够全自动地测试不同温度，不同磁场下样品的I-V曲线。而且随着现代电子器件尺寸的不断缩小，其电输运性能将受到量子效应的影响，单次I-V曲线的测试已经不能满足对电阻分析的需求，而需要其器件的I-V曲线在大量数据点上的斜率，这就需要我们绘制微分电导图。尤其是对低温半导体器件来说，微分电导的测试尤为重要，且不同的温度、磁场或者光照等环境会影响器件的量子特性甚至自旋特性，从而导致微分电导的变化。然而目前几乎没有能够实现自动化测试变温微分电导或者变磁场微分电导的测试的系统。

更加重要的是，一般来说光照都会对样品的电输运特性产生非常巨大的影响，但是由于低温强磁场环境一般都是封闭的，所以目前几乎没有类似的变温变磁场输运系统能够在不同光照下精确研究样品的电输运特性。

为了克服现有技术中无法同时测试多种电输运参数、测试操作过程复杂繁琐以及无法实现高精度自动化测量等缺陷，提出了一种半导体多电学参数的自动化测试系统。

发明内容

本发明提出了一种半导体多电学参数的自动化测试系统，包括：测试环境调控单元，其用以提供不同温度、磁场和光照的测试环境；信号测试单元，其用以测试在所述测试环境下被测样品的电输运参数；主控单元，其控制所述测试环境调控单元调节所述测试环境，控制所述信号测试单元完成自动化测试以及处理分析上所述被测样品的电输运参数。

本发明提出的半导体多电学参数的自动化测试系统中，所述信号测试单元包括：电流源，其与所述被测样品连接，用于提供测试过程中所述被测样品的电流；纳伏表，用于测试所述测试信号的电压；程控源表，其与所述被测样品连接，用于测试超高电阻值以及所述被测样品的I-V曲线；多通道程控开关控制器，用于在测试过程中实现测量样品信号引脚的自动切换；所述样品信号引脚与所述被测样品连接；霍尔效应卡，其设置在所述多通道程控开关控制器的卡槽中，接口分别与所述电流源、所述纳伏表、所述程控源表以及所述被测样品连接，用于信号隔离以及配合所述多通道程控开关控制器进行所述样品信号引脚的自动切换。

本发明提出的半导体多电学参数的自动化测试系统中，所述信号测试单元进一步包括远端前置放大器；所述程控源表通过所述远端前置放大器与所述被测样品连接，使所述程控源表可测试高达太欧姆数量级的电阻。

本发明提出的半导体多电学参数的自动化测试系统中，进一步包括：所述霍尔效应卡通过三轴屏蔽线与所述电流源、所述纳伏表及所述程控源表连接；所述霍尔效应卡通过BNC线与所述样品信号引脚连接。

本发明提出的半导体多电学参数的自动化测试系统中，所述测试环境调控单元包括液氦磁光装置、光源装置、超导磁体电流源与温控仪；所述液氦磁光装置与所述超导磁体电流源和所述温控仪连接，所述光源装置正对于所述液氦磁光装置设置；所述超导磁体电流源110与所述温控仪111与所述主控单元连接。

本发明提出的半导体多电学参数的自动化测试系统中，所述液氦磁光装置设有样品仓、超导磁体与加热器；所述样品仓中设有窗片，所述样品仓中容纳所述被测样品；所述光源装置的光线透过所述窗片照射在所述被测样品上形成光照，所述超导磁体电源通过所述超导磁体在所述样品仓中形成磁场，所述温控仪通过所述加热器控制所述样品仓内的温度。

本发明提出的半导体多电学参数的自动化测试系统中，所述主控单元通过GPIB板卡与所述测试环境调控单元和所述信号测试单元连接，所述主控单元通过程序自动控制所述信号测试单元进行自动测试。

本发明具有如下有益效果：

本发明可进行变光照、变温度、变磁场下多种输运参数的测试，例如电阻、磁阻、霍尔效应和IV曲线等参数的自动化测试，以及程控自动化测试变温、变磁场下的微分电导谱。

本发明采用了霍尔效应卡和多通道程控开关，可以通过程序控制自动实现引脚的切换测试。并且提出一种改进的范德堡测试方法，可以提高测试精度，降低对系统屏蔽和接地性能的要求。

本发明利用电流源、纳伏表、亚fA程控源表等精密仪器，可精确提供皮安级别的恒定电流以及获得纳伏级别的电阻电压和霍尔电压。此外，本发明通过结合使用电流源、纳伏表自动进行Delta测试，可用于精确测试低至1nΩ的超低电阻值。

本发明的屏蔽措施良好，测试结果精确性。使用亚fA程控源表，结合远端前置放大器和样品杆，可以精确测试高达1TΩ的超高电阻阻值。

本系统的变温、变磁场测试都是由程序控制自动。测试数据经过程序内部的虚拟仪器进行必要的信号处理与采集后，结果自动保存成设定格式的电子文档，自动显示需要的参数图像。

本发明可以直接将可见-近红外光通过窗片射入到样品仓中，能研究复杂环境(包括深低温强磁场)下不同光照对样品输运特性的影响，也能够研究复杂环境下的光生载流子特性。并且样品与光源完全隔离，可以忽略光源发热对样品的影响。

附图说明

图1表示本发明的系统结构框图。

图2表示样品杆结构图。

图3表示范德堡测试结构示意图。

图4表示改进的范德堡霍尔测试原理图。

图5表示纳伏表的“滑动式滤波”和“重复型滤波”技术的堆栈示意图。

图6表示本系统中微分电导测试原理的示意图。

图7表示变磁场范德堡测试程序流程图。

图8表示变温I-V曲线测试流程图。

图9表示变磁场微分电导谱测试程序流程图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

参阅图1，本发明半导体多电学参数的自动化测试系统，其包括测试环境调控单元、信号测试单元与主控单元。测试环境调控单元为被测样品提供不同光照、磁场和温度的测试环境，信号测试单元为被测样品提供测试信号进行测试，并且采集经测试后被测样品的电输运参数，主控单元与测试环境调控单元和信号测试单元连接并建立数据传输，主控单元为处理器，其能够控制测试环境调控单元自动化调节测试环境的光照、磁场和温度，以及控制信号测试单元自动化测试被测样品的电输运参数，并且对电输运参数进行分析得到其结果。

以下介绍本发明中的测试环境调控单元，测试环境调控单元包括液氦磁光装置108、光源装置113、超导磁体电流源110与温控仪111。测试环境调节单元的测试环境的温度可从2K至300K，磁场范围可从0至10T，磁场强度变化速率可达1特斯拉/分钟。其中，温控仪111使用ITC503。

本系统所有控制及测量程序均使用美国国家仪器公司的Labview软件编写。

液氦磁光装置108采用牛津仪器的Spectromag SM4000，其设有样品仓、超导磁体与加热器；样品仓中设有窗片，样品仓中容纳被测样品；光源装置113的光线透过窗片照射在被测样品上形成光照。通过设置不同类型的窗片，从而选择透过的光线的波长，选择对应波长的光线照射到被测样品上从而调节测试环境的光照。

在使用中，液氦杜瓦向液氦磁光装置108中通入液氦在液氦磁光装置108的样品仓内形成低温的环境，同时使超导磁体工作在其中形成超导。温控仪111通过加热器(例如，电阻加热器)控制在样品仓内产生热量，控制样品仓内的温度。温控仪111受主控单元的控制，主控单元可以自动化调节温控仪111，从而在被测样品的测试环境(即，样品仓内)的温度。

超导磁体电源110为IPS120，其受主控单元控制，超导磁体电源110通过超导磁体在样品仓中形成磁场，并在主控单元的控制下可自动化调节磁场的强度。

以下介绍本发明中的被测样品。被测样品根据不同需求可以制作成不同的形状。当需要测试被测样品电输运参数中的电阻率、霍尔系数、载流子浓度，迁移率等基本参数时，使用范德堡法对被测样品进行测试，虽然范德堡法对被测样品形状没有很严格的要求，但为了精确起见，应尽量将被测样品制作成正方形，正方形的每个角上分别做好一个电极。

具体实施例中，被测样品的PCB板903具有6个焊盘，可以同时放置一块4引脚的范德堡被测样品和一块2引脚的被测样品。其中第1、2、3、4个焊盘分别连接到范德堡法被测样品的1、2、3、4电极引脚；范德堡测试可测得被测样品电阻率以及霍尔效应等。第5、6个焊盘分别连接到2引脚被测样品的两端，可以进行超高电阻测试，I-V曲线测试和微分电导谱的测试等。

以下介绍本发明中的被测样品如何设置在测试环境调节单元中，本实施例中引进了一种样品杆109。如图2所示，样品杆109为主体一根长直杆，其一端设置有三头fischer连接头(包括连接头A、B、C)，另一端用于放置被测样品。被测样品设置在样品杆109的一端后，通过将主体送入液氦磁光装置108的内部，被测样品置于样品仓中，fischer连接头暴露在外界。主体中的信号引线连接fischer连接头与被测样品和加热器。

以下介绍本发明中的信号测试单元，信号测试单元包括：电流源103、纳伏表104、程控源表105、多通道程控开关控制器106和霍尔效应卡107。

电流源103为KEITHLEY 6221，其样品杆109的连接头连接，从而与被测样品连接，通过导线为测试过程中被测样品提供电流。

霍尔效应卡107为KEITHLEY 7065，霍尔效应卡107被插入多通道程控开关控制器106内，其引脚分别通过样品杆109上的信号引线连接到被测样品的样品信号引脚上。

程控源表105具体为亚fA程控源表，其通过样品杆109与被测样品连接，用于测试超高电阻值以及被测样品的I-V曲线；

多通道程控开关控制器106为KEITHLEY 7001，使用时将霍尔效应卡107插入到多通道程控开关控制器106的卡槽内，多通道程控开关控制器106根据程序自动打开和关闭霍尔效应卡107内的开关，实现测试被测样品引脚的自动切换。

纳伏表104的高低电压输入端口分别通过BNC连接线与霍尔效应卡107的信号输出端的高低接口相连，用于测试测试信号的电压。优选地，电流源103和纳伏表104利用串口通信，可做为一台整机使用。进一步地，在自动化测试过程中考虑到滤波器的设置，纳伏表电压测试可采用“滑动式滤波”和“重复型滤波”来提高测试的精确性。纳伏表104的滤波器是一个“噪声滤波器”，其噪声容限＝量程*滤波窗大小。当随时间变化的被测电压通过滤波器时，若变化在噪声容限之内，则进行A/D转换后存入缓存区，若超出噪声容限范围，则滤波器重置，重新进行采集。如图5所示，当平均滤波器使能，并设置好滤波器缓存区大小(即，程序设置中的filter count)时，“滑动式滤波”采用了先进先出的堆栈，每次有新的读数进入堆栈时就会把堆栈中最老的数据移除，然后对此时的堆栈取平均。“重复型滤波”则是等待缓存区所有的数据填满时，进行一次平均计算，然后清空所有缓存，进行下一次的采集与计算。在进行正常电压采集的时候，使用“滑动式滤波”，因为它具有更快的速度。而在进行微分电导测试时，只能使用“重复型滤波”，因为“滑动式滤波”的算法无法得到需要的结果。

以下介绍本发明中的主控单元101。主控单元101为处理器设备，例如计算机，主控单元101通过GPIB总线102与上述的电流源103、程控源表105、多通道程控开关控制器106、超导磁体电流110和温控仪111建立连接，从而由主控单元101根据程序控制上述各元件实现自动化测试。并且，主控单元101还能处理采集测试后的电输运参数，从而对被测样品进行多电学参数分析。

实施例1：变磁场范德堡测试.

本实施例中采用了改进的范德堡霍尔测试，其原理如图4所示，分别在样品的两端通电流，在另外两端测试电压，测试4次以后将磁场反向，再测试4次，最后根据公式计算得到霍尔系数。本系统中使用的是改进的范德堡霍尔测试法，在没有对样品施加加场时，对样品进行如图所示的8次测试。测试结果分别记为Vn0,n为电压测试的标号。然后对样品施加磁场，也如图所示测试8次，测试结果分别记为Vn，其中Vn0与Vn测试时电流施加的引脚与电压测试的引脚都是一一对应的。记ΔVn＝Vn-Vn0。这样，ΔVn就是去除了环境噪声及不对称对样品的影响后，仅仅由于霍尔效应所引起的电压。这样经过平均计算后得到的霍尔系数就变得更加精确了。并且整个测试过程由程序控制自动进行，所以并没有给实验带来更多的复杂性。

在实验之前，首先根据液氦磁光装置SM4000108的操作说明使其处于液氦低温状态，使得超导磁体110能够正常运行。液氦不够时使用高纯氦气将液氦杜瓦114中的液氦压入到SM4000108中。

参阅图3，将被测样品的电极分别与被测样品的PCB板903的对应分散焊盘焊接好。在被测样品架901上事先固定好了固定PCB，其上面一排焊孔与样品杆109的引线相连，下排焊孔上事先焊接好了特制的焊针座；此时只需将被测样品PCB板903的上排焊孔直接插到固定PCB板902的焊针座上即可实现导通。

将样品杆109正确插入到液氦磁光装置以后，将各个仪器按附图连接好即可。进行测试之前，需要将周围灯光关闭，避免灯光对被测样品的影响。

图7显示的是变磁场范德堡测试的流程图，主控单元101通过改变超导磁体电流源110的施加在超导线圈上的电流大小改变被测样品所在测试环境的磁场，多通道程控开关自动控制霍尔效应卡切换引脚。通过纳伏表104采集被测样品的电压值，主控单元101记录切换引脚的次数，当切换到第12次开关后控制测试环境调控单元使磁场反向并继续测量，当切换到第16次开关后控制测试环境调控单元使磁场恢复。此时主控单元101对这16次测量所得结果进行分析并保存，接下来改变磁场大小，进行下一组测量。

表1是对CuCr_0.96Mg_0.04O2薄膜样品在200K温度下进行的变磁场范德堡测量结果：

该表格是实验后直接得到的数据结果。在表格中可以很直接地得到电阻率，电导率，磁阻以及霍尔效应参数随着磁场的变化。如表格中所示，该样品的电阻率在大磁场下会显示出正磁阻效应。该样品的霍尔系数随着磁场的增大也呈现出了缓慢的上升趋势。这是符合半导体霍尔效应的基本原理的。表格中的所有参数的都是以小数点后6位表示的，具有很高的精度。经试验结果验证表明该系统最低可以测量10^-3cm²/(Vs)量级的迁移率大小。从表格中可以看出，虽然该样品的迁移率不是很大，最小只有1cm²/(Vs)量级，但该测量系统能准确的区分该精度，这相对传统仪器来说已经是很高的精度了。

实施例2：变温范德堡测试.

首先主控单元101根据设置好的PID参数控制温控仪(ITC)111的制冷和加热量来改变被测样品所在测试环境的温度。由于范德堡测试的前8次测量的结果是用来获得电阻率或者电导率的，后8次测量是用来获得霍尔效应的。所以在该温度点下，首先进行不加磁场的测试，主控单元101获取的测量结果作为被测样品的零磁场偏置值。然后主控单元101通过测试环境调控单元将对被测样品施加磁场，在该磁场下对样品再次进行范德堡测试。

主控单元101的程序中利用一个标志位来区分是否施加磁场。当完成被测样品在该温度点下所有测量后，根据温控仪111判断是否到达设定的最终温度点。若未到达最终温度点，则利用温控仪111改变温度至下一个温度点再次进行测量，直至完成所有温度点下的所有测量为止，从而完成变温范德堡测试。

实施例3：变温I-V曲线测试

将被测样品的电极分别与被测样品的PCB板903的对应分散焊盘焊接好。在被测样品架901上事先固定好了固定PCB，其上面一排焊孔与样品杆109的引线相连，下排焊孔上事先焊接好了特制的焊针座；此时只需将被测样品PCB板903的上排焊孔直接插到固定PCB板902的焊针座上即可实现导通。

将样品杆109正确插入到液氦磁光装置以后，将各个仪器按附图连接好即可。进行测试之前，需要将周围灯光关闭，避免灯光对被测样品的影响。

图8显示的是变温I-V曲线测试的流程图，主控单元101根据设置好的PID参数控制温控仪111的制冷和加热量来改变被测样品所在测试环境的温度。根据设置好的的电压步进和终止电压，程控源表105自动对样品进行I-V曲线，主控单元101记录并分析结果。如该温度点下的I-V曲线扫描完成以后，判断根据温控仪111的读数判断是否到达设置的终止温度，如未到达则继续改变到下一温度点进行I-V曲线扫描。

实施例4：变磁场微分电导谱测试

将被测样品的电极分别与被测样品的PCB板903的对应分散焊盘焊接好。在被测样品架901上事先固定好了固定PCB，其上面一排焊孔与样品杆109的引线相连，下排焊孔上事先焊接好了特制的焊针座；此时只需将被测样品PCB板903的上排焊孔直接插到固定PCB板902的焊针座上即可实现导通。

将样品杆109正确插入到液氦磁光装置以后，将各个仪器按附图连接好即可。进行测试之前，需要确保测试在黑暗环境下进行，避免灯光对被测样品的影响。

变磁场微分电导谱测试的原理如图6所示，给被测样品一个微分电流增量dI，可以测得一个微分电压dV。用dI和dV可以计算出微分电导dG或微分电阻dR。每个微分电压计算值需要用纳伏表前三次的测试进行A/D转换所得，这是类似于三点Delta法来降低EMFs效应。

图9显示的是变磁场微分电导谱测试的流程图，主控单元101通过改变超导磁体电流源110的施加在超导线圈上的电流大小改变被测样品所在测试环境的磁场。电流源103输出电流，纳伏表104采集电压完成后，程序自动控制电流源输出电流改变。主控单元101通过程序记录并利用上述算法对采集到的信号进行处理，最终得出该点磁场下的微分电导谱。然后主控单元101根据超导磁体电流源110的读数判断是否达到目标磁场。如未达到则改变磁场进行下一磁场点的微分电导谱的测量。

本发明半导体多电学参数的自动化测试系统还可执行变温微分电导谱测试与变磁场I-V曲线测试等。变温微分电导谱测试与变温I-V曲线测试过程类似，只需将每个温度点的测量内容设置为微分电导谱测量即可。变磁场I-V曲线测试与变磁场微分电导谱测试过程类似，只需将每个磁场点的测量内容设置为I-V曲线测量即可。

当研究光照对样品磁电输运特性的影响时，首先应关闭光源，进行暗电流电压测试；然后开启光源装置113并对样品进行电流电压采集。主控单元101对所得结果进行保存分析。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (4)

1.一种半导体多电学参数的自动化测试系统，其特征在于，包括：

测试环境调控单元，其用以提供不同温度、磁场和光照的测试环境；

信号测试单元，其用以测试在所述测试环境下被测样品的电输运参数；

主控单元，其控制所述测试环境调控单元调节所述测试环境，控制所述信号测试单元完成自动化测试以及处理分析所述被测样品的电输运参数；

其中，所述信号测试单元包括：

电流源(103)，其与所述被测样品连接，用于提供测试过程中所述被测样品的电流；

纳伏表(104)，用于测量测试信号的电压；

程控源表(105)，其与所述被测样品连接，用于测试超高电阻值以及所述被测样品的I-V曲线；

多通道程控开关控制器(106)，用于在测试过程中实现测量样品信号引脚的自动切换；所述样品信号引脚与所述被测样品连接；

霍尔效应卡(107)，其设置在所述多通道程控开关控制器(106)的卡槽中，接口分别与所述电流源(103)、所述纳伏表(104)、所述程控源表(105)以及所述被测样品连接，用于信号隔离以及配合所述多通道程控开关控制器(106)进行所述样品信号引脚的自动切换；

远端前置放大器；所述程控源表(105)通过所述远端前置放大器与所述被测样品连接，使所述程控源表(105)可测试高达太欧姆数量级的电阻；

所述霍尔效应卡(107)通过三轴屏蔽线与所述电流源(103)、所述纳伏表(104)及所述程控源表(105)连接；所述霍尔效应卡(107)通过BNC线与所述样品信号引脚连接。

2.如权利要求1所述的半导体多电学参数的自动化测试系统，其特征在于，所述测试环境调控单元包括液氦磁光装置(108)、光源装置(113)、超导磁体电流源(110)与温控仪(111)；

所述液氦磁光装置(108)与所述超导磁体电流源(110)和所述温控仪(111)连接，所述光源装置(113)正对于所述液氦磁光装置(108)设置；

所述超导磁体电流源(110)与所述温控仪(111)与所述主控单元连接。

3.如权利要求2所述的半导体多电学参数的自动化测试系统，其特征在于，所述液氦磁光装置(108)设有样品仓、超导磁体与加热器；

所述样品仓中设有窗片，所述样品仓中容纳所述被测样品；所述光源装置(113)的光线透过所述窗片照射在所述被测样品上形成光照，所述超导磁体电流源(110)通过所述超导磁体在所述样品仓中形成磁场，所述温控仪(111)通过所述加热器控制所述样品仓内的温度。

4.如权利要求1所述的半导体多电学参数的自动化测试系统，其特征在于，所述主控单元通过GPIB板卡与所述测试环境调控单元和所述信号测试单元连接。