SU1744656A1 - Бесконтактный датчик поверхностных зар дов и потенциалов - Google Patents

Abstract

Изобретение м.б. использовано в измерительной технике, электротехнике, микро- электронике, дефектоскопии при измерении поверхностных распределений зар да и потенциала на диэлектрических и высокоомных полупроводниковых сло х. fUu 10N бЛгЙ 666666 П Металлический измерительный электрод 1 расположен в заземленном электростатическом экране 2 и отделен от него диэлектрической вставкой 3, на которую нанесен высокоомный резистивный слой 4, соедин ющий металлический электрод 1 с экраном 2, на высокоомный слой и торцовую поверхность металлического электрода нанесен слой окисла 5, напыленный на слой п/п материала 6 с контактными площадками 7 и 8. Контактна  площадка 8 электрически соединена через слой 9 с экраном 2, а на контактную площадку 7 через резистивный элемент 10 подаетс  опорное напр жение и через делитель, составленный из резистив- ного элемента 10 и полупроводникового материала 6 с контактными площадками 7 и 8, течет электрический ток. В качестве полупроводникового материала может быть использован кремний, а слой окисла может быть изготовлен из окиси кремни  . 3 ил Ё бых g С сл Os Фиг/

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в репрографии, электротехнике, микроэлектронике , дефектоскопии при измерении поверхностных распределений зар да и потенциала на диэлектрических и высоко- омных полупроводниковых сло х.

Известен датчик дл  бесконтактного измерени  поверхностных распределений зар да и потенциала, выполненный в виде металлического измерительного электрода, расположенного в электростатическом экране и выступающего из него. Полоса пропускани  пространственных гармоник, характеризующа  разрешающую способность , определ етс  контрастно-частотной характеристикой (КЧХ). Дл  данного датчика она невелика в св зи с тем, что измерительный электрод выступает из экрана, Расширить полосу пропускани  зондовой системы можно за счет уменьшени  радиуса измерительного электрода зонда. Однако при этом резко снижаетс  чувствительность зондового датчика.

Известен зондовый датчик дл  бесконтактного измерени  поверхностного распределени  зар да и потенциала, торец измерительного металлического электрода датчика лежит в одной плоскости с заземленным электростатическим экраном. Повышение разрешающей способности и чувствительности возможно при приближении зондового датчика к исследуемой поверхности . Ограничение на повышение разрешающей способности и чувствительности накладывает величина общей емкости (включа  собственную емкость зонда) 10 пФ. Кроме того, значительное уменьшение рассто ни  между зондовым датчиком и поверхностью невозможно вследствие возникновени  электрических пробоев в воздушном зазоре между зондовым датчиком и исследуемой поверхностью, начина  с некоторого критического рассто ни  2кр.

Известен датчик поверхностных зар дов и потенциалов, выполненный в виде измерительного металлического электрода, расположенного в заземленном электростатическом экране. Торец металлического электрода выполнен в виде конуса с вершиной в плоскости торца экрана. Диэлектриче- ска  вставка расположена между образующей электрода и боковой поверхностью экрана. Вследствие того, что измерительный электрод расположен внутри электростатического экрана, датчик имеет жидкую чувствительность Повысить разрешающую способность и чувствительность этого датчика возг-ож -п за

счет приближени  к исследуемому слою. Однако уменьшение рабочего рассто ни  ограничено значением ZKp.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  зондовый датчик дл  бесконтактного измерени  поверхностного распределени  зар да и потенциала, в котором на торец измерительного электрода и внешнюю поверхность электростатического экрана нанесено покрытие из электроизолирующего материала, толщина которого h выбираетс 

из услови  0,1 - 0,2, где ZKp ZKp

минимальное рассто ние от зондового датчика

до исследуемого сло , при котором электрический пробой в воздушном зазоре между зондовым датчиком и исследуемым слоем еще не наступает. Из-за возникновени  электрического пробо  в воздушном промежутке зондовый датчик - исследуемый слой приближение к слою возможно лишь до некоторого рассто ни  ZKp, что ограничивает разрешающую способность и чувствительность датчика.

Цель изобретени  - повышение чувствительности .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в датчике поверхностных зар дов и потенциалов , содержащем металлический электрод с рабочим торцом, размещенным с возможностью неконтактировани  с контролируемой поверхностью, и противоположным нерабочим торцом, помещенный в полый электростатический экран, и диэлектрическую вставку, расположенную между боковой поверхностью металлического электрода и электростатического экрана, в полости электростатического экрана дополнительно размещены резистивный и полупроводниковый элементы, электрически соединенные между собой, при этом полупроводниковый элемент выполнен в виде пластины с контактными площадками, на одну сторону которой, обращенную к нерабочему торцу металлического электрода нанесен слой диэлектрика, а на торцовую поверхность диэлектрической вставки, обращенную в сторону полупроводникового элемента, нанесен высокоомный резистивный слой, электрически соединенный с металлическим электродом, экраном и слоем диэлектрика на полупроводниковом элементе , одна из контактных площадок которого соединена с экраном, а друга  - с

резистивным элементом,

На фиг. 1 представлена конструкци  датчика, разрез; на фиг.2 - эквивалентна  схема датчика; на фиг.З - эквивалентна  схема согласующего каскада, включающа 

емкости Свх, Сзэ, См, где Свх - собственна  емкость зонда, т.е. емкость с измерительного электрода 1 на исследуемый объект; Сзэ - входна  емкость усилител  - это емкость с электрода 1 на электростатический .экран 2; См - емкость соединительных экранированных проводов между зондом и затвором полевого транзистора (емкость монтажа), она сведена к нулю в предлагаемой конструкции датчика.

Устройство содержит измерительный металлический электрод 1 с рабочим торцом , размещенным над контролируемой по- верхностью, помещенный в полый электростатический экран 2, и диэлектрическую вставку 3, расположенную между боковой поверхностью металлического электрода и электростатического экрана. В полость электростатического экрана 2 введены резистивный 4 и полупроводниковый 5 элементы электрически соединенные между собой, при этом полупроводниковый элемент выполнен в виде пластины с двум  контактными площадками 6 и 7, на одну сторону которой, обращенную к нерабочему торцу металлического электрода 1 нанесен слой диэлектрика (слой окисла) 8, а на торцовую поверхность диэлектрической вставки 3, обращенную в сторону полупроводникового элемента 5, нанесен высокоомный резистивный слой 9, электрически соединенный с металлическим измерительным электродом 1, экраном 2 и слоем диэлектрика (окисла) 8 на полупроводниковом элементе 5. Одна из контактных площадок 7 полупроводникового элемента 5 соедин етс  с электростатическим экраном 2 в точке 10, а друга  6 - с одним концом резистивного элемента 4 и  вл етс  выходным контактом предлагаемого зондового датчика, на второй конец резистивного элемента 4 подаетс  опорное напр жение Do.

Устройство работает следующим образом .

Зондовый датчик устанавливаетс  над зар женным слоем. На металлическом электроде индуцируетс  зар д, пропорциональный плотности поверхностного зар да на слое. Индуцируемый зар д измен ет ширину канала п/п материала, что приводит к изменению тока в делителе: резистивный элемент- п/п материал, а следовательно, к изменению напр жени  на выходе зондового датчика, которое пропорционально величине зар дового воздействи .

При относительном продольном перемещении зондового датчика над исследуемым слоем, имеющим неравномерную плотность поверхностного зар да, на металлическом электроде зондового датчика

индуцируетс  переменный зар д, а в измерительной цепи течет переменный ток, по величине которого суд т о плотности поверхностного зар да на исследуемом слое. Высокоомный резистивный слой, соедин ющий металлический электрод с экраном , предназначен дл  предотвращени  выхода из стро  датчика в случае возникновени  пробо  на металлический электрод.

Коэффициент передачи зондового датчика Кп определ етс  отношением емкостей

кС вх

Кп Свх + Сзэ+См Коэффициент передачи истокового повторител  близок к единице. Элементы R3 и RH ввод т в согласующий каскад дл  его нормальной работы; R3 - сопротивление, предназначенное дл  задани  рабочей точки полевого транзистора и дл  исключени 

пробоев полевого транзистора при больших статических нагрузках, в предлагаемом устройстве - это высокоомный резистивный слой 9; RH - сопротивление истоковой нагрузки полевого транзистора (усилительного каскада), в данном случае резистивный элемент 4. Все остальные элементы, вход щие в эквивалентную схему усилител , это распределенные емкости и проводимость самого полевого транзистора. Величина сопротивлени  R3 - 10 -10 Ом и превышает сопротивление рассматриваемых емкостей на несколько пор дков в частотном диапазоне 50 Гц - 2 МГц измер емого сигнала. Поэтому Кп записан без учета R3.

Исход  из формулы дл  Кп, можно сделать вывод, что увеличение Кп возможно за счет увеличени  Свх и уменьшени  Сзэ и См. Так как увеличение Свх ограниченно пробивным напр жением и определ етс  величиной ZKp, а также формой металлического электрода 1, то дл  дальнейшего повышени  чувствительности датчика необходимо уменьшение Сзэ или См. Дл  этой цели полевой транзистор располагают как можно

ближе к электроду 1 с целью уменьшени  См. Чтобы полностью исключить См предлагаетс  выполн ть согласующий каскад непосредственно на торце электрода 1, так как в данном случае торец металлического электрода 1 может выполн ть роль затвора полевого транзистора.

Така  компоновка зондового датчика и МОП-структуры наиболее технологична и позвол ет устранить некоторые элементы

полевого транзистора (затвор) и соединительные элементы , создающие емкость См. Коэффициент передачи предлагаемого зондового датчика определ етс  величиной

/

К. п -

С

ъх

С СВ Г С 33

Коэ ффиимегт передгчи согласующего каскада, в который входмт высокоомиый ре- зистивный слой 9 i/. резист вн й элемент 4, равен 1 и не илжет на чувствительность датчика,

Учитыва , что полный коэффициент передачи зондового датчика, включа  и усилительный каскад, есть величина

U вых v ,/

-14 п л ус ;

с лов

то нэ индикаторе регистрируетс  выходное напр жение Иных, определ емое входным значащем епов Б соответствии с

соотноше:1/,.

,, ь вых

U вых - г-i i- с лов

- вых С- зэ

так как Кус 1.

Таким образом, регистрируемое выходное напр жение ивых пропорционально л«- бо потенциалу U исследуемого сло , лмбо плотности поверхностного зар да а, т.к. можно записать два следующих равенства:

U вых -

ffS

С вх f С зэ С сло 

(при измерении зар да):

С ВЫХ

U вых -

+ с

и

(при измерении поверхностного потенциала ).

Claims (1)

1. Формула изобретени  Бесконтактный датчик поверхностных

   зар дов и потенциалов, содержащий металлический электрод с рабочим торцом и противоположным нерабочим торцом, помещенный в полый электростатический экран, и диэлектрическую вставку, расположенную между боковой поверхностью металлического электрода и электростатического экрана, отличающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности, в полости электростатического экрана дополнительно размещены резистивный и полупроводниковый элементы, электрически соединенные между собой, при этом полупроводниковый элемент выполнен в виде пластины с контактными площадками, на

   одну сторону которой, обращенную к нерабочему торцу металлического электрода, нанесен слой диэлектрика, а на торцовую поверхность диэлектрической вставки, обращенную в сторону полупроводникового

   элемента, нанесен высокоомный резистивный слой, электрически соединенный с металлическим электродом, экраном и слоем диэлектрика на полупроводниковом элементе , одна из контактных площадок которого соединена с экраном, а друга  - с резистивным элементом.

   .. I. чigb-- -

   уг

   УС

   33

   С

   М

   в, 2

   &пав

   &

   ссп