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Anordnung zum zerstörungsfreien Messen des örtlichen Verlaufs
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der elektrischen Leitfhigkeit einer Halbleiterkristalischeibe.
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Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Anordnung zum zerstörungsfreien
Messen des örtlichen Verlaufs der elektrischen Leitfähigkeit einer HalbleiterkristallscheiDe,
insbesondere einer höherohmigen Siliciumkristallscheibe, wobei ein Schwing kreis
an einen ihn speisenden Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, der zu messende
Bereich der Halbleiterkristallscheibe kapazitiv an den Schwingkreis angekoppelt
ist, wo er entsprechend seiner Leitfähigkeit den Schwingkreis bedämpft und wobei
an den Schwingkreis ein Spannungsmeßgerät für die Resonanzspannung des Schwingkreises
angeschlossen ist, die ihrers'eits als Maß für die Leitfähigkeit des angekoppelten
Scheibenbereiches dient.
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Das Standardverfahren für die Messung des spezifischen Widerstandes
von Halbleiterkristallscheiben mit guter Ortsauflösung ist die bekannte Vierspitzenmethode.
Sie ergibt Absolutwerte und ist daher die Basis aller Vergleichsmessungen für relative
Meßverfahren. Ihr Nachteil liegt darin, daß die Oberfläche der Kristallscheiben
durch die Meßspitzen beschädigt werden kann und daß nur frisch abgetragene Oberflächen
exakt meßbar sind.
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In derZeitschrift für angewandte Physik'lBand 23 (1967),Heft 4, Seite
268 ist ein Verfahren der Messung mit hochfrequenten Wechselstrom, wie eingangs
erwähnt, beschrieben. Dabei wird über einen jeweils dünnen Wasserfilm eine Metallsonde
mit definierter Stirnfläche auf eine Siliciumkristallscheibe und diese auf eine
Metallplattegedrückt. Die Sonde ist elektrisch einerseits mit dem Kondensator eines
Schwingkreises verbunden
und führt andererseits über die als hochkapazitive
elektrische Verbindung wirkenden Wasserfilme, über den durch die Stirnfläche abgedeckten
Bereich der Siliciumkristallscheibe und über die Metallplatte zur Spule des Schwingkreises.
Je nach der Seite fähigkeit des elektrisch wirksamen Bereichs der Siliciumkristallscheibe
wird der Schwingkreis bedämpft. Die davon abhängige Resonansspannung wird über ein
Spannungsmeßgerät gemssen und dient als Maß für die Leitfähigkeit des Scheibenbereicnes.
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Dieses Meßverfahren hat den Nachteil, daß die Qualität des verwendeten
Wassers in den zu messenden Scheibenwiderstand eingeht, wobei sich die Wasserhaut
im Kontakt mit Metallsonde und Siliciumkristallscheibe relativ rasch chemisch und
elektrisch verandern kann.
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Eine wesentliche Verbesserung des 1,Wasserhaut-Yerfahrens" ist aus
der DI-OS 2 328 590 (=VPA 73/1104) zu entnehmen. Bei diesem Verfahren speist ein
amplitudenstabiler Hochfrequenzgenerator, dessen Frequenz geändert werden kann,
einen Meßkreis, der zur Erzielung einer ausreichend hohen Kreisgüte als Topfkreis
(lag) ausgebildet ist. Mit einem Topfkreis erreicht man leicht GUten von einigen
Tausend. Eine kleine, einstellbare Teilkapazität Gg des Topfkreises wird durch die
Siliciumkristallscheibe und den in einem bestimmten einstellbaren Abstand angeordneten
Meßstempel gebildet. Die räumliche Dimensionierung der Eoppelglieder bestimmt die
geometrische Ortsauflösung, die möglichst hoch sein soll. Cp symbolisiert die innere
Kapazität der Siliciumkristallscheibe, die bei höheren Werten des spezifischen Widerstandes
dominierend wird und die Empfindlichkeit begrenzt. Wird beispielsweise durch entsprechende
Einstellung der Generatorfrequenz der Topfkreis in seiner Resonanzfrequenz angeregt,
80 zeigt das lose an den Topfkreis angekoppelte Meßinstrument maximale Spannung
an. Die Höhe der Resonanzspannung ist ein Maß für den spezifischen Widerstand bei
bestimmter Scheibendicke, weil die Kreisgüte bei Einhaltung gewisser Voraussetzungen
vom dämpfenden Scheibehen bestimmt wird. Uopfkreise sind mit
Vorteil
anwendbar, weineniederohmige Halbleiterkristallscheiben bis zu etwa 100 Ohm.cm gemessen
werden sollen, weil die Frequenz dabei relativ hoch sein kann, so daß man auch bei
hoher Ortsauflösung (kleine Koppelkapazität) mit kleinen und damit handlichen Topfkreisen
auskommt, Für höherohmiges Material müssen Frequenzen unter 100 lGHzverwendet werden.
Topfkreise dieser Frequenzen werden aber recht groß und unhandlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Resonanzkreise
kleiner Abmessungen mit Frequenzen zwischen 10 und 100 MHz und Güten von ca. 500
herzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung der eingangs erwähnten Art
dadurch gelöst, daß der Schwingkreis hoher Güte aus einer Ringkernspule mit einem
Ringkern aus UK1-Ferntmaterial besteht, der mit einem gut elektrisch leitenden Metallband
bewickelt ist, und daß die Kreis- und Koppelkapazität dadurch gebildet ist, daß
das Metallband an einem Ende mit einem, auf den zu messenden Bereich der Halbleiterkristallscheibe
gerichteten, in kleinem, 3ust-lcrbaren Abstand angeordneten Metallstift, am anderen
Ende mit der Auflageplatte für die Halbleiterkristallocheibe fest verbunden ist.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß der Metall stift und insbesondere
das Metallband, mit welchem der Ringkern aus dämpfungsarmem Ferritmaterial bewickelt-ist,
aus Silber besteht. Dadurch können Spulen mit für einen Meßkreis im interessierenden
Frequenzbereich 100 MHz>f>10 MHz bei ausreichender Güte hergestellt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß zur Kopplung der
Halbleiterkristallscheibe mit der Ringkernspule die metallische Auflageplatte eine
zentrale Öffnung zur Ankopplung an den Meßstempel aufweist, welche der Größe der
MeBfläche entspricht. Zur Erzielung definierter Koppelbedingungen wird die Halbleiterkristallscheibe
leicht auf die Auflageplatte gepreßt.
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Weiterhin ist vorgesehen, daß d e zentrale Öffnung auf der, der zu
messenden Scheibe abgekehrten Seite durch ein. Teflonstück verschlossen ist, welches
eine Durchbohrung für den mit dem Metallband verbundenen Metallstift (Meßstempel)
enthäit und gleichzeitig als Halter für den Metallstift dient.
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Um unabhängig von Oberflächenunregelmäßigkeiten der Halbleiterkristallscheibe
eine gleichmäßige Auflagefläche zu erhalten, wird in einer weiteren, vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung auf der, der Halbleiterkrls talls oheibe zugewandten
Seite der Auflageplatte ringförmig um die zentrale Öffnung eine flächige Erhöhung
angeordnet.
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Weitere Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Anordnung sollen anhand
der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigt die Figur 1 im Schnittbild eine
Ausbildung des Ringkernkreises und ein Blockschaltbild der Meßanordnung, Figur 2
ein Ersatzschaltbild des Ringkernkreises mit der Halbleiterkristallscheibe und Figur
3 eine Eichkurve für eine Siliciumkristallscheibe von ungefähr 3 mm Dicke, bei der
die Resonanzspannung als O=£inate in Skalenteilen und als Abszisse der spezifische
elektrische Widerstand in Ohm.cm aufgetragen ist.
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In Figur 1 ist eine Ringkernspule 2 dargestellt, welche aus einem
Ringkern 3 aus EKW-Ferritmaterial (Ni, Mn, Co, Zn-Oxyde) besteht, der mit einem
Silberband 4 umwickelt ist. Die unvermeidliche Grundkapazität des Schwingkreises
wird dadurch gebildet, daß das Silberband 4 an seinem einen Ende 5 mit dem Koppelstempel,
einem Silberstift 6, an seinem anderen Ende 7 mit der Auflageplatte 8 aus versilbertem
Messing, die das zu messende Objekt, eine Siliciumkristallscheibe 9 trägt, fest
verbunden ist.
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Die Auflageplatte 8 besitzt eine zentrale Öffnung, welche mit einem
Teflonstück 11 verschlossen ist. Das Teflonstück 11 ist
mit einer
Durchbohrung versehen, durch welche der kapazitiv zur Halbleiterscheibe koppelnde,
als Meßstempel dienende Silberstift 6 hindurchgeführt ist. Das Teflonstück 11 dient
dabei gleichzeitig als Halterung für den Silberstift 6. Die Auflageplatte 8 hat
auf ihrer, dem Meßobjekt 9 zugewandten Seite um die Öffnung 11 eine ringförmige
Erhöhung 12 aus gehärtetem Berylliumkupfer, welche nach oben zu konisch verläuft.
Durch diese flächige Erhöhung 12 werden großflächige Unebenheiten der Siliciumkristallscheibe
9 ausgeglichen. Die Siliciumkristalischeibe 9 wird durch den Federdruck P auf die
flächige Erhöhung 12 gedrückt.
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Ein Hochfrequenzgenerator 13 ist über eine Drahtschleife 14 induktiv
an den Ringkern gekoppelt. Eine Auskopplung zu einer Diode 15 erfolgt induktiv über
eine Drahtschleife 16. Die Diode 15 speist ein Anzeigeinstrument 18 für die Resonanzspannung.
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Der der Gleichrichteranordnung parallel geschaltete Ladekondensator
ist mit den Bezugszeichen 19 bezeichnet. Das Signal der Auskoppelschleife 16 kann
direkt oder nach Gleichrichtung verstärkt und dann erst weiter verarbeitet werden.
Ebenso kann ein amplitudenmoduliertes Signal über die Koppelschleife 14 eingespeist
werden. Nach der Demodulation durch die Diode 15 kann dann auf einfache Weise das
niederfrequente Modulationssignal weiter verstärkt werden.
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Im Ersatzschaltbild nach Fig.2 ist die Induktivität des Ringkernkreises
durch eine Spule 20 dargestellt, an die das HF Signal angelegt ist. Parallel zur
Spule 20 liegen ein Anzeigeinstrument 18 für die Resonanzspannung und ein Kondensator
21, der durch die unvermeidlichen Streukapazitäten der Anordnung gebildet wird.
Die Kapazität 0K 17 ist die Koppelkapazität zur Halbleiterkristallscheibe mit dem
Widerstand Rx 10. Sie wird durch die in kleinem Abstand zur Scheibenfläche befindliche
Meßstempelfläche gebildet.1)er Dämpfungswiderstand RD ist mit 22 gekennzeichnet.
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Eine Abstimmung des Ringkernkreises auf Resonanz erfolgt durch Einstellen
der Frequenz des vom HF-Generator 13 gelieferten
HF-Stromes von
konstanter Amplitude. Dabei wird auf Maximalspannung (Resonanz) abgeglichen. Bin
Verschieben der Siliciumkristallscheibe bringt jeweils einen anderen wirksamen Bereich
zur Kopplung mit dem Ringkernkreis. Falls die dabei betroffenen Bereiche unterschiedliche
Leitfähigkeit haben, dämpfen sie den Kreis auch unterschiedlich. Diese Unterschiede
äußern sich in der Höhe der Resonanzspannungen, welche am Anzeigeinstrument 18 abgelesen
werden können.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung mit Ringkernkreis läßt sich
der Verlauf der Leitfähigkeit von Halbleiterkristallscheiben mit hoher Ortsauflösung
verfolgen. Obwohl nicht die Parallel-Schwingkreisgüten von Topfkreisen erreicht
werden, lassen sich doch im Frequenzbereich zwischen 10 und 100 NHz ausreichende
Güten für die Messung höherohmiger Scheiben (10c 2 c 1000 Ohm.cm) erreichen. Besonders
vorteilhaft sind die kleinen Abmessungen, die einen handlichen Meßgeräteaufbau ermöglichen.
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Fig. 3 zeigt als Beispiel die Eichkurve für einen 83 MHz Ringkernkreis,
mit dem bei einem Stempelabstand (Luftspalt) zur Halbleite;kristallscheibe von 20/um,
bei einem Stempeldurchmesser von 1 mm und einem Bochdurchmesser in der Auflageplatte
von 2 mm Siliciumscheiben mit spezifischen Widerständen zwischen 10 und 300 Ohm.cm
gemessen werden können.
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Resonanzwiderstand Rres = QWLL = 45 k0hm (Q y 500) Induktivität L
= 1,06µm; CKO,3 pF; Cge8amt 3,3 pF Siemens-Ringkern aus Ferrit U 17.
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3 Figuren 9 Patentansprüche
L e e r s e i t e