Метрологическая аттестация образцовой установки по измерению удельного электрического сопротивления полупроводниковых материалов (кремния монокристаллического) четырехзондовым методом
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
°лов основаны на падении напряжения на некотором участке образца, через который пропускается электрический ток. На контакте полупроводникового материала и металлического зонда при протекании электрического тока может возникать ряд физических эффектов и явлений, которые могут вносить существенную погрешность в результаты измерений и в некотором случае делать такие измерения невозможными. К ним относятся:
) высокое переходное сопротивление контакта между зондом и полупроводниковым материалом;
) инжекция неосновных носителей заряда зондом, существенно влияющая на величину удельного электрического сопротивления образца;
) эффект Пельтье, приводящий к возникновению градиента температуры на образце и соответствующей этому градиенту термо э.д.с.;
) нагрев образца электрическим током, протекающим через образец.
Указанные явления необходимо учитывать при измерении удельного электрического сопротивления.
При выводе формулы (1.11) для расчета УЭС предполагалось, что контакт зонда с поверхностью полупроводникового материала точечный. На практике это условие никогда не выполняется, и в результат измерения вносится систематическая погрешность.
Для объемных монокристаллов, отклонение измеренного значения УЭС от истинного из-за неточечности контакта имеет значение, по порядку величины не превышающее (r0/S), где r0 - радиус контактной площадки;
S - расстояние между зондами (S1 = S2 = S3 = S). При измерении УЗС тонких пластин допускаемая систематическая погрешность зависит от расположения зондов. При размещении зондов в линию значение и знак систематической погрешности определяется тем, для какого из зондов, токового или потенциального, не выполняется условие точечности. Практически этой погрешностью можно пренебречь, так как обычно отношение (r0/S) < 0.05.
Источником погрешности могут служить фотопроводимость и фото- э.д.с., возникающие под действием освещения и особенно сильно проявляющиеся в образцах с высоким удельным электрическим сопротивлением.
Так как полупроводниковые материалы имеют относительно высокий температурный коэффициент сопротивления, то при измерениях за счет протекания через образец тока может произойти не только локальный нагрев, но и повышение температуры всего образца. Например, повышение температуры кремния с удельным электрическим сопротивлением 10 Ом . см на 50С приводит к изменению УЭС на 4.0%. Поэтому для уменьшения нагрева образца необходимо выбирать рабочий ток минимально возможным, а температуру образца поддерживать постоянной. Рабочий ток, однако, должен обеспечивать необходимую точность измерений разности потенциалов. Измерение разности потенциалов производят при двух направлениях тока и полученные значения усредняют, исключая таким образом продольную термо-э.д.с., возникающую на образце вследствие градиента температуры. Уменьшение рабочего тока одновременно снижает модуляцию проводимости образца, вызванную инжекцией носителей заряда при протекании тока.
Для уменьшения влияния инжекции и получения малых контактных сопротивлений металлических зондов поверхность образца, на которой производят измерения, механически обрабатывают (например, шлифуют). Если поверхность полупроводникового материала нарушена, то вблизи поверхности могут образоваться дефекты кристаллической решетки, проявляющиеся как эффективные рекомбинационные центры. Если плотность таких центров достаточно высока, то преобладающим механизмом в токопереносе через обедненную область станет рекомбинационный, который и приведет к существенному уменьшению контактного (переходного) сопротивления. Чтобы ограничить влияние переходных сопротивлений на погрешность измерений, зонды рекомендуется изготавливать из металлов, твердость которых превышает твердость материала измеряемого образца. В месте контакта зонда с полупроводниковым материалом создается локальное механическое нарушение поверхности и переходное сопротивление уменьшается. При этом размер области механического разрушения материала должен
быть достаточно малым, чтобы не нарушать условие точечности контакта. Для этого необходимо обеспечить определенный режим работы зондовой головки, который исключал бы удары зондов о поверхность образца, поломку и быстрое изнашивание острия зонда, Рекомендуется зонды изготавливать из карбида вольфрама с углом заточки острия от 450 до 1500, нагрузка на каждый зонд не должна выходить за пределы (1.750.25)Н.
1.3 Метрологическое обеспечение метода измерения удельного электрического сопротивления, его состояние
Четырехзондовые методы измерения удельного электрического сопротивления различных материалов широко распространены в полупроводниковой подотрасли цветной металлургии, в электронной промышленности, приборостроении, на предприятиях среднего и общего машиностроения и других отраслях народного хозяйства. На предприятиях используется большой парк 4-х зондовых измерительных установок типа ИУС-1, ИУС-2, ИУС-3, Метрика М-П4, Метрика М-I24, Метрика М-44М, Рометр Ф4802 и другие производства России, RS-50 фирмы Prometrics (Англия), Модель-1900 (США) и другие.
Четырехзондовые методы измерения удельного электрического сопротивления регламентированы ГОСТ 24392-80 (3).
Метрологическое обеспечение (МО) измерений удельного электрического сопротивления поддерживается в стране тремя образцовыми установками, находящимися в институтах ГИРЕДМЕТ, НИИМЭ и НИИМВ. Метрологическая аттестация (МА) образ