CN105158568A - 基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪及测绘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪及测绘方法，测绘仪包括三轴运动平台、样品台、检测探头、数据采集卡、控制装置、氮气供应系统、脉冲电压发生电路，样品放置在样品台上，三轴运动平台控制检测探头定位到样品上需要测试的点位置的上方，脉冲电压发生电路向样品台施加低压脉冲信号，检测探头包括采样电极、采样电路、氮气输送通道，采样电极一端为探测面，另一端与采样电路相连，采样电路通过数据采集卡与控制装置相连。测试时，氮气供应系统输送氮气到采样电极与样品之间。控制装置根据采样电极采集的每个测量点的电荷变化计算出样品电阻率。本发明可实现半导体材料的电阻率分布式测量，直观且准确地反映材料的整体性能。

Description

基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪及测绘方法

技术领域

本发明涉及半绝缘半导体材料电学参数测试研究领域，特别涉及一种基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪及测绘方法。

背景技术

半绝缘半导体是继第一代半导体材料Si后发展起来的第二代半导体材料GaAs、InP和第三代半导体材料，如SiC、GaN,具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度、抗辐射能力强、介电常数小等特点，适合于制备高温、高频、大功率的电子器件及性能优异的微波、光电器件，具有广泛的应用前景。

对于任何半导体物质的研究，电阻率都是一个非常重要的依据，是研发、生产过程中必须测量的重要的基本电学参数。整块(锭)或整片半导体晶体材料的电阻率分布情况可完整真实地反映材料的质量。

现行常用的半导体材料测试方法主要有霍尔法和范德堡法，这两种方法均需要对样品切割得到特定形状的样片，并需制备欧姆接触，测量周期长。对于GaAs这些半导体物质利用霍尔法测试其电阻率虽然不便，但仍是可行的，因为在这些物质上制作欧姆接触不存在问题。然而对于SiC这类第三代半导体材料来讲，半导体电阻率均大于10⁵Ω·cm，常见杂质在SiC中的扩散系数极低，在合金化的过程中几乎不可能像Si、GaAs等半导体那样靠合金中的掺杂剂掺入来提高界面的掺杂浓度，这就给欧姆接触的形成带来了很大的困难，使得利用霍尔法测试SiC单晶电阻率变得十分困难。此外，目前常用的电阻率测试方法，如直流四探针法和涡流法更无法对SiC、GaN进行有效的测量。

因此，需要提供一种非接触的、价格较便宜的半绝缘半导体电阻率测绘仪及测绘方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，该测绘仪可实现半绝缘半导体材料的电阻率分布式测量，直观且准确地反映材料的整体性能。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述半导体电阻率测绘仪的测绘方法，该方法具有操作简单、控制精确、结果准确的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，包括：三轴运动平台、样品台、检测探头、数据采集卡、控制装置、氮气供应系统、脉冲电压发生电路，样品放置在样品台上，所述样品台为金属平台，所述三轴运动平台用于控制检测探头定位到样品上每个需要测试的点位置的上方，所述脉冲电压发生电路向样品台施加低压脉冲信号，所述检测探头包括采样电极、采样电路、氮气输送通道，所述采样电极一端为探测面，设置在样品的正上方，另一端通过屏蔽电缆与采样电路相连，采样电路通过数据采集卡与控制装置相连；在测试时，氮气供应系统输送氮气到氮气输送通道，氮气从氮气输送通道的氮气喷射孔喷出，使采样电极与样品之间充满氮气以形成保护层；所述控制装置用于根据采样电极采集的每个测量点的电荷变化的弛豫时间计算出样品电阻率。本发明中，当样品台被施加低压脉冲信号后，相当于不断地对样品台、样品及采样电极进行充放电，样品台、样品、采样电极三者在电路上等效为两个电容与一个电阻的串并联电路，通过采样电极对样品上每个需要测试的点进行测量，再结合三轴运动平台的扫描，可以得到整个样品上电阻率的分布。

优选的，所述检测探头还包括一金属套环外壳，其中心开有一用于放置采样电极的通孔，采样电极和金属套环外壳之间使用一绝缘管隔开，所述金属套环外壳的底部平面与采样电极的探测面处于同一平面；所述氮气输送通道设置在所述通孔的一侧，氮气输送通道一端通过氮气供应接口与氮气供应系统连接，另一端通过氮气喷射孔将氮气喷射到采样电极与样品之间。

更进一步的，所述采样电极采用直径1～2mm、长20～30mm的紫铜棒，采样电极一端为探测面，具有相对样品台表面小于1μm的平面度，另一端通过屏蔽电缆连接到采样电路的输入接口，采样电极与屏蔽电缆通过焊接固定；所述样品上表面和采样电极探测面之间距离在0.05～0.2mm。

更进一步的，所述绝缘薄管为聚四氟乙烯塑料管。

更进一步的，所述检测探头还包括采样电路供电接口、采样电路信号输出接口、氮气供应接口，所述采样电路供电接口、采样电路信号输出接口、氮气供应接口分别与电源系统、数据采集卡、氮气供应系统连接；所述检测探头采用T形结构，上部用于放置采样电路、采样电路供电接口、采样电路信号输出接口、氮气供应接口，下部用作金属套环外壳。这样可以尽量缩短采样电极与采样电路的距离，减少检测信号的损耗。

优选的，所述样品台与脉冲电压发生电路之间、采样电路与数据采集卡之间、数据采集卡与控制装置之间均通过屏蔽电缆连接，屏蔽电缆的屏蔽层接地。

优选的，所述三轴运动平台包括运动控制系统、扫描运动系统，所述运动控制系统分别与控制装置、扫描运动系统连接；所述扫描运动系统包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构、导轨安装支架、探头支架，其中X轴运动机构包括X轴驱动电机和X轴直线导轨，Z轴运动机构包括Z轴驱动电机和Z轴导轨，所述导轨安装支架固定在操作平台上，X轴直线导轨两端分别固定在导轨安装支架上，所述Z轴运动机构设置在X轴直线导轨上的滑块上，所述探头支架设置在Z轴导轨上，所述检测探头固定在探头支架上，检测探头的中轴线始终垂直于样品台；所述Y轴运动机构设置在操作平台上，包括Y轴驱动电机、Y轴直线导轨和Y轴直线光杆滑轨，Y轴直线导轨和Y轴直线光杆滑轨保持平行，样品台安装在Y轴直线导轨的滑块上。

更进一步的，所述X轴驱动电机、Y轴驱动电机、Z轴驱动电机均采用直流无刷伺服电机，X轴直线导轨、Y轴直线导轨均采用同步带直线导轨，Z轴导轨采用滚珠丝杠导轨。直流无刷伺服电机本身能产生脉冲，采用这类电机，运动控制系统通过比较发送出去的脉冲数与接收到的电机产生的脉冲数，可以进行运动补偿，从而实现精确定位。

优选的，在所述样品台下方还设有一用于在测试时固定待测样品的样品吸附系统，包括真空负压泵、吸盘、排气电磁阀、气管、三通连接头，所述样品台上设有吸附孔，吸盘设在该吸附孔的下方，吸盘与样品台之间设有密封圈，吸盘、真空负压泵进气口、排气电磁阀三者分别通过气管与三通连接头连接。测试开始前样品处于被吸附状态，测试完成后样品被释放。

优选的，所述测绘仪还包括一继电器开关系统，所述氮气供应系统、样品吸附系统均通过该继电器开关系统与控制装置相连。这样可以由控制装置统一对氮气供应系统、样品吸附系统进行控制，确保在每次测量开始前氮气充满测量区域，样品被牢牢固定在样品台上，测量完成后停止供应氮气，同时样品被释放。

更进一步的，所述氮气供应系统包括氮气瓶、压力表、供气电磁阀、接头，所述接头通过管路与检测探头中的氮气供应接口相连，供气电磁阀与继电器开关系统相连，压力表设置在氮气瓶与供气电磁阀之间的管路上。

优选的，所述测绘仪包括主机柜和屏蔽罩，所述氮气供应系统、控制装置、脉冲电压发生电路以及测绘仪所用的电源系统均设置在主机柜中，屏蔽罩设置于主机柜顶部，采用活页及气弹簧支撑杆与主机柜连接，屏蔽罩在测试过程中始终覆盖整个操作平台。以确保样品在测试过程中不受外界光线及电磁波影响。

优选的，所述控制装置还与一显示器连接。该显示器用于人机交互，可以用于显示测试软件界面及测试结果。

基于上述半导体电阻率测绘仪的测绘方法，包括：三轴运动平台将检测探头定位到样品上需要测试的点位置的上方；脉冲电压发生电路向样品台施加低压脉冲信号，氮气供应系统向采样电极与样品之间的区域喷射氮气；采样电极探测样品的电荷变化，采样电路对上述电荷变化进行采样、放大，数据采集卡通过模数转换将采样电路输送的信号发送到控制装置，控制装置根据信号得到每次电脉冲结束后采样电极上反映电荷变化的弛豫曲线，计算出弛豫时间，再由弛豫时间计算出样品电阻率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明基于电容充放电原理对半导体电阻率进行检测，实现了非接触测量，同时结合三轴运动平台，可以获得整片或大面积的半绝缘半导体材料的电阻率分布图。

2、本发明三轴运动平台中采用高性能的直流无刷伺服电机、高精度的同步带直线导轨及高精度的滚珠丝杠导轨，在进行分布式扫描测试定位时，具有精度高的优点。

3、本发明基于电容充放电原理，可测电阻率范围可达10⁶～10⁹Ω·cm，由于采样电极直径只有1～2mm，因此测量分辨率最小可达1mm。

附图说明

图1为本发明的工作原理示意图。

图2为本发明中扫描运动系统的结构示意图。

图3为本发明中检测探头的结构示意图。

图4为本发明中氮气供应系统的结构示意图。

图5为本发明中样品吸附系统的结构示意图。

其中：1—主机柜；2—屏蔽罩；3—操作平台；4—样品台；5—样品；6—X轴运动机构；7—Z轴运动机构；8—Y轴运动机构；9—导轨安装支架；10—检测探头；11—探头支架；12—金属套环外壳；13—采样电极；14—采样电路；15—聚四氟乙烯薄壁塑料管；16—氮气输送通道；17—氮气喷射孔；18—吸盘。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1、2，本实施例基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，包括主机柜1、屏蔽罩2、电源系统、脉冲电压发生电路、检测探头11、氮气供应系统、扫描运动系统、样品吸附系统、运动控制系统、数据采集卡、控制装置(工控机)、继电器开关系统、显示器等。氮气供应系统、控制装置、数据采集卡、脉冲电压发生电路以及电源系统均设置在主机柜中，屏蔽罩设置于主机柜顶部，采用活页及气弹簧支撑杆与主机柜连接，屏蔽罩在测试过程中始终覆盖整个操作平台3。下面对各个结构进行具体说明。

本实施例中，电源系统设置在主机柜内部，用于将交流电转为稳定的直流电，分别为脉冲电压发生电路、检测探头、样品吸附系统、运动控制系统等提供持续稳定的电源供应。

本实施例中，脉冲电压发生电路设置在主机柜内，脉冲电压发生电路与样品台4通过屏蔽电缆连接在一起，用于产生低压脉冲信号并施加在样品台上；当样品台被施加低压脉冲信号后，样品台、样品5、采样电极13三者在电路上将等效为两个电容与一个电阻的串并联电路，其中两个电容具体是指采样电极的探测面与样品表面之间作为一个电容，样品台与样品的上表面之间作为一个电容，电阻是指样品本身作为一个电阻。通过采样分析每次电脉冲结束后反映采样电极上电荷变化的弛豫曲线，计算出弛豫时间，再由弛豫时间计算出样品电阻率。

如图2所示，本实施例中扫描运动系统可根据测工控机的要求使检测探头进行X、Z轴运动，使样品台进行Y轴运动，能准确快速地将样品定位在需要测试的点位置上，实现分布式扫描测试。包括X轴运动机构6、Y轴运动机构8、Z轴运动机构7、导轨安装支架9、探头支架11；其中X轴运动机构包含一台直流无刷伺服电机和一根高精度同步带直线导轨；Y轴运动机构包含一台直流无刷伺服电机、一根高精度同步带直线导轨和一根高精度直线光杆滑轨；Z轴运动机构包含一台直流无刷伺服电机和一根高精度的滚珠丝杠导轨。所述Y轴运动机构设在主机柜操作平台上，其同步带直线导轨与直线光杆滑轨必须始终保持平行，导轨滑块的安装平面必须始终保持与主机柜操作平台平行，样品台设置在同步带直线导轨的导轨滑块上，可进行Y方向前后运动。X轴运动机构通过导轨安装支架固定在主机柜操作平台上，Z轴运动机构设在X轴运动机构的导轨滑块上，探头支架设在Z轴运动机构上，与Z轴运动机构相互垂直，整个Z轴运动机构可进行X方向左右运动；探头设在Z轴运动机构上，可进行Z方向上下运动。

所述运动控制系统包括运动控制器，伺服驱动器；运动控制器接收来自工控机的运动指令，然后输出位置、速度等结果给伺服驱动器，最后由伺服驱动器驱动扫描运动系统中的各个电机运动。

本实施例中，检测探头、样品台、屏蔽电缆、采样电路、数据采集卡、工控机、显示器共同用于电阻率的检测，完成信号的采集和处理，其中样品台与脉冲电压发生电路之间、采样电路与数据采集卡之间、数据采集卡与控制装置之间均通过屏蔽电缆连接，屏蔽电缆的屏蔽层必须始终保持很好地接地，测试软件安装在工控机上，显示器用于显示测试软件界面及测试结果。

参见图3，所述检测探头设置在Z轴运动机构上，具体包括采样电极、金属套环外壳12、采样电路14、采样电路供电接口、采样电路信号输出接口、氮气供应接口；采样电极安装在金属套环外壳中心孔内，并与金属套环外壳用聚四氟乙烯薄壁塑料管15隔开。

氮气喷射孔设置在采样电极安装孔旁边，氮气由氮气供应系统通过氮气供应接口输送到检测探头内部的氮气输送通道16，然后通过氮气喷射孔17喷射到采样电极与样品之间，以实现测量过程中采样电极与样品之间始终充满氮气形成保护层。

本实施例中，所述检测探头采用T形结构，上部大端用于放置采样电路、采样电路供电接口、采样电路信号输出接口、氮气供应接口，可大大缩短采样电路与采样电极的距离，减少信号衰减；下部小端作金属套环外壳用。采样电路供电接口、采样电路信号输出接口、氮气供应接口分别与电源系统、数据采集卡、氮气供应系统连接。

本实施例中，采样电极采用直径1～2mm、长20～30mm的紫铜棒，采样电极的一端为探测面，具有相对样品台表面小于1μm的平面度，采样电极的另一端通过屏蔽电缆连接到采样电路的输入接口，与屏蔽电缆通过焊接固定。

本发明方法对扫描运动系统的精度以及采样电极、金属套环外壳的底部平面的平面度都有一定的要求。因为在测试时样品台上表面和采样电极探测面之间距离在0.1mm左右。所以就要保证采样电极的探测面与样品上表面平行，如果不平行的话，扫描运动系统驱动检测探头移动时很可能会接触到样品，进而无法进行检测。因此，本实施例中，所述金属套环外壳的底部平面与采样电极的探测面需处于同一平面。样品台上表面与检测探头垂直，这样采样电极的探测面才能与样品台上表面平行，二者之间的间距才能保证均匀，形成的电容电场也是均匀。

参见图1，所述继电器开关系统置于工控机内，外部分别与氮气供应系统及样品吸附系统相连，由工控机控制氮气供应及样品的吸附，确保在每次测量开始前氮气充满测量区域，样品被牢牢固定在样品台上，测量完成后停止供应氮气，同时样品被释放。

本实施例中，所述数据采集卡设置在工控机内，数据采集卡的输入口与检测探头上的采样电路输出接口连接。

所述工控机设置在主机柜内，测试软件安装在工控机上，数据采集卡接收采样电路采集到的模拟电荷信号，同时把信号转换成工控机可以识别的数字信号，测试软件对数字信号进行计算分析，最终输出测试结果。

参见图4，所述氮气供应系统包括氮气瓶、压力表、供气电磁阀、管路及接头；此系统置于主机柜内，所述接头通过管路与检测探头中的氮气供应接口相连，供气电磁阀与继电器开关系统相连，压力表设置在氮气瓶与供气电磁阀之间的管路上。供气电磁阀由继电器开关系统控制其开关，以保证测量开始前，采样电极与样品之前能充满氮气，测量完成后自动关闭氮气供应。

参见图5，所述样品吸附系统，包括真空负压泵、吸盘18、排气电磁阀、气管、三通连接头，所述样品台上设有吸附孔，吸盘设在该吸附孔的下方，吸盘与样品台之间设有密封圈，吸盘、直空负压泵进气口、排气电磁阀三者分别通过气管与三通连接头连接。测试开始前样品处于被吸附状态，测试完成后样品被释放。

本实施例的工作过程是：运动控制系统控制扫描运动系统，依据工控机的测试要求，使探头依次定位在每个需要测试的点位置上进行测试，测试完一个点后进入下一点，从而实现扫描式测试。脉冲电压发生电路不断地向样品台施加低压脉冲，同时氮气供应系统不断地向采样电极与样品之前区域喷射氮气，采样电极探测样品的电荷变化，采样电路对上述电荷变化信号进行采样、放大，然后发送到数据采集卡，数据采集卡接收采样电路输送的采样信号并进行模数转换，最后发送给工控机，工控机一一记录下每次的测试结果，全部测试完成后，测试软件进行所有数据的计算处理，最后输出分析结果并生成分布图。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，其特征在于，包括：三轴运动平台、样品台、检测探头、数据采集卡、控制装置、氮气供应系统、脉冲电压发生电路，样品放置在样品台上，所述样品台为金属平台，所述三轴运动平台用于控制检测探头定位到样品上每个需要测试的点位置的上方，所述脉冲电压发生电路向样品台施加低压脉冲信号，所述检测探头包括采样电极、采样电路、氮气输送通道，所述采样电极一端为探测面，设置在样品的正上方，另一端通过屏蔽电缆与采样电路相连，采样电路通过数据采集卡与控制装置相连；在测试时，氮气供应系统输送氮气到氮气输送通道，氮气从氮气输送通道的氮气喷射孔喷出，使采样电极与样品之间充满氮气以形成保护层；所述控制装置用于根据采样电极采集的每个测量点的电荷变化的弛豫时间计算出样品电阻率。

2.根据权利要求1所述的基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，其特征在于，所述检测探头还包括一金属套环外壳，其中心开有一用于放置采样电极的通孔，采样电极和金属套环外壳之间使用一绝缘管隔开，所述金属套环外壳的底部平面与采样电极的探测面处于同一平面；所述氮气输送通道设置在所述通孔的一侧，氮气输送通道一端通过氮气供应接口与氮气供应系统连接，另一端通过氮气喷射孔将氮气喷射到采样电极与样品之间。

3.根据权利要求2所述的基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，其特征在于，所述采样电极采用直径1～2mm、长20～30mm的紫铜棒，采样电极一端为探测面，具有相对样品台表面小于1μm的平面度，另一端通过屏蔽电缆连接到采样电路的输入接口，采样电极与屏蔽电缆通过焊接固定；所述样品上表面和采样电极探测面之间距离在0.05～0.2mm。

4.根据权利要求2或3所述的基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，其特征在于，所述绝缘薄管为聚四氟乙烯塑料管；

所述检测探头还包括采样电路供电接口、采样电路信号输出接口、氮气供应接口，所述采样电路供电接口、采样电路信号输出接口、氮气供应接口分别与电源系统、数据采集卡、氮气供应系统连接；所述检测探头采用T形结构，上部用于放置采样电路、采样电路供电接口、采样电路信号输出接口、氮气供应接口，下部用作金属套环外壳。

5.根据权利要求1所述的基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，其特征在于，所述三轴运动平台包括运动控制系统、扫描运动系统，所述运动控制系统分别与控制装置、扫描运动系统连接；所述扫描运动系统包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构、导轨安装支架、探头支架，其中X轴运动机构包括X轴驱动电机和X轴直线导轨，Z轴运动机构包括Z轴驱动电机和Z轴导轨，所述导轨安装支架固定在操作平台上，X轴直线导轨两端分别固定在导轨安装支架上，所述Z轴运动机构设置在X轴直线导轨上的滑块上，所述探头支架设置在Z轴导轨上，所述检测探头固定在探头支架上，检测探头的中轴线始终垂直于样品台；所述Y轴运动机构设置在操作平台上，包括Y轴驱动电机、Y轴直线导轨和Y轴直线光杆滑轨，Y轴直线导轨和Y轴直线光杆滑轨保持平行，样品台安装在Y轴直线导轨的滑块上。

6.根据权利要求5所述的基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，其特征在于，所述X轴驱动电机、Y轴驱动电机、Z轴驱动电机均采用直流无刷伺服电机，X轴直线导轨、Y轴直线导轨均采用同步带直线导轨，Z轴导轨采用滚珠丝杠导轨。

7.根据权利要求1所述的基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，其特征在于，在所述样品台下方还设有一用于在测试时固定待测样品的样品吸附系统，包括真空负压泵、吸盘、排气电磁阀、气管、三通连接头，所述样品台上设有吸附孔，吸盘设在该吸附孔的下方，吸盘与样品台之间设有密封圈，吸盘、真空负压泵进气口、排气电磁阀三者分别通过气管与三通连接头连接；

所述测绘仪还包括一继电器开关系统，所述氮气供应系统、样品吸附系统均通过该继电器开关系统与控制装置相连；

所述测绘仪包括主机柜和屏蔽罩，所述氮气供应系统、控制装置、脉冲电压发生电路以及测绘仪所用的电源系统均设置在主机柜中，屏蔽罩设置于主机柜顶部，采用活页及气弹簧支撑杆与主机柜连接，屏蔽罩在测试过程中始终覆盖整个操作平台；

所述控制装置还与一显示器连接。

8.根据权利要求7所述的基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，其特征在于，所述氮气供应系统包括氮气瓶、压力表、供气电磁阀、接头，所述接头通过管路与检测探头中的氮气供应接口相连，供气电磁阀与继电器开关系统相连，压力表设置在氮气瓶与供气电磁阀之间的管路上。

9.根据权利要求1所述的基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，其特征在于，所述样品台与脉冲电压发生电路之间、采样电路与数据采集卡之间、数据采集卡与控制装置之间均通过屏蔽电缆连接，屏蔽电缆的屏蔽层接地。

10.根据权利要求1-9任一项所述的基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪的测绘方法，其特征在于，包括：三轴运动平台将检测探头定位到样品上需要测试的点位置的上方；脉冲电压发生电路向样品台施加低压脉冲信号，氮气供应系统向采样电极与样品之间的区域喷射氮气；采样电极探测样品的电荷变化，采样电路对上述电荷变化进行采样、放大，数据采集卡通过模数转换将采样电路输送的信号发送到控制装置，控制装置根据信号得到每次电脉冲结束后采样电极上反映电荷变化的弛豫曲线，计算出弛豫时间，再由弛豫时间计算出样品电阻率。