DE2440305B1 - Meßelektrode müt flüssigem Metall - Google Patents

Description

• In einem an seiner Spitze abgeflachten, kegelförmigen Körper 1 aus Kunststoff (z. B. Polystyrol) mit einem zylindrischen Ansatz 2 verläuft eine Bohrung 3, die sich an ihrem unteren Ende 4 verjüngt. An ihrem oberen Ende mündet die Bohrung 3 in ein Vorratsvolumen 5. In der Bohrung 3 und dem Vorratsvolumen 5 befindet sich das flüssige Gallium. Dieser Galliumvorrat ist von dem übrigen Teil der Meßelektrode durch einen Rundschnurdichtring 6 und eine auf diesem Dichtring aufliegende Platinmembran 7 abgetrennt. An der Außenseite des Ansatzes 2 ist ein Gewinde aufgeschnitten, mit dem ein Metallkörper 8 aufgeschraubt und an die Platinmembran leitend angedrückt werden kann. Der Metallkörper weist eine Gewindebohrung auf, in der mit einer Madenschraube 9 ein Stempel 10 auf die Platinmembran aufgedrückt wird. Mit der Bewegung der Madenschraube kann die in der Bohrung 3 befindliche Galliumsäule so verschoben werden, daß sie am Ende dieser Bohrung austritt und mit der Oberfläche der Probe leitend in Berührung gebracht werden kann. Der Metallkörper 8 ist seinerseits in einem Halter 11 angeschraubt.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Meßelektrode aus einem mit einem Hohlraum versehenen Körper, mit einer in diesen Hohlraum mündenden, offenen Bohrung, wobei sich in dem Hohlraum und der Bohrung flüssiges Metall befindet, und mit einer Vorrichtung zur Verschiebung der in der Bohrung befindlichen Säule des flüssigen Metalls, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das flüssige Metall Gallium oder eine Galliumlegierung ist.
2. 2. Meßelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gallium hochgereinigt ist.
3. 3. Meßelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Galliumlegierung Indium enthält.
4. 4. Meßelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Galliumlegierung Aluminium enthält.

   Die Erfindung betrifft eine Meßelektrode aus einem mit einem Hohlraum versehenen Körper, mit einer in diesen Hohlraum mündenden Bohrung, wobei sich in dem Hohlraum und in der Bohrung flüssiges Metall befindet, und mit einer Vorrichtung zur Verschiebung der in der Bohrung befindlichen Säule des flüssigen Metalls.

   Bei der Messung der elektrischen Kenndaten von MOS-Halbleiterstrukturen, beispielsweise der Spannungsabhängigkeit der Kapazitäten bei MOS-Bauelementen, ist es häufig nicht möglich, die Messungen mit Hilfe von festen Metallkontakten durchzuführen. In diesen Fällen werden Meßelektroden verwendet, bei denen der Kontakt an einer Säule aus flüssigem Metall erfolgt. So ist in »Review of Scientific Instruments«, Bd. 40 (1970), S.292 und 293 eine Metallelektrode beschrieben, bei der eine Säule aus flüssigem Quecksilber an die zu messende Oberfläche angedrückt wird. Die Verwendung von Quecksilber hat jedoch den Nachteil, daß wegen der Giftigkeit des Quecksilbers besondere Sicherheitsmaßnahmen bei der Füllung und beim Betrieb solcher Elektroden getroffen werden müssen. Die Quecksilber-Elektroden haben zudem den Nachteil, daß sich beim Einfüllen des Quecksilbers in der Quecksilbersäule Luftblasen bilden können, die die Messungen stören, und daß Quecksilber wegen seiner Legierfreudigkeit leicht verunreinigt und die Elektrode daher ständiger Wartung bedarf. Ferner bildet Quecksilber auf n-Silizium keinen Schottky-Kontakt, der wegen seiner Diodenwirkung für Kapazitätsmessungen von n-Si-Schichten notwendig ist.

   Schließlich legiert Quecksilber leicht mit gebräuchlichen Kontaktmetallen, wie z. B. Gold; eine mit Quecksilber gefüllte Meßelektrode kann daher zur Kontaktierung, beispielsweise bei einer dünnen Goldschicht,nicht verwendet werden, da diese Goldschicht vom Quecksilber zerstört werden würde.

   Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßelektrode anzugeben, die ungiftiges Metall enthält und wartungsarm ist, die Kapazitätsmessungen an n-Silizium erlaubt und bei der das flüssige Metall nicht mit den üblichen Metallkontakten, z. B. Goldschichten, legiert.

   Diese Aufgabe wird bei einer wie eingangs beschriebenen Meßelektrode erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das flüssige Metall Gallium oder eine Galliumlegie- rung ist. Damit wird zum einen erreicht, daß in der Elektrode ungiftiges Metall vorhanden ist, zum anderen wird eine konstante und reproduzierbare Austrittsarbeit des Elektrodenmetalls gewährleistet. Der Schmelzpunkt von Gallium liegt zwar bei 29,8°C, jedoch ist Gallium sehr stark unterkühlbar, so daß es auch unterhalb des Schmelzpunktes noch im flüssigen Zustand verbleibt und bei Zimmertemperatur in einer solchen Elektrode verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil einer solchen Gallium-Elektrode besteht darin, daß das Austrittspotential durch Verunreinigungen von einigen Prozent im Rahmen einer Meßgenauigkeit von # 0,1 V (z. B. bei Kapazitäts-Spannungs-Messungen) nicht merklich beeinflußt wird und daß Verunreinigungen, die während des Betriebs ins flüssige Gallium gelangen, allein durch mehrfaches Umgießen von einem Gefäß ins andere aus dem Gallium entfernt werden können. Die Verunreinigungen sammeln sich nämlich auf der Oberfläche des flüssigen Galliums an und können somit durch Abstreifen leicht entfernt werden.

   Gegenüber einer Quecksilber-Meßelektrode hat eine erfindungsgemäße, mit Gallium gefüllte Meßelektrode weiter den Vorteil, daß Gallium mit den meisten Metallen nicht oder nur schwer legiert; so legiert es beispielsweise nicht mit Gold. Eine erfindungsgemäße Meßelektrode ist daher auch für Messungen an dünnen Goldschichten geeignet.

   Schließlich bildet Gallium auf p-Silizium und auch auf n-Silizium Schottky-Kontakte. Damit kann eine erfindungsgemäße Meßelektrode in größerem Umfang für Kapazitätsmessungen an Si-Schichten eingesetzt werden als die bisher üblichen Quecksilber-Elektroden.

   In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für das flüssige Metall hochgereinigtes Gallium verwendet. Hochgereinigt bedeutet dabei einen Reinheitsgrad # 99, 99%. Derartiges Gallium ist gut unterkühlbar und eignet sich dann besonders für die Meßelektrode.

   In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für das flüssige Metall der Meßelektrode eine Legierung aus Gallium mit Indium und/oder Aluminium, beispielsweise mit 5% Indium, oder Gallium mit 5% Aluminium, verwendet. Der Schmelzpunkt solcher Legierungen liegt tiefer als der des Galliums, so daß bei entsprechender Unterkühlung eine mit einer solchen Legierung gefüllte Meßelektrode noch Messungen bei einer Elektrodentemperatur unterhalb Raumtemperatur ermöglicht.

   Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßelektrode beschrieben und an Hand der Figur näher erläutert.