DE112016000875T5

DE112016000875T5 - Hall-Messsystem mit rotierendem Magnetfeld

Info

Publication number: DE112016000875T5
Application number: DE112016000875.9T
Authority: DE
Inventors: Oki Gunawan; Michael Albert Pereira
Original assignee: IBM China Investment Co Ltd; International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2017-11-02
Also published as: US10078119B2; CN107615088B; GB2553985A; GB2553985B; GB201717263D0; WO2016162772A1; JP2018517123A; CN107615088A; US20160299201A1; US20170227615A1; JP6764417B2; US9772385B2

Abstract

Eine Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld wird bereitgestellt und enthält einen ersten und einen zweiten Magnete, die in einer Haupt-Neben-Konfiguration angeordnet sind, einen zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten einfügbaren Prüflingseinheiten(device-under-test(DUT)-Tisch, auf dem eine DUT in einer ersten oder einer zweiten Ausrichtung für eine Hall-Messung bzw. ein photoelektromagnetisches (PEM) Testen verfügbar ist, Steuereinheiten, die angeordnet sind, um den DUT-Tisch zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten zu zentrieren, und orthogonale Magnetfeldsensoren, die neben seitlichen Seiten des ersten Magneten angeordnet sind, um eine positionelle Initialisierung des ersten und des zweiten Magneten zu ermöglichen und um Referenzsignale in Phase und außer Phase für eine phasensensible oder Lock-in-Hall-Signalerfassung zu erzeugen. Das System enthält zudem ein Software-System, um eine Signalverarbeitung durchzuführen, um das endgültige Hall-Signal zu erlangen.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Messtechniken und spezifischer ein Hall-Messsystem mit einem Rotationsmagneten.
Bei einer Hall-Messung handelt es sich um eine Charakterisierungstechnik, die in einer Vielfalt von Anwendungen verwendet werden kann, wie beispielsweise der Forschung an Halbleitern und Solid-State-Einheiten. Eine Hall-Messung ermöglicht eine Messung einer Dichte freier Ladungsträger, die eine Trägermobilität ergeben kann, wenn sie zusammen mit einer Messung des spezifischen elektrischen Widerstandes betrachtet wird. Der sogenannte Hall-Effekt tritt auf, wenn eine Strom durch ein Material mit einem angelegten senkrechten Magnetfeld geleitet wird, sodass eine Hall-Spannung V_H erzeugt wird, wie in Gleichung Nr. 1 wie folgt bereitgestellt: V_H = BI/nde Gl. Nr. 1
In der vorstehenden Gleichung Nr. 1 handelt es sich bei B um das Magnetfeld, bei I um den durch die Probe laufenden elektrischen Strom, bei n um die Dichte freier Ladungsträger, bei d um die Probendicke und bei e um die Ladung eines Elektrons.
Eine Leistungszahl bei der Hall-Messung stellt der Hall-Winkel φ dar, dessen Tangente als das Verhältnis zwischen dem Hall- oder Querwiderstand (R_xy) und dem Längswiderstand (R_xx) ist. Die Tangente dieses Hall-Winkeln kann im Falle einer quadratischen Probe durch Gleichung Nr. 2 wie folgt gegeben sein: Tanφ = R_xy/R_xx = Bμ Gl. Nr. 2
In der vorstehenden Gleichung Nr. 2 handelt es sich bei μ um die Mobilität des Majoritätsträgers.
Eine gute oder Qualitäts-Hall-Messung erfordert einen ausreichend hohen Hall-Winkel oder tanφ um einen Wert von Eins. Auf Grundlage von Gleichung Nr. 2 kann eine Problem entstehen, wenn eine Probe eine schlechte Mobilität besitzt (z. B. μ << 1 cm²/Vs) oder das Magnetfeld, das verfügbar ist, begrenzt ist (z. B. B << 0,1 Tesla). Des Weiteren können auf Grundlage von Gleichung Nr. 1 Proben mit einer sehr hohen Trägerdichte n auch eine kleine Hall-Spannung V_H verursachen. Manche Messumgebungen, wie beispielsweise eine Niedrigtemperaturmessung, geben die Verwendung eines sehr kleinen Erregerstroms I vor, was somit zu einer kleinen Hall-Spannung V_H führt. In solchen Situationen kann eine DC-Magnetfeld-Hall-Messung eine kleine Hall-Spannung V_H ergeben, die aufgrund einer geometrischen Probenasymmetrie innerhalb eines DC-Spannungs-Offsets verborgen ist. Die Asymmetrie kann ein Mischen des Hall- oder Querwiderstands (R_xy) und des Längswiderstands (R_xx) verursachen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld bereitgestellt und enthält einen ersten und einen zweiten Magneten, die in einer Haupt-Neben-Konfiguration angeordnet sind, einen zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten einfügbaren Prüflingseinheiten(device-under-test(DUT))-Tisch, auf dem eine DUT jeweils in einer ersten oder einer zweiten Ausrichtung für eine Hall-Messung bzw. ein photoelektromagnetisches (PEM) Testen verfügbar (disposable) ist, Steuereinheiten, die angeordnet sind, um den DUT-Tisch zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten zu zentrieren, und orthogonale Magnetfeldsensoren, die neben seitlichen Seiten des ersten Magneten angeordnet sind, um eine positionelle Initialisierung des ersten und des zweiten Magneten zu ermöglichen und um Referenzsignale in Phase und außer Phase für eine phasensensible oder Lock-in-Hall-Signalerfassung zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld bereitgestellt und enthält einen motorangetriebenen zylindrischen Magneten mit Quermagnetisierung, einen frei rotierenden zylindrischen Magneten, der mit dem motorangetriebenen Magneten rotiert, einen zwischen dem motorangetriebenen und dem frei rotierenden Magneten einfügbaren Prüflingseinheiten(DUT)-Tisch, auf dem eine DUT in einer ersten oder einer zweiten Ausrichtung für eine Hall-Messung bzw. ein photoelektromagnetisches (PEM) Testen verfügbar ist, eine erste und eine zweite Steuereinheit, die angeordnet sind, um den motorangetriebenen Magneten bzw. den DUT-Tisch zu manövrieren, und orthogonale Magnetfeldsensoren, die angeordnet sind, um eine positionelle Initialisierung des motorangetriebenen und des frei rotierenden Magneten zu ermöglichen und um Referenzsignale in Phase und außer Phase für eine phasensensible oder Lock-in-Hall-Signalerfassung zu erzeugen.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Datenverarbeitungssystem bereitgestellt und enthält einen Prozessor und einen Speicher, auf dem ein Programm gespeichert ist, das bei Ausführen den Prozessor veranlasst, eine Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld zu verwalten. Die Vorrichtung enthält einen ersten und einen zweiten Magneten, die in einer Haupt-Neben-Konfiguration angeordnet sind, einen zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten einfügbare Prüflingseinheiten(DUT)-Tisch, auf dem eine DUT in einer ersten oder einer zweiten Ausrichtung für eine Hall-Messung bzw. ein photoelektromagnetisches (PEM) Testen verfügbar ist, Steuereinheiten, die durch den Prozessor betreibbar und verfügbar sind, um den DUT-Tisch zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten zu zentrieren, und orthogonale Magnetfeldsensoren, die durch den Prozessor betreibbar und neben seitlichen Seiten des ersten Magneten verfügbar sind, um eine positionelle Initialisierung des ersten und des zweiten Magneten zu ermöglichen und um Referenzsignale in Phase und außer Phase für eine phasensensible oder Lock-in-Hall-Signalerfassung zu erzeugen.
Gemäß noch einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun ein Verfahren zum Betreiben einer Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld bereitgestellt, wobei das Verfahren aufweist: Anordnen eines ersten und eines zweiten Magneten in einer Haupt-Neben-Konfiguration; Einfügen eines Prüflingseinheiten(DUT)-Tischs zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten; Anordnen einer DUT auf dem DUT-Tisch in einer ersten oder einer zweiten Ausrichtung für eine Hall-Messung bzw. ein photoelektromagnetisches (PEM) Testen; Zentrieren des DUT-Tischs zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten; Ermöglichen einer positionellen Initialisierung des ersten und des zweiten Magneten; und Erzeugen von Referenzsignalen in Phase und außer Phase für eine phasensensible oder Lock-in-Hall-Signalerfassung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die Techniken der vorliegenden Erfindung verwirklicht. Weitere Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung werden hierin im Detail beschrieben und als Teil der beanspruchten Erfindung angesehen. Für ein besseres Verständnis der Erfindung mit den Vorteilen und den Merkmalen sind die Beschreibung und die Zeichnungen heranzuziehen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird besonders in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung dargelegt und klar beansprucht. Die vorhergehenden und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
1 eine schematische Darstellung ist, die ein Datenverarbeitungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 eine Seitenansicht einer Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Vorderansicht einer Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist:
4A eine grafische Veranschaulichung einer Magnetinitialisierung und Feldermittlung ist;
4B eine grafische Veranschaulichung einer Magnetinitialisierung und Feldermittlung ist;
5A eine grafische Veranschaulichung einer Magnetfeldermittlung an einer Prüflingseinheit (DUT) ist;
5B eine grafische Veranschaulichung einer Magnetfeldermittlung an einer Prüflingseinheit (DUT) ist;
6 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Betreiben der Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld von 1 und 2 veranschaulicht; und
7 ein durch eine Steuerungs-Software gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugter beispielhafter Screenshot ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie nachstehend beschrieben wird, werden ein Hall- und Photoelektromagnet(PEM)-System mit rotierendem Magnetfeld mit hoher Empfindlichkeit bereitgestellt. Das System zielt auf Materialien mit einer sehr niedrigen Trägermobilität, sehr dünne Proben, Proben mit sehr niedriger oder sehr hoher Trägerdichte ab und enthält ein Paar von rotierenden Magneten, einen durch einen Motorantrieb angetriebenen und einen weiteren, der frei rotiert und durch einen Linearaktorturm positioniert werden kann, magnetische Fokussierteile, einen Manipulator, um die Probe zu positionieren, eine Lichtquelle, um die Probe zu beleuchten, eine mechanische Plattform mit Steckverbindertafeln und eine Gehäuseabschirmung. Das System ist mit einem Motorsteuerkasten und einem Schaltmatrixsystem verbunden und wird durch einen Computer gesteuert. Eine Software, die eine Signalverarbeitung durchführt (spektrale Leistungsdichte und Lock-in-Erfassung) wird verwendet, um das endgültige Hall- oder PEM-Signal zu entnehmen. Das System kann auch verwendet werden, um ein Signal-Rausch-Verhältnis jeglicher Experimente zu verbessern, die ein Magnetfeld einbeziehen.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Beschreibung von US-Patent Nr. 8 895 355 (Cao), US-Patentanmeldung Nr. 2014/0028305 (Gokmen) und „Parallel Dipole Line System”, Gunawan et al., Applied Physics Letters 106, 062 407 (2015).
Bezug nehmend auf 1 ist ein beispielhaftes Datenverarbeitungssystem 100 gezeigt. Das System 100 ist als einen Speicher 102 enthaltend gezeigt. Im Speicher 102 können ausführbare Anweisungen gespeichert sein, die in jeder Weise und mit jedem Abstraktionsgrad gespeichert sein können, wie beispielsweise in Verbindung mit einem oder mehreren Prozessen, Routinen, Verfahren usw. Als ein Beispiel ist zumindest ein Anteil der Anweisungen in 1 als einem ersten Programm 104a und einem zweiten Programm 104b zugeordnet gezeigt.
Die im Speicher 102 gespeicherten Anweisungen können durch einen oder mehrere Prozessoren, wie beispielsweise einen Prozessor 106, ausgeführt werden. Der Prozessor 106 kann mit einer oder mehreren Eingabe/Ausgabe(E/A)-Einheiten 108 verbunden sein und enthält ein Signalaufbereitungssystem 1061 für eine Datenauswahl und eine Hintergrundsubtraktion, ein Analysesystem für eine spektrale Leistungsdichte 1062 und ein System für eine Lock-in-Erfassung und Berechnung eines Signal-Rausch-Verhältnisses 1063. In manchen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren E/A-Einheiten 108 eines oder mehrere von einer Tastatur, einem berührungsempfindlichen Bildschirm, einem Anzeigebildschirm, einem Mikrofon, einem Lautsprecher, einer Maus, einer Schaltfläche oder Taste, einer Fernsteuerung, einem Joystick einem Drucker usw. enthalten. Die eine oder mehreren E/A-Einheiten 108 können konfiguriert sein, eine Schnittstelle bereitzustellen, um es einem Benutzer zu erlauben, mit dem System 100 zu interagieren. Das System 100 ist veranschaulichend. In manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere der Entitäten optional sein. In manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zusätzliche, nicht gezeigte Entitäten enthalten sein. Zum Beispiel kann in manchen Ausführungsformen das System 100 einem oder mehreren Netzwerken zugeordnet sein, die über einen oder mehrere Schalter, Router oder Ähnliches datenübertragungstechnisch miteinander verbunden sein können. In manchen Ausführungsformen können die Entitäten in einer sich von dem in 1 Gezeigten unterscheidenden Weise angeordnet oder organisiert sein. Eine oder mehrere der in 1 gezeigten Entitäten können einer oder mehreren der hierin beschriebenen Einheiten oder Entitäten zugeordnet sein.
2 und 3 veranschaulichen eine Systemarchitektur 200, die als ein Hall-Messsystem mit rotierenden Magneten verwendet werden kann. Die Architektur 200 kann in Verbindung mit einer oder mehreren Einheiten oder Entitäten, wie beispielsweise den vorstehend in Verbindung mit dem System 100 von 1 beschriebenen Einheiten und Entitäten, betriebsfähig sein. Wie in 2 und 3 gezeigt, kann die Architektur 200 als eine Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld bereitgestellt werden und enthält einen ersten oder motorangetriebenen zylindrischen Magneten 201, der durch einen Motor 202 über ein Getriebe 203 rotierend angetrieben wird, einen zweiten oder frei rotierenden zylindrischen Magneten 204, der mit dem motorangetriebenen Magneten 201 in einer Haupt-Neben-Konfiguration rotiert, bei der das Antreiben des motorangetriebenen Magneten 201 und seine resultierende Rotation eine entsprechende Rotation des frei rotierenden Magneten 204 antreibt, einen Prüflingseinheiten(DUT)-Tisch 205, eine erste und eine zweite Steuereinheit 206 und 207 und ein orthogonales Magnetfeldsensorsystem 208. Bei dem motorangetriebenen Magneten 201 und dem frei rotierenden Magneten 204 kann es sich jeweils um zylindrische Magneten mit einer Quer(Durchmesser)-Magnetisierung handeln (d. h. einer Magnetisierung entlang des Durchmessers). Sie bilden ein System aus rotierendem Haupt-Neben-Magneten, das mehrere wichtige Charakteristika erzeugt, einschließlich eines in eine Richtung verlaufenden Feldes in der Mitte der DUT 2052 (nachstehend zu beschreiben), einer einzelnen harmonischen Feldoszillation hoher Reinheit und starker Magnetfelder (d. h. um ≈ 2 T von Spitze zu Spitze).
Der DUT-Tisch 205 ist zwischen dem motorangetriebenen Magneten 201 und dem frei rotierenden Magneten 204 einfügbar und besitzt eine Oberfläche, auf der eine DUT 2052 verfügbar ist. Die DUT 2052 kann als eine Hall- oder Van-der-Pauw-Probe mit 4 oder mehr Anschlüssen für einen Empfang von Strom bereitgestellt und in einer ersten oder einer zweiten Ausrichtung montiert sein. Wenn zum Beispiel die DUT 2052 horizontal montiert ist, kann die DUT 2052 für eine Hall-Messung positioniert sein. Im Gegensatz dazu kann als ein weiteres Beispiel die DUT 2052 für ein photoelektromagnetisches (PEM) Testen mit von einer Seite kommendem Licht positioniert sein, wie nachstehend beschrieben, wenn die DUT 2052 vertikal montiert ist.
Die erste Steuereinheit 206 ist als ein Magnetturm 210 bereitgestellt und angeordnet, um mindestens eines von dem motorangetriebenen Magneten 201 und dem frei rotierenden Magneten 204 in zumindest einer ersten Dimension, wie beispielsweise einer vertikalen oder Z-Achsen-Dimension, zu manövrieren. Die zweite Steuereinheit 207 ist als ein Tischturm 220 bereitgestellt und angeordnet, um den DUT-Tisch 205 in der ersten Dimension sowie einer zweiten und einer dritten Dimension, wie beispielsweise seitlichen oder X- und Y-Achsen-Dimensionen, zu manövrieren. Gemäß Ausführungsformen können sowohl der Magnetturm 210 als auch der Tischturm 220 an einer Plattform 230 befestigt sein, die im Wesentlichen plan ist, sodass sie mit einem relativ kleinen Abstand zwischen ihnen Seite an Seite stehen. Der Motor 202 kann zur Stützung ebenfalls an der Plattform 230 befestigt sein. Bei dem Magnetturm 210 und dem Tischturm 220 handelt es sich bei beiden um längliche Merkmale, die sich von der Plattform 230 in der ersten Dimension (d. h. nach oben) erstrecken.
Der Magnetturm 210 enthält ein Linealmerkmal 211, das eine Messung eines Abstandes zwischen dem motorangetriebenen Magneten 201 und dem frei rotierenden Magneten 204 und zwischen jedem Magneten und dem DUT-Tisch 205 oder der DUT 2052 ermöglicht. Ein Anschlag 240 ist ebenfalls an der Plattform 230 befestigt, um eine Strecke zu begrenzen, die der frei rotierende Magnet 204 verfahren kann. Der Anschlag 240 enthält eine mit einem Gewinde versehene Welle und ein entsprechend mit einem Gewinde versehenes Anschlagelement, das um die Welle gedreht werden kann, um eine vordefinierte Position einzunehmen. In dieser Position dient eine obere Oberfläche des Anschlagelements als eine mechanische Wechselwirkungseinheit, die eine Bewegung des frei rotierenden Magneten 204 in Richtung der DUT 2052 über eine gegebene Strecke hinaus verhindert.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem motorangetriebenen Magneten 201 um einen zylindrischen Magneten, der drehbar an einer Antriebswelle 2010 angeordnet ist, die sich vom Getriebe 203 zu einem Stützmerkmal erstreckt, das an der Plattform 230 befestigt ist, um eine erste Rotationsachse zu definieren. Der motorangetriebene Magnet 201 rotiert somit um die erste Rotationsachse gemäß Rotationsantriebseingaben, die durch den Motor 202 über das Getriebe 203 bereitgestellt werden. Bei dem frei rotierenden Magneten 204 handelt es sich um einen zylindrischen Magneten, der drehbar an einer Welle 2040 angeordnet ist, die sich durch den frei rotierenden Magneten 204 zwischen Stützflanschen erstreckt, die am Magnetturm 210 befestigt sind, um eine zweite Rotationsachse zu definieren, um die der frei rotierende Magnet 204 rotiert. Der motorangetriebene Magnet 201 und der frei rotierende Magnet 204 können im Wesentlichen parallel zueinander sein, wobei die erste und die zweite Rotationsachse entsprechend im Wesentlichen parallel zueinander sind. Der frei rotierende Magnet 204 rotiert als ein Ergebnis seiner Wechselwirkung mit dem durch die Rotation des motorangetriebenen Magneten 201 erzeugten Magnetfeld.
Das orthogonale Magnetfeldsensorsystem 208 beinhaltet einen ersten Sensor 250 und einen zweiten Sensor 260. Der erste Sensor 250 sitzt an einem äußeren Ende einer Spitze und kann so angeordnet sein, dass er zu einer nach unten weisenden (d. h. nicht longitudinalen) seitlichen Oberfläche des motorangetriebenen Magneten 201 weist. Somit kann der erste Sensor 250 in der ersten Dimension nach oben weisen. Der zweite Sensor 260 sitzt an einem äußeren Ende der Spitze und kann so angeordnet sein, dass er zu einer seitwärts weisenden seitlichen Seite des motorangetriebenen Magneten 201 weist. Somit kann der zweite Sensor 260 in jeder von der zweiten oder der dritten Dimension seitwärts weisen. In jedem Fall ermöglichen der erste Sensor 201 und der zweite Sensor 204 zusammenwirkend eine positionelle Initialisierung des motorangetriebenen Magneten 201 und möglicherweise des frei rotierenden Magneten 204. Der erste Sensor 201 und der zweite Sensor 204 können ferner konfiguriert sein, Referenzsignale in Phase und außer Phase für phasensensible oder Lock-in-Hall-Signalerfassungsvorgänge zu erzeugen.
Wenn der motorangetriebene Magnet 201 um die erste Rotationsachse rotiert, erzeugt der motorangetriebene Magnet 201 ein Magnetfeld in der Nachbarschaft des DUT-Tischs 205. Wenn gleichermaßen der frei rotierende Magnet 204 um die zweite Rotationsachse rotiert, erzeugt der frei rotierende Magnet 204 ein Magnetfeld in der Nachbarschaft des DUT-Tischs 205. Mindestens eines oder beide dieser zwei Magnetfelder können in manchen Fällen durch das Vorhandensein eines Magnetflusskonzentrators erhöht werden. Der Magnetflusskonzentrator kann als ein erster Magnetflusskonzentrator 270 und ein zweiter Magnetfeldkonzentrator 271 bereitgestellt werden. Der erste Magnetfeldkonzentrator 270 ist zwischen dem motorangetriebenen Magneten 201 und der unteren Oberfläche des DUT-Tischs 205 eingefügt. Im Gegensatz dazu ist der zweite Magnetflusskonzentrator 271 zwischen dem frei rotierenden Magneten 204 und dem DUT-Tisch 205 oder einer oberen Oberfläche der DUT 2052 selbst eingefügt.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können der erste und der zweite Magnetflusskonzentrator 270 und 271 aus einem Material mit hoher Permeabilität ausgebildet sein, wie beispielsweise einem Material, das Eisen-Nickel oder Legierungen davon enthält.
Noch Bezug nehmend auf 2 und 3 kann die Architektur 200 ferner eine Lichtquelle 280 und einen Kontaktanschluss 290 beinhalten. Die Lichtquelle 280 ist an einem äußeren Ende eines Stützelements 281 gestützt, das an der Plattform 230 befestigt ist, und ist angeordnet, um für ein Ausführen eines PEM-Vorgangs Licht zur DUT 2052 hin zu emittieren. Der Kontaktanschluss 290 kann direkt an der Plattform 230 befestigt sein und dient dazu, während Testvorgängen Strom für die DUT 2052 bereitzustellen und dorthin zu leiten.
Unter Bezugnahme auf 4A bis 7 kann das durch die Architektur 200 von 1 und 2 wiedergegebene System in einem ersten oder einem zweiten Modus betrieben werden. Bei dem ersten Modus handelt es sich um einen Modus eines statischen (d. h. Gleichstrom oder DC (direct current)) Magnetfeldes oder ein Standard-Hall-System mit statischem Feld, bei dem das Feld auf der DUT 2052 stationär gehalten wird (z. B. +– B_max, 0) und eine Hall-Messung durchgeführt wird. Bei dem zweiten Modus handelt es sich um einen Modus eines kontinuierlich rotierenden (d. h. Wechselstrom oder AC (alternating current)) Feldes, bei dem das Feld kontinuierlich rotiert und eine Hall-Messung durchgeführt wird. Wie vorstehend festgehalten, initialisiert während des zweiten Modus das orthogonale Magnetfeldsensorsystem 208 Magnetfeldpositionen, um einen Nullwinkel (θ = 0) zu ermitteln, bei dem sich das Magnetfeld auf der DUT 2052 in einem Maximum befindet. Diese Position kann genauer ermittelt werden, indem überwacht wird, wann der zweite Sensor 260 einen Nullwinkel besitzt, weil sich in dieser Position der erste Sensor 250 nahe dem Maximum befindet.
Ein Betrieb der Architektur wird nun in dem Verständnis beschrieben, dass es wichtig ist, eine Amplitude einer Feldoszillation (B_max) auf der DUT 2052 so genau wie möglich zu ermitteln, da sie die Genauigkeit der Hall-Messung beeinflusst. Wenn der motorangetriebene und der frei rotierende Magnet 201 und 204 rotieren und die entsprechenden Magnetfelder rotieren, ist ein Phasenwinkel von mindestens dem motorangetriebenen Magneten 201 gegeben als: θ = ω_REFt, wobei ω = 2πf_REF und es sich bei f_REF um eine Referenzrotationsfrequenz und bei t um die Zeit handelt. Das Referenzmagnetfeld auf der DUT 2052 ist gegeben als: B_REF(t) = B_maxcos(ω_REFt)
B_max ist ein durchschnittliches Feld über der DUT 2052 und hängt von dem Spalt g zwischen dem motorangetriebenen und dem frei rotierenden Magneten 201 und 204 und einer Größe s der DUT 2052 ab. Der Spalt g kann anhand einer Ablesung des Linealmerkmals 211 am Magnetturm 210 ermittelt werden. B_max kann unter Verwendung der Gleichung eines Magnetfeldes eines diametralen Magneten ermittelt werden. Unter der Annahme, dass eine DUT 2052 einer Größe s × s in der Y-Z-Ebene in der Mitte des Spalts g angeordnet ist, ist das Feld gegeben als:
Das durchschnittliche maximale Feld wird über die Probengröße gemittelt: B_max(g, s) = ∫B_M(y, z)dydz/s²
Beispiele der Magnetfeldermittlung sind in den Diagrammen von 5A und 5B gezeigt. 5A zeigt, dass B_max mit wachsendem Spalt g abfällt, und 5B zeigt zudem, dass B_max abfällt, wenn die Größe s der DUT 2052 größer wird. Somit kann B_max bei gegebenen Werten von Magnetmagnetisierung M, Länge L, Radius a, Spalt g und Größe s der DUT 2052 unter Verwendung dieser Diagramme oder der vorstehend gegebenen Gleichungen ermittelt werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 und mit zusätzlicher Bezugnahme auf 6 und 7 und im Verständnis, dass der Prozessor 106 und die eine oder mehreren E/A-Einheiten verwendet werden können, um die verschiedenen Komponenten der Architektur 200 zu steuern und mit ihnen Daten auszutauschen, und dass mindestens eines oder beide des ersten Programms 104a und eines zweiten Programms 104b als Steuerungs-Software für eine Verwaltung der verschieden Komponenten der Architektur 200 konfiguriert sein können, kann die Steuerungs-Software ein Verfahren ausführen. Das Verfahren startet damit, dass die DUT 2052 allgemein in einer Mitte des DUT-Tischs 205 montiert wird (Vorgang 600), mit einer Messung des Spalts g und der Größe s der DUT 2052, um B_max zu ermitteln (Vorgang 601), und mit einer Messung eines Kontaktwiderstands (R_C) und eines Schichtwiderstands (R_S) der DUT 2052 (Vorgang 602). Das Verfahren fährt mit einer Messung eines Hall-Widerstands (R_XY) und einem Auswählen einer Motorfrequenz f_REF und eines Probenstroms I_S für den motorangetriebenen Magneten 201 (Vorgang 603), einer Rotation des motorangetriebenen Magneten 201 und einem Aufzeichnen des Hall-Widerstands (R_XY) und des Feldsensors B_REF über der Zeit (Vorgang 604) und einem Verarbeiten des Hall-Signals (R_XY) mittels einer Hintergrundsubtraktion und einer Analyse einer spektralen Leistung (Vorgang 605) fort.
Für die Verarbeitung des Hall-Signals (R_XY) von Vorgang 605 wird eine manuelle oder automatische Rohdatenauswahl ausgeführt, um Transienten- oder spitze Signale zu vermeiden, die für die endgültigen Ausgaben des phasensensiblen Detektors schädlich sein können, Hintergrunddaten werden entfernt, Fouriertransformations(FT)- und spektrale Leistungsdichte-Analysen(power-spectral-density(PSD)) werden ausgeführt, um eine numerische phasensensible Erfassung/Lock-in-Analyse des Rohsignals sowie eine Berechnung des Signal-Rausch-Verhältnisses (signal to noise ratio (S/N)) zu gestatten.
Das Hall-Rohsignal ist gegeben als:
wobei R_XY der Rohquerwiderstand oder das Hall-Signal ist, R_XX der Längswiderstand ist, n eine Trägerdichte ist, d die Dicke der DUT 2052 ist, e eine Elektronenladung ist, A eine wirksame Schleifenfläche ist, I_S eine durch die DUT 2052 laufende Stromquelle ist, α ein Anteil von R_XX ist, der aufgrund der Asymmetrie der DUT 2052 in R_XY erscheint (0 < α < 1), und N(t) Rauschen oder der Rest des Signals ist.
Die Steuerungs-Software führt dann eine numerische allmählich eingeführte Erfassung durch, um das phasengleiche Signal X (das gewünschte Hall-Signal) und das Außer-Phase-Signal Y (parasitäre Spannung der elektromotorischen Kraft) zu trennen, gegeben als:
wobei T die Integrationszeitdauer gleich einem Mehrfachen der Lock-in-Zeitkonstanten ☐ ist, die durch die Signalverarbeitungs-Software angepasst werden kann.
Das Hall-Signal muss dann im Frequenzbereich inspiziert werden, um zu sehen, ob es ein Signal bei f_REF gibt. Dafür werden Fouriertransformations- und der spektrale Leistungsdichte-Analysen (PSD) durchgeführt. Eine PSD-Analyse verbessert das Periodische (d. h. das gewünschte Hall-Signal) im Rohsignal, da PSD gleich einer Fouriertransformation einer Autokorrelation des Signals sein kann. Die Software berechnet und erzeugt dann einen Bericht der Endergebnisse sowie des S/N-Verhältnisses in der Messung.
X = Bmax/nde, Y = BmaxωA/IS, n = Bmax/Xde, μ = 1/neρ, wobei ρ der spezifische elektrische Widerstand der Probe ist, der aus einer longitudinalen Van-der-Pauw-Messung erlangt werden kann. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist gegeben als: S/N = <X(t)²>/<R_XY ²(t)>.
Zu 6 zurückkehrend beinhaltet somit das Verfahren eine Ermittlung, ob die spektrale Hall-Leistungsdichte (PSD) eine Spitze besitzt, die bei f_REF vorhanden ist (Vorgang 606). In einem Fall, in dem die spektrale Hall-Leistungsdichte (PSD) keine Spitze besitzt, die bei f_REF, vorhanden ist, beinhaltet das Verfahren dann eine Erhöhung einer Akquisitionszeit oder ein Beheben eines fehlerhaften Kontakts/einer fehlerhaften Einheit (Vorgang 607), woraufhin die Steuerung zu Vorgang 602 zurückkehrt. Alternativ dazu beinhaltet das Verfahren in einem Fall, in dem die spektrale Hall-Leistungsdichte (PSD) eine Spitze besitzt, die bei f_REF vorhanden ist, eine Durchführung einer Lock-in-Erfassung zum Hall-Signal mit einer Entnahme von in Phase (X) und außer Phase (Y) befindlichen Signalkomponenten und eine Berechnung eines Signal-Rausch-Verhältnisses (S/N) (Vorgang 608).
Sobald der Vorgang 608 abgeschlossen ist, wird eine Ermittlung vorgenommen, ob das außer Phase befindliche (Y) Signal viel größer als das in Phase befindliche (X) Signal (Vorgang 609) ist. In einem Fall, in dem festgestellt wird, dass das außer Phase (Y) befindliche Signal viel größer als das in Phase befindliche (X) Signal ist, wird die Motorfrequenz f_REF verringert oder der Probenstrom I_S erhöht (Vorgang 610), und die Steuerung kehrt zu Vorgang 603 zurück. Alternativ dazu werden in einem Fall, in dem festgestellt wird, dass das außer Phase befindliche (Y) Signal nicht viel größer als das in Phase befindliche (X) Signal ist, Endergebnisse berechnet (Vorgang 611). Die Endergebnisse betreffen die Tatsache, ob die DUT 2052 ein Träger des N- oder P-Typs ist, sowie die Trägermobilität und die Trägerdichte.
Wie in 7 gezeigt, kann die Steuerungs-Software auch auf einer Anzeigeeinheit eine Benutzerschnittstelle 700 erzeugen, durch ein Benutzer mindestens die Hall-Messung überwachen kann. Solch eine Benutzerschnittstelle 700 kann mindestens eine Auslesung des Magnetfeldes 701 in und um die DUT 2052, eine Auslesung des Magnetfeldes mit einer darauf angewandten Fouriertransformation 702, das Hall-Rohsignal R_XY 703, die spektrale Hall-Leistungsdichte (PSD) 704 für ein Überprüfen der Gültigkeit des Hall-Rohsignals R_XY 703, die Lock-in-Ausgabe X, Y und S/N 705 und eine einstellbare Lock-in-Zeitkonstante 706 enthalten.
Die hierin verwendete Terminologie dient dem Zwecke des Beschreibens besonderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ist nicht als die Erfindung einschränkend beabsichtigt. Die hierin verwendeten Singularformen „ein”, „eine” und „der”, „die”, „das” sowie deren Deklinationen sollen ebenso die Pluralformen einschließen, es sei denn dies ist im Kontext deutlich anderweitig angegeben. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „aufweist” und/oder „aufweisend” bei Verwendung in diesem Dokument das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Einheiten, Schritten, Vorgängen, Operationen, Elementen und/oder Komponenten angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren weiteren Merkmalen, Einheiten, Schritten, Vorgängen, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und Entsprechungen aller Mittel oder Schritte sowie Funktionselemente in den nachstehenden Ansprüchen sollen alle Strukturen, Materialien oder Handlungen zum Durchführen der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen, wie sie insbesondere beansprucht sind, beinhalten. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt, ist jedoch nicht als erschöpfend oder auf die Erfindung in der offenbarten Form beschränkt beabsichtigt. Viele Änderungen und Variationen sind für den Fachmann ersichtlich, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden gewählt, um die Grundgedanken der Erfindung und die praktische Anwendung am besten zu beschreiben und es anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung für vielfältige Ausführungsformen mit vielfältigen Änderungen, wie sie für den speziellen betrachteten Gebrauch geeignet sind, zu verstehen.
Die hierin abgebildeten Flussdiagramme stellen nur ein Beispiel dar. Es kann viele Variationen an diesem Schaubild oder den darin beschriebenen Schritten (oder Vorgängen oder Operationen) geben, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können die Schritte in einer anderen Reihenfolge durchgeführt oder Schritte hinzugefügt, entfernt oder verändert werden. Alle derartigen Variationen werden als Teil der beanspruchten Erfindung angesehen.
Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde, versteht es sich, dass Fachleute sowohl jetzt als auch zukünftig vielfältige Verbesserungen und Erweiterungen vornehmen können, die unter den Umfang der Ansprüche fallen, die folgen. Diese Ansprüche sollten so ausgelegt werden, dass sie den ordnungsgemäßen Schutz für die zuerst beschriebene Erfindung bieten.

Claims

Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld, aufweisend: einen in einer Haupt-Neben-Konfiguration angeordneten ersten und zweiten Magneten; einen zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten einfügbaren Prüflingseinheiten(device-under-test(DUT))-Tisch, auf dem in einer ersten oder zweiten Ausrichtung eine DUT für eine Hall-Messung bzw. ein photoelektromagnetisches (PEM) Testen verfügbar ist; Steuereinheiten, die angeordnet sind, um den DUT-Tisch zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten zu zentrieren; und orthogonale Magnetfeldsensoren, die angeordnet sind, um eine positionelle Initialisierung des ersten und des zweiten Magneten zu ermöglichen und in Phase und außer Phase befindliche Referenzsignale für eine phasensensible oder Lock-in-Erfassung zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldsensoren neben seitlichen Seiten des ersten Magneten angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: der erste Magnet einen motorangetriebenen zylindrischen Magneten mit Quermagnetisierung aufweist; der zweite Magnet einen frei rotierenden zylindrischen Magneten aufweist, der mit dem motorangetriebenen Magneten rotiert, und die Steuereinheiten eine erste und eine zweite Steuereinheit aufweisen, die angeordnet sind, um den motorangetriebenen Magneten bzw. den DUT-Tisch zu manövrieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei der erste und der zweite Magnet parallel angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, ferner aufweisend einen Magnetflusskonzentrator, um ein Magnetfeld von entweder dem ersten oder dem zweiten Magneten zu erhöhen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Magnetflusskonzentrator als ein zwischen dem ersten Magneten und dem DUT-Tisch eingefügter erster Magnetflusskonzentrator und ein zwischen dem zweiten Magneten und dem DUT-Tisch eingefügter zweiter Magnetflusskonzentrator bereitgestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Magnetflusskonzentrator ein Material mit hoher Permeabilität aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, ferner aufweisend eine Lichtquelle, die angeordnet ist, um Licht zu der DUT hin zu emittieren.
Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die DUT eine Hall- oder Van-der-Pauw-Probe aufweist und ferner eine Kontaktanschlusstafel aufweisend, die angeordnet ist, um Strom an die DUT anzulegen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die erste Steuereinheit den motorangetriebenen Magneten in einer ersten Dimension manövriert und die zweite Steuereinheit den DUT-Tisch in der ersten und zweiten und dritten Dimension manövriert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, ferner aufweisend einen Anschlag, der angeordnet ist, um eine Bewegung des frei rotierenden Magneten in der ersten Dimension zu begrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, ferner aufweisend ein Lineal, um einen Abstand in der ersten Dimension zwischen dem motorangetriebenen Magneten und dem frei rotierenden Magneten zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die orthogonalen Magnetfeldsensoren neben seitlichen Seiten des motorangetriebenen Magneten angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben einer Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld, wobei das Verfahren aufweist: Anordnen eines ersten und eines zweiten Magneten in einer Haupt-Neben-Konfiguration; Einfügen eines Prüflingseinheiten(device-under-test(DUT))-Tischs zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten; Anordnen einer DUT auf dem DUT-Tisch in einer ersten oder einer zweiten Ausrichtung für eine Hall-Messung bzw. ein photoelektromagnetisches (PEM) Testen; Zentrieren des DUT-Tischs zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten; Ermöglichen einer positionellen Initialisierung des ersten und des zweiten Magneten; und Erzeugen von Referenzsignalen in Phase und außer Phase für eine phasensensible oder Lock-in-Hall-Signalerfassung.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner aufweisend ein paralleles Anordnen des ersten und des zweiten Magneten.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner aufweisend ein Erhöhen eines Magnetfeldes von entweder dem ersten oder dem zweiten Magneten.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner aufweisend: Einfügen eines ersten Magnetflusskonzentrators zwischen dem ersten Magneten und dem DUT-Tisch; und Einfügen eines zweiten Magnetflusskonzentrators zwischen dem zweiten Magneten und dem DUT-Tisch.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner Licht zu der DUT hin emittierend und Strom an die DUT anlegend.
Datenverarbeitungssystem, aufweisend: einen Prozessor; und einen Speicher, auf dem ein Programm gespeichert ist, das bei Ausführen den Prozessor veranlasst, eine Hall-Vorrichtung mit rotierendem Magnetfeld zu verwalten, wie in einem der Ansprüche 14 bis 18 beansprucht.
Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 14, wobei der Prozessor konfiguriert ist, ein Signalverarbeiten durchzuführen, um ein endgültiges Hall-Signal zu entnehmen und aufweist: ein Signalaufbereitungssystem für eine Datenauswahl und eine Hintergrundsubtraktion; ein Analysesystem für eine spektrale Leistungsdichte; und ein System für eine Lock-in-Erfassung und eine Signal-Rausch-Verhältnis-Berechnung.