CN106707025A - 一种具有温度控制的微区电阻率测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有温度控制的微区电阻率测量装置，其特征在于该装置包括温度控制单元、电极支架、电极圆盘、电极、测试平台、橡胶垫、单片机控制板、触摸屏、蜂鸣器和报警灯；所述温度控制单元包括外腔和内腔，内腔包裹在外腔内，所述外腔为真空腔，内腔由孔板分成左右两个部分，左部分为温控腔，右部分为恒温腔，温度控制单元的右侧设有密封门，温度控制单元的外表面上设有触摸屏、蜂鸣器和报警灯，在密封门的内表面固定单片机控制板；温控腔的内表面上安装有半导体制冷晶片，在恒温腔内通过温度传感器支架固定安装有温度传感器；所述测试平台固定在恒温腔内，在测试平台的承载平面中心处设置橡胶垫。
Description
技术领域
本发明涉及半导体测量装置技术领域，具体涉及一种具有温度控制的微区电阻率测量装置。
背景技术
在各种器件设计、生产中，需要了解和掌握硅片及外延片微区电阻率分布情况。因此，微区电阻率的测试成为芯片加工之中的重要工序，为了更好地保证芯片的生产质量，保证设计的完美性和成功率，应开展各种芯片的微区电阻率分布的测试研究，以更好地服务于大规模集成电路的生产，保证最终产品的性能。
近年来有许多测微区电阻率的仪器，大多数采用四探针原理，比如参考文献[1]中，但是四探针法存在以下几种弊端：(1)耗时，测量点数直接制约测量时间；(2)污染硅片，因为用四探针法测量时，探针会有滑移，造成硅片表面损伤；(3)测量偏差大，当测量产生滑移的时候，就不是当前点的电阻率，再重复测量同一点，则偏差增大，即测量重复性不好；(4)由于探针头很细，所以容易磨损。
测试环境温度对薄层电阻电阻率的测量的影响不容忽视，一般情况下测试环境温度升高，电阻率增大，反之，则电阻率减小。据相关报道，一般测试半导体在测试环境温度为70℃时，电阻值仅为20℃的百分之十，可见，测试环境温度对半导体测量是一个很大的影响因素。因为半导体的电阻率会随着测试温度有如此的变化过程，所以在进行微区电阻率测量时，需要控制测量时的环境温度，尽可能使测试温度稳定，并且测试温度不宜过高，如果温度过高，则会非常明显地产生本征激发现象。目前，对微区电阻率的测量没有对环境温度进行精确控制，所以在测量时会产生较大误差。现有的测量仪器大多都在室温下进行测量，温度的变化较大，将导致微区电阻率的测量误差较大；另外,参考文献[1]介绍的虽然可以进行温度补偿运算，但是测量时的温度一直都会在变化，所以经过补偿后，测量结果也存在较大误差。
目前，对微区电阻率测量结果的表示方式有四种：(1)百分偏差图方式；(2)直方图方式；(3)等直线图方式；(4)Mapping图方式；但是以往的结果表示都是在计算机上显示的，操作起来比较繁琐。对于结果显示方面，大多数采用Mapping图方式，但是都是测量完成后对测量结果进行手绘或者专门需要用测试数据再次进行计算机绘制，如参考文献[2]。这样大大增加了结果显示的繁琐程度，因此急需一种自动将测量结果显示出来的仪器。
[1]晏敏.智能四探针电阻率测试仪研究与开发[D].湖南：湖南大学，2005:21.
[2]李晨山.半导体材料四探针测试仪中的自动控制技术与图像识别技术的应用[D].天津：河北工业大学，2006:36.
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有温度控制的微区电阻率测量装置。该装置设置温度控制单元，提供恒温的检测环境，通过在单片机控制板中烧制现有的EIT(Electrical Impedance Tomography，电阻抗断层成像)算法，通过该算法计算能将电阻率分布用Mapping图的方式直接表示出来，能够显著提高半导体微区电阻率测量的精度，同时能更形象直观地将测量结果表示出来，使用更加方便。
本发明解决所述技术问题采用的方案是，提供一种具有温度控制的微区电阻率测量装置，其特征在于该装置包括温度控制单元、电极支架、电极圆盘、电极、测试平台、橡胶垫、单片机控制板、触摸屏、蜂鸣器和报警灯；
所述温度控制单元包括外腔和内腔，内腔包裹在外腔内，所述外腔为真空腔，内腔由孔板分成左右两个部分，左部分为温控腔，右部分为恒温腔，温度控制单元的右侧设有密封门，温度控制单元的外表面上设有触摸屏、蜂鸣器和报警灯，在密封门的内表面固定单片机控制板；温控腔的内表面上安装有半导体制冷晶片，在恒温腔内通过温度传感器支架固定安装有温度传感器；所述测试平台固定在恒温腔内，在测试平台的承载平面中心处设置橡胶垫；在测试平台的正上方通过电极支架安装电极圆盘，在电极圆盘上均匀分布若干数量的电极，电极圆盘的规格参数与待测样片的规格相匹配，电极支架的上方通过密封圈安装在温度控制单元上，且电极支架能带动电极圆盘垂直上下移动；所述单片机控制板分别与触摸屏、温度传感器、半导体制冷晶片、蜂鸣器、报警灯和若干数量的电极连接。
所述单片机控制板用来采集温度传感器的信号，并通过触摸屏显示实时温度；在触摸屏上设置测量所需要的温度，该所需温度由单片机控制板读取，通过控制相应的驱动电路驱动半导体制冷晶片调节温度；单片机控制板内烧制有EIT算法，通过该算法计算，将测量结果直接在触摸屏上显示出来。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明设置温度控制单元，保证微区电阻测量过程中避免温度的影响，显著提高测量精度。现有测量微区电阻率仪器中，一般直接在室温下测量，温度变化比较大，造成的电阻率测量结果误差也比较大。经相关研究显示，对于100Ω·cm的样品，温度变化10℃-30℃时，电阻率就变化10～20Ω·cm，因此要对温度进行精准控制，以提高测量精确度；同时本发明可以通过触摸屏调节恒温腔内的温度，可以实现针对不同的待测样片，选择不同的测试温度，以测量出最好的微区电阻率分布图，更加智能化。
2.现有技术中的直线四探针和方形四探针由于测试时需要探针在待测样片表面滑动，会造成游移现象，且测量时需要将整块待测样片的表面均进行测量完成后，才能绘制Mapping图，而每次测量探针都要进行移动、定位，测量过程非常繁琐，且精度较低，耗时长；而本发明中的单片机控制板内烧制有EIT算法，基于该算法的测试方法是在改进的范德堡法的基础上进行操作的，此算法选择测量待测样片上的一部分电阻率，剩下的根据一定的算法算出来，进行结果表示，在测量上节省了更多的时间，且测量重复性好，无游移，不会损坏待测样片表面，并且可以计算出整片待测样片的微区电阻率，精度高。
3、现有的微区电阻率测量装置将待测样片电阻率测量出来以后，手绘或者在电脑上自己绘制Mapping图(灰度图)，灰度图能清晰表示微区电阻率的分布，显示最终结果；而本发明通过单片机控制板的数据处理将采集电压数据，自动生成Mapping图，并直接在触摸屏上展示，大大节省了测量者的时间，更加方便。
4、本发明测量装置主要应用于半导体测量技术中，集测量控制于一体，基于EIT算法进行测试，不需要借助外部的电脑进行控制，可以直接在温度控制单元的触摸屏上直接操作、显示，测量方便，精度高。
附图说明
图1本发明一种具有温度控制的微区电阻率测量装置一种实施例的整体结构示意图；
图2本发明一种具有温度控制的微区电阻率测量装置一种实施例的前视图；
图中，1温度控制单元、2LED照明灯、3电极支架、4电极圆盘、5电极、6测试平台、7橡胶垫、8单片机控制板、9触摸屏、10蜂鸣器、11报警灯。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明权利要求保护的范围。
本发明一种具有温度控制的微区电阻率测量装置(简称装置，参见图1-2)包括温度控制单元1、电极支架3、电极圆盘4、电极5、测试平台6、橡胶垫7、单片机控制板8、触摸屏9、蜂鸣器10和报警灯11；
所述温度控制单元1包括外腔和内腔，内腔包裹在外腔内，所述外腔为真空腔1.7，内腔由孔板1.3分成左右两个部分，左部分为温控腔1.1，右部分为恒温腔1.8，温度控制单元的右侧设有密封门1.9，温度控制单元的外表面上设有触摸屏9、蜂鸣器10和报警灯11，在密封门1.9的内表面固定单片机控制板8；温控腔的内表面上安装有半导体制冷晶片1.2，在恒温腔1.8内通过温度传感器支架1.4固定安装有温度传感器1.5；所述测试平台6固定在恒温腔1.8内，测试平台的承载平面与恒温腔的底部表面平行，在测试平台6的承载平面中心处设置橡胶垫7；在测试平台的正上方通过电极支架3安装电极圆盘4，在电极圆盘4上均匀分布若干数量的电极5，电极圆盘的规格参数与待测样片的规格相匹配，电极支架3的上方通过密封圈1.6安装在温度控制单元上，且电极支架3能带动电极圆盘4垂直上下移动；所述单片机控制板8分别与触摸屏9、温度传感器1.5、半导体制冷晶片1.2、蜂鸣器10、报警灯11和若干数量的电极5连接。
所述触摸屏9，可以设置测量时需要的温度、显示实时温度，并显示最终测量结果。
所述单片机控制板8用来采集温度传感器1.5的信号，并通过触摸屏9显示实时温度；在触摸屏9上设置测量所需要的温度，该所需温度由单片机控制板8读取，通过控制相应的驱动电路驱动半导体制冷晶片1.2调节温度；单片机控制板8内烧制有EIT算法，通过该算法计算，将测量结果直接在触摸屏9上显示出来。
本发明的进一步特征在于在恒温腔内还设有LED照明灯2，LED照明灯2与单片机控制板8连接，当密封门打开，LED照明灯的电路导通，单片机控制板提供电源，LED照明灯变亮。
本发明的进一步特征在于所述温度传感器1.5安装在恒温腔的右上角。
本发明的进一步特征在于所述半导体制冷晶片1.2的数量为2-4个。半导体制冷晶片的制冷效率一般不高，制热效率很高，所以当制冷时可以使多个半导体制冷晶片同时工作，产热时可以只让一个或几个工作，可以缩短调节温度的时间。
本发明的进一步特征在于所述温度控制单元1的后部面板为玻璃材料制成，以便进行测量时可以观察到恒温腔1.8的测试进程。
本发明的进一步特征在于所述电极圆盘4上的电极数量为8、16或32。
本发明的进一步特征在于所述单片机控制板采用STM32F103ZET6开发板。
本发明一种具有温度控制的微区电阻率测量装置的工作原理和工作流程是：
工作原理：温度控制单元主要由真空腔1.7、恒温腔1.8、温控腔1.1组成。在温控腔1.1内安装半导体制冷晶片1.2，半导体制冷晶片1.2是一种常见的控温元件，它的工作原理是以珀尔贴(Peltier)效应，当通以反向电流时，制冷晶片加热，当通以正向电流时，可进行制冷；当半导体制冷晶片1.2冷热面的温差一定时，工作电流越大，制冷量越大；反之，工作电流越小，制冷量越小。当测量微区电阻率时，需要设置一定的温度并保持在此温度进行测试。由温度传感器1.5探测恒温腔中的实时温度，当恒温腔1.8中温度低于设置的温度时，由单片机控制板8控制对半导体制冷晶片1.2通以反向电流，半导体制冷晶片1.2开始加热，同时热空气与冷空气在孔板处进行热交换，直到达到设置温度并保持。反之，当恒温腔1.8中的温度高于设置的温度时，由单片机控制板将电流调节成正向电流，半导体制冷晶片1.2开始制冷，温控腔1.1腔中的冷空气与恒温腔1.8中的热空气进行热交换，直到达到所设置的温度并保持。孔板1.3的作用是使气流更加均匀，减少气流产生的冲击，从而使恒温腔温度场达到较好的均匀度。
温度控制单元1后部面板材料为玻璃，以便进行测量时可以观察到恒温腔1.8的测试进程。真空腔1.7将温控腔1.1与恒温腔1.8与外界隔离，充分保证恒温腔1.8工作温度的稳定性，以减小测量误差。将温度传感器1.5固定在恒温腔1.8的右上角，以免当半导体硅片(即待测试样片)放进或取出恒温腔1.8时，温度传感器会损伤半导体硅片的表面。电极支架上3装有电极圆盘4，在电极圆盘4上均匀的固定电极5，在非工作时间，将橡胶垫7放置在测试平台6上，把电极圆盘4放在橡胶垫7上，将电极5与测试平台6隔离，以减小接触电阻。当此装置在工作状态时，取下橡胶垫7。同时在电极支架与温度控制单元连接的部位设置密封圈1.6，从而提高恒温腔1.8的密封性能。设置三种均匀放置不同数量电极(8个、16个、32个)的电极圆盘4(对于有不同数量电极的电极圆盘，重量不同，要保证电极与半导体硅片表面接触时接触电阻最小)，以根据尺寸不同的半导体硅片选择不同的电极圆盘4，电极圆盘4在制作过程中，应计算出合适的重量，目的是使电极5与半导体硅片表面形成的接触电阻最小。实施例为8个电极的电极圆盘。设置当测量电流或电压差异太大时、温度超过设置的上下限时或者测量过程中密封门1.9被打开时，报警灯11亮，蜂鸣器10发出叫声。
基于EIT算法的测试原理是将相应数量的电极依次通入电流，测出另外电极的电压，利用所测量出的电压值，按照一定的重建算法(现有算法)，计算出半导体硅片的微区电阻率分布，从而将半导体硅片的微区电阻率分布在触摸屏8上用灰度图形象直观地显示出来，具体EIT算法参见申请人的在先专利申请(申请号：2016110274577)。
工作过程：将密封门1.9打开，恒温箱中LED照明灯2变亮，将橡胶垫7取下，把半导体硅片放置于测试平台6上，取相应尺寸的电极圆盘4，将电极圆盘4固定于电极支架3上，将电极圆盘4落下，使电极5接触半导体硅片表面(电极5接触半导体硅片外周，由于边缘效应，不能放置在半导体硅片的外沿处)，关闭密封门1.9。启动温度控制单元，设置所需温度，等待一段时间，直到恒温腔1.8温度达到测试温度，在触摸屏9中按下自动测量，随后在触摸屏8上观察测试结果。若测量中出现测量电流或电压差异太大时、温度超过设置的上下限时或者测量过程中密封门1.9被打开时，则报警灯11亮，蜂鸣器10发出叫声。测量完成后，将橡胶垫7放在测试平台上，把电极支架3落下。
本发明中所涉及的“左”、“右”、“前”、“后”等方位词是一个相对概念，以图1中温控腔1.1所在方向为左，以恒温腔1.8所在方向为右。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (7)
1.一种具有温度控制的微区电阻率测量装置，其特征在于该装置包括温度控制单元、电极支架、电极圆盘、电极、测试平台、橡胶垫、单片机控制板、触摸屏、蜂鸣器和报警灯；
所述温度控制单元包括外腔和内腔，内腔包裹在外腔内，所述外腔为真空腔，内腔由孔板分成左右两个部分，左部分为温控腔，右部分为恒温腔，温度控制单元的右侧设有密封门，温度控制单元的外表面上设有触摸屏、蜂鸣器和报警灯，在密封门的内表面固定单片机控制板；温控腔的内表面上安装有半导体制冷晶片，在恒温腔内通过温度传感器支架固定安装有温度传感器；所述测试平台固定在恒温腔内，在测试平台的承载平面中心处设置橡胶垫；在测试平台的正上方通过电极支架安装电极圆盘，在电极圆盘上均匀分布若干数量的电极，电极圆盘的规格参数与待测样片的规格相匹配，电极支架的上方通过密封圈安装在温度控制单元上，且电极支架能带动电极圆盘垂直上下移动；所述单片机控制板分别与触摸屏、温度传感器、半导体制冷晶片、蜂鸣器、报警灯和若干数量的电极连接；
所述单片机控制板用来采集温度传感器的信号，并通过触摸屏显示实时温度；在触摸屏上设置测量所需要的温度，该所需温度由单片机控制板读取，通过控制相应的驱动电路驱动半导体制冷晶片调节温度；单片机控制板内烧制有EIT算法，通过该算法计算，将测量结果直接在触摸屏上显示出来。
2.根据权利要求1所述的一种具有温度控制的微区电阻率测量装置，其特征在于在恒温腔内还设有LED照明灯，LED照明灯与单片机控制板连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有温度控制的微区电阻率测量装置，其特征在于所述温度传感器安装在恒温腔的右上角。
4.根据权利要求1所述的一种具有温度控制的微区电阻率测量装置，其特征在于所述半导体制冷晶片的数量为2-4个。
5.根据权利要求1所述的一种具有温度控制的微区电阻率测量装置，其特征在于所述温度控制单元的后部面板为玻璃材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种具有温度控制的微区电阻率测量装置，其特征在于所述电极圆盘上的电极数量为8、16或32。
7.根据权利要求1所述的一种具有温度控制的微区电阻率测量装置，其特征在于所述单片机控制板采用STM32F103ZET6开发板。
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