DE2643914A1

DE2643914A1 - Verfahren und einrichtung zum messen des spezifischen widerstandes von leitern und halbleitern

Info

Publication number: DE2643914A1
Application number: DE19762643914
Authority: DE
Inventors: Milos Dipl Ing Jurca
Original assignee: CKD Praha DIZ AS
Current assignee: CKD Praha DIZ AS
Priority date: 1975-10-01
Filing date: 1976-09-29
Publication date: 1977-04-07
Also published as: US4075557A; FR2326708B1; DD127816A1; DE2643914C2; CS202665B1; FR2326708A1

Description

BEETZ -LAM PRECHT- B EETZ 8OOO München 22 - Steinsdorfstr. 10 TELEFON (Ο8Θ) 22 72O1 - 22 72 44 - 29B91O Telex 5 22O48 -Telegramm Allpatent München

PATENTANWÄLTE

Dipl.-Ing. R. BEETZ sen. Dlpl.-Ing. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. BEETZ Jr. Dlpl.-Phys. U. HEIDRICH auch Rechtsanwalt Dr.-lng.W.TIMPE Dlpl.-Ing. J. SIEGFRIED

233-26.071P

29. 9. 1976

CKD PRAHA, oborovy podnik, P R A G - CSSR

Verfahren und Einrichtung zum Messen des spezifischen Widerstandes von Leitern und Halbleitern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des spezifischen Widerstandes von Leitern und Halbleitern und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens .

Der spezifische Widerstand von Leitern und Halbleitern wird zurzeit im wesentlichen auf zwei Arten gemessen: Kontaktmessung und kontaktlose Messung. Die Kontaktmessung gestattet, den spezifischen Widerstand

233-s8967-HdSl

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an einer beliebigen Stelle des Prüflings zu messen, während das kontaktlose Verfahren eine Messung im Volumen ermöglicht, das durch die Dicke des Prüflings und die von der geometrischen Form der Meßsonde bestimmte Fläche gegeben ist.

Von den Kontaktmessungen ist am wichtigsten die sogenannte Vierpunktmeßmethode. Ihr Prinzip beruht auf der Messung des Spannungsabfalls zwischen zwei an bestimmten Punkten der Prüflingsoberfläche angelegten Wolfram-Tastspitzen. Ein spezifischer Gleichstrom wird von einem außen an den Tastspitzen angebrachten Spitzenpaar zugeführt. Dieses Verfahren bietet unter Einhaltung der notwendigen Bedingungen, insbesondere der Anlagekraft, des Radius und der Entfernung der Spitzen, ausreichend gute Ergebnisse mit einer für die übliche Herstellung des Prüflings-Materials genügenden Genauigkeit.

Hauptnachteile der Vierpunktmethode sind ihre verhältnismäßig lange Meßzeit (Notwendigkeit mehrfachen Messens an mehreren Stellen der Oberfläche) und weiter die kleine Lebensdauer der Meßköpfe (Stumpfwerden und Verformung der Spitzen durch die Prüflings-Oberflächen od. dgl.). Außerdem kann es selbst bei sorgfältigem Messen zu einem bestimmten Grad von Verunreinigung, ggf. auch zu einer Beschädigung der Oberfläche des Prüflings durch Abrieb und hohen spezifischen Druck der Metallspitzen sowie durch Berührung mit der Unterlage kommen.

Die kontaktlosen Verfahren zum Messen des spezifischen Widerstandes beruhen auf einer elektromagnetischen Methode, wobei sich die einzelnen Meßgeräteausführungen durch die Auswertungsart der Messungen unterscheiden. Es wird entweder die Änderung der Induktivität der Meßspule

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oder der Impedanz des Meßglieds, die Änderung des Gütefaktors des Meßglieds oder die Änderung der Dämpfung des Hochfrequenzfeldes in einem Hohlleiter od. dgl. ausgewertet. Z. B. gibt es ein Meßgerät zum Messen des spezifischen Widerstandes und der Dicke von Schichten, das nach dem Prinzip der elektromagnetischen Methode arbeitet und die durch den gemessenen Parameter verursachte Änderung der Induktivität der Meßspule auswertet. Es erfaßt die bei Durchgang durch einen Resonanzkreis bedingte Änderung eines frequenzmodulierfen Signals in ein amplitudenmoduliertes Signal, wobei der Prüfling mit dem Meßglied induktiv oder kapazitiv gekoppelt sein kann.

Ein gemeinsamer Machteil der zuzeit üblichen kontaktlosen Meßeinrichtungen ist die nichtlineare Abhängigkeit zwischen dem gemessenen Parameter, meistens der durch Demodulation von Hochfrequenzspannung gewonnenen Gleichspannung, und dem spezifischen Widerstand, was in vielen Fällen zur Verwendung von Zeigerinstrumenten mit nichtlinearer Skala, ggf. zur Verwendung von verschiedenen Korrekturdiagrammen cd. dgl. führt; daraus ergibt sich eine niedrige, in ihrer Abhängigkeit vom Wert des spezifischen Widerstandes veränderliche sowohl absolute als auch relative Meßgenauigkeit. Ebenfalls ist die Meßzeit insbesondere bei Anwendung von Korrekturdiagrammen lang.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die obengenannten Nachteile zu beseitigen.

Ein Verfahren zum Messen des spezifischen Widerstandes von Leitern und Halbleitern ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die durch den seinem spezifischen Widerstand proportionalen Verlustparameter des

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Prüflings verursachte Änderung des Gütefaktors eines LC-Meßglieds ausgewertet wird, wobei der spezifische Widerstand in die von im Meßglied auf- und abschwingender Hochfrequenzspannung gebildete Meßgröße eingeht und zwar derart, daß die Reaktanz des Systems Meßsonde-Prüfling und die Eigenreaktanz der Meßsonde von zwei Kompensationsimpedanzen kompensiert und gleichzeitig der lineare Transformationsbereich eines Kapazitätsteilers des Meßglieds benutzt wird, so daß die Abhängigkeit des Gütefaktors des LC-Meßglieds vom spezifischen Widerstand des Prüflings im wesentlichen linear ist.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßglied mit einer Spule vorgesehen ist, die parallel zu einer einen Kapazitätsteiler bildenden Reihenkombination von zwei Kondensatoren liegt, daß an eine Abzweigung der Spule ein Hochfrequenzspannungsgenerator angeschlossen ist, daß parallel zum zweiten Kondensator des Kapazitätsteilers eine Reihenkombination von zwei Kompensationsimpedanzen angeschlossen ist, parallel zu deren zweiter die Meßsonde angeschlossen ist, daß an die Spule und den ersten Kondensator des Kapazitätsteilers ein Demodulator angeschlossen ist, an dessen Ausgang ein mit dem Eingang eines Linearisierungsglieds verbundener Stellwiderstand angeschlossen ist, und daß der Au3gang des Linearisierungsglieds an ein Korrekturglied mit einem nachgeschalteten Digitalvoltmeter angeschlossen ist (Fig. 3).

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen des spezifischen Widerstandes und die Einrichtung zu seiner Durchführung haben unter anderem folgende Vorteile:

Leichte Bedienbarkeit der Einrichtung,

ein um ein Vielfaches schnelleres Messen als bisher,

keine Anwendung von Korrekturdiagrammen,

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digitale Darstellung des Viertes des spezifischen Widers tande s,

leichte Wartung der Einrichtung ohne Benutzung von Spezialmeßgeräten und

hohe Meßgenauigkeit.

Der Prüfling ist dabei mit keinem der Metallteile der Einrichtung in Kontakt, er wird nicht mechanisch beansprucht und bei Plättchen-Prüflingen., z. B. aus Silizium, ist als hervorragende Eigenschaft die Unempfindlichkeit der Messung gegen Durchbiegen anzusehen.

AusfUhrungsbeispiele der Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen des spezifischen Widerstandes sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Pjg. 1 das Schaltbild des Meßglieds;

Fig. 2 ein genaueres Schaltbild eines abgewandelten Meßglieds;

Fig. j5 ein vereinfachtes Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Messen des spezifischen Widerstandes;

Fig. 4 das Schaltbild des Demodulators;

Fig. 5 das Schaltbild des Linearisierungsglieds;

Fig. 6 und 7 Schaltbilder des Korrekturgliedes;

Fig. 8 und 9 die Meßsonde bzw. das System Meßsonde-Prüflings-Plättchen; und

Fig. 10 das Ersatzschaltbild des Systems Meßsonde-Prüflings -Plättchen.

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Ein Ausführungsbeispiel der Meßsonde in koaxialer Anordnung ist in Fig. 9 dargestellt. Durchmesser Dl, D2, D3 sowie Material, Aufbau und Technologie sind so gewählt, daß die Meßsonde die nachfolgende!Eigenschaften aufweist. Zu ihrer Beschreibung ist noch das in Fig. 8 dargestellte Ersatzschaltbild des Systems Meßsonde-Prüflings-Plättchen nötig, wo ein Prüfling MV mit einem Durchmesser 0~ und eine Meßsonde MS mit Durchmessern Dl, D2 und D.5 gezeigt sind (vgl. auch Fig. 9)·

Das Ersatzschaltbild des vSystems Meßsonde-Prüflings-Plättchen von Fig. 10 wird durch die Eigenkapazität C- der Elektroden der Meßsonde gebildet, die parallel zur Serienkombination der Ersatzkapazität Cg des Systems und des Ersatzverlustwiderstands R* jenes Scheibendurchmessers angeschlossen ist, den das quasistationäre elektrische Feld durchsetzt.

Die Meßsonde MS hat folgende Eigenschaften:

- die Ersatzkapazität des Systems bzw. die Koppelkapazität C_Q zwischen der Meßsonde und dem Prüflings-Plättchen beträgt ca. 6 pF;

- die Eigenkapazität der Elektroden der Meßsonde C ca. 2 pF;

- das Prüflings-Plättchen MV berührt nicht die metallische Oberfläche der Elektroden der Meßsonde MS;

- die aktive Oberfläche der Meßsonde, d. i. die an der Messung beteiligte Fläche, beträgt ggf. 30 % der Gesamtfläche des Plättchens.

Der Ersatzverlustwiderstand Rg und die Ersatzkapazität C_g sind gegeben durch die Beziehungen:

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R₃ = Qi · $ · -— (α; il-cm, cm) (1)

C₃ = β ' γ- (F; m) (2)

mit #< , β = von der Meßsondenausführung abhängige

Konstanten;
tjyr, tj, = Meßsonden- bzw. Plättchendicke.

Für die Meßsonde nach Fig. 9 gilt:

* ⁼ W ' ^ln D^ &

β= 6,95 ' 10"¹² · —j j (F-m; m²)

Die Meßsonde wird an das Meßglied angeschlossen, das mit weiteren Gliedern die Einrichtung zum Messen des spezi fischen Widerstandes bildet.

Das Gesamtschaltbild dieser Einrichtung ist in Fig. dargestellt. Diese Einrichtung hat zunächst einen Hochfrequenzgenerator 1 mit einem Innenwiderstand 2, der an das eine Spule 3 und einen aus Kondensatoren 4, 5 bestehenden Kapazitätsteiler aufweisende Meßglied angeschlossen ist.

Zum Meßglied gehören weiter Kompensationsspulen 6, 7, wobei parallel zur Spule 7 eine Meßsonde 8' angeschlossen ist. Die Induktivität der Spule 6 wird hier durch die Kapazität des Systems Meßglied-Prüflings-Plättchen, die Induktivität der Spule ¹J durch die Eigenkapazität der Meßsonde 8' kompensiert. Die Meßsonde 8' dient hierbei zur kapazitiven Ankopplung des Prüflings-Plättchens an das Meßglied..

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An das Meßglied ist weiter ein zur Demodulation der Wechselspannung am Meßglied dienender Demodulator 9' angeschlossen.

Bestandteile der Einrichtung sind weiter ein Stellwiderstand 10', ein Linearisierungsglied 11', ein Korrekturglied 12' und ein Digitalvoltmeter Ij)¹. Der Stellwiderstand 10' dient zur Eichung der Einrichtung, das Linearisierungsglied 11' zur Linearisierung des gemessenen Parameters, das Korrekturglied 12' zum Korrigieren des Einflusses der Dicke des Prüflings-Plättchens und das Digitalvoltmeter 13' hier zum Subtrahieren der Werte der gemessenen spezifischen Widerstände.

Das Meßglied ist auch in Fig. 1 und 2 dargestellt, nämlich in Fig. 1 sein Blockschaltbild und in Fig. 2 ein Beispiel eines genaueren Schaltbilds mit dem Demodulator. An den von der Spule 3j dem Kapzitätsteiler K, 5 und den Kompensationsimpedanzen 6, 7 gebildeten Meßglied MO sind der vom Block G gebildete Hochfrequenzspannungsgenerator mit Innenwiderstand 2, das PrUflings-Plättchen MD mit der Meßsonde, wobei die Ersatzschaltung dieses Systems vom Widerstand 9 und von den Kondensatoren 8, 10 (siehe Fig. 9* 10) gebildet wird, und schließlich der zur Demodulation der Wechselspannung am Meßglied MO dienende Demodulator D angeschlossen. Die Kompensationsimpedanzen 6, 7 aus Fig. sind in Fig. 2 von den Spulen 6, 7 gebildet und der Demodulator D ist in der Anordnung von Fig. 2 durch eine Diode 11 und ein aus einem Widerstand 13 und Kondensatoren 12, bestehendes Filter gebildet. Dieser Demodulator ist gesondert in Fig. 4 dargestellt, wo parallel zu seinem Ausgang ein Widerstand I5 angeschlossen ist.

Beim Einschalten des Meßgliedes in Fig. 1 bis 3 gilt:

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" ~O

mit w = Nennkreisfrequenz des Generators G, L-, = Kompensationsimpedanz 7, und C_n = Eigenkapazität 8 der Meßsondenelektroden.

Entsprechend gilt:

1
WL₂ = ^- (5a),

mit Lp - Induktivität der Kompensationsimpedanz 6 und

C₀ - Kapazität 10 des Systems Meßsonde - Prüflings-Plättchen.

Aus den Beziehungen (5) und (5a) ergeben sich die Größen der Kompensationsimpedanzen Lp, L-, zu:

2
' ^Co

(6)

(6a).

Der Verlustwiderstand R_c des Prüflings-Plättchens wird auf die Klemmen der Spule 5 des Meßglieds bzw. auf deren Abzweigung transformiert, wobei bei dieser Transformation nur der lineare Transformationsbereich des durch die Bezeihung

C + C _p

^Ro - ^Rs

definierten Kapazitätsteilers 4, 5 benutzt wird. In (7) bedeuten:

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-XJ-

, C = Kapazität der Kondensatoren ¹V, 5,

R„ = Verlustwiderstand des Prüflings-PläU.chens und

R_n = auf die Klemmen der Spule 3 transformierter Widerstand R_a.

Die lineare Abhängigkeit der Wechselspannung U des Meßglieds vom umtransformierten V^rlustwiderstand des Prüflings-Plättchens R kann dann erzielt werden, wenn der Resonanzwiderstand R des eigentlichen, unoelasteten Meßglieds und der Verlustwiderstand R, des Dioden-Demodulators die Bedingung erfüllen:

R^ >

R_d > co

Aufgrund der Werte des Gütefaktors des unbelasteten Meßglieds . (des Resonanzwiderstandes R) und des Verlustwiderstandes R, des Dioden-Demodulators ist es not-

wendig, die Abhängigkeit U = f (R ) und demgemäß auch U_n = f (<?) zu linearisieren (<f = spezifischer Widerstand). In jedem Fall ist es jedoch notwendig, die Stromspeisung des Meßglieds und den geeigneten Wert des Kopplungsfaktors zwischen den Wicklungen der Spule 3 zu sichern.

Diese Linearisierung wird vom in Fig. 5 abgebildeten, von einem Operationsverstärker 8" mit Widerständen l", 2", V, 5", 7" und Dioden 3", 6" gebildeten Linearisierungsglied 11' durchgeführt, das sehr einfach ist und nur eine der möglichen Ausführungen darstellt.

An den Ausgang dieses Linearisierungsglieds ist das

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Korrekturglied 12' angeschlossen, das den Einfluß der Dicke der Prüflings-Plättchen so zu korrigieren hat, daß die bei einer bestimmten Plättchendicke durchgeführte Eichung der Einrichtung nicht geändert werden muß. In Fig. 6 und 7 sind zwei Abwandlungen dieses von einem Widerstandteiler gebildeten Korrekturglieds, das entweder aus zwei Widerständen 1,2 oder aus einem Stellwiderstand besteht, gezeigt. Die Korrekturgenauigkeit ist durch die Genauigkeit der Einstellung der Teilwiderstände gegeben.

Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen des spezifischen Widerstandes dient zum Messen des spezifischen Widerstandes von Leitern und Halbleitern verschiedener geometrischer Formen, z. B. verschieden dicker runder Plättchen, zum Messen des spezifischen Widerstandes flüssiger und gasförmiger Stoffe und zum Messen der Schichtdicke von Leitern. Infolge der Linearisierung ist die Spannungsanzeige des Digitalvoltmeters numerisch gleich dem Wert des spezifischen Widerstandes des Prüflings bzw. der oben angeführten Schichtdicken.

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AS

Leerseite

Claims

Ansprüche

( Iy Verfahren zum Messen des spezifischen Widerstandes von Leitern und Halbleitern,

dadurch gekennzeichnet,

daß die durch den seinem spezifischen Widerstand proportionalen Verlustparameter des Prüflings verursachte Änderung des Gütefaktors eines LC-Meßglieds ausgewertet wird,

wobei der spezifische Widerstand in die von im Meßglied auf- und abschwingender Hochfrequenzspannung gebildete Meßgröße eingeht und zwar derart,

daß die Reaktanz des Systems Meßsonde-Prüfling und die Eigenreaktanz der Meßsonde von zwei Kompensationsimpedanzen kompensiert und gleichzeitig der lineare Transformationsbereich eines Kapazitätstellers des Meßglieds benutzt wird,

so daß die Abhängigkeit des Gütefaktors des LC-Meßglieds vom spezifischen Widerstand des Prüflings im wesentlichen linear ist.
2. Einrichtung zur Durchführung des Meßverfahrens nach Anspruch 1,

§:'m * VL^ W& h :■" « β'φ-e run zeichnet,

daß ein Meßglied mit einer Spule (3) vorgesehen ist,

die parallel zu einer einen Kapazitätsteiler bildenden Reihenkombination von zwei Kondensatoren (4, 5) liegt,

daß an edm! Abzweigung der Spule (3) ein Hochfrequenzspannungsgenerator (1, 2) angeschlossen ist,

ORIGINAL INSPECTED

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- vf- V

daß parallel zum zweiten Kondensator (5) des Kapazitätsteilers eine Reihenkorabination von zwei Kompensationsimpedanzen (6, 7) angeschlossen ist,

(7)

parallel zu deren zweiter die Meßsonde (8') angeschlossen ist,

daß an die Spule (3)" und den ersten Kondensator (4) des Kapazitätsteilers ein Demodulator (9^f) angeschlossen ist,

an dessen Ausgang ein mit dem Eingang eines Linear!- sierungsglieds (ll^f) verbundener Stellwiderstand (10^f) angeschlossen ist, und

daß der Ausgang des Lineariaierung3gXieds (II¹) an ein Korrekturglied (12') mit einem nachgeschaltetpn Digitalvoltmeter (13') angeschlossen ist (Fig. 3)·
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsimpedanzen (6> 7) des Meßglieds Spulen sind (Fig. 2, 3).
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3j

dadurch gekennzeichnet,

daß das Linearisierungsglied einen Operationsverstärker (8") aufweist, von dem der invertierende Eingang über einen ersten Widerstand (l") an einen der Eingänge des Linearisierungsglieds, der nichtinvertierende Eingang an den zweiten der Eingänge des Linearisierungsglieds und der Ausgang an den Ausgang des Linearisierungsglieds angeschlossen sind,

daß parallel zum ersten Widerstand (l") die Reihenkombination eines zweiten Widerstandes (2") und einer ersten Diode (3") und die Reihenkombination eines dritten Widerstandes (5") und einer zweiten Diode (6") angeschlossen sind,

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und daß die Mittelpunkte der beiden Reihenkombinationen (2", 3"; 5", 6") über einen vierten bzw. einen fünften Widerstand (4"; 7") mit der Speisespannung (+) verbunden sind (Fig. 5).
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturglied ein aus zwei Pestwiderständen (I⁺; 2⁺) bzw. einem Potentiometer (1 ) bestehender Widerstandteiler ist (Fig. 6; 7).

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