DE2328589C3 - Anordnung zum zerstörungsfreien Messen des örtlichen Verlaufs der Trägerlebensdauer einer Halbleiterscheibe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum zerstörungsfreien Messen des örtlichen Verlaufs der Trägerlebensdauer einer Halbleiterscheibe, insbesondere Siliciumscheibe, wobei ein Schwingkreis an einen ihn speisenden Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, der zu messende Bereich der Halbleiterscheibe kapazitiv an den Schwingkreis angekoppelt ist, v/o er je nach seiner Leitfähigkeit den Schwingkreis bedämpft, wobei weiterhin die Halbleiterscheibe mit Liehtblitzen beschickt wird und an den Schwingkreis ein Spannungsmeßgerät für die Resonanzspannung des Schwingkreises angeschlossen ist, die ein Maß für die Leitfähigkeit des angekoppelten Bereichs ist und in ihrem zeitlichen Verlauf als Maß für die Trägerlebensdauer im angekoppelten und mit Lichtblitzen beschickten Bereich der Halbleiterscheibe dient

ίο Aus der Dissertation von H, Krauß, T. H. Karlsruhe 1963, Seiten 26—30, ist es bekannt, zur Bestimmung des spezifischen Widerstandes von Halbleitern einen Topfkreis in Form eines koaxialen Resonators zu verwenden. Ferner ist aus dem »Journal of the

ι? Electrochemical Society«, Feb. 1901, Seiten 167 bis 171 bekannt, den Widerstand und die Trägerlebensdauer von Silicium kapazitiv über die Güte eines Schwingkreises zu messen.
Eine Anordnung zur Messung der Leitfähigkeitsunterschiede von Siliciumscheiben ist bekannt und beispielsweise in der »Zeitschrift für angewandte Physik« Bd. 23 (1967) Heft 4, Seiten 268-270 beschrieben. Danach wird durch einen Metallstempel mit definierter Stempelstimfläche eine Siliciumscheibe über jeweils einen dünnen Wasserfilm auf eine Metallplatte angedrückt Der Stempel ist elektrisch einerseits mit dem Kondensator eines Schwingkreises verbunden und führt andererseits üher die als hochkapazitive elektrische Verbindung wirkende Wasserfilme, über den durch die Stempelstirnfläche abgesteckten Bereich der Siliciumscheibe und über die Metallplatte zur Spule des Schwingkreises. Je nach der Leitfähigkeit des elektrisch wirksamen Bereichs der Siliciumscheibe wird der Schwingkreis bedämpft Die davon abhängige Resonanzspannung wird über ein Spannungsmeßgerät gemessen und dient als Maß für die Leitfähigkeit des Scheibenbereichs.

Zum Messen des örtlichen Verlaufs der Leitfähigkeit wird dabei durch Verschieben der Siliciumscheibe der elektrisch wirksame zwischen Steripelstirnfläche und Metallplatte gelegene Bereich jeweils von einem anderen Teil der Siliciumscheibe gebildet. Ein Verschieben des Stempels auf der Oberfläche der örtlich fest auf der Metallplatte aufliegenden Siliciumscheibe erbringt

■H das nämliche Ergebnis. Unter bestimmten Bedingungen entspricht die Variation der gemessenen Spannung dem Gang der lokalen Leitfähigkeit. Eine Proportionalität ist dann gegeben, wenn einerseits der Widerstand des Siliciumscheibenbereichs klein ist gegenüber dem Resonanzblindwiderstand des Schwingkreises, andererseits aber groß ist gegenüber dem Dämpfungswiderstand des Schwingkreises.

Weiter ist eine Anordnung zur kontaktlosen Messung der Trägerlebensdauer in Siliciumeinkristallen bekannt und beispielsweise in der »Zeitschrift für angewandte Physik« Bd. 11 (1959), Heft 9, Seiten 351 und 352 beschrieben, bei der der Prüfling mit kurzzeitigen Liehtblitzen beschickt wird. Diese Lichtblitze erzeugen Trägerpaare im Silicium, die ihrerseits die Leitfähigkeit des Siliciums beeinflussen. Die Trägerpaare rekombinieren jedoch nach dem auslösenden Lichtbützimpuls, so daß die Konzentration an Trägerpääfen zeitlich abklingt. Diesem Abklingen folgt die Leitfähigkeit. Durch Messen des zeitlichen Verlaufs der Leitfähigkeit läßt sich die Trägerlebensdauer am Oszillographen bestimmen.

Durch eine Kombination dieser beiden bekannten Anordnungen läßt sich der örtliche Verlauf der

Trägerlebensdauer darstellen. Eine solche kombinierte Anordnung ist in der DE-OS 2215138 bereits vorgeschlagen worden. Die Bedingungen, unter denen die Variation der gemessenen Spannung dem Gang der lokalen Leitfähigkeit entspricht, bzw, der gemessene zeitliche Verlauf und seine lokale Abhängigkeit dem Gang der lokalen Trägerlebensdauer, sind die nämlichen wie bei der bekannten Anordnung zur Messung der Leitfähigkeitsunterschiede.

Bei hoher Ortsauflösung kann man nur mit kleinen Koppelkapazitäten arbeiten. Für eine vernünftige Empfindlichkeit über einen großen Bereich des spezifischen Widerstandes muß der Schwingkreis eine hohe Güte bei relativ hoher Frequenz besitzen. Die optimale Arbeitsfrequenz hängt von der Größe des spezifischen Widerstandes des Halbleitermaterials ab.

Die beiden Bedingungen — hohe Schwingkreisgüte und relativ hohe Schwingfrequenz — setzen dem Wunsch einer hohen Ortsauflösung bei der Anordnung nach dem Stand der Technik eine Grenze.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dem Stand der Technik auferlegte Grenze zu durchbrechen und die Ortsauflösung beirr. Messen des örtlichen Verlaufs der Trägerlebensdauer einer Halbleiterscheibe erheblich zu vergrößern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Schwingkreis aus einem Topfkreis in Form eines koaxialen Resonators mit Innenleiter und abgeschlossenem Außenleiter besteht, wobei der w Innenleiter an einem Ende galvanisch, am anderen Ende kapazitiv mit dem Abschlußdeckel des Außenleiters verbunden ist

Mit einem erfindungsgemäß eingesetzten Topfkreis lassen sich beide Voraussetzungen einer hohen Ortsauflösung — hohe Güte und hohe Frequenz — erfüllen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zur Kopplung der Halbleiterscheibe mit dem Topfkreis der kapazitive Abschlußdeckel eine zentrale Öffnung hat, die mit dem anzukoppelnden Bereich der Halbleiterscheibe durch Anpreßdruck von außen geschlossen ist Dabei ist unter »kapazitivem Abschlußdeckel« der Deckel gemeint, der mit dem kapazitiv wirkenden Ende des Innenleiters die Kapazität des Topfkreises bildet Zur Erhöhung der Kapazität trägt dieses Ende vorteilhaft eine Verdickung.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Innenleiter des Topfkreises in sich einen koaxialen Stempel führt, dessen eines Ende über das kapazitiv wirkende Ende des Innenleiters to hinausragt und axial gegen die öffnung des kapazitiven Abschlußdeckels verschiebbar ist, wodurch die kapazitive Kopplung des Topfkreises mit dem anzukoppelnden Bereich der Halbleiterscheibe einstellbar ist. Dieser koaxiale Stempel ist vorzugsweise in dem innenleiter über ein Gewinde längsverschiebbar ausgebildet

Weitere Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Anordnung sollen an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigt

F i g. 1 eine Ausbildung des Topfkreises und ein Blockschaltbild der Meßanordnung, während in

F i g. 2 ein Ersatzschaltbild des Topfkfeises mit der Halbleiterscheibe dargestellt ist.

In Fig. 1 besteht ein innen versilberter und polierter Topfkreis aus einem hohlzylindrischen Außenleiter I₁ einem zylindrischem koaxialen Innenleiter 2, aus einem galvanischen Abschlußdeckel 3 und aus einem kapazitiven Abschlußdeckel 4. D«ir Innenleiter 2 trägt an seinem kapazitiv wirkenden Ende eine Verdiekung, die die Kapazität des Topfkreises erhöht. Außerdem ist im Innern des Innenleiters 2 aber ein Gewinde ein Stempel 5 angeordnet, der an seinem am galvanischen Abschlußdeckel 3 herausragenden Ende über einen Drehknopf 6 axial gegenüber dem Innenleiter 2 verschoben werden kann. Der kapazitive Abschlußdekkel 4 besitzt eine zentrale öffnung, in die das andere Ende des Stempels 5 hineinragt Der kapazitive Abschlußdeckel 4 weist auf der Außenseite um die öffnung eine ringförmige Verdickung auf. Auf der dadurch gebildeten ringförmigen Auflagefläche liegt eine SUiciumscheibe 7 auf, die über Federdruck — symbolisch mit P bezeichnet — auf die Auflagefläche gedrückt wird.

Die ringförmige Verdickung des kapazitiven Abschlußdeckels 4 um die öffnung stellt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar. Die Auflage der Siliciumscheibe ist dadurch unabhängiger von Oberflächenunregelmäßigkeiten.

Ein Hochfrequenzgenerator 8 ist über eine Schleife 9 induktiv an den Topfkreis gekoppelt tljne Auskopplung zu einem Demodulator 10 erfolgt induktiv über eine Schleife 11. Dabei sind die Schleifen 9 und 11 vorzugsweise aus dem Innenleiter eines Koaxialkabels gebildet dessen Außenleiter mit der Außenhaut des Topfkreises verbunden ist Die Innenleiter führen über Durchführungen ins Innere des Topfkreises und sind über die Schleifen 9 bzw. 11 galvanisch mit dem galvanischen Abschlußdeckel 3 verbunden. Dem Demodulator 10 ist ein Verstärker 12 nachgeschaltet, dessen Ausgang zu einem Oszillographen 13 führt Die Siliciumscheibe wird von einer Blitzlampe 18 mit Lichtblitzen beleuchtet Zur Synchronisation ist der Oszillograph 13 mit der Blitzlampe 18 verbunden. Die Lichtblitze sollen möglichst große Flankensteilheit haben. Der Hochfrequenzgenerator 8 soll mögüchst rausch- und brummarm sein.

Für den elektrisch wirksamen Bereich der Silicumscheibe 7 stellt der Oszillograph den zeitlichen Verlauf der Trägerlebensdauer dar, der etwa dem einer Exponentialkurve folgt Durch Verschieben der Siliciumscheibe 7 wird ein anderer Bereich wirksam. Ändert sich dann die Trägerlebensdauer, so kann dies am Oszillographen 13 abgelesen werden. Durch konsequentes Verschieben läßt sich der örtliche Verlauf der Trägerlebensdauer darstellen.

Im Ersatzschaltbild nach Fig.2 ist die Induktivität des Topfkreises durch eine Spule 14 dargestellt, an die über eine Anzapfung ein HF-Signal angelegt ist Parallel zur Spule 14 liegen ein Anzeigeinstrument 13, ein Kondensator 15 und die Reihenschaltung aus einem einstellbaren Kondensator 16 mit einem ohmscher Widerstand 17. Der Kondensator 15 stellt die Kapazität d^r, iiie das verdickte Ende des Innenleiters 2 mit dem kapazitiven Abschlußdeckel 4 bildet. Der Kondensator 16 stellt die Koppelkapazität des Stempels 5 zur Siliciumscheibe 7 dar. Der ohmsche Widerstand 17 ist der des wirksamen Bereichs der Siliciumscheibe zwischen Koppels'elle und Auflagefläche.

Eine Abstimmung des Topfkreises auf Resonanz erfolgt entweder durch Einstellen der Frequenz des vom HF-Generator 8 gelieferten hochfrequenter Stromes oder durch Einstellen der Kopplung durch Drehen des Drehknopfes 6 oder durch beide Maßnahmen. Ein Verschieben der Si'iciumscheibe bringt jeweils einen anderen wirksamen Bereich zur Kopplung mit dem Topfkreis. Falls die dabei betroffenen Bereiche unter-

sehiedliehe Trägerlebensdauer und damit unterschiedliehe Leitfähigkeitsänderungen haben, dämpfen sie den Topfkreis in entsprechender Weise. Diese Unterschiede beeinflussen den Verlauf der Exponentialkurve, die an dem Oszillographen 13 abgelesen werden kann.

Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Topfkreis, der insbesondere zur Erhöhung der Güte innen versilbert und poliert ist, läßt sich der örtliche Verlauf der Trägerlebensdauer einer Halbleiterscheibe mit extrem hoher Ortsauflösung verfolgen. Dies wird durch die hohe Güte möglich, die mit einem Topfkreis erreichbar ist, und durch die hohe Frequenz, mit der eine erfindungsgemäße Anordnung betrieben werden kann. Beispielsweise ist bei einer Frequenz von 160 MHz noch eine Güte von 5000 gut zu erreichen.

Mit einer erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich auch Halbleiterscheiben aus polykristallinem HaIbleitermaterial messen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprache;

1. Anordnung zum zerstörungsfreien Messen des örtlichen Verlaufs der Trägerlebensdauer einer Halbleiterscheibe, insbesondere Silicjumscheibe, wobei ein Schwingkreis an einen ihn speisenden Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, der zu messende Bereich der Halbleiterscheibe kapazitiv an den Schwingkreis angekoppelt ist, wo er je nach seiner Leitfähigkeit den Schwingkreis bedämpft, wobei weiterhin die Halbleiterscheibe mit Lichtblitzen beschickt wird und an den Schwingkreis ein Spannungsmeßgerät für die Resonanzspannung des Schwingkreises angeschlossen ist, die ein Maß für die Leitfähigkeit des angekoppelten Bereichs ist und in ihrem zeitlichen Verlauf als Maß für die Trägerlebensdauer im angekoppelten und mit Lichtblitzen beschickten Bereich der Halbleiterscheibe dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis aus einem Topfkreis in Form eines koaräien Resonators mit Innenleiter (2) und abgeschlossenem Außenleiter (1) besteht, wobei der Innenleiter (2) an einem Ende galvanisch, am anderen Ende kapazitiv mit dem Abschlußdeckel (3 bzw. 4) des Außenleiters (1) verbunden ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung der Halbleiterscheibe (7) mit dem Topfkreis der kapazitive Abschlußdeckel (4) eine zentrale Öffnung hat, die mit dem anzukoppelnden Bereich der Halbleiterscheibe (7) durch Anpreßdruck von außen geschlossen ist

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (2) des Topfkreises in sich einen koaxialen Svempel<J) führt, dessen eines Ende über das kapazitiv wirkende Ende des Innenleiters (2) hinausragt ur..i axial gegen die öffnung des kapazitiven Anschlußdeckels (4) verschiebbar ist, wodurch die kapazitive Kopplung des Topfkreises mit dem anzukoppelnden Bereich der Halbleiterscheibe (7) einstellbar ist

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der koaxiale Stempel (5) über ein Gewinde mit dem Innenleiter (2) des Topfkreises verbunden ist und durch Drehen an einem aus dem galvanischen Abschlußdeckel (3) des Topfkreises herausragenden Ende verschiebbar ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (2) des Topfkreises an seinem kapazitiv wirkenden Ende eine kapazitive Belastung in Form einer Verdickung des Endes trägt.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Abschlußdeckel (4) des Topfkreises auf der Außenseite ringförmig um die öffnung eine Verdickung trägt, wodurch unabhängig von der Verschiebung der Halbleiterscheibe (7) eine gleichbleibende Auflagefläche bewirkt wird.