DE4412238A1 - Optical measuring arrangement for fast, contactless and non-destructive of characteristic semiconductor parameters - Google Patents

Optical measuring arrangement for fast, contactless and non-destructive of characteristic semiconductor parameters

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Abstract

The invention relates to an optical measuring arrangement for fast, contactless and non-destructive determination of both characteristic electrical semiconductor parameters such as charge-carrier concentration, charge-carrier mobility and electrical conductivity, and the stoichiometry of specific ternary and quaternary compound semiconductors. The determination of the semiconductor parameters is carried out by recording and evaluating the reflection spectra in the infrared (IR) spectral range in the region of the plasma resonances and phonon oscillations of the semiconductor materials to be examined. Analysis of plasma resonance provides, according to the Drude model, charge-carrier concentration and mobility, and analysis of the phonon oscillations by means of Lorentzian oscillator functions gives information regarding the stoichiometry of specific ternary and quaternary compound semiconductors. According to the invention, fast and contactless measurement of the IR reflection spectra is achieved by the use of an optical measuring arrangement having suitable IR array detectors. The measurement method is suitable for use both in analysis of semiconductor bulk materials and for solid-state structures formed by layer systems, in which one or more involved crystalline phases are formed from the semiconductor materials to be characterised. The invention can be applied to amorphous, polycrystalline and monocrystalline semiconductor materials.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Meßanordnung sowie ein Meß- und Auswer­ tungsverfahren zur schnellen kontaktlosen und zerstörungsfreien Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration, Ladungsträgerbeweglichkeit und elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitern sowie der Stöchiometrie bestimmter Verbindungs­ halbleiter durch mathematische Modellierung und Fittung der registrierten IR- Reflexionsspektren
Die Anregungsbereiche von Gitter- und Plasmaschwingungen (Phononen bzw. Plas­ monen von Halbleitermaterialien liegen im infraroten (IR) Spektralbereich. Da sich in einem Absorptionsbereich die optischen Konstanten Brechungsindex n und Ab­ sorptionskoeffizient k eines Mediums drastisch ändern, wird nach der BEER′ schen Formel (1) die Reflektivität R des Materials wesentlich beeinflußt (L. Bergmann, C. Schäfer, F. Matossi, "Lehrbuch der Experimentalphysik Optik", Berlin, Verlag Walther de Gruyter & Co., 1966, 4. Aufl., 184-196).The invention relates to an optical measuring arrangement and a measurement and evaluation process for rapid contactless and non-destructive determination of the charge carrier concentration, charge carrier mobility and electrical conductivity of semiconductors and the stoichiometry of certain compound semiconductors by mathematical modeling and fitting of the registered IR reflection spectra
The excitation ranges of lattice and plasma vibrations (phonons or plasmon of semiconductor materials are in the infrared (IR) spectral range. Since the optical constants refractive index n and absorption coefficient k of a medium change drastically in an absorption range, the BEER ′ formula ( 1 ) the reflectivity R of the material is significantly influenced (L. Bergmann, C. Schäfer, F. Matossi, "Textbook of Experimental Physics Optics", Berlin, Verlag Walther de Gruyter & Co., 1966, 4th ed., 184-196) .

Mit Hilfe der DRUDE-Theorie (P. Drude, Phys. Z. 1, (1900), 161), welche die Resonanzen der freien Ladungsträger (Plasmaresonanzen) in Abhängigkeit von der Wellenzahl der einfallenden elektromagnetischen Strahlung beschreibt, können aus den IR-Reflexionsspektren von Halbleitern insbesondere im Bereich der Plasmare­ flexionskante aus deren spektraler Lage die Ladungsträgerkonzentration und aus dem Anstieg der Reflektivität die Ladungsträgerbeweglichkeit bestimmt werden. Aus den gewonnenen Parametern Ladungsträgerkonzentration N und Ladungs­ trägerbeweglichkeit µ kann man die elektrische Leitfähigkeit berechnen. Die optische Bestimmung von N und µ ist beispielsweise für GaAs (R.T. Holm, J.W. Gibson, E.D. Palick, J. Appl. Phys. 48, (1977), 212), sowie für dünne Schichten breitbandiger Halbleiter wie dotiertes Zinndioxid (F. Simonis, M. v.d. Leÿ, C.J. Hoogendoorn, Sol. Energ. Mat. 1, (1979), 221) beschrieben. Dieses Verfahren wurde als gesicherte Analysenmethode zur Bestimmung der genannten cha­ rakteristischen Halbleiterparameter beispielsweise für zinndoiertes Indiumoxid (R. Kalähne, K. Bolick, K.D. Schleinitz, M. Rottmann, K.-H. Heckner, P. Klobes, Proc. SPIE. Int. Soc. Opt. Eng. 1575, (1991), 532) und für GaAs (A. Kraft, K.-H. Heckner, J. Radioanal. Nuc. Chem. 174, (1993), 167) verwendet. Die erforderlichen IR-Reflexionsspektren wurden dabei mit einem FTIR- bzw. konventionellen IR- Spektrophotometer mit hohem Zeitaufwand registriert.With the help of the DRUDE theory (P. Drude, Phys. Z. 1, (1900), 161), which the Resonances of the free charge carriers (plasma resonances) depending on the Describes wavenumber of incident electromagnetic radiation, from the IR reflection spectra of semiconductors, especially in the field of plasma inflection edge from their spectral position the charge carrier concentration and from the increase in reflectivity determines the mobility of the charge carriers. From the parameters obtained, charge carrier concentration N and charge Carrier mobility µ you can calculate the electrical conductivity. The Optical determination of N and µ is, for example, for GaAs (R.T. Holm, J.W. Gibson, E.D. Palick, J. Appl. Phys. 48, (1977), 212), as well as for thin layers broadband semiconductors such as doped tin dioxide (F. Simonis, M. v.d. Leÿ, C.J. Hoogendoorn, Sol. Energ. Mat. 1, (1979), 221). This method was used as a reliable analysis method to determine the cha characteristic semiconductor parameters for example for tin-doped indium oxide (R. Kalähne, K. Bolick, K.D. Schleinitz, M. Rottmann, K.-H. Heckner, P. Klobes, Proc. SPIE. Int. Soc. Opt. Eng. 1575, (1991), 532) and for GaAs (A. Kraft, K.-H. Heckner, J. Radioanal. Nuc. Chem. 174, (1993), 167) was used. The necessary IR reflection spectra were recorded using an FTIR or conventional IR  Spectrophotometer registered with a high expenditure of time.

Die Modellierung auftretender Phononenschwingungen in den IR-Reflexionsspektren mittels einer bzw. mehrerer LORENTZ-Oszillatorfunktionen ermöglicht des weiteren die Analyse der Art binären Halbleitermaterials bzw. der Stöchiometrie ternärer Halbleiterverbindungen (I.F. Chang, S.S. Mitra, Physical Review 172, (1968), 924). Während die Gitterschwingungen der Elementhalbleiter (Silizium und Germanium) nicht IR-aktiv sind, läßt sich z. B. bei binären III-V- oder II-VI-Halbleitern durch Auswertung der spektralen Lage der Restrahlenbande die Art des untersuchten Materials feststellen.The modeling of occurring phonon vibrations in the IR reflection spectra by means of one or more LORENTZ oscillator functions the analysis of the type of binary semiconductor material or the stoichiometry ternary Semiconductor compounds (I.F. Chang, S.S. Mitra, Physical Review 172, (1968), 924). While the lattice vibrations of the element semiconductors (silicon and germanium) are not IR active, z. B. in binary III-V or II-VI semiconductors Evaluation of the spectral position of the residual radiation band the type of examined Material.

Bei ternären Halbleitern (z. B. Ga1-xAlxAs oder GaAs1-xPx) existiert je nach der Art der gemeinsam miteinander vorliegenden Untergitter Ein- oder Zweimodenverhalten. Wenn die beiden s.g. Reststrahlenbanden spektral nah beieinander liegen oder sogar überlappen, liegt Einmodenverhalten vor, wenn diese weiter auseinander liegen, liegt Zweimodenverhalten vor. Die genaue spektrale Lage und insbesondere die Intensität der Banden hängt wiederum von der Stöchiometrie der Verbindung ab.In the case of ternary semiconductors (e.g. Ga 1-x Al x As or GaAs 1-x P x ), depending on the type of sublattices present together, there is one- or two-mode behavior. If the two so-called residual radiation bands are spectrally close to one another or even overlap, there is single-mode behavior; if these are further apart, there is two-mode behavior. The exact spectral position and in particular the intensity of the bands in turn depends on the stoichiometry of the connection.

Die Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung im interessierenden Spek­ tralbereich liegt im µm-Bereich. Die Information, die im reflektierten Strahl enthal­ ten ist, stammt in exponentiell abnehmenden Maße aus dem gesamten Bereich der Eindringtiefe. Es ist also auch möglich Schichtkombinationen aus den entsprechen­ den Materialien mit Gesamtschichtdicken, die im Bereich der Eindringtiefe liegen, zu untersuchen und mit Hilfe entsprechender Schichtmodelle auszuwerten. Insbesondere gilt das für dünne epitaktische Filme auf anders dotiertem Material oder Substraten, die sich chemisch vom zu analysierenden Halbleitermaterial unterscheiden.The penetration depth of the electromagnetic radiation in the specter of interest tral range is in the µm range. The information contained in the reflected beam is, comes in exponentially decreasing dimensions from the entire area of Depth of penetration. It is therefore also possible to use layer combinations from the corresponding the materials with total layer thicknesses that are in the area of the penetration depth, to be examined and evaluated with the help of appropriate shift models. This applies in particular to thin epitaxial films on differently doped material or substrates that are chemically different from the semiconductor material to be analyzed differentiate.

Die Bestimmung charakteristischer elektrischer Halbleiterparameter wie elektrische Leitfähigkeit, Ladungsträgerkonzentration und Ladungsträgerbeweglichkeit in For­ schung und Industrie wird üblicherweise durch Anwendung elektrischer Meßmetho­ den, die häufig eine Kontaktierung des Materials nötig machen, realisiert. Bekannte Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitern beruhen auf der Anwendung des OHM′schen Gesetzes und Messung von Spannungsabfällen in Abhängigkeit vom Speisestrom. Für bestimmte Meßaufgaben wurden die Zwei- Sonden-Methode, das Vier- und Fünfspitzenverfahren sowie das Ausbreitungs­ widerstandsverfahren entwickelt (Autorenkollektiv, "Werkstoffe der Halbleitertech­ nik", Leipzig, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1983. S. 275-209). Um im Routinebetrieb eine Verfälschung der Meßwerte durch hohe Übergangs- und parasitäre Widerstände sowie auftretende SCHOTTKY-Barrieren an den Kontakten auszuschließen, wurden komplizierte Automaten und Verfahren (DE 30 40 275 A1) sowie spezielle Meßanordnungen (DE 28 16 409 A1) entwickelt.The determination of characteristic electrical semiconductor parameters such as electrical Conductivity, charge concentration and charge mobility in For Research and industry is usually done using electrical measurement methods those who often need to contact the material. Known Methods for determining the electrical conductivity of semiconductors are based on the application of OHM's law and measurement of voltage drops depending on the feed current. The two- Probe method, the four and five-tip method and the spread resistance process developed (collective of authors, "Materials of semiconductor technology nik ", Leipzig, German publishing house for basic material industry, 1983. S. 275-209) Routine operation a falsification of the measured values due to high transition and  Parasitic resistances as well as SCHOTTKY barriers on the contacts complicated machines and processes were excluded (DE 30 40 275 A1) and special measuring arrangements (DE 28 16 409 A1) developed.

Besteht die Aufgabe, die Ladungsträgerkonzentration N von Halbleitermaterialien zu bestimmen, so werden häufig Kapazitäts-Spannungsmessungen (C-V-Messun­ gen), HALL-Messungen oder Messungen der Durchbruchsspannung ausgeführt, welche ebenfalls eine Kontaktierung der Halbleiter erfordern. Bei letzterer Methode werden in der Regel keine Absolutwerte der Ladungsträgerkonzentration erhalten, sondern aufgrund prinzipieller physikalischer Gründe wird N mit einer empirisch ermittelten Eichkurve bestimmt.The task is to determine the charge carrier concentration N of semiconductor materials capacitance-voltage measurements (C-V measurements gen), HALL measurements or breakdown voltage measurements, which also require contacting of the semiconductors. With the latter method As a rule, no absolute values of the charge carrier concentration are obtained, but because of fundamental physical reasons, N becomes empirical determined calibration curve.

Hohe auftretende Ströme bewirken eine beträchtliche Erwärmung des Halbleiters während der Messung. Um eine Verfälschung der Meßwerte oder sogar Beschädi­ gungen eines Bauelements zu verhindern sind spezielle Meßtechniken wie z. B. in DE 42 08 146 A1 beschrieben, erforderlich.High currents cause considerable heating of the semiconductor during the measurement. To falsify the measured values or even damage Prevention of a component are special measurement techniques such. B. in DE 42 08 146 A1 described, required.

Die Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration aus der Spannungsabhängigkeit der Kapazität eines Metall-Halbleiter-Kontaktes (C-V-Messungen) setzt die Her­ stellung geeigneter SCHOTTKY-Kontakte voraus. Geeignete SCHOTTKY-Barrieren werden mit auf den Halbleiter aufgedampften Gold- und Aluminiumschichten bzw. durch Quecksilber- und Elektrolytkontakte des Halbleiters erreicht. Hg-Halblei­ terkontakte ermöglichen nach Entfernen des Quecksilbers eine Weiterverwendung des Halbleiters, jedoch muß mit einer Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiters durch inkorporierte Hg-Verunreinigungen gerechnet sowie die bekannte Hg-Abfallproblematik gelöst werden. Geeignete Geräte zur Herstellung eines Halbleiter-Quecksilberkontaktes und Ausführung der Messungen sind in DE- PS 27 41 682 und DE 41 15 680 A1 beschrieben. Dabei wird aus DE 41 15 680 A1 deutlich, daß eine präzise Justage von Halbleiter und Quecksilberelektrode die Voraussetzung für reproduzierbare Messungen ist.The determination of the charge carrier concentration from the voltage dependence The capacity of a metal-semiconductor contact (C-V measurements) is determined by the manufacturer provision of suitable SCHOTTKY contacts. Suitable SCHOTTKY barriers are deposited with gold and aluminum layers or achieved through mercury and electrolyte contacts of the semiconductor. Hg half lead After the mercury has been removed, contacts allow further use of the semiconductor, but must be influenced by the electrical properties of the semiconductor due to incorporated mercury impurities and the known mercury waste problems can be solved. Suitable equipment for manufacturing of a semiconductor mercury contact and execution of the measurements are in DE PS 27 41 682 and DE 41 15 680 A1 described. DE 41 15 680 A1 clearly that a precise adjustment of the semiconductor and mercury electrode The requirement for reproducible measurements is.

Ähnlich wird die Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration nach der C-V-Me­ thode durch Elektrolytkontakte ausgeführt. In DE 31 03 611 A1 und DE 40 25 764 A1 sind dazu entwickelte Vorrichtungen beschrieben, wobei in DE 31 03 611 A1 mittels Ultraschall während der Messungen mögliche, durch Korrosion und Elektrolyse entstehende und den Halbleiter-Elektrolyt-Kontakt störende Gasblasen entfernt werden. Da durch notwendige Kontaktierungen oft keine Weiterverwendung der un­ tersuchten Proben möglich und deshalb beispielsweise in einem Produktionsprozeß nur die stichprobenartige Untersuchung durchführbar ist, werden kontaktlose Meßverfahren benötigt. Kontaktlose Leitfähigkeitsmessungen dünner Halbleiter­ scheiben sind mit dem Hochfrequenz- und Tastspulenverfahren möglich (Autoren­ kollektiv, "Werkstoffe der Halbleitertechnik", Leipzig, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1983, S. 275-209).The determination of the charge carrier concentration according to the C-V-Me method carried out by electrolyte contacts. In DE 31 03 611 A1 and DE 40 25 764 A1 Devices developed for this purpose are described, whereby in DE 31 03 611 A1 Ultrasound possible during measurements, due to corrosion and electrolysis gas bubbles that arise and disrupt the semiconductor-electrolyte contact become. As often no further use of the un probed samples possible and therefore, for example, in a production process only the sample-like examination is feasible, will be contactless Measuring method needed. Contactless conductivity measurements of thin semiconductors discs are possible with the high-frequency and probe coil method (authors  collective, "Materials of semiconductor technology", Leipzig, German publisher for Grundstoffindustrie, 1983, pp. 275-209).

Meßanordnungen, welche auch die kontaktlose Bestimmung der Ladungsträgerkon­ zentration im Halbleiter ermöglichen, sind in DE 41 39 438 A1 und DE 42 17 097 A1 beschrieben. Die dort beschriebene Methode beruht auf der Analyse der Phasenver­ schiebung eines vom Halbleiter reflektierten Lasermeßstrahls. Eine weitere Meßmethode wird in DE 42 10 914 A1 vorgestellt, in der der Einfluß der freien Ladungsträger auf eine oberflächennahe akustoelektrische Oberflächenwelle analysiert wird.Measuring arrangements, which also include the contactless determination of the charge carrier con Allow concentration in the semiconductor are in DE 41 39 438 A1 and DE 42 17 097 A1 described. The method described there is based on the analysis of the phase ver shift of a laser measuring beam reflected by the semiconductor. Another Measuring method is presented in DE 42 10 914 A1, in which the influence of the free Charge carriers onto a near-surface acoustoelectric surface wave is analyzed.

Im allgemeinen erfolgt in der Halbleiterindustrie und -forschung die Charak­ terisierung der Stöchiometrie von ternären Verbindungshalbleitern durch Metho­ den, wie SIMS- oder Auger-spektroskopische Tiefenprofilanalysen bzw. klassische chemische Methoden. Diese Methoden verursachen jedoch eine zumindest partielle Zerstörung bzw. einen Abtrag des Halbleiters, wodurch dieser für eine weitere Verwendung oftmals unbrauchbar wird und ebenfalls nur die Stichprobenartige Untersuchung möglich ist.In general, the character takes place in the semiconductor industry and research terization of the stoichiometry of ternary compound semiconductors by metho the, like SIMS or Auger spectroscopic depth profile analysis or classic chemical methods. However, these methods cause an at least partial Destruction or erosion of the semiconductor, causing it to be used for a further Use is often unusable and also only the sample type Examination is possible.

Bisher findet die optische Bestimmung elektrischer Halbleiterparameter wie Ladungsträgerkonzentration, -beweglichkeit und der Stöchiometrie bestimmter ternärer und quaternärer Verbindungshalbleiter praktisch keine Anwendung (da die Aufnahme der IR-Reflexionsspektren mit dispersiven oder FTIR-Spektrometern zu zeitaufwendig ist). Das wird auch von der ASTM bei Beschreibung einer empiri­ schen optischen Methode zur Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration von Halbleitern bestätigt (American Society for Testing and Materials, "Standard Test Method for Majority Carrier Concentration in Semiconductors by Measurement of Wavenumber or Wavelength of the Plasma Resonance Minimum", 1992 Annual Book of Standards, vol. 10.05, procedure F 398-92). Diese Methode basiert zwar ebenfalls auf der Plasmaresonanz der freien Ladungsträger im Halbleiter, jedoch wird dabei die Ladungsträgerkonzentration empirisch aus der spektralen Lage des Reflexions­ minimums im IR-Reflexionsspektrum des Halbleiters mittels Eichkurven bestimmt. Die hier vorgestellte Methode der optischen Bestimmung charakteristischer elektrischer Halbleiterparameter und der Stöchiometrie bestimmter Verbindungs­ halbleiter durch mathematische Modellierung der experimentellen IR-Reflexions­ spektren mittels eines DRUDE-LORENTZ-Modells in Abhängigkeit von der Ladungs­ trägerkonzentration und Ladungsträgerbeweglichkeit sowie optional der Stöchiome­ trie ternärer und quarternärer Halbleiterverbindungen unterscheidet sich damit grundlegend von den bisher angeführten Verfahren. So far, the optical determination of electrical semiconductor parameters such as Carrier concentration, mobility and the stoichiometry of certain ternary and quaternary compound semiconductors practically no application (there recording the IR reflection spectra with dispersive or FTIR spectrometers is too time consuming). This is also used by the ASTM when describing an empiri optical method for determining the charge carrier concentration of Semiconductors confirmed (American Society for Testing and Materials, "Standard Test Method for Majority Carrier Concentration in Semiconductors by Measurement of Wavenumber or Wavelength of the Plasma Resonance Minimum ", 1992 Annual Book of Standards, vol. 10.05, procedure F 398-92). This method is also based on the plasma resonance of the free charge carriers in the semiconductor, however the charge carrier concentration empirically from the spectral position of the reflection minimums in the IR reflection spectrum of the semiconductor determined using calibration curves. The method of optical determination presented here is more characteristic electrical semiconductor parameters and the stoichiometry of certain compounds semiconductors through mathematical modeling of experimental IR reflections spectra using a DRUDE-LORENTZ model depending on the charge carrier concentration and charge carrier mobility as well as optionally the stoichiomas ternary and quaternary semiconductor compounds differ fundamentally from the procedures mentioned so far.  

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Meßanordnung sowie ein geeignetes Meß- und Auswertungsverfahren anzugeben, welche die schnelle, kon­ taktlose und zerstörungsfreie Bestimmung charakterischer elektrischer Halblei­ terparameter wie Ladungsträgerkonzentration, Ladungsträgerbeweglichkeit und elektrische Leitfähigkeit sowie der Stöchiometrie bestimmter ternärer und quar­ ternärer Verbindungshalbleiter ermöglicht.The invention has for its object an optical measuring arrangement and a to specify a suitable measurement and evaluation method, which the fast, con tactless and non-destructive determination of characteristic electrical semiconductors parameters such as charge concentration, charge mobility and electrical conductivity and the stoichiometry of certain ternary and quar ternary compound semiconductor enables.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Verwendung einer optischen Meßanord­ nung, bestehend aus einer geeigneten IR-Strahlungsquelle, beispielweise Cr-Ni- Strahler, der IR-Reflexionsmeßeinrichtung mit Probenhalterung und einem optischen IR-Detektorsystem, welches aus einem oder mehreren optischen Gittern und einem oder mehreren geeigneten IR-Arraydetektoren besteht, gelöst. Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung der elektrischen Halbleiterparameter sowie der Stöchiometrie bestimmter Verbindungshalbleiter elektromagnetische IR- Strahlung der Wellenlänge λ im Bereich 1λ100 µm verwendet. Erfindungsgemäß bestehen die eingesetzten IR-Arraydetektoren bevorzugt aus in­ frarotsensitiven Halbleitermaterialien wie beispielsweise Cadmium-Quecksilbertellu­ rid (MCT) oder aus pyroelektrischen Materialien wie z. B. LiTaO3.According to the invention, the object is achieved by using an optical measuring arrangement consisting of a suitable IR radiation source, for example Cr-Ni radiator, the IR reflection measuring device with sample holder and an optical IR detector system which consists of one or more optical gratings and one or more suitable IR array detectors. According to the invention, electromagnetic IR radiation of the wavelength λ in the range 1λ100 μm is used to determine the electrical semiconductor parameters and the stoichiometry of certain compound semiconductors. According to the invention, the IR array detectors used preferably consist of infrared-sensitive semiconductor materials such as, for example, cadmium mercury tellurium (MCT) or of pyroelectric materials such as, for. B. LiTaO 3 .

Erfindungsgemäß arbeitet das Meßgerät im Einstrahlmodus und es können mit ihm nur Reflexionen unter einem konstanten Einfallswinkel R im Bereich von 1R25° gemessen werden, wodurch durch die Minimierung der Anzahl empfindlicher opti­ scher Teile eine sehr kompakte Bauform sowie ein günstiges Kosten/Leistungsver­ hältnis erreicht wird.According to the invention, the measuring device works in single-beam mode and it can be used with it only reflections at a constant angle of incidence R in the range of 1R25 ° be measured, whereby by minimizing the number of sensitive opti shear parts a very compact design and a favorable cost / performance ratio ratio is reached.

Erfindungsgemäß kommt bei diesem Meßgerät eine Probenhalterung zum Einsatz, welche auch für empfindliche Halbleiterproben zuverlässig eine sehr schnelle befestigungslose Justage ermöglicht, so daß mechanische Schäden durch Klemm- und Befestigungseinrichtungen vermieden werden. Es können Halbleiterproben mit einem mittleren Durchmesser d im Intervall von 3d120 mm vermessen werden. Die Steuerung der Meßeinrichtung und die schnelle Meßdatenerfassung erfolgen über einen externen, mit der Meßeinrichtung gekoppelten Computer mit dem dafür erstellten Softwarepaket. Dieses Softwarepaket ermöglicht weiterhin die mathemati­ sche Modellierung der gemessenen IR-Reflexionsspektren nach einem DRUDE-LO- RENTZ-Modell in Abhängigkeit von der Ladungsträgerkonzentration und Ladungs­ trägerbeweglichkeit sowie optional der Stöchiometrie ternärer und quarternärer Halbleiterverbindungen sowie die schnelle Fittung der modellierten an die experimentellen IR-Reflexionsspektren unter Nutzung eines speziellen Minimie­ rungsalgorithmus.According to the invention, a sample holder is used in this measuring device, which is also a very fast one for sensitive semiconductor samples fixation-free adjustment enables mechanical damage due to clamping and fasteners can be avoided. Semiconductor samples can be used an average diameter d in the interval of 3d120 mm. The control of the measuring device and the fast measurement data acquisition take place via an external computer coupled to the measuring device with the created software package. This software package also enables mathematics modeling of the measured IR reflection spectra according to a DRUDE-LO RENTZ model depending on the charge carrier concentration and charge carrier mobility and optionally the stoichiometry of ternary and quaternary Semiconductor connections as well as the fast fitting of the modeled to the experimental IR reflection spectra using a special minimie algorithm.

Die schnelle optische Bestimmung charakteristischer elektrischer Halbleiterparameter und der Stöchiometrie binärer, ternärer und quarternärer Verbindungshalbleiter erlaubt die Weiterverwendung der untersuchten Proben und durch die Kompaktheit des Meßgerätes und die Schnelligkeit der Messung (im Sekundenbereich) die kon­ tinuierliche Charakterisierung der Proben beispielsweise im Produktionsprozeß nach dem "go - no go"-Verfahren.The fast optical determination of characteristic electrical semiconductor parameters  and the stoichiometry of binary, ternary and quaternary compound semiconductors allows further use of the examined samples and due to the compactness of the measuring device and the speed of the measurement (in the seconds range) the con Continuous characterization of the samples, for example in the production process the "go - no go" process.

Abb. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsvariante. In der Vorderansicht sind schematisch die Strahlungsquelle (1), der IR-Arraydetektor (2), die auf der Pro­ benhalterung (3) befindliche Probe (4) sowie der Strahlengang (5) sichtbar. Man erkennt die kompakte Bauweise, die je nach Einsatzgebiet entsprechend modifiziert werden kann. Im Produktionszyklus können die Halbleiterproben mit den üblicherweise verwendeten Transportsystemen auch auf dieses Gerät gelegt werden und nach kurzer Meßzeit t (t<1 Sekunde) weiterbewegt werden. Nicht dargestellt sind hier der Staubschutz, der darin besteht, daß die gesamte Anlage von einem Gehäuse umgeben ist, so daß diese nur eine Öffnung zur Probenhaltung aufweist. Unterhalb der Öffnung ist ein elektromechanischer Verschluß angebracht, der nur bei aufliegender Probe geöffnet wird und bei Abnahme der Probe sofort wieder ge­ schlossen wird. Fig. 1 shows a possible variant. The front view schematically shows the radiation source ( 1 ), the IR array detector ( 2 ), the sample ( 4 ) located on the sample holder ( 3 ) and the beam path ( 5 ). One recognizes the compact design, which can be modified depending on the area of application. In the production cycle, the semiconductor samples with the commonly used transport systems can also be placed on this device and moved on after a short measuring time t (t <1 second). Dust protection is not shown here, which consists in the fact that the entire system is surrounded by a housing, so that it has only one opening for holding samples. Below the opening, an electromechanical closure is attached, which is only opened when the sample is on top and is closed again when the sample is removed.

Claims (9)

1. Optische Meßanordnung zur schnellen, kontaktlosen und zerstörungsfreien Be­ stimmung charakteristischer Halbleiterparameter wie Ladungsträgerkonzentra­ tion, Ladungsträgerbeweglichkeit und elektrische Leitfähigkeit sowie der Stö­ chiometrie insbesondere ternärer und quarternärer Verbindungshalbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus
  • - einer IR-Strahlungsquelle (1),
  • - einer Reflexionsmeßeinrichtung mit Probenhalterung (3),
  • - einem IR-Detektorsystem (2)
1. Optical measuring arrangement for the fast, contactless and non-destructive determination of characteristic semiconductor parameters such as charge carrier concentration, charge carrier mobility and electrical conductivity as well as the stoichiometry, in particular ternary and quaternary compound semiconductors, characterized in that these consist of
  • - an IR radiation source ( 1 ),
  • - a reflection measuring device with sample holder ( 3 ),
  • - an IR detector system ( 2 )
aufgebaut ist und die Bestimmung der elektrischen Halbleiterparameter sowie der Stöchiometrie bestimmter Verbindungshalbleiter über die Aufnahme der Re­ flexionsspektren des Halbleiters im infraroten (IR) Spektralbereich und deren Modellierung und Fittung mit einem DRUDE-LORENTZ-Modell erfolgt.is constructed and the determination of the electrical semiconductor parameters as well the stoichiometry of certain compound semiconductors via the inclusion of the Re inflection spectra of the semiconductor in the infrared (IR) spectral range and their Modeling and fitting is done with a DRUDE-LORENTZ model. 2. Optische Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der elektrischen Halbleiterparameter sowie der Stöchiometrie bestimmter Verbindungshalbleiter elektromagnetische IR-Strahlung der Wel­ lenlänge λ im Bereich 1λ100 µm verwendet wird.2. Optical measuring arrangement according to claim 1, characterized in that for Determination of the electrical semiconductor parameters as well as the stoichiometry certain compound semiconductor electromagnetic IR radiation of the world lenlength λ in the range 1λ100 µm is used. 3. Optische Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Einstrahlmeßgerät nur zur Aufnahme von IR-Reflexionsspektren unter einem konstanten Einfallswinkel R der IR-Strahlung, gewählt im Bereich von 0R25°, dient, wodurch durch die Minimierung der Anzahl empfindlicher optischer Teile eine sehr kompakte Bauform sowie ein günstiges Kosten/Leistungsverhältnis er­ reicht wird.3. Optical measuring arrangement according to claim 1, characterized in that it as Single-beam measuring device only for recording IR reflection spectra under one constant angle of incidence R of the IR radiation, selected in the range of 0R25 °, serves by minimizing the number of sensitive optical parts a very compact design and a favorable cost / performance ratio is enough. 4. Optische Meßanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine kompakte Bauform auch dadurch erreicht wird, daß die elektronische Steue­ rung, schnelle Meßwerterfassung und Modellierung der IR-Reflexionsspektren durch einen peripher angeschlossenen Computer mit entsprechender Software erfolgt.4. Optical measuring arrangement according to claim 1, characterized in that a compact design is also achieved in that the electronic control tion, rapid acquisition of measured values and modeling of the IR reflection spectra through a peripherally connected computer with appropriate software he follows. 5. Optische Meßanordnung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das genutzte IR-Detektorsystem aus einem oder mehreren optischen Gittern mit geeigneten optischen Ablenkeinrichtungen und einem oder mehreren IR-Array­ detektoren besteht. Die Verwendung dieses Detektorsystems ermöglicht durch eine extrem schnelle Aufnahme der IR-Reflexionsspektren eine schnelle Charak­ terisierung von Halbleiterproben beispielsweise im Produktionsprozeß nach dem "go - no go"-Verfahren.5. Optical measuring arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the IR detector system used with one or more optical gratings suitable optical deflection devices and one or more IR arrays detectors. The use of this detector system enables through an extremely fast recording of the IR reflection spectra a quick character terization of semiconductor samples, for example in the production process after  "go - no go" process. 6. IR-Arraydetektorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Arraydetektoren zur Detektion der elektromagnetischen Strahlung im IR- Spektralbereich bevorzugt aus infrarotsensitiven Halbleitermaterialien wie z. B. Cadmium-Quecksilbertellurid oder pyroelektrischen Detektormaterialien wie z. B. LiTaO3 bestehen.6. IR array detector system according to claim 5, characterized in that the IR array detectors for the detection of electromagnetic radiation in the IR spectral range preferably from infrared sensitive semiconductor materials such as. B. cadmium mercury telluride or pyroelectric detector materials such. B. LiTaO 3 exist. 7. Optische Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei diesem Meßgerät eine Probenhalterung zum Einsatz kommt, welche auch für empfindliche Halbleiterproben zuverlässig eine sehr schnelle befestigungslose Justage ermöglicht, so daß mechanische Schäden durch Klemm- und Befe­ stigungseinrichtungen vermieden werden. Es können Halbleiterproben mit einem mittleren Durchmesser d im Intervall von 3d120 mm vermessen werden.7. Optical measuring arrangement according to claim 1, characterized in that at this measuring device a sample holder is used, which also for sensitive semiconductor samples reliably a very fast mounting Adjustment allows so that mechanical damage by clamping and fixation facilities are avoided. Semiconductor samples with a average diameter d in the interval of 3d120 mm. 8. Probenhalterung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu untersu­ chende Halbleiterproben auf einer Grundplatte mit einem kreisförmigen Fenster aufgelegt werden, welche zwischen 0-90° gegenüber der Horizontalen geneigt ist.8. Sample holder according to claim 7, characterized in that to be examined Semiconductor samples on a base plate with a circular window be placed, which is inclined between 0-90 ° to the horizontal is.
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