專利名稱:一種用介質波導測量半導體材料少子壽命的裝置的制作方法
本發明屬于用微波方法測量半導體材料物理特性的裝置。屬GO1N 22/00國際專利分類系統。
少數載流子壽命(簡稱少子壽命)是半導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體材料的三個重要參數，因此材料廠、器件廠在集成電路和半導體器件的生產過程中，對這些參數的測定已成為必不可少的工序。目前國內使用的測量手段(如用高頻光電導方法)都是接觸測試，其不足之處是在測量過程中容易造成樣品表面的沾污和機械損傷，而且被測樣品只能是一段硅錠的局部部位，而實際生產使用的是厚薄、直徑各不相同的片狀材料，它的特性參數同錠狀單晶中所測得的數據往往有很大的差異。因此，接觸測量的方法不夠理想。近來據有關報導，國外也有研究各種非接觸測試少子壽命的方法，如《應用物理》1980年第49卷第9號、第10號，日本《電子材料》1981年2月號、6月號都不斷刊載有關“非接觸法測定半導體材料的電氣性質”方面的文章，其中有用微波方法測量少子壽命的內容，如波導法、微帶線法、同軸線法等。但是，為了把樣品放入波導，需將樣品按要求切割成一定的形狀，測試的方法也比較麻煩;采用帶線作為檢測裝置，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(它在空氣中呈非均勻分布)透入樣品，此時樣品表面部分電導的影響大于體內電導的影響，傳輸特性與帶線上覆蓋的樣品厚度呈非線性關系，因而增加了表面復合引起的測量誤差。
本發明的任務是提供一種用微波介質波導方法無接觸測量半導體薄片材料少子壽命的裝置。
本發明利用光照前后引起微波透過半導體樣品傳輸系數的變化能反映少子衰退過程的原理-在注入情況下，傳輸系數的變化正比于測試部分由于光注入所產生的少子總數-計算出半導體片狀樣品的少子有效壽命。此外，通過傳輸系數(或反射系數)的測定還能夠同時測量樣品的電阻率。
該裝置主要包括微波源、光源、測試頭子和微波檢測器四大部分，其中測試頭子為本發明的特征所在。它由可作微波傳輸線的介質波導制成，待測樣品放在兩介質波導之間的測試平臺上，介質波導通過介質波導-波導的過渡分別同可變衰減器和檢波器相連接，由可變衰減器調節加到待測樣品上的微波功率，并由檢波器將輸出的訊號經前置放大器后再送入顯示器(示波器)，由傳輸系數隨時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標直接讀出。通過表頭的顯示也可同時得出材料的電阻率。(微波介質波導法無接觸測試半導體材料少子壽命裝置的工作框圖詳見1。)該裝置測試頭子的結構圖見2，介質波導的結構圖見3。測試頭子由上部件〔1〕，下部件〔4〕及測試平臺〔3〕三個部分組成。上部件〔1〕水平方向上的A端為介質波導-波導過渡，呈尖劈形，以便于同檢波器〔7〕的波導口連接，中間部分為矩形截面的介質波導，在B端為一直角彎頭，在彎角的垂直部分開有一個上大下小的穿通圓孔〔2〕，可使脈沖光源產生的脈沖光通過它照射到待測樣品上去，該垂直部分介質波導的底部C端為帶圓孔的矩形測量端面;下部件〔4〕的上截面D為一個與上部件〔1〕的C端測量面位置對準、大小相等的矩形測量端面，該部件的中間部分為矩形截面的介質波導，下端E為波導-介質波導過渡，呈尖劈形，以便于同可變衰減器〔6〕的波導口連接;測試平臺〔3〕位于上部件〔1〕、下部件〔4〕的D、C兩個測量端之間，上面可放置待測樣品〔5〕，在對準下部件〔4〕測量端D處，測試平臺〔3〕的下方開有一個呈圓形或矩形的凹穴，凹穴的面積大于介質波導上的測量端面，以便下部件〔4〕的D端更靠近待測樣品〔5〕。上部件〔1〕及檢波器裝在一個可調節的支架上，可作垂直于測試平臺〔3〕的運動，因而能測量不同厚度的樣品;而當上部件〔1〕的位置固定時，將待測樣品〔5〕在測試平臺〔3〕上作左、右，前、后的移動，便可測量樣品上不同部位的少子壽命。
該裝置工作時，測試頭子的下部件〔4〕通過波導-介質波導過渡(E端)將微波源發出的微波傳輸到D端，微波透過待測樣品〔5〕后，通過上部件〔1〕上的介質波導-波導過渡(A端)再傳輸到檢波器上，由此使整個微波線路導通。如果此時上部件〔1〕上的穿通圓孔〔2〕內有脈沖光射向待測樣品〔5〕，則在光照前后樣品中少子數量的變化將引起微波傳輸系數發生變動，于是示波器上可以看到少子的衰退過程。
上述測試頭子結構采用的是傳輸法，如果測量的是低阻材料樣品，還可改用反射法，即在測試頭子中，省略下部件〔4〕，而將上部件〔1〕與一環行器相連，環行器的另外兩個端口分別接微波源和檢波器，此時由反射系數隨時間的變化來反映少子的衰退過程。
本測試裝置的微波源采用波長為2厘米，功率大于40毫瓦、波導形狀的體效應振蕩源。放大器的高頻響應為20赫茲～10千赫，放大倍數約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，重復頻率約20赫茲，脈沖寬度40～50微秒。測試頭子中上部件〔1〕、下部件〔4〕可采用Al2O3陶瓷材料或其它高介電常數的介質材料，兩個矩形測量端C、D的截面尺寸取決于微波的工作頻率以及所用介質材料的介電常數;測試平臺〔3〕用有機玻璃或聚四氟乙稀或其它低介電常數的介質材料制成。
本發明裝置由于將光源導通孔與介質波導合為一體，使光照區域小于介質波導測量端的端面面積，從而提高了測量少子壽命的分辯率。例如測試區域可為直徑φ＝2毫米的圓斑;通過樣品在測試平臺〔3〕上的平移，可以方便地測量同一樣品上不同部位的少子壽命(最低可測到1微秒);上部件〔1〕還能上下調節，以適應測量不同厚度樣品的需要。整個測量裝置的體積可做到60厘米×50厘米×25厘米，小巧靈活。
用微波介質波導加紅外光源無接觸測量半導體材料少子壽命(及電阻率)的方法在國內外均屬首創。實踐證明利用這種方法制成的測試裝置在測試的重復性、精確度等方面都達到或超過了其它常規的測試方法，而且操作方便、簡單實用;測量時對樣品無損傷、無沾污，可以用來測量拋光片、離子注入片、外延片、氧化片以及其它經過腐蝕、濺射等工藝的薄片少子壽命和電阻率，也能同時測出同一樣品不同部位少子壽命的差異。
權利要求
1.一種用介質波導測量半導體材料少子壽命的裝置，由微波源、光源、測試頭子及微波檢測器四部分組成，本發明的特征在于該裝置的測試頭子由以下三個部件組成a.上部件[1]，其水平方向上的A端是一個呈尖劈形的介質波導-波導過渡，中間為矩形截面的介質波導，在B端有一個直角彎頭，在彎角的垂直部分開有一個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、位置對準，中間為同樣矩形截面的介質波導，下端E為一個呈尖劈形的波導-介質波導過渡；c.放置樣品介質測試平臺[3]，其位于上部件[1]的C端與下部件[4]的D端之間；測試平臺[3]的下方開有一個大于下部件[4]中介質波導矩形截面的圓型或矩形凹穴，上方為一放置待測樣品[5]的平面。
2.根據權利要求
1所述的裝置，其特征在于測試頭子中的上部件〔1〕與下部件〔4〕采用Al2O3陶瓷材料或其它高介電常數的介質材料制成。
3.根據權利要求
1所述的裝置，其特征在于測試頭子的測試平臺〔3〕用有機玻璃或聚四氟乙稀或其它低介電常數的介質材料制成。
4.根據權利要求
1所述的裝置，其特征在于測試頭子部分若保留下部件〔4〕，則為用傳輸法測量一般材料少子壽命的裝置，而若取消下部件〔4〕，則變為用反射法測量低阻材料少子壽命的裝置。
專利摘要
本發明提供了一種用介質波導加紅外光源無接觸測試半導體材料少子壽命及電阻率的裝置。該裝置的測試結果與常規的有接觸方法一致、操作簡便，能夠測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。由于是無接觸測試，對于拋光片、離子注入片以及經過各種化學處理的半導體薄片尤為適宜，能夠做到無損傷、無沾污。在集成電路、半導體器件的生產過程中可用作材料檢驗和工藝監控的重要手段。
文檔編號G01N22/00GK86101518SQ86101518
公開日1987年2月11日 申請日期1986年7月25日
發明者王宗欣 申請人:復旦大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan