DE4440167A1 - Verfahren und Anordnung zur Messung der lateralen Stromverteilung in Halbleiterbauelementen - Google Patents
Verfahren und Anordnung zur Messung der lateralen Stromverteilung in HalbleiterbauelementenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der lateralen
Stromverteilung in Halbleiterbauelementen gemäß dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1. Verfahren dieser Gattung eignen
sich zur Lokalisierung von Vordurchbruchsstellen, lokalen
Kurzschlüssen oder anderen Stellen mit lokal erhöhter oder
erniedrigter Stromdichte, welche die Parameter der Bauelemente
beeinflussen können. Das erfindungsgemäße Verfahren soll
vorzugsweise in der Fotovoltaik-Industrie und der Halbleiter-
Industrie zur Produktionskontrolle eingesetzt werden, sowie in
Forschungseinrichtungen, die sich mit der Optimierung von
Solarzellen und anderen Halbleiterbauelementen wie etwa
Leistungselementen befassen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Anordnung zur Durch
führung des Verfahrens.
Halbleiterelemente können wie eine Matrix oder Gruppe vieler
kleiner Einzelelemente betrachtet werden, die einander
parallelgeschaltet sind und sich voneinander in beliebigen
Qualitätsparametern unterscheiden können. Durch lokale Messung
der Strom/Spannungs-Charakteristik z. B. an Mesadioden-Solar
zellen wurde festgestellt, daß in polykristallinen Materialien
mehr als 90% des Durchlaßstroms auf weniger als 10% der Fläche
entfallen kann. Es gibt also eine Reihe "schwacher Stellen"
oder "Kurzschlußbereiche", welche die Strom/Spannungs-Charak
teristik der gesamten Zelle beträchtlich verschlechtern.
Die Homogenität des Stromflusses in Halbleiterbauelementen
wird üblicherweise vor allem durch Thermographieverfahren
untersucht. Dabei wird die Probe durch elektrischen Strom
belastet, und die lokale Erwärmung der Probenoberfläche wird
als Maß für die lokale Stromdichte angesehen. Auch das
Betriebsverhalten einer Solarzelle kann durch Anlegen elektri
scher Strombelastung an die unbeleuchtete Zelle simuliert
werden. Die Visualisierung (Abbildung) der lokalen Erwärmung
erfolgt entweder durch geeignete Thermokameras über die abge
strahlte Infrarotstrahlung, oder sie wird durch thermochrome
Flüssigkristalle oder durch das Auslösen lokaler Siedevorgänge
in tiefsiedenden Flüssigkeiten bewirkt. Das prinzipielle
Problem aller dieser Thermographieverfahren ist die insbeson
dere im Silicium besonders stark ausgeprägte laterale Wärme
leitfähigkeit des Halbleitermaterials. Diese führt dazu, daß
sich die Erwärmung auf ein größeres Gebiet um einen lokalen
Wärmeeintrag herum verteilt, wodurch sich die laterale Auflö
sung des Verfahrens verschlechtert.
Man kann diesem Problem begegnen, indem man die Probe ganzflä
chig auf einer gut wärmeableitenden Unterlage befestigt. Dann
kann die Ortsauflösung bis in die Größenordnung der Proben
dicke verbessert werden. Die Temperaturerhöhung pro eingetra
gene Leistung nimmt jedoch dementsprechend drastisch ab. Eine
Abschätzung ergibt, daß bei idealer Wärmeabführung über die
Rückseite einer mit einem typischen Durchlaßstrom von 30
mA/cm² belasteten Solarzelle einer Dicke von 400 µm die
Temperaturerhöhung an der Vorderseite weniger als 1 mK be
trägt. Diese Temperaturerhöhung ist außerhalb des Nachweis
bereiches aller bisheriger Thermographieverfahren, und auch
die reproduzierbare Kontaktmessung der Probentemperatur mit
den bisher bekannten Anordnungen ist bei dieser Signalgröße
durch unkontrollierte Temperaturdrift und Umgebungseinflüsse
(Umgebungsstrahlung, Konvenktion) praktisch unmöglich. Eine
Verbesserung der Ortsauflösung statischer Thermographieverfah
ren auf Werte unterhalb der Probendicke ist nicht möglich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Methode bzw. eine Anordnung zu schaffen, mit welcher der
lokale Stromfluß in Halbleiterbauelementen mit einer gegenüber
dem bisherigen Thermographieverfahren wesentlich verbesserten
Empfindlichkeit und Ortsauflösung abgebildet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch
1 gekennzeichnete Verfahren bzw. durch die im Patentanspruch
14 gekennzeichnete Anordnung gelöst. Vorteilhafte Ausgestal
tungen der Erfindung sind in zugeordneten Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin,
die Probe mit einer Strombelastung zu beaufschlagen, die einer
gewählten definierten Zeitfunktion folgt, und nur die lokale
zeitliche Temperaturvariation auszuwerten; die eigentliche
oder absolute lokale Probentemperatur bleibt für das erfin
dungsgemäße Verfahren ohne Interesse. Der technische Erfolg
dieses erfindungsgemäßen Prinzips erklärt sich folgendermaßen:
Wenn die thermische Belastung nicht permanent, sondern zeitab
hängig erfolgt, dann kann bei einem inhomogenen Stromfluß
durch das Meßobjekt die dynamische lokale Wärmeausbreitung
durch die zeitabhängige lokale Lösung der Wärmediffusions-
Gleichung beschrieben werden. Analysiert man also die zeitli
che Änderung der Temperatur an einem bestimmten Meßort in
ihrer Beziehung zur Zeitfunktion der Strombelastung unter
Berücksichtigung des physikalischen Gesetzes der Wärmeausbrei
tung, dann läßt sich eine Größe ableiten, die ein relatives
Maß für diejenige Erwärmung ist, welche speziell durch die am
betreffenden Ort herrschende Stromdichte verursacht wurde.
Erfolgt, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die
thermische Belastung durch einen Impuls der Länge t, dann kann
der laterale Amplitudenabfall δT(x) der Temperatur bei einem
lokalen Wärmeeintrag gemäß der eindimensionalen Diffusions
theorie nach folgender Formel berechnet werden:
δT(x) = 2 P (t/λρc)½ ierfc [x/(4λt/ρc)½]
wobei P die eingetragene Leistungsdichte, λ die Wärmeleit
fähigkeit, ρ die Dichte und c die spezifische Wärme des
Halbleitermaterials ist, während t die Länge des Strom
belastunsimpulses, x der Abstand zum Ort des Wärmeeintrags und
ierfc die integrale komplementäre Error-Funktion ersten Grades
bedeuten. Es ergibt sich eine Ortsauflösung, also ein Abstand
x vom Ort des Wärmeeintrags, bei dem die Temperatur auf die
Hälfte ihres bei x=0 vorhandenen Maximalwertes abgesunken ist,
proportional zu . Die maximale Temperaturauslenkung ist für
eine Ortsauflösung unterhalb der Probendicke nach obiger
Formel proportional zu ; wenn die Ortsauflösung größer als
die Probendicke ist (wenn also die Probe über die gesamte
Dicke gleichmäßig erwärmt wird), ist die maximale Tempera
turauslenkung proportional zu t. Durch die Wahl von t kann
also ein Kompromiß zwischen Ortsauflösung und Nachweis
empfindlichkeit eingestellt werden. Der jeweils zu wählende
Wert von t hängt natürlich u. a. auch von den in der obigen
Formel enthaltenen Materialkonstanten ab. In der Praxis werden
für t Werte im Bereich von 100 ns bis 1 s in Frage kommen, wie
die nachstehenden quantitativen Beispiele zeigen.
Bei einer Silicium-Solarzelle beispielweise läßt sich mit
einem Strombelastungsimpuls einer Länge von 150 ms theoretisch
eine räumliche Auflösung von 1,7 mm erwarten. Bei einer
typischen Stromdichte von 30 mA/cm² und einer Probendicke von
400 µm beträgt die zu erwartende Temperaturmodulation unter
Vernachlässigung jeglicher Wärmeabführung 34 mK. Mit
Präzisionsmeßtechnik läßt sich eine Nachweisempfindlichkeit
(Temperaturauflösung) von deutlich unterhalb 100 µK erzielen.
Wenn man genügend große Leistungsdichten zur Verfügung hat
(z. B. bei der Untersuchung von Festkörperlasern, Leistungs-
oder Hochgeschwindigkeits-Bauelementen), dann kann man so
kurze Impulse anlegen, daß man mit der Ortsauflösung in den
Mikrometerbereich kommt. Bei einer Impulslänge, die gegenüber
dem vorstehend erwähnten Beispiel um den Faktor 10⁶ kürzer ist
(also 150 ns), beträgt die erwartete Ortsauflösung gemäß der
genannten Wurzelabhängigkeit etwa 1,7 µm. Bei einem in der
Mikro- und Optoelektronik durchaus üblichen Leistungseintrag
von 15 kW/cm² (entspricht 0,15 mW/µm²) beträgt die nach obiger
Formel zu erwartende Temperaturerhöhung 3,7 K, was beispiels
weise mit Festkörper-Infrarotdetektorarrays nachgewiesen
werden kann. Wenn also genügend Leistungsdichte vorhanden ist,
dann kann das erfindungsgemäße Verfahren auch im mikroskopi
schen Maßstab angewandt werden, selbst wenn die dort verfügba
ren Meßanordnungen weniger empfindlich sind als die oben
erwähnte Präzisionsmeßtechnik.
Vorteilhafterweise wird die lokale Temperatur jeweils in der
Nähe des Beginns und des Endes des Belastungsimpulses gemessen
(vorzugsweise unmittelbar vor und nach dem Impuls), und die
beiden Meßwerte werden voneinander subtrahiert, um die Diffe
renz als Maß für die lokale Erwärmung anzuzeigen.
Durch mehrfache Messung unter Wiederholung der Impulsbelastung
und Mittelung der Einzelergebnisse kann in vorteilhafter
Weiterbildung der Erfindung das Signal/Rausch-Verhältnis um
einen Faktor verbessert werden, der gleich der Quadratwurzel
der Anzahl der Einzelmessungen ist, wie an sich bekannt.
Erfolgt die Strombelastung der Probe periodisch mit einer
Modulationsfrequenz f, dann kann, insbesondere bei Verwendung
einer rechteckwellenförmigen Strombelastung mit einem Tastver
hältnis von 50%, die Lösung der Wärmediffusionsgleichung auch
nach dem Konzept der Wärmewellen angegeben werden. Bei einer
lokalen Belastung ergibt sich demnach ein lateraler Amplitu
denabfall δT(x) der Wärmewelle gemäß folgender Formel:
δT(x) = δT₀ exp[-x(ρcπf/λ)½],
wobei λ die Wärmeleitfähigkeit, ρ die Dichte und c die spezi fische Wärme des Halbleitermaterials ist und f die Modula tionsfrequenz der Belastung bedeutet. Es ergibt sich also ein exponentieller Abfall der Amplitude der Wärmewelle als Funktion des Abstandes zum Ort des Wärmeeintrags mit einer Ortsauflösung proportional zu 1/. Die maximale Amplitude der Temperaturmodulation ist bei einer Ortsauflösung oberhalb der Probendicke proportional zu 1/f und bei einer Ortsauflösung unterhalb der Probendicke proportional zu 1/. Durch die Wahl von f kann auch hier ein Kompromiß zwischen Ortsauflösung und Nachweisempfindlichkeit eingestellt werden. Die jeweils zu wählenden Werte hängen auch hier natürlich von den in der obigen Formel enthaltenen Materialkonstanten ab.
wobei λ die Wärmeleitfähigkeit, ρ die Dichte und c die spezi fische Wärme des Halbleitermaterials ist und f die Modula tionsfrequenz der Belastung bedeutet. Es ergibt sich also ein exponentieller Abfall der Amplitude der Wärmewelle als Funktion des Abstandes zum Ort des Wärmeeintrags mit einer Ortsauflösung proportional zu 1/. Die maximale Amplitude der Temperaturmodulation ist bei einer Ortsauflösung oberhalb der Probendicke proportional zu 1/f und bei einer Ortsauflösung unterhalb der Probendicke proportional zu 1/. Durch die Wahl von f kann auch hier ein Kompromiß zwischen Ortsauflösung und Nachweisempfindlichkeit eingestellt werden. Die jeweils zu wählenden Werte hängen auch hier natürlich von den in der obigen Formel enthaltenen Materialkonstanten ab.
Für den Einfluß der Höhe der Modulationsfrequenz f auf die
Ortsauflösung und die Nachweisempfindlichkeit gelten quantita
tive Überlegungen analog zu denjenigen, wie für den Einfluß
der Dauer t eines einzigen Belastungsimpulses angestellt
wurden. Man kann davon ausgehen, daß sich mit einer Modula
tionsfrequenz f ungefähr die gleichen Wirkungen ergeben wie
mit Einzelimpulsen der Länge t=1/2f (insbesondere bei Verwen
dung einer rechteckwellenförmigen periodischen Strombelastung
mit einem Tastverhältnis von 50%). In der Praxis werden für f
also Werte im Größenordnungsbereich von 1 bis 10⁷ Hz in Frage
kommen, um Ortsauflösungen vom Millimeter- bis herunter in den
Mikrometerbereich zu erzielen.
Die Anwendung periodischer Strombelastung mit der oben erwähn
ten Mittelung der Einzelergebnisse der Temperatur-Differenz
messung unmittelbar vor und nach den Belastungsimpulsen
entspricht physikalisch dem Verfahren der Lock-in-Detektion,
bei dem die Modulationsamplitude eines Signals durch Wechsel
stromauskopplung und phasenempfindliche Gleichrichtung phasen
starr zur angelegten Modulation der Belastung gemessen wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird ein System
verwendet, das sich durch eine besonders hohe Nachweis
genauigkeit auszeichnet. In diesem System wird der Temperatur
sensor, z. B. ein Kontaktthermometer, in einer an sich bekann
ten Brückenschaltung mit trägerfrequenter Speisung und
Synchrongleichrichtung des Brückensignals mittels eines
trägerfrequenzgesteuerten Lock-in-Demodulators betrieben. Zur
Kompensation unkontrollierbarer langsamer Temperaturvariatio
nen ist zwischen einem Verstärker des Brückensignals und dem
Lock-in-Demodulator eine Überlagerungseinrichtung vorhanden,
die dem Brückensignal einen steuerbaren Anteil der Brücken-
Speisespannung als Korrektursignal überlagert. Die Steuer
spannung für den besagten Anteil wird aus dem Integral des
Ausgangssignals des Lock-in-Demodulators gewonnen. Durch diese
langsame Rückkopplung, die im Sinne eines automatischen
Brückenabgleichs wirkt, erscheint am Ausgang des Lock-in-
Demodulators nur noch die dynamische Temperaturmodulation, die
dann durch eine weitere Lock-in-Detektion erfaßt werden kann.
Das vorstehend beschriebene System hat den Vorteil, daß durch
den automatischen Brückenabgleich auch eine höhere Wechsel
strom-Signalverstärkung vor der Demodulation (also ohne 1/f-
Rauschen) möglich ist, daß ferner durch die Einkopplung des
Korrektursignals nach der Vorverstärkung diese Einkopplung
praktisch kein zusätzlichen Rauschen einkoppelt und daß durch
die lineare Erzeugung des Korrektursignals unmittelbar aus der
Brückenspeisespannung Unvollkommenheiten dieser Spannung
(Amplituden- und/oder Phasenmodulation, spektrale Unreinheit,
Rauschen usw.) das Ergebnis nicht oder kaum beeinflussen.
Die Erfassung der Temperaturmodulation durch Lock-in-Detektion
kann so erfolgen, daß für jeden Bildpunkt jeweils zwei phasen
starr zur Modulation gewonnene Meßwerte (z. B. unmittelbar vor
und unmittelbar nach einem Ausschlag der periodischen Modula
tion) voneinander subtrahiert werden. Sollte die Temperatur
messung selbst eine Relaxationszeit oder Verzögerung aufwei
sen, die nicht mehr vernachlässigbar gegenüber der Länge der
Belastungsausschläge ist, dann wirkt sich diese Verzögerung
merklich auf die Phasenlage der detektierten Temperaturmodula
tion aus. In diesem Fall müssen die Temperatur-Meßzeitpunkte
entsprechend der Verzögerungszeit optimiert werden. Dies
entspricht einer Optimierung der Phasenlage der Lock-in-
Detektion entsprechend der Verzögerung der Temperaturmessung.
Alternativ kann aber, in besonderer Ausführungsform der Erfin
dung, ein phasenunabhängiges Demodulationsverfahren angewandt
werden, bei welchem das Temperatursignal in jeder Modulations
periode an vier äquidistanten Zeitpunkten (also in 90-Grad-
Abständen) erfaßt wird und jeweils die Differenz zwischen dem
ersten und dritten und zwischen dem zweiten und vierten Erfas
sungswert gebildet wird. Die Quadratwurzel aus der Summe der
Quadrate der beiden Differenzen ist dann ein Maß für die
Modulationsamplitude, unabhängig von der Phasenlage.
Zur Durchführung des Verfahrens sind prinzipiell zwei Varian
ten anwendbar:
- 1. sequentielle Abrasterung der Probe mit einem Kontakt- Thermosensor oder einem fokussierenden Infrarotdetektor;
- 2. Anwendung der Infrarot-Thermographie, bei der eine Moment aufnahme der flächigen Temperaturverteilung erfolgt.
Besonders günstig kann die Anwendung des pyroelektrischen
Detektionsprinzips sein, welches von vornherein nur zeitliche
Änderungen der Probentemperatur nachweist.
Bei der sequentiellen Messung ist es vorteilhaft, den Gleich
stromanteil der Temperaturmessung in einer langsam wirkenden
Regelschleife im Zeitmittel auf Null zu regeln. Dadurch werden
Temperaturdriften und laterale Unterschiede der mittleren
Probentemperatur ausgeglichen. Zur Verringerung der Meßzeit
können mehrere Kontaktthermometer bzw. fokossierende Infrarot
detektoren in einer räumlich verteilten Gruppe (Array)
angeordnet sein und parallel unabhängig voneinander messen.
Dann wird das ganze Meß-Array sequentiell über die Probe
gerastert und die Abbildung aus den parallelen und sequentiel
len Einzelmessungen zusammengesetzt.
Für die oben genannte zweite Variante der Durchführung des
Verfahrens können vorteilhafterweise unter Verwendung impuls
förmiger Strombelastung des Meßobjektes zwei Thermogramme
unmittelbar vor und nach dem Belastungsimpuls gewonnen werden,
die dann pixelweise voneinander subtrahiert werden, um das
Differenzbild als Maß für die lokale Erwärmung anzuzeigen.
Die vorstehend allgemein umrissenen Ausführungsformen der
Erfindung unterscheiden sich von den bisherigen Thermogra
phieverfahren durch eine verbesserte Toleranz gegenüber Tempe
raturdrift und störenden Umgebungseinflüssen. Ferner ist eine
Ortsauflösung deutlich unterhalb des Wertes der Probendicke
möglich.
Mit der Erfindung läßt sich somit eine gegenüber dem bisheri
gen Thermographieverfahren wesentlich verbesserte Ortsauflö
sung erreichen. Eine nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbei
tende Anordnung erlaubt eine wesentlich verbesserte Empfind
lichkeit, die das Thermographieverfahren auf die Untersuchung
kleiner Stromdichten ausweitet, wie sie bei Solarzellen
auftreten.
Einzelheiten verschiedener Realisierungsbeispiele der Erfin
dung werden nachstehend anhand von Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Anordnung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 ein detaillierteres Blockschaltbild einer besonderen
Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3 zwei Temperaturmeßsignale, wie sie mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren am Ort eines Kurzschlusses
und in dessen unmittelbarer Nähe gewonnen wurden.
In der Fig. 1 ist die einfachste Form der Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Probe 1 ist auf
einem x-y-Positioniertisch 2 befestigt, der von einem Perso
nalcomputer (PC) 3 gesteuert wird. Der Temperatursensor 4 kann
von einem z-Trieb 5, der ebenfalls vom PC 3 gesteuert wird,
auf die Probe 1 abgesenkt werden. Eine Meßschaltung 7 bildet
aus dem Sensorsignal ein weiterverarbeitbares Temperaturmeß
signal. Die elektrische Belastung der Probe 1 erfolgt aus
einem Belastungsgenerator 6. Die aufgrund eines Belastungs
impulses aus dem Generator 6 sich ergebende Änderung des
Temperaturmeßsignals wird in einem mit dem Generator 6
synchronisierten Änderungsdetektor 8 in ein Anzeigesignal
umgewandelt, welches nach entsprechender Digitalisierung dem
PC 3 zugeführt wird. Der PC 3 steuert die sequentielle
Abrasterung der Probe und speichert das entstehende Bild, das
als lokale Abbildung der Stromdichteverteilung interpretiert
werden kann.
Der Generator 6 kann einen Einzelimpuls liefern, und die
Amplitude des daraufhin erscheinende Ausschlages des Meßsi
gnals kann im Detektor 8 bestimmt werden, z. B. durch Abtastung
des Meßsignals unmittelbar vor und nach dem Belastungsimpuls
und Differenzbildung beider Abtastwerte. Der ganze Meßvorgang
kann für jeden Meßort an der Probe mehrfach wiederholt werden,
und die Einzelmessungen können dann gemittelt werden. Alle
diese Funktionen können auch vom PC selbst übernommen werden.
Statt der aus den Elementen 2, 4, 5, 7 und 8 bestehenden
Anordnung kann kann auch eine Infrarotkamera verwendet werden,
welche auf Probe 1 gerichtet ist und jeweils umittelbar vor
und nach dem Belastungsimpuls eine Momentaufnahme macht. Die
beiden ausgenommenen Einzelbilder werden dann im PC 3 gespei
chert und pixelweise voneinander subtrahiert, um das Diffe
renzbild auf dem Monitor des PC anzuzeigen.
Der Generator 6 kann aber auch für jeden Meßort eine periodi
sche Strombelastung einer Modulationsfrequenz f hervorrufen,
etwa durch Erzeugung einer Rechteckwelle. In diesem Fall wird
als Änderungsdetektor 8 ein Demodulator verwendet, der die
f-Modulationsamplitude des Temperaturmeßsignals nach einem
phasensynchronisierten Lock-in-Verfahren oder einem phasen
unabhängigen Demodulationsverfahren bestimmt, wie weiter oben
erläutert. Ein zu verwendender Lock-in-Demodulator enthält
üblicherweise einen Integrator, der über eine gewisse Anzahl
von Meßperioden mittelt; am Ende der gesamten Meßzeit wird für
jeden Meßort das Ergebnis digitalisiert.
Bei der speziellen Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Probe 1
ebenfalls auf einem x-y-Positioniertisch 2 befestigt, der von
dem PC 3 gesteuert wird, und der Temperatursensor 4 kann vom
z-Trieb 5, der ebenfalls vom PC 3 gesteuert wird, auf die
Probe 1 abgesenkt werden. Die elektrische Belastung der Probe
l erfolgt hier periodisch mit einer Modulationsfrequenz f über
einen Impulsverstärker 9, der vom PC 3 angesteuert wird. Der
Temperaturmeßwandler 10 enthält eine Meßbrücke und einen
Vorverstärker zum Verstärken des Brückensignals. Die Meßbrücke
wird aus einem Wechselspannungsgenerator 13 mit einer Frequenz
F, die deutlich höher ist als die Frequenz f, gespeist.
Das vom Verstärker der Meßbrückenschaltung 10 gelieferte
Brückensignal wird einem Lock-in-Demodulator 12 über eine
Addierstufe 11 angelegt. In dieser Addierstufe 11 wird ein
mittels eines Analogmultiplizierers 14 gewonnener definierter
Anteil der Brücken-Speisespannung aus dem Wechselspannungs
generator 13 dem Brückensignal überlagert. Die Steuerspannung
für den Analogmultiplizierer 14 wird über einen Integrations
verstärker 15 aus dem Ausgangssignal des Lock-in-Demodulators
12 gewonnen.
Das am Ausgang des Lock-in-Demodulators 12 gelieferte Signal
der Temperaturmodulation wird nach geeigneter Einengung der
Bandbreite in einem auf die Temperaturmodulationsfrequenz f
abgestimmten Schmalbandverstärker 16 dem Analog/Digital-
Wandler des PCs 3 zugeführt. Der PC 3 steuert die sequentielle
Abrasterung der Probe, er realisiert ferner die periodische
Belastung des Meßobjektes und die Lock-in-Detektion der
Temperaturmodulation und speichert das entstehende Bild, das
die räumliche Verteilung der Stromdichte über die Probe
sichtbar wiedergibt.
Das Temperaturmeßsignal kann jeweils am Anfang und am Ende
(oder, je nach vorhandener Relaxationszeit der Messung, kurz
nach dem Anfang und kurz nach dem Ende) jedes Ausschlages der
periodischen Strombelastung detektiert werden, um dann beide
Meßwerte voneinander zu subtrahieren. Die Detektion kann aber
auch durch das weiter oben beschriebene phasenunabhängige 4-
Punkt-Demodulationsverfahren erfolgen.
Die Fig. 3 demonstriert in einem Schaubild die Empfindlichkeit
einer erfindungsgemäßen Anordnung und das räumliche Auflö
sungsvermögen der angewandten Technik. Dieses Schaubild zeigt
das Ergebnis von Messungen, die an einer 100 cm² großen poly
kristallinen Solarzelle durchgeführt wurden, unter Anlegen
einer periodischen Strombelastung von 3 A in Durchlaßrichtung
mit einer Modulationsfrequenz von 3 Hz. Dies entspricht einer
mittleren Durchlaßstromdichte von 30 mA/cm², was auch typisch
für die Messungen der Leerlaufspannung ist. Die Probe wurde
auf einer Kunststoffunterlage montiert, ohne spezielle Vorkeh
rungen zur Wärmeableitung. Die Oberflächentemperatur wurde
gemessen, indem der Meßfühler mit einem Auflagegewicht von 1g
direkt auf die Solarzelle aufgesetzt wurde. Die Fig. 3 zeigt
zwei hochpaßgefilterte Temperaturmeßsignale für zwei verschie
dene Orte des Sensors, nämlich a) ungefähr 1 mm von einer
lokalen Kurzschlußstelle entfernt und b) direkt am Ort dieses
Kurzschlusses. In beiden Fällen wurde die periodische elektri
sche Strombelastung jeweils in der zweiten Hälfte der Periode
ausgeschaltet, um das Hintergrundsignal (Rauschsignal) anzu
zeigen. Die Temperaturmessung erfolgte unter Anwendung eines
Trägerfrequenzverfahrens gemäß Fig. 2, so daß ungewollte Ein
kopplungen des Strombelastungssignals definitiv ausgeschlossen
waren. Die Ergebnisse entsprechen den theoretischen Erwartun
gen und veranschaulichen die räumliche Auflösung (Amplituden
unterschied zwischen den beiden Signalen) sowie die Empfind
lichkeit der Temperaturfühlung, die deutlich unter 100 µK
liegt.
Claims (15)
1. Verfahren zur Messung der lateralen Stromverteilung in
Halbleiterbauelementen nach dem Prinzip der Messung der loka
len Erwärmung, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombelastung
gemäß einer definierten Zeitfunktion an das Halbleiterbauele
ment gelegt wird und daß die zeitliche Änderung der gefühlten
lokalen Erwärmung erfaßt und mit der Zeitfunktion der Strom
belastung in Beziehung gesetzt wird und aus dieser Beziehung
eine Größe abgeleitet wird, die ein Maß für die lokale Erwär
mung darstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strombelastung als Impuls gewählter Dauer t an das
Halbleiterbauelement gelegt wird und daß die lokale Temperatur
jeweils in der Nähe des Beginns und des Endes des Impulses
gemessen und die Differenz beider Meßwerte als Maß für die
lokale Erwärmung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Messung für verschiedene Orte am Halbleiterbauelement
sequentiell unter mechanischer Abrasterung durch einen
Temperatursensor erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Messung für verschiedene Orte simultan durch Aufnahme
zweier Infrarot-Thermogramme unmittelbar vor und nach dem
Belastungsimpuls erfolgt und daß die beiden Thermogramme
pixelweise voneinander subtrahiert werden, um das Differenz
bild als Abbild der lateralen Wärmeverteilung anzuzeigen.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich
net, daß jede Messung unter Wiederholung der Strombelastung
mehrfach durchgeführt wird und daß die Ergebnisse gemittelt
werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strombelastung periodisch mit einer gewählten Frequenz f
an das Bauelement gelegt und nur die Amplitude der lokalen
Temperaturmodulation als Maß für die lokale Erwärmung
verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Messung für verschiedene Orte am Halbleiterbauelement
sequentiell unter mechanischer Abrasterung durch einen
Temperatursensor erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strombelastung die Form einer Rechteckwelle hat.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Rechteckwelle ein Tastverhältnis von 50% hat.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Messung der Temperaturmodulation mit
einem Lock-in-Verfahren (phasensynchronisierte Detektion)
erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch
gekennzeichnet,
daß zum Fühlen der lokalen Erwärmung ein mit einer Träger frequenz »F gespeister Temperatursensor verwendet wird, der in einer Meßbrücke angeordnet ist und in einem Abtastraster über das Halbleiterbauelement geführt wird;
daß das Ausgangssignal der Meßbrücke mit einem definierten Anteil der trägerfrequenten Brückenspeisespannung überlagert und dann im Lock-in-Verfahren mit der Trägerfrequenz F demoduliert wird;
daß das so demodulierte Signal einer weiteren, mit der Modulationsfrequenz f synchronisierten Lock-in-Demodulation zur Erfassung der Temperaturmodulation und damit der lokalen Erwärmung unterworfen wird und außerdem nach Integration zur Steuerung des genannten definierten Anteils der Brückenspeise spannung im Sinne eines automatischen Brückenabgleichs verwendet wird.
daß zum Fühlen der lokalen Erwärmung ein mit einer Träger frequenz »F gespeister Temperatursensor verwendet wird, der in einer Meßbrücke angeordnet ist und in einem Abtastraster über das Halbleiterbauelement geführt wird;
daß das Ausgangssignal der Meßbrücke mit einem definierten Anteil der trägerfrequenten Brückenspeisespannung überlagert und dann im Lock-in-Verfahren mit der Trägerfrequenz F demoduliert wird;
daß das so demodulierte Signal einer weiteren, mit der Modulationsfrequenz f synchronisierten Lock-in-Demodulation zur Erfassung der Temperaturmodulation und damit der lokalen Erwärmung unterworfen wird und außerdem nach Integration zur Steuerung des genannten definierten Anteils der Brückenspeise spannung im Sinne eines automatischen Brückenabgleichs verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß bei der Lock-in-Demodulation der Tempera
turmodulation die Signalerfassung jeweils in der Nähe des
Anfangs und des Endes eines jeden Ausschlages einer periodi
schen Strombelastung erfolgt und daß diese beiden erfaßten
Werte jeweils voneinander subtrahiert werden, um die Differenz
als Maß für die lokale Erwärmung anzuzeigen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Demodulation der Temperaturmodulation
eine Signalerfassung in äquidistanten Zeitabständen gleich
einem Viertel der Temperaturmodulationsperiode erfolgt und aus
jeweils vier aufeinanderfolgenden Erfassungswerten a₁, a₂, a₃,
a₄ die Modulationsamplitude mittels der Verknüpfung
[(a₃-a₁)² + (a₄-a₂)²]½abgeleitet wird.
14. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 6 bis 13, gekennzeichnet durch:
einen Belastungsgenerator (6; 9) zum Anlegen eines periodi schen Belastungsstroms der Modulationsfrequenz f an das zu vermessende Halbleiterbauelement (1);
einen Temperatursensor (4) zum Fühlen der lokalen Tempera tur auf dem Halbleiterbauelement (1);
eine Vorrichtung (2, 3, 5) zur gesteuerten lateralen Abta stung des Halbleiterbauelementes mit dem Temperatursensor (4);
eine Meßschaltung (7; 10-15), die aus dem Fühlsignal des Temperatursensors ein Temperaturmeßsignal erzeugt;
einen Lock-in-Demodulator (8; Schaltung in 3), der aus dem Temperaturmeßsignal ein Anzeigesignal erzeugt, das repräsenta tiv für die Amplitude der mit der Frequenz f auftretenden Modulation des Temperaturmeßsignals ist.
einen Belastungsgenerator (6; 9) zum Anlegen eines periodi schen Belastungsstroms der Modulationsfrequenz f an das zu vermessende Halbleiterbauelement (1);
einen Temperatursensor (4) zum Fühlen der lokalen Tempera tur auf dem Halbleiterbauelement (1);
eine Vorrichtung (2, 3, 5) zur gesteuerten lateralen Abta stung des Halbleiterbauelementes mit dem Temperatursensor (4);
eine Meßschaltung (7; 10-15), die aus dem Fühlsignal des Temperatursensors ein Temperaturmeßsignal erzeugt;
einen Lock-in-Demodulator (8; Schaltung in 3), der aus dem Temperaturmeßsignal ein Anzeigesignal erzeugt, das repräsenta tiv für die Amplitude der mit der Frequenz f auftretenden Modulation des Temperaturmeßsignals ist.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßschaltung (10-15) folgendes aufweist:
eine Meßbrücke (10), in welche der Temperatursensor (4) eingefügt ist;
einen Wechselspannungsgenerator (13) zur Speisung der Meßbrücke (10) mit einer Trägerfrequenz F»f;
eine Einrichtung (11, 14) zur Überlagerung des von der Meßbrücke (10) gelieferten Signals mit einem steuerbaren Anteil der Brückenspeisespannung;
einen weiteren, mit der Trägerfrequenz F gesteuerten Lock- in-Demodulator (12), der das Ausgangssignal der Überlagerungs einrichtung (11, 14) empfängt und das Temperaturmeßsignal erzeugt;
eine das Temperaturmeßsignal empfangende und integrierende Schaltung (15), deren Ausgangssignal auf einen Steuereingang der Überlagerungseinrichtung (11, 14) gekoppelt ist, um den besagten Anteil der Brückenspeisespannung im Sinne eines automatischen Abgleichs der Meßbrücke (10) zu steuern.
eine Meßbrücke (10), in welche der Temperatursensor (4) eingefügt ist;
einen Wechselspannungsgenerator (13) zur Speisung der Meßbrücke (10) mit einer Trägerfrequenz F»f;
eine Einrichtung (11, 14) zur Überlagerung des von der Meßbrücke (10) gelieferten Signals mit einem steuerbaren Anteil der Brückenspeisespannung;
einen weiteren, mit der Trägerfrequenz F gesteuerten Lock- in-Demodulator (12), der das Ausgangssignal der Überlagerungs einrichtung (11, 14) empfängt und das Temperaturmeßsignal erzeugt;
eine das Temperaturmeßsignal empfangende und integrierende Schaltung (15), deren Ausgangssignal auf einen Steuereingang der Überlagerungseinrichtung (11, 14) gekoppelt ist, um den besagten Anteil der Brückenspeisespannung im Sinne eines automatischen Abgleichs der Meßbrücke (10) zu steuern.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4440167A DE4440167A1 (de) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | Verfahren und Anordnung zur Messung der lateralen Stromverteilung in Halbleiterbauelementen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4440167A DE4440167A1 (de) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | Verfahren und Anordnung zur Messung der lateralen Stromverteilung in Halbleiterbauelementen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4440167A1 true DE4440167A1 (de) | 1996-08-29 |
Family
ID=6532975
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4440167A Withdrawn DE4440167A1 (de) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | Verfahren und Anordnung zur Messung der lateralen Stromverteilung in Halbleiterbauelementen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4440167A1 (de) |
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