PL209313B1 - Sonda do pomiarów parametrów elektrycznych materiałów i struktur półprzewodnikowych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sonda do pomiaru parametrów elektrycznych materiałów i struktur półprzewodnikowych.

Niezbędnym wyposażeniem laboratoriów diagnostycznych zajmujących się testowaniem materiałów czy struktur elektronicznych przy użyciu testerów, są różnego typu i kształtu sondy, których ostrza pomiarowe mają postać igieł. Sondy pomiarowe stosowane w kontroli produkcyjnej czy segregacji przyrządów półprzewodnikowych (układów scalonych) są zazwyczaj zestawiane w tak zwane karty pomiarowe umożliwiające jednoczesny pomiar wielu pól pomiarowych. W technice diagnostycznej używane są także sondy specjalistyczne, służące do pomiaru specyficznych materiałów czy warstw (np. bardzo miękkich) lub też do realizacji określonego typu pomiaru. Sondy tego typu, w odróżnieniu od sond używanych w kartach pomiarowych, odznaczają się mocniejszą konstrukcją precyzyjniejszym wykonaniem i najwyższymi zdolnościami pomiarowymi. Sondy stosowane do pomiarów elektrycznych materiałów i przyrządów półprzewodnikowych posiadają, co najmniej dwa ostrza położone możliwie blisko siebie. Dla prawidłowego działania sondy istotny jest minimalny rozstaw ostrzy-igieł pomiarowych, powtarzalność ich rozstawu, stały nacisk oraz dobra rezystancja mierzonego kontaktu. Konstrukcja sondy powinna uwzględniać częsty demontaż igieł dla ich renowacji czy ustawienia przy zachowaniu stabilności i powtarzalności ich mocowania a także fakt, że igły pomiarowe mogą być wykonane z różnorodnego materiału. Ponieważ od sond przeznaczonych do pomiaru parametrów elektrycznych materiałów półprzewodnikowych wymagana jest realizacja samoistnego kontaktu do materiału mierzonego, to sondy kart pomiarowych nie mogą być wykorzystane gdyż realizują jedynie kontakt elektryczny do metalizowanych pól kontaktowych (o wymiarach rzędu 100 x 100 μm), wytworzonych w procesie technologicznym. Ponadto, ostrza pomiarowe, w postaci wygiętych drucików, stosowane w kartach pomiarowych nie są także przydatne, ponieważ wszelkie skrobanie czy przesuwanie po materiale mierzonym jest niedopuszczalne.

Znane rozwiązania sond pomiarowych, różnią się przede wszystkim sposobem mocowania ostrza pomiarowego do odpowiedniego wspornika. W jednym ze znanych rozwiązań, igła pomiarowa jest przylutowana na stałe do wspornika sondy. W drugim znanym rozwiązaniu igła pomiarowa jest zaciskana w rozciętym wsporniku sondy, a w trzecim rozwiązaniu igła pomiarowa jest wsuwana do naciętej (sprężynującej) rurki połączonej na stałe ze wspornikiem sondy.

Pierwsze rozwiązanie zapewnia wprawdzie odpowiednią rezystancję kontaktu, ale jego wykorzystanie jest mocno ograniczone ze względu na brak możliwości regulacji długości igły pomiarowej, jest więc rozwiązaniem mało użytecznym z punktu widzenia techniki pomiarów.

W drugim rozwiązaniu wspornik sondy jest rozbudowany o elementy zaciskowe o dużej grubości. Elementy zaciskowe ograniczają zbliżanie poszczególnych sond do siebie, a ponadto wymagają aby ścianki wspornika były odpowiednio grube by możliwe było ich zamocowanie.

Rozwiązanie z mocowaniem igły w naciętym i zaciskanym wsporniku oraz rozwiązania oparte na wsuwaniu igły pomiarowej w rurkę nie zapewniają pewnego mocowania gdyż przy większych naciskach igły przesuwają się a w związku z tym rezystancja kontaktu jest niestabilną. Rozwiązania oparte na elementach sprężynujących stosowane powszechnie w kartach pomiarowych utrudniają wzajemne poziomowanie igieł i ich wymianę, nie zapewniają odpowiedniej kontroli nad elementem sprężystym co skutkuje odchyleniami igły pomiarowej od położenia prostopadłego w stosunku do mierzonej powierzchni jak również niekontrolowaną zmiennością powierzchni styku.

Celem wynalazku jest opracowanie sondy pomiarowej zapewniającej odpowiednią jakość pomiarów elektrycznych materiałów i struktur półprzewodnikowych, a zwłaszcza dużą rozdzielczość przestrzenną.

Sonda według wynalazku ma wspornik z doprowadzeniami elektrycznymi oraz ostrze pomiarowe w postaci igły. W sondzie tej wspornik ma postać klina o kącie wierzchołkowym α<20°, który u podstawy płaszczyzn zbieżnych ma półcylindryczne wycięcia przesunięte względem siebie oraz ścięty wierzchołek do którego dociskana jest za pomocą taśmy mocującej, igła pomiarowa. Korzystnie jest jeżeli wierzchołek wspornika ma szerokość równą średnicy igły pomiarowej lub też jeżeli jest wklęsły. Taśma mocująca, korzystnie niklowa, zamocowana jest jednym końcem na stałe w jednym półcylindrycznym wycięciu, natomiast drugi koniec taśmy mocowany jest rozłącznie w drugim półcylindrycznym wycięciu za pomocą elementu napinającego. Elementem napinającym może być półcylindryczna podkładka przytrzymywana wkrętem dociskającym przechodzącym przez otwór w taśmie mocującej i umieszczonym w nagwintowanym

PL 209 313 B1 otworze położonym asymetrycznie w stosunku do osi drugiego wycięcia. Natomiast igłę pomiarową może stanowić drut wolframowy zaostrzony w formie stożka.

Konstrukcja sondy według wynalazku eliminuje wady znanych rozwiązań, umożliwia odpowiedni kontakt elektryczny, łatwą wymianę i dużą stabilność mechaniczną igieł oraz mały kąt odchylenia igły od położenia prostopadłego względem płaszczyzny kontaktu. Ponadto, niewielkie wymiary wspornika w miejscu osadzenia ostrza pomiarowego, pozwalają na uzyskanie ma ł ego rozstawu kontaktów pomiarowych i prostopadłe ustawienie igieł pomiarowych względem płaszczyzny pomiarowej.

Wynalazek jest bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, który przedstawia pojedynczą sondę w przekroju poprzecznym.

Podstawowymi elementami sondy jest wspornik 1 wykonany w formie ściętego przy wierzchołku klina, ostrze pomiarowe w postaci igły 2 oraz taśma mocująca 3. W przedstawionym rozwiązaniu igła pomiarowa wykonana jest z drutu wolframowego o średnicy 0,5 mm i na jednym końcu zaostrzona w formie stożka. Igła pozycjonowana jest w odpowiednim położeniu na ściętym wierzchołku wspornika 1, którego kąt wierzchołkowy α wynosi 20° i w takim położeniu przyciskana metalową cienką (<100 μm) taśmą niklową do wspornika. Szerokość ścięcia wspornika jest równa średnicy drutu z którego wykonano igłę pomiarową. W modyfikacji rozwiązania ścięcie to zawiera niewielkie wgłębienie ułatwiające pozycjonowanie igły 2. Ponadto, wspornik posiada na każdej z dwu płaszczyzn zbieżnych, w pobliżu podstawy, przesunięte względem siebie półcylindryczne wyfrezowania 4 i 5. Jeden koniec taśmy mocującej 2 przykręcony jest na stałe do wspornika 1 w wyfrezowaniu 4 za pomocą półcylindrycznej podkładki 7 i krytego wkręta 6. Taśma 2 opasuje klin z umieszczoną na ściętym wierzchołku igłą pomiarową 3. Drugi koniec taśmy zaciskany jest rozłącznie w półsferycznym wyfrezowaniu 5 wspornika 1 przy pomocy zespołu mocującego. Zespół mocujący tworzy półcylindryczna podkładka 8 przykręcana wkrętem 9 z chowanym łbem do wspornika 1. Na tym końcu taśma ma wydłużone otwory przez które wkręt 9 przechodzi umożliwiając kontrolowane jej naciąganie. Otwór na wkręt dociskający 9 znajduje się w wyfrezowaniu 5, jest nagwintowany i wykonany asymetrycznie względem osi półcylindrycznego wyfrezowania 5, dzięki czemu możliwe jest wstępne zakleszczenie taśmy 2 na dalszej, patrząc od strony igły, krawędzi wyfrezowania 5. Po wstępnym zakleszczeniu, następuje dopiero właściwe napinanie taśmy poprzez dokręcanie wkrętu 9. Wspornik 1 z zamontowanym ostrzem pomiarowym osadzony jest na przegubowym, cylindrycznym trzpieniu 10 umożliwiającym nachylanie poszczególnych sond względem siebie.

Rozwiązanie zapewnia rozstaw kontaktów rzędu 40 mikrometrów, a pola kontaktów wynikające z promienia igły pomiarowej i z jej docisku są rzędu mikrometra.

Claims (5)

1. Sonda do pomiarów parametrów elektrycznych materiałów i struktur półprzewodnikowych posiadająca wspornik z doprowadzeniami elektrycznymi oraz ostrze pomiarowe w postaci igły, znamienna tym, że wspornik (1) ma postać klina o kącie wierzchołkowym α<20°, który u podstawy płaszczyzn zbieżnych ma półcylindryczne wycięcia (4 i 5) przesunięte względem siebie oraz ścięty wierzchołek do którego dociskana jest za pomocą taśmy mocującej (3), igła pomiarowa (2) przy czym taśma (3), korzystnie niklowa, zamocowana jest jednym końcem na stałe w jednym półcylindrycznym wycięciu (4), natomiast drugi koniec taśmy mocowany jest rozłącznie w drugim półcylindrycznym wycięciu (5) za pomocą zespołu napinającego.

2. Sonda do pomiarów według zastrz. 1, znamienna tym, że zespół napinający stanowi półcylindryczna podkładka (8) z wkrętem dociskającym (9) przechodzącym przez otwór w taśmie mocującej (3) i umieszczony w otworze asymetrycznym względem osi wycięcia (5).

3. Sonda do pomiarów według zastrz. 1, znamienna tym, że wierzchołek klina (1) ma szerokość równą średnicy igły pomiarowej (2).

4. Sonda do pomiarów według zastrz. 1, znamienna tym, że wierzchołek klina (1) jest wklęsły.

5. Sonda do pomiarów według zastrz. 1, znamienna tym, że igłę pomiarową (2) stanowi zaostrzony w formie stożka drut wolframowy.