Автоматизированный измеритель удельного электросопротивления монокристаллического кремния четырехзондовым методом

На основе требований к оборудованию и методикам измерения и расчета УЭС системы международных стандартов SEMI** авторами разработан прибор «Рометр», предназначенный для автоматизированного измерения УЭС пластин и слитков монокристаллического кремния четырехзондовым методом.

Конструкция прибора «Рометр». Прибор состоит из следующих основных функциональных элементов (рис. 1): четырехзондовой головки с линейным расположением зондов; двух источников питания (один – для измерительной схемы, второй – для питания шаговых двигателей); калиброванного источника тока для внешних зондов че- тырехзондовой головки; двух микроконтроллеров (один – для управления работой измерительной схемы, второй – для управления перемещением четырехзондовой головки и столика с образцом); аналого-цифрового преобразователя (АЦП); аналоговых эквивалентов; измерительного усилителя; датчика температуры; схемы управления двигателями (СУД); датчика углового перемещения столика; датчика рабочего положения четырехзондовой головки.

В приборе применена четырехзондовая головка фирмы Jandel Engineering Ltd с межзондовым расстоянием 1,59 мм, которая обеспечивает подачу на измеряемый образец постоянного тока заданной величины по внешним зондам и измерение возникающей разности потенциалов на внутренних зондах, к которым подключен измерительный усилитель. С выхода усилителя аналоговый сигнал подается на вход 18-разрядного АЦП MAX132 и преобразуется в цифровой код, далее он поступает на вход первого микроконтроллера ATMEGA8, управляющего работой измерительной схемы, и затем на персональный компьютер. Источник стабилизированного питания измерительной схемы обеспечивает стабильные постоянные напряжения +15 и –15 В для работы измерительного усилителя, источника тока, АЦП и +5 В для пер- вого микроконтроллера и датчика температуры. Второй стабилизированный источник питания вырабатывает напряжение +10 В для питания шаговых двигателей и +5 В для питания второго микроконтроллера ATMEGA8 и СУД. Эти источники питания выполнены в отдельных экранированных корпусах для уменьшения влияния помех на измерительный усилитель.

Источник тока для четырехзондовой головки предназначен для выработки дискретно перестраиваемых значений постоянного тока 0,25; 2,5; 25; 250 мкА; 2,5; 25; 100 мА с возможностью коммутации полярности. Каждое значение тока задается в соответствующем диапазоне измеряемых величин УЭС согласно стандарту SEMI MF84. В режиме измерений ток через внешние зонды четырехзондовой головки подается на измеряемый образец, а в режиме калибровки – на аналоговые эквиваленты – семь прецизионных резисторов (10 000; 1 000; 100; 10; 1; 0,1; 0,01 Ом), подключенных в режиме калибровки к источнику тока через резисторы, имитирующие переходное сопротивление между каждым наконечником зонда и образцом кремния.

Контроль температуры пластин и слитков монокристаллического кремния обеспечивается датчиком температуры DS1820, выходной сигнал с которого поступает на вход первого микроконтроллера. СУД подает импульсы напряжения питания на обмотки шаговых двигателей в нужной последовательности для обеспечения вращения в прямом или реверсном направлении по командам второго микроконтроллера. В приборе «Рометр» применены шаговые двигатели типа ДШИ-200-1. Датчик углового перемещения ЛИР458А контролирует угол поворота подвижной части столика с образцом кремния относительно четырехзондовой головки. Выходной сигнал датчика в цифровом коде поступает на второй микроконтроллер. Концевые выключатели вертикального (КВВП) (верхний и нижний) и горизонтального перемещений (КВГП) (передний и задний) передают контрольные сигналы на второй микроконтроллер в моменты, когда положение четырехзондовой головки или измерительного столика достигло крайних значений. Оптронный датчик рабочего положения четырехзондовой головки АОТ 147-А подает контрольный сигнал на второй микроконтроллер, когда давление зондов на образец достигает величины, рекомендованной в стандарте SEMI MF84.

Управляющая программа. Программа, управляющая работой прибора «Рометр», состоит из четырех подпрограмм, позволяющих проводить измерения УЭС монокристаллического кремния в четырех режимах: измерение УЭС в одной точке заданное количество раз; измерение УЭС в шести точках согласно стандарту SEMI MF81 (вариант В); измерение карты сопротивлений согласно стандартам SEMI MF81 и MF1527; измерение УЭС объемных нестандартных образцов. Управляющая программа позволяет в автоматическом режиме провести калибровку прибора по аналоговым эквивалентам, измерить толщину пластины или слитка кремния, задать необходимую величину тока на внешних зондах четырехзондовой головки, измерить разность потенциалов между внутренними зондами и рассчитать значение УЭС по методике, приведенной в стандарте SEMI MF84 с учетом поправочных коэффициентов на геометрию образца и его температуру. Протокол измерений УЭС отображается в окне программы, что позволяет контролировать значения УЭС в процессе измерения.

Прибор «Рометр» работает следующим образом. После запуска управляющей программы с платы СУД

Рис. 1. Блок-схема прибора «Рометр»

подается сигнал на двигатели вертикального (ДВП), горизонтального (ДГП) и кругового (ДКП) перемещений для установки четырехзондовой головки и подвижной части столика прибора в исходное положение. Исследуемые образцы монокристаллического кремния круглой формы зажимаются фиксаторами так, что их центр совпадает с центром четырехзондовой головки. Далее выполняется автоматическая калибровка прибора. Для этого по команде управляющей программы четырехзондовая головка отключается от источника тока и измерительного усилителя. Вместо нее подключается ее аналоговый эквивалент, через который пропускается ток заданной величины и измеряется падение напряжения на нем при чередовании полярности тока. После процесса калибровки к входам источника тока и измерительного усилителя вместо аналогового эквивалента автоматически подключается четырехзондовая головка. Далее манипулятор вертикального перемещения плавно опускает эту головку на измеряемый образец до соприкосновения зондов с поверхностью образца. В зависимости от выбранного режима измерений автоматически выполняется измерение УЭС и температуры образца и учитывается температурный поправочный коэффициент согласно стандарту SEMI MF84.

Управляющая программа позволяет определить УЭС в любой точке трехмерного изображения поверхности пластины при наведении на нее курсора, а также анализировать распределение УЭС по сечению поверхности, проходящему через ее центр (рис. 2).

Технические характеристики. Габаритные размеры прибора «Рометр» 560 х 320 х 410 мм. Вес - не более 25 кг Диапазон измерения удельного электрического сопротивления составляет от 0,001 до 10 000 Ом ∙ см. Пределы допускаемой основной относительной погрешности среднего арифметического из 10 измерений: для УЭС в диапазоне 0,001...0,01 Ом ∙ см – не более ±3 %; для УЭС в диапазоне 0,011...10 000 Ом ∙ см – не более ±2 %. Размер измеряемых образцов монокристаллического кремния: диаметр – от 10 до 200 мм, толщина – от 0,1 до 30 мм.

Таким образом, разработанный автоматизированный измеритель УЭС пластин и слитков монокристаллического кремния по своим техническим характеристикам не уступает лучшим зарубежным аналогам. Определенные по результатам сертификационных испытаний пределы допускаемой основной относительной погрешности измерений не превышают значений, приведенных в ГОСТ 19658–81 и стандартах SEMI MF84, MF81, MF1527.

Прибор прошел сертификацию, в соответствии с которой утвержден тип измерителей удельного электросопротивления кремния «Рометр», зарегистрированный в Государственном реестре средств измерений, и допущен к применению в Российской Федерации.