eng
Выпуск #9/2018
И. Новожилов
Прибор для бесконтактного контроля типа проводимости кремниевых слитков и пластин
Прибор для бесконтактного контроля типа проводимости кремниевых слитков и пластин
Просмотры: 2064
В статье описан прибор PN-100 (компания Semilab, Венгрия) для определения типа проводимости кремниевых пластин (слитков) без риска повреждения их поверхности. Компактный и простой в использовании прибор позволяет избежать больших потерь времени и средств, возможных в случае ошибки поставщика полупроводниковых материалов.
10.22184/1992-4178.2018.180.9.134.135
10.22184/1992-4178.2018.180.9.134.135
Теги: determination of the type of conductivity non-contact testing pn-100 tester semiconductor materials semilab silicon wafers бесконтактный контроль кремниевые пластины определение типа проводимости полупроводниковые материалы прибор pn-100
Наиболее распространенным полупроводниковым материалом в микроэлектронике остается кремний, используемый для изготовления интегральных схем, солнечных панелей, приборов силовой электроники и т. п. Любой организации, занимающейся изготовлением продукции такого типа, будь то серийное предприятие или исследовательская лаборатория, для четкого понимания свойств материала, который станет основой будущих электронных изделий, необходимо средство для быстрого определения типа проводимости кремниевого слитка или пластины. Такая проверка нужна также и производителям полупроводниковых материалов как средство качественного контроля технологической операции выращивания слитка кремния с нужной электронной или дырочной проводимостью.
Сегодня для выполнения данной задачи наиболее широко применяется метод термозонда (горячего зонда), основанный на измерении милливольтметром полярности термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) на нагретом участке полупроводника. Щупы прибора устанавливаются непосредственно на поверхность слитка или пластины на небольшом расстоянии друг от друга; при измерениях на полупроводнике р-типа стрелка милливольтметра отклоняется в сторону положительных значений, а на полупроводнике n-типа – в сторону отрицательных значений. Существуют более совершенные конструкции, реализующие метод термозонда, в которых милливольтметр заменен схемой определения полярности термоЭДС с цветовым индикатором (рис. 1).[1]
Наряду с простотой измерений метод горячего зонда обладает рядом существенных недостатков, таких как механический контакт металлического зонда с рабочей поверхностью слитка / пластины, необходимость нагрева исследуемого образца, недостоверность измерений при температуре нагрева, близкой к собственной проводимости полупроводника – состоянию, когда концентрация электронов равна концентрации дырок.
Преимущественно для бесконтактного определения типа проводимости слитков и пластин моно- и поликристаллического кремния (mono-Si и poly-Si соответственно), в том числе с тонкой оксидной пленкой, образовавшейся вследствие длительного нахождения пластин на открытом воздухе либо нанесенной специально, как это требуется в некоторых технологиях, был разработан метод поверхностного фотонапряжения (SPV – Surface Photovoltage). Это напряжение возникает в приповерхностной области полупроводника (на глубине ~3 мкм) за счет светового излучения, которое генерирует в материале электронно-дырочные пары в большой концентрации. Физические основы метода поверхностного фотонапряжения схожи с принципом действия термозонда, но здесь определяется полярность не термоЭДС, а SPV-сигнала.
Прибор PN‑100, в котором реализован метод SPV, разработан в первую очередь для определения типа проводимости кремния, но может работать с любым материалом, легированным для получения n- или p-типа проводимости и имеющим удельное сопротивление в пределах от 20 мОм · см до 3 000 Ом · см.
Компактный прибор внешне напоминает лазерную указку (рис. 2). При нажатии на кнопку On / Off вмонтированный в оконечность корпуса прибора светодиод начинает в импульсном режиме излучать свет с длиной волны 625 нм. Под воздействием светового потока образец находится вблизи потенциала плоских энергетических зон, при этом его поверхностный потенциальный барьер меньше, чем в паузах между световыми импульсами. Изменение поверхностного потенциала фиксируется высокочувствительным датчиком, расположенным на конце «указки», который анализирует емкостную связь вблизи поверхности образца. Сигнал датчика определяется разницей между значениями поверхностного потенциала, измеренными во время светового воздействия и без него, его знак зависит от типа проводимости изучаемого образца: положительный сигнал соответствует p-типу проводимости (на приборе загорается индикатор красного цвета), отрицательный – n-типу (загорается индикатор зеленого цвета).
Для работы прибора PN‑100 требуется обычная батарейка AAA. Контроль типа проводимости пластин может осуществляться даже через прозрачный транспортный бокс. Стоит отметить, что прибор не требует поверки и метрологической аттестации, и его можно отнести к классу индикаторов.
Поставки PN‑100 в Россию уже осуществляет АО «Диполь Технологии», и он находит активное применение на кристальном производстве отечественных предприятий. Первым обладателем этого прибора в нашей стране в 2018 году стало АО «Протон» (г. Орел), и специалисты участка входного контроля пластин по достоинству оценили возможности PN‑100, простоту и удобство его применения.
* * *
Следствием запуска в производство партии пластин, не соответствующих спецификации, будет изготовление заведомо непригодной продукции – например, если n-канальный транзистор, который должен быть сформирован на подложке p-типа, окажется выполненным на n-типе. Наличие прибора PN‑100 на предприятии, выпускающем микроэлектронные приборы на кремнии, позволяет выявить данную ошибку на ранней стадии и избежать многомилионных потерь. ●
Сегодня для выполнения данной задачи наиболее широко применяется метод термозонда (горячего зонда), основанный на измерении милливольтметром полярности термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) на нагретом участке полупроводника. Щупы прибора устанавливаются непосредственно на поверхность слитка или пластины на небольшом расстоянии друг от друга; при измерениях на полупроводнике р-типа стрелка милливольтметра отклоняется в сторону положительных значений, а на полупроводнике n-типа – в сторону отрицательных значений. Существуют более совершенные конструкции, реализующие метод термозонда, в которых милливольтметр заменен схемой определения полярности термоЭДС с цветовым индикатором (рис. 1).[1]
Наряду с простотой измерений метод горячего зонда обладает рядом существенных недостатков, таких как механический контакт металлического зонда с рабочей поверхностью слитка / пластины, необходимость нагрева исследуемого образца, недостоверность измерений при температуре нагрева, близкой к собственной проводимости полупроводника – состоянию, когда концентрация электронов равна концентрации дырок.
Преимущественно для бесконтактного определения типа проводимости слитков и пластин моно- и поликристаллического кремния (mono-Si и poly-Si соответственно), в том числе с тонкой оксидной пленкой, образовавшейся вследствие длительного нахождения пластин на открытом воздухе либо нанесенной специально, как это требуется в некоторых технологиях, был разработан метод поверхностного фотонапряжения (SPV – Surface Photovoltage). Это напряжение возникает в приповерхностной области полупроводника (на глубине ~3 мкм) за счет светового излучения, которое генерирует в материале электронно-дырочные пары в большой концентрации. Физические основы метода поверхностного фотонапряжения схожи с принципом действия термозонда, но здесь определяется полярность не термоЭДС, а SPV-сигнала.
Прибор PN‑100, в котором реализован метод SPV, разработан в первую очередь для определения типа проводимости кремния, но может работать с любым материалом, легированным для получения n- или p-типа проводимости и имеющим удельное сопротивление в пределах от 20 мОм · см до 3 000 Ом · см.
Компактный прибор внешне напоминает лазерную указку (рис. 2). При нажатии на кнопку On / Off вмонтированный в оконечность корпуса прибора светодиод начинает в импульсном режиме излучать свет с длиной волны 625 нм. Под воздействием светового потока образец находится вблизи потенциала плоских энергетических зон, при этом его поверхностный потенциальный барьер меньше, чем в паузах между световыми импульсами. Изменение поверхностного потенциала фиксируется высокочувствительным датчиком, расположенным на конце «указки», который анализирует емкостную связь вблизи поверхности образца. Сигнал датчика определяется разницей между значениями поверхностного потенциала, измеренными во время светового воздействия и без него, его знак зависит от типа проводимости изучаемого образца: положительный сигнал соответствует p-типу проводимости (на приборе загорается индикатор красного цвета), отрицательный – n-типу (загорается индикатор зеленого цвета).
Для работы прибора PN‑100 требуется обычная батарейка AAA. Контроль типа проводимости пластин может осуществляться даже через прозрачный транспортный бокс. Стоит отметить, что прибор не требует поверки и метрологической аттестации, и его можно отнести к классу индикаторов.
Поставки PN‑100 в Россию уже осуществляет АО «Диполь Технологии», и он находит активное применение на кристальном производстве отечественных предприятий. Первым обладателем этого прибора в нашей стране в 2018 году стало АО «Протон» (г. Орел), и специалисты участка входного контроля пластин по достоинству оценили возможности PN‑100, простоту и удобство его применения.
* * *
Следствием запуска в производство партии пластин, не соответствующих спецификации, будет изготовление заведомо непригодной продукции – например, если n-канальный транзистор, который должен быть сформирован на подложке p-типа, окажется выполненным на n-типе. Наличие прибора PN‑100 на предприятии, выпускающем микроэлектронные приборы на кремнии, позволяет выявить данную ошибку на ранней стадии и избежать многомилионных потерь. ●
Отзывы читателей
