Неразрушающие методы контроля удельного электрического сопротивления полупроводников

В ряде случаев в метрологии полупроводников отдается предпочтение так называемым бесконтактным методам измерения УЭС, что связано с их определенными преимуществами в сравнении с зондовыми:

1. Неразрушающим и незагрязняющим воздействием на измеряемые образцы.

2. Возможностью измерения образцов с высокими переходными сопротивлениями контактов (поликристаллы, спеченные порошки, расплавы, поликристаллические пленки и проч.).

Правда, надо сразу оговориться, что эти методы проигрывают зондовым в точности и особенно в разрешающей способности.

Существуют три основных группы бесконтактных методов измерения УЭС:

1. Мостовые методы.

2. Методы, основанные на взаимодействии полупроводника с электромагнитным полем колебательного контура (LC).

3. СВЧ-методы.

Мостовые методы – основаны на том, что в одно из плеч питаемой переменным током высокой частоты мостовой схемы, которая содержит переменные сопротивление R и емкость С, вводят иследуемый образец. Изменяя значение R и С таким образом, чтобы плечи моста были уравновешены (через гальванометр течет "нулевой" ток), добиваются компенсации моста; при этом, величина R будет равна полному сопротивлению образца.

При взаимодействии полупроводника с колебательным контуром LC изменяется добротность этого контура (Q).

(1.34)

По определению, добротность контура – это отношение его реактивного сопротивления к активному.

Добротность контура измеряют с помощью стандартных приборов – куметров в области частот 30…50 МГц.

Внесение образца в контур вызывает изменение его добротности DQ за счет дополнительных потерь. Эти потери пропорциональны УЭС образца, т.е. DQ = f (r). Функцию f (r) строят на основе измерения образцов с известным r. Таким образом, погрешность бесконтактных методов определяется, главным образом, точностью построения градуировочной кривой f (r).

В этом методе связь между образцом и LC-контуром может осуществляться либо через емкость, либо через индуктивность.

Наибольшее распространение получил метод емкостной связи (конденсаторный метод). Он применим к достаточно высокоомным образцам. Один из вариантов этого метода применяется в промышленности для контроля поликристаллических слитков кремния, полученных водородным восстановлением трихлорсилана или тетрахлорсилана. При этом, слиток для предотвращения загрязнения может быть завернут в полиэтиленовую пленку.

Недостатки метода: возможность использования образцов только правильной геометрической формы и невысокая разрешающая способность (сильное усреднение).

В другом варианте исследуемый образец помещается в катушку индуктивности (индуктивная связь). Этот метод применим для сравнительно низкоомных образцов (r £ 1 Ом×см), главным образом, в виде порошка или расплава, помещаемых в ампулу. Индуктивный метод не столь распространен как емкостной.

СВЧ-методы основаны на том, что энергия СВЧ-колебаний, распространяющихся по волноводу, попадая на исследуемый образец, частично проходит через него, частично поглощается и частично отражается (рассеивается). Разница между мощностью падающего и проходящего через образец СВЧ-излучения оказывается пропорциональной r (точнее, зависящей от r).

Рабочий диапазон частот – до 10⁹ Гц. Наиболее точным является резонаторный вариант метода, позволяющий достаточно точно контролировать снижение добротности (а она для этих частот очень велика и составляет 10³…10⁴) от внесения образца в резонатор.

Метод недостаточно точный, косвенный, т.е. требует градуировки по специальным образцам, геометрия образцов ограничена размерами полости резонатора.