Однозондовый метод

В метрологии полупроводников одной из важнейших задач является исследование их неоднородности. Для оценки электрической неоднородности чаще всего используется координатная зависимость УЭС типа r(х). Особенно актуально изучение так называемой микронеоднородности, т.е. распределения УЭС в микрообъемах.

Применительно к этой задаче на первый план выдвигается необходимость повышения разрешающей способности методов измерения УЭС, что требует сокращения расстояния между зондами.

Как уже указывалось выше, в этом отношении двухзондовый метод более перспективен, нежели четырехзондовый. Однако сблизить даже два зонда на микроскопически малое расстояние физически невозможно. Кроме того, с уменьшением межзондового расстояния резко возрастает относительная погрешность, связанная с неконтролируемыми отклонениями положения зондов от их стационарных позиций.

Поэтому естественным является стремление к однозондовой измерительной системе, когда разрешающая способность будет ограничена лишь протяженностью контакта зонда с поверхностью образца (2r).

Однозондовый метод может быть сравнительно просто реализован как модификация классического двухзондового метода (см. рис. 1.2).

1 – движущийся зонд; 2 – исследуемый образец; S – площадь поперечного сечения;

v – скорость движения зонда; R и C – сопротивление и емкость дифференцирующего элемента.

Рис. 1.5. Схема однозондового метода

Представим себе, что зонд 1 неподвижно зафиксирован, а зонд 2 последовательно, из точки в точку, перемещается в направлении х, увеличивая с каждым шагом эффективное межзондовое расстояние на некоторую малую величину Dх. Разбив всю длину образца на интервалы протяженностью Dх и измерив в каждой точке значение УЭС по формуле:

(1.20)

мы получим искомую зависимость r(х).

Метод превращается в однозондовый, если зонд 1 заземлить вместе с токовым выводом или вообще убрать, производя отсчет потенциала от этого токового контакта. Процедуру измерений r осложняет то обстоятельство, что межзондовое расстояние L также зависит от х, и фактически расчет сводится к дифференцированию DU по координате.

Во избежание этих затруднений и с целью повышения экспрессности измерений предложен вариант однозондового метода с использованием равномерно движущегося и постоянно контактирующего зонда в сочетании с дифференцирующим RC-элементом (рис. 1.5).

Если зонд движется равномерно со скоростью v в направлении х, то в каждый момент времени t потенциал его будет равен:

(1.21)

Отсюда

(1.22)

Можно показать, что напряжение на выходе дифференцирующей RC-ячейки при этом равно:

(1.23)

или

(1.24)

где под эффективным межзондовым расстоянием понимается величина

(1.25)

Поскольку в процессе измерений S = const, то геометрический фактор G = S/(vRC) определяется исключительно конструкционными (кинематическими и электрическими) параметрами измерительной схемы.

Таким образом, при соответствующем подборе величин v, R и C можно сделать L_эфф достаточно малой величиной, но L_эфф < 2r просто лишено физического смысла, т.е. ограничение, связанное с протяженностью контакта, сохраняет свою силу.

Следует учесть, что простое уменьшение значений параметров v, R и C не может быть произвольным, т.к. требования по достижению нужной чувствительности, высокой экспрессности, малой инерционности измерений и т.д. в общем случае являются взаимно противоречивыми.

Например, в промышленном варианте однозондовой установки измерения УЭС оптимальный набор параметров был такой: v = 600 мкм/мин, R» 10³ Ом, С = 10 мкФ, что обеспечивает L_эфф» 10 мкм. Реальную конструкцию двухзондовой измерительной головки с таким межзондовым расстоянием представить себе трудно.