DE1082671B - Verfahren zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Koerpers aus extrem reinem Halbleiter-material fuer elektronische Zwecke - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Koerpers aus extrem reinem Halbleiter-material fuer elektronische Zwecke

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DE1082671B
DE1082671B DES60504A DES0060504A DE1082671B DE 1082671 B DE1082671 B DE 1082671B DE S60504 A DES60504 A DE S60504A DE S0060504 A DES0060504 A DE S0060504A DE 1082671 B DE1082671 B DE 1082671B
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Germany
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resonant circuit
resonance
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resistance
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DES60504A
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Dr Wolfgang Keller
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance

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Description

  • Verfahren zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Körpers aus extrem reinem Halbleitermaterial für elektronische Zwecke Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transistoren, Fotodioden u. dgl., werden bereits in großem Maße in der Elektrotechnik angewendet. Ihr Grundkörper besteht meistens aus Germanium, Silizium oder einer intermetallischen Verbindung von Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems. Für ihre Herstellung benötigt man größere Mengen dieser Halbleitermaterialien von extrem hohem Reinheitsgrad. Es sind bereits verschiedene Gewinnungs- und Bearbeitungsverfahren entwickelt worden, durch die diese Forderung weitgehend erfüllt wird. So läßt sich z. B. ein durch Ziehen aus der Schmelze oder auf eine andere Art gewonnener Halbleiterstab durch sogenanntes Zonenschmelzen in erwünschtem und benötigtem Maße reinigen. Dabei läßt man beispielsweise vermittels einer Induktionsspule den Stab an einer Stelle schmelzen und dann diese Schmelzzone mehrfach iiber die gesamte Stablänge wandern, wobei die Verunreinigungen beseitigt werden.
  • Es ist nun erwünscht, bei diesen oder ähnlichen Verfahren eine Kontrolle darüber auszuüben, inwieweit das Ziel bereits erreicht wurde. Bei Halbleiterstoffen ist dies am einfachsten durch eine Widerstandsmessung zu bewerkstelligen, da mit zunehmendem Reinheitsgrad der spezifische Widerstand des Materials zunimmt. Auch für andere Zwecke ist es erwünscht, ein einfaches Verfahren zur Widerstandsbestimmung von Halbleiterkörpern zu besitzen.
  • Bisher wurde die Widerstandsmessung mit Hilfe von Gleichstrom durchgeführt. Der beispielsweise stabförmige Halbleiterkörper wurde an seinen beiden Enden mit Kontakten für die Stromzufuhr versehen, an diese Kontalue eine Gleichspannung angelegt und dann mit Hilfe von Meßschneiden und einem Spannungsmesser der Spannungsabfall in den einzelnen Stababschnitten festgestellt. Dieses Verfahren hat verschiedene Nachteile. Zunächst einmal wurde durch die Kontaktierung der Stabenden (vermittels Lötung) eine Verunreinigung dieser Stellen herbeigeführt. Außerdem war es für gute Kontaktgabe der Meßschneiden erforderlich, die Staboberfläche an den Aufsetzstellen aufzurauhen. Dabei ist eine Verunreinigung durch das Arbeitsmittel (Schmirgel, Sinterkorund, Ätzlösung) praktisch nicht zu vermeiden, was wiederum zu einer Verschlechterung der Eigenschaften des Halbleiters führen kann.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Körpers aus extrem reinem Halbleitermaterial für elektronische Zwecke mit Hilfe der Hochfrequenz-Resonanzmethode, bei der die bei Resonanz eines Schwingkreises bestehenden Strom- bzw. Spannungsverhältnisse als Maß für den Widerstand dienen, unter kapazitiver Ankopplung des Körpers an mindestens zwei Stellen an den Schwingkreis. Erfindungsgemäß wird der Schwingkreis mit einer nur wenig unter seiner Resonanzfrequenz liegenden Frequenz erregt und durch Veränderung der Ankopplungskapazität des Körpers zur Resonanz gebracht. Man kann beispielsweise zur Durchführung des Verfahrens eine Einrichtung vorsehen, die zur kapazitiven Ankopplung von stabförmigen Körpern gabelförmige, im gegebenen Abstand voneinander in der Längsachse des Stabes angeordnete Anschlußstücke besitzt, wobei der Abstand vom Stab bei mindestens einem Anschlußstück einstellbar ist. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besitzt drei dieser gabelförmigen Anschlußstücke, von denen die beiden äußeren an den einen geerdeten Pol des Schwingkreises angeschlossen sind und den Stab in vorgegebenem Abstand aufnehmen, während das innere Anschlußstück an den anderen Pol des Schwingkreises angeschlossen und in seinem Abstand von dem Stab einstellbar ist, beispielsweise mit Hilfe eines Exzenters oder einer Schraube.
  • Es ist bereits ein Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit einer Materie bekanntgeworden, bei welchem die zu untersuchende Materie einem oder mehreren Belägen derart gegenübergestellt ist, daß der Verschiebungsstrom überwiegend durch ein konstantes Dielektrikum und der Leitungsstrom durch die zu untersuchende Materie verläuft. Der komplexe Wechselstromwiderstand dieser Meßanordnung kann mit Hilfe der Resonanzmethode bestimmt werden. Die zu untersuchende Materie (Gas, Flüssigkeit) wird in nicht angreifbare Nichtleiter eingebettet oder in diesen geführt, die gleichzeitig das Dielektrikum gegenüber den Belägen bilden.
  • Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Schwingkreises, der mit einer nur wenig unter seiner Resonanzfrequenz liegenden Frequenz erregt und durch Veränderung der Koppelkapazität zur Resonanz gebracht wird, ergibt sich eine besonders leichte Einstellbarkeit der Meßeinrichtung. Die bei Halbleiterstäben häufig vorkommenden Unregelmäßigkeiten der Oberfläche können das Meßergebnis nicht beeinflussen, da sie durch den Abgleich mit Hilfe der veränderbaren Koppelkapazität ausgeschaltet werden. Hierin ist ein Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zu sehen.
  • An Hand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens; Fig. 2 zeigt ein gabelförmiges Anschlußstück, und Fig. 3 zeigt eine Eichkurve.
  • Fig. 1 enthält einen Schwingkreis, bestehend aus einem Kondensator 2 konstanter Kapazität und einer Spule 3. Ein Meßgerät 4 dient zur Ermittlung der Höhe der Schwingkreisspannung. Eine weitere, mit der Spule 3 induktiv gekoppelte Spule 5 besitzt einen Hochfrequenzanschluß 6. über diese Spule 5 wird der aus der Spule 3 und dem Kondensator 2 bestehende .Schwingkreis mit einer etwas unter seiner Resonanzfrequenz liegenden Frequenz fo erregt. Der Schwingkreis ist mit einem Pol 7 geerdet. An diesen geerdeten Pol 7 sind zwei gabelförmige Anschlußstücke 8 galvanisch angeschlossen, die starr auf einem isolierenden Träger 9 montiert sind. Ein weiteres gabelförmiges Anschlußstück 10 ist an den anderen Pol des Schwingkreises angeschlossen.
  • Der Halbleiterstab 11, dessen Widerstand bestimmt werden soll, wird mit geringem Abstand in die Anschluß stücke 8 eingelegt. Der geringe Abstand wird am besten durch eine dünne Kunststoffolie gesichert, in die der Halbleiterstab eingewickelt wird. Sie dient zugleich als Schutz gegen Verunreinigungen. Zwischen den beiden Anschlußstücken 8 wird das Anschlußstück 10 angeordnet, dessen Abstand von dem Halbleiterstab li mit Hilfe einer Schraube 12 einstellbar ist, die in dem Träger 9 geführt wird. Die Einstellung des Abstandes kann auch mit Hilfe eines Exzenters erfolgen.
  • Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist nun folgende: Durch das Einlegen eines Stabes 11 in die Anschluß stücke 8 wird dem festen Kondensator 2 eine zweite kleine Kåpåzität parallel geschaltet. Diese Kapazität ist durch Verändern des Abstandes zwischen dem Anschluß stück 10 und dem Stab 11 veränderbar.
  • Hierdurch kann die Gesamtkapazität des Schwingkreises so eingestellt werden, daß er in Resonanz mit der Frequenz f0 kommt. Dies führt zu einem Maximum des Zeigerausschlages des Meßgerätes 4, aus dessen Größe sich auf die Dämpfung des Schwingkreises schließen läßt.
  • Legt man beispielsweise einen massiven Kupferstab (Widerstand R 0) in die Anschlußstücke ein, so erhält man ein absolutes Maximum des Zeigerausschlages, da die Dämpfung praktisch nur aus dem Widerstand der Spule 3 besteht. Die dielektrischen Verluste der festen Kapazität 2 können bei dieser Betrachtung unberücksichtigt bleiben. Dagegen zeigt das Maximum bei anderen Widerstandswerten des Stabes 11 einen kleineren Wert. So läßt sich mit Hilfe von bekannten Widerstandswerten eine Eichkurve aufstellen, wie sie Fig. 3 zeigt. Mit größer werdendem spezifischen Widerstand Q eines Stabes von gegebenem Durchmesser d nimmt der Wert der Resonanzamplitude des Schwingkreises ab. Mit Hilfe einer derartigen Eichkurve läßt sich dann leicht der Widerstandswert eines Halbleiterstabes bestimmen; man braucht dazu nämlich nur durch Veränderung der Koppelkapazität des Stabes den Schwingkreis in Resonanz zu bringen (Maximum des Ausschlages am Meßgerät 4) und kann dann aus der Eichkurve mit Hilfe des Meßwertes den spezifischen Widerstand entnehmen.
  • Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens liegt vor allem darin, daß die Oberflächenbeschaffenheit der Halbleiterstäbe, deren Widerstand bestimmt werden soll, überhaupt keine Rolle spielt. Unregelmäßigkeiten, wie Vertiefungen und Erhöhungen, Rauhigkeit und Knollen, machen sich nicht bemerkbar, da die Koppelkapazität durch Einstellung der Resonanz konstant eingestellt wird und praktisch nur die Dämpfung gemessen wird.
  • Die Abmessungen der einzelnen Teile müssen natürlich zueinander in zweckmäßigem Verhältnis stehen. So wird man beispielsweise den Abstand a der Anschlußstücke 8 (s. Fig. 1) voneinander so klein wie möglich halten, um den Widerstand von Stababschnitten von möglichst kurzer Länge bestimmen zu können. Man kann dann die einzelnen Halbleiterstäbe, die meistens über die Stablänge kein gleichmäßiges Widerstands verhalten zeigen, schrittweise abtasten. Die Größe des Abstandes a ist nach unten natürlich dadurch begrenzt, daß keine störende Koppelung zwischen dem Anschlußstück 10 und den Anschluß stücken 8 auftreten darf.
  • Der Abstand der Teile 8 und 10 voneinander muß also möglichst um ein bis zwei Größenordnungen größer gehalten werden als der Abstand zwischen dem Stab und den Anschlußstücken 8. Die Koppelkapazität zwischen Stab und Anschlußstücken hängt natürlich in großem Maße von der Anpassung des Radius r (Fig. 2) der Anschlußstücke an den Durchmesser der Stäbe ab, wie auch von der Breite b der Abstandsstücke.
  • Geeignete Werte sind bei spielsweise bei einem Stab von etwa 12 mm ¢ a = 30 mm, r = 7 mm, b = 9 mm.
  • Zur Erreichung einer guten Empfindlichkeit der Meßanordnung muß bei gegebener Koppelkapazität die Arbeitsfrequenz 8 dem zu erwartenden Stabwiderstandsbereich angepaßt werden. Bei einem spezifischen tNiderstand in der Größenordnung von 1000 Ohm cm verwendet man bei einer Meßanordnung gemäß dem vorangehenden Beispiel beispielsweise eine Frequenz 0 von 20 MHz.
  • Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen des Gegenstandes der Erfindung minglich. Die im Beispiel beschriebene Einrichtung hat aber insbesondere noch den Vorteil der leichten Bedienbarkeit.
  • Dadurch, daß die beiden äußeren Anschlußstücke 8 an dem geerdeten Pol des Schwingkreises liegen, ergibt sich eine starke Abschirmung der Stabenden von dem mittleren Anschluß stück 10, das Potential gegen Erde hat. Die Stabenden können also mit der Hand berührt oder in geerdete Halterung eingespannt werden, wie dies beispielsweise bei Einrichtungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen der Fall ist. Damit sind auch Messungen innerhalb einer solchen Zonenziehapparatur an einem dort eingesetzten Stabe nzöglich.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRUCHE: 1. Verfahren zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Körpers aus extrem reinem Halbleitermaterial für elektronische Zwecke mit Hilfe der Hochfrequenz-Resonanzmethode, bei der die bei Resonanz eines Schwingkreises bestehenden Strom- bzw. Spannungsverhältnisse als Maß für den Widerstand dienen, unter kapazitiver Ankopplung des Körpers an mindestens zwei Stellen an den Schwingkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis mit einer nur wenig unter seiner Resonanzfrequenz liegenden Frequenz erregt und durch Veränderung der Ankopplungskapazität des Körpers zur Resonanz gebracht wird.
  2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für Körper in Stabform, dadurch gekennzeichnet, daß zur kapazitiven Ankopplung des Stabes gabelförmige, in definiertem Abstand voneinander in der Längsachse des Stabes angeordnete Anschlußstücke vorhanden sind und daß der Abstand vom Stab bei mindestens einem Anschluß stück einstellbar ist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Längsrichtung des Stabes drei gabelförmige Anschlußstücke angeordnet sind, von denen die beiden äußeren an den einen Pol des Schwingkreises angeschlossen sind und den Stab in vorgegebenem Abstand aufnehmen, während das innere an den anderen Pol des Schwingkreises angeschlossen und sein Abstand von dem Stab einstellbar ist.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pol des Schwingkreises, an den die beiden äußeren Anschlußstücke angeschlossen sind, geerdet ist.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 842 677, 717 343; »Elektro-Anzeiger«, Essen, Nr. 51/52, 19. 12. 1953, S. 496.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2643914A1 (de) * 1975-10-01 1977-04-07 Ckd Praha Verfahren und einrichtung zum messen des spezifischen widerstandes von leitern und halbleitern
DE3815009A1 (de) * 1988-04-30 1989-11-09 Leybold Ag Einrichtung und verfahren zum zerstoerungsfreien messen des ohmschen widerstands duenner schichten nach dem wirbelstrom-prinzip

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE717343C (de) * 1939-03-12 1942-02-12 Aeg Anordnung zum Messen der Leitfaehigkeit von dielektrischen Werkstoffen mit an eine Stromquelle angeschlossenen, abgeschirmten Pruefelektroden
DE842677C (de) * 1949-09-22 1952-06-30 Draegerwerk Ag Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Leitfaehigkeit

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