DE2611316A1 - Anordnung zum zerstoerungsfreien messen des oertlichen verlaufs der elektrischen leitfaehigkeit einer halbleiterkristallscheibe - Google Patents

Anordnung zum zerstoerungsfreien messen des oertlichen verlaufs der elektrischen leitfaehigkeit einer halbleiterkristallscheibe

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DE2611316A1
DE2611316A1 DE19762611316 DE2611316A DE2611316A1 DE 2611316 A1 DE2611316 A1 DE 2611316A1 DE 19762611316 DE19762611316 DE 19762611316 DE 2611316 A DE2611316 A DE 2611316A DE 2611316 A1 DE2611316 A1 DE 2611316A1
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semiconductor crystal
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Wolfgang Dr Rer Nat Keller
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2607Circuits therefor
    • G01R31/2637Circuits therefor for testing other individual devices

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  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Description

  • Anordnung zum zerstörungsfreien Messen des örtlichen Verlaufs
  • der elektrischen Leitfhigkeit einer Halbleiterkristalischeibe.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Resonanzkreise kleiner Abmessungen mit Frequenzen zwischen 10 und 100 MHz und Güten von ca. 500 herzustellen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 3 Figuren 9 Patentansprüche L e e r s e i t e

Claims (9)

  1. Pat e n t a ii C he Anordnung zum zerstörungsfreien Messen des örtlichen Verlaufs der elektrischen Leitfähigkeit einer Halbleiterkristallscheibe, insbesondere einer höherohmigen Silioluinkristallscheibe, wobei ein Schwingkreis 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 ihrerseits als Maß für die Leitfähigkeit des angekoppelten Scheibenbereichs dient, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schwingkreis hoher Güte aus einer Ringkernspule mit einem Ringkern aus UKW-Ferritmaterial besteht, der mit einem gut elektrisch leitenden Metallband bewickelt ist, und daß die Ereis- und Koppelkapazität dadurch gebildet ist, daß das Metallband an einem Ende mit einem, auf den zu messenden Bereich der Halbleiterkristallscheibe gerichteten, in kleinem, justierbaren Abstand angeordneten Metallstift, am anderen Ende mit der Auflageplatte für die Halbleiterkristallscheibe fest verbunden ist.
  2. 2.) Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Metallstift und/oder das Metallband aus Siiber besteht.
  3. 3.) Anordnung nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Ringkernspule aus einem ferritischen Ringkern mit kleinen Verlusten besteht.
  4. 4.) Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Abstand Halbleiterkristallscheibe zu Metallstift auf ca. 20/um eingestellt wird.
  5. 5.) Anordnung nach Anspruch t bis 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß zur Kopplung der Halbleiterkristallscheibe mit dem Ringkernkreis die aus Metall bestehende Auflageplatte eine zentrale Öffnung zur Ankopplung an den als Meßstempel dienenden trIetallstrSt aufweist, welche der Größe des Meßflecks entspricht.
  6. .6.) Anordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die zentrale Öffnung auf der der zu messenden Halbleiterkristallscheibe abgekehrten Seite durch ein Teflonstück verschlossen ist, welches eine Durchbohrung für den mit dem Metallband verbundenen Metallstift enthält und gleichzeitig als Halter für den Metallstift dient.
  7. 7.) Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Auflageplatte auf der, der Halbleiterkristallscheibe zugewandten Seite ringförmig um die zentrale Öffnung eine flächige Erhöhung trägt.
  8. 8.) Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Abstand Metallstift zur messenden Halbleiterkristallscheibe konstant bleibt und die Frequenz des Hochfrequenzgenerators variierbar gemacht wird.
  9. 9.> Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß Eoppelschleifen vorgesehen sind, über die die Einkopplung und Auskopplung des HF-Signals induktiv erfolgt und daß die Koppelschleifen räumlich weit voneinander entfernt sind.
DE19762611316 1976-03-17 1976-03-17 Anordnung zum zerstoerungsfreien messen des oertlichen verlaufs der elektrischen leitfaehigkeit einer halbleiterkristallscheibe Withdrawn DE2611316A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2729169C1 (ru) * 2020-02-03 2020-08-04 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" Устройство для измерения удельного сопротивления полупроводниковых режущих керамических пластин

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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