專利名稱:一種用介質(zhì)波導(dǎo)測(cè)量半導(dǎo)體材料少子壽命的裝置的制作方法
本發(fā)明屬于用微波方法測(cè)量半導(dǎo)體材料物理特性的裝置。屬GO1N 22/00國(guó)際專利分類系統(tǒng)。
少數(shù)載流子壽命(簡(jiǎn)稱少子壽命)是半導(dǎo)體材料晶格完整性及純度的綜合反映，它與電阻率、遷移率同被列為半導(dǎo)體材料的三個(gè)重要參數(shù)，因此材料廠、器件廠在集成電路和半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)過程中，對(duì)這些參數(shù)的測(cè)定已成為必不可少的工序。目前國(guó)內(nèi)使用的測(cè)量手段(如用高頻光電導(dǎo)方法)都是接觸測(cè)試，其不足之處是在測(cè)量過程中容易造成樣品表面的沾污和機(jī)械損傷，而且被測(cè)樣品只能是一段硅錠的局部部位，而實(shí)際生產(chǎn)使用的是厚薄、直徑各不相同的片狀材料，它的特性參數(shù)同錠狀單晶中所測(cè)得的數(shù)據(jù)往往有很大的差異。因此，接觸測(cè)量的方法不夠理想。近來?yè)?jù)有關(guān)報(bào)導(dǎo)，國(guó)外也有研究各種非接觸測(cè)試少子壽命的方法，如《應(yīng)用物理》1980年第49卷第9號(hào)、第10號(hào)，日本《電子材料》1981年2月號(hào)、6月號(hào)都不斷刊載有關(guān)“非接觸法測(cè)定半導(dǎo)體材料的電氣性質(zhì)”方面的文章，其中有用微波方法測(cè)量少子壽命的內(nèi)容，如波導(dǎo)法、微帶線法、同軸線法等。但是，為了把樣品放入波導(dǎo)，需將樣品按要求切割成一定的形狀，測(cè)試的方法也比較麻煩;采用帶線作為檢測(cè)裝置，雖然避免了上述不利之處，但由于樣品和帶線之間是表面接觸，依靠帶線暴露在空氣中的那部分電場(chǎng)(它在空氣中呈非均勻分布)透入樣品，此時(shí)樣品表面部分電導(dǎo)的影響大于體內(nèi)電導(dǎo)的影響，傳輸特性與帶線上覆蓋的樣品厚度呈非線性關(guān)系，因而增加了表面復(fù)合引起的測(cè)量誤差。
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種用微波介質(zhì)波導(dǎo)方法無(wú)接觸測(cè)量半導(dǎo)體薄片材料少子壽命的裝置。
本發(fā)明利用光照前后引起微波透過半導(dǎo)體樣品傳輸系數(shù)的變化能反映少子衰退過程的原理-在注入情況下，傳輸系數(shù)的變化正比于測(cè)試部分由于光注入所產(chǎn)生的少子總數(shù)-計(jì)算出半導(dǎo)體片狀樣品的少子有效壽命。此外，通過傳輸系數(shù)(或反射系數(shù))的測(cè)定還能夠同時(shí)測(cè)量樣品的電阻率。
該裝置主要包括微波源、光源、測(cè)試頭子和微波檢測(cè)器四大部分，其中測(cè)試頭子為本發(fā)明的特征所在。它由可作微波傳輸線的介質(zhì)波導(dǎo)制成，待測(cè)樣品放在兩介質(zhì)波導(dǎo)之間的測(cè)試平臺(tái)上，介質(zhì)波導(dǎo)通過介質(zhì)波導(dǎo)-波導(dǎo)的過渡分別同可變衰減器和檢波器相連接，由可變衰減器調(diào)節(jié)加到待測(cè)樣品上的微波功率，并由檢波器將輸出的訊號(hào)經(jīng)前置放大器后再送入顯示器(示波器)，由傳輸系數(shù)隨時(shí)間的變化直接在示波器上顯示出少子衰退曲線，少子壽命可由示波器時(shí)標(biāo)直接讀出。通過表頭的顯示也可同時(shí)得出材料的電阻率。(微波介質(zhì)波導(dǎo)法無(wú)接觸測(cè)試半導(dǎo)體材料少子壽命裝置的工作框圖詳見1。)該裝置測(cè)試頭子的結(jié)構(gòu)圖見2，介質(zhì)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖見3。測(cè)試頭子由上部件〔1〕，下部件〔4〕及測(cè)試平臺(tái)〔3〕三個(gè)部分組成。上部件〔1〕水平方向上的A端為介質(zhì)波導(dǎo)-波導(dǎo)過渡，呈尖劈形，以便于同檢波器〔7〕的波導(dǎo)口連接，中間部分為矩形截面的介質(zhì)波導(dǎo)，在B端為一直角彎頭，在彎角的垂直部分開有一個(gè)上大下小的穿通圓孔〔2〕，可使脈沖光源產(chǎn)生的脈沖光通過它照射到待測(cè)樣品上去，該垂直部分介質(zhì)波導(dǎo)的底部C端為帶圓孔的矩形測(cè)量端面;下部件〔4〕的上截面D為一個(gè)與上部件〔1〕的C端測(cè)量面位置對(duì)準(zhǔn)、大小相等的矩形測(cè)量端面，該部件的中間部分為矩形截面的介質(zhì)波導(dǎo)，下端E為波導(dǎo)-介質(zhì)波導(dǎo)過渡，呈尖劈形，以便于同可變衰減器〔6〕的波導(dǎo)口連接;測(cè)試平臺(tái)〔3〕位于上部件〔1〕、下部件〔4〕的D、C兩個(gè)測(cè)量端之間，上面可放置待測(cè)樣品〔5〕，在對(duì)準(zhǔn)下部件〔4〕測(cè)量端D處，測(cè)試平臺(tái)〔3〕的下方開有一個(gè)呈圓形或矩形的凹穴，凹穴的面積大于介質(zhì)波導(dǎo)上的測(cè)量端面，以便下部件〔4〕的D端更靠近待測(cè)樣品〔5〕。上部件〔1〕及檢波器裝在一個(gè)可調(diào)節(jié)的支架上，可作垂直于測(cè)試平臺(tái)〔3〕的運(yùn)動(dòng)，因而能測(cè)量不同厚度的樣品;而當(dāng)上部件〔1〕的位置固定時(shí)，將待測(cè)樣品〔5〕在測(cè)試平臺(tái)〔3〕上作左、右，前、后的移動(dòng)，便可測(cè)量樣品上不同部位的少子壽命。
該裝置工作時(shí)，測(cè)試頭子的下部件〔4〕通過波導(dǎo)-介質(zhì)波導(dǎo)過渡(E端)將微波源發(fā)出的微波傳輸?shù)紻端，微波透過待測(cè)樣品〔5〕后，通過上部件〔1〕上的介質(zhì)波導(dǎo)-波導(dǎo)過渡(A端)再傳輸?shù)綑z波器上，由此使整個(gè)微波線路導(dǎo)通。如果此時(shí)上部件〔1〕上的穿通圓孔〔2〕內(nèi)有脈沖光射向待測(cè)樣品〔5〕，則在光照前后樣品中少子數(shù)量的變化將引起微波傳輸系數(shù)發(fā)生變動(dòng)，于是示波器上可以看到少子的衰退過程。
上述測(cè)試頭子結(jié)構(gòu)采用的是傳輸法，如果測(cè)量的是低阻材料樣品，還可改用反射法，即在測(cè)試頭子中，省略下部件〔4〕，而將上部件〔1〕與一環(huán)行器相連，環(huán)行器的另外兩個(gè)端口分別接微波源和檢波器，此時(shí)由反射系數(shù)隨時(shí)間的變化來反映少子的衰退過程。
本測(cè)試裝置的微波源采用波長(zhǎng)為2厘米，功率大于40毫瓦、波導(dǎo)形狀的體效應(yīng)振蕩源。放大器的高頻響應(yīng)為20赫茲～10千赫，放大倍數(shù)約100倍。顯示器為SBT-5同步示波器。脈沖光源為紅外光源或激光等其它光源，重復(fù)頻率約20赫茲，脈沖寬度40～50微秒。測(cè)試頭子中上部件〔1〕、下部件〔4〕可采用Al2O3陶瓷材料或其它高介電常數(shù)的介質(zhì)材料，兩個(gè)矩形測(cè)量端C、D的截面尺寸取決于微波的工作頻率以及所用介質(zhì)材料的介電常數(shù);測(cè)試平臺(tái)〔3〕用有機(jī)玻璃或聚四氟乙稀或其它低介電常數(shù)的介質(zhì)材料制成。
本發(fā)明裝置由于將光源導(dǎo)通孔與介質(zhì)波導(dǎo)合為一體，使光照區(qū)域小于介質(zhì)波導(dǎo)測(cè)量端的端面面積，從而提高了測(cè)量少子壽命的分辯率。例如測(cè)試區(qū)域可為直徑φ＝2毫米的圓斑;通過樣品在測(cè)試平臺(tái)〔3〕上的平移，可以方便地測(cè)量同一樣品上不同部位的少子壽命(最低可測(cè)到1微秒);上部件〔1〕還能上下調(diào)節(jié)，以適應(yīng)測(cè)量不同厚度樣品的需要。整個(gè)測(cè)量裝置的體積可做到60厘米×50厘米×25厘米，小巧靈活。
用微波介質(zhì)波導(dǎo)加紅外光源無(wú)接觸測(cè)量半導(dǎo)體材料少子壽命(及電阻率)的方法在國(guó)內(nèi)外均屬首創(chuàng)。實(shí)踐證明利用這種方法制成的測(cè)試裝置在測(cè)試的重復(fù)性、精確度等方面都達(dá)到或超過了其它常規(guī)的測(cè)試方法，而且操作方便、簡(jiǎn)單實(shí)用;測(cè)量時(shí)對(duì)樣品無(wú)損傷、無(wú)沾污，可以用來測(cè)量拋光片、離子注入片、外延片、氧化片以及其它經(jīng)過腐蝕、濺射等工藝的薄片少子壽命和電阻率，也能同時(shí)測(cè)出同一樣品不同部位少子壽命的差異。
權(quán)利要求
1.一種用介質(zhì)波導(dǎo)測(cè)量半導(dǎo)體材料少子壽命的裝置，由微波源、光源、測(cè)試頭子及微波檢測(cè)器四部分組成，本發(fā)明的特征在于該裝置的測(cè)試頭子由以下三個(gè)部件組成a.上部件[1]，其水平方向上的A端是一個(gè)呈尖劈形的介質(zhì)波導(dǎo)-波導(dǎo)過渡，中間為矩形截面的介質(zhì)波導(dǎo)，在B端有一個(gè)直角彎頭，在彎角的垂直部分開有一個(gè)上大下小的穿通圓孔[2]，該垂直部分的底端C為帶圓孔的矩形測(cè)量面；b.下部件[4]，其D端與上部件[1]的C端截面大小相同、位置對(duì)準(zhǔn)，中間為同樣矩形截面的介質(zhì)波導(dǎo)，下端E為一個(gè)呈尖劈形的波導(dǎo)-介質(zhì)波導(dǎo)過渡；c.放置樣品介質(zhì)測(cè)試平臺(tái)[3]，其位于上部件[1]的C端與下部件[4]的D端之間；測(cè)試平臺(tái)[3]的下方開有一個(gè)大于下部件[4]中介質(zhì)波導(dǎo)矩形截面的圓型或矩形凹穴，上方為一放置待測(cè)樣品[5]的平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征在于測(cè)試頭子中的上部件〔1〕與下部件〔4〕采用Al2O3陶瓷材料或其它高介電常數(shù)的介質(zhì)材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征在于測(cè)試頭子的測(cè)試平臺(tái)〔3〕用有機(jī)玻璃或聚四氟乙稀或其它低介電常數(shù)的介質(zhì)材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征在于測(cè)試頭子部分若保留下部件〔4〕，則為用傳輸法測(cè)量一般材料少子壽命的裝置，而若取消下部件〔4〕，則變?yōu)橛梅瓷浞y(cè)量低阻材料少子壽命的裝置。
專利摘要
本發(fā)明提供了一種用介質(zhì)波導(dǎo)加紅外光源無(wú)接觸測(cè)試半導(dǎo)體材料少子壽命及電阻率的裝置。該裝置的測(cè)試結(jié)果與常規(guī)的有接觸方法一致、操作簡(jiǎn)便，能夠測(cè)量不同厚度片狀樣品的少子壽命以及同一樣品上不同部位少子壽命的差異。由于是無(wú)接觸測(cè)試，對(duì)于拋光片、離子注入片以及經(jīng)過各種化學(xué)處理的半導(dǎo)體薄片尤為適宜，能夠做到無(wú)損傷、無(wú)沾污。在集成電路、半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)過程中可用作材料檢驗(yàn)和工藝監(jiān)控的重要手段。
文檔編號(hào)G01N22/00GK86101518SQ86101518
公開日1987年2月11日 申請(qǐng)日期1986年7月25日
發(fā)明者王宗欣 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan