專利名稱：一種電子元器件微小區(qū)域電容值的檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子元器件測試用儀器及測試技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于原子力顯微鏡(AFM)檢測電子元器件微小區(qū)域(點區(qū)域)電容值的檢測系統(tǒng)。采用該檢測系統(tǒng)可以對薄膜等類電子元器件指定的微小區(qū)域(點區(qū)域)的電容值以及該點電容的變化值進行定量檢測，為進一步分析電子元器件的物理及電學性能提供依據(jù)。
背景技術(shù)：
對于電子元器件的物理及電學性能表征，一個很重要的方法是采用電容-電壓 (C-V)檢測方法，該檢測法獲得的數(shù)據(jù)可用來判斷半導體材料的載流子類型、摻雜濃度、耗盡層寬度以及分析研究半導體元器件的電學性能，在半導體元器件研究方面具有非常大的應用前景。目前，針對電子元器件大面積電學性能檢測的C-V方法的應用較普遍，但該方法不能用于對微型元器件進行C-V檢測；而對微型元器件、即對微型元器件中的微小區(qū)域(點區(qū)域)進行的C-V檢測(測量)、主要是依靠由AFM(原子力顯微鏡)及在測試樣品與原子力顯微鏡(AFM)之間加載電信號的交流/直流(交流和直流)電源，對AFM采集到的電信號進行調(diào)制的FM(調(diào)頻)調(diào)制器(電路)，對調(diào)制后的信號進行處理的鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡，計算機串聯(lián)而成的檢測系統(tǒng)；對電子元器件微小區(qū)域(點區(qū)域)通過C-V檢測(測量) 方法對其接觸點處電容的變化進行檢測。其檢測原理是系統(tǒng)給AFM(原子力顯微鏡)針尖 (半徑為幾十nm)與樣品(測試件)之間加載一個變化的直流電壓(Vdc，>0-20V)和頻率為1GHz、振幅為毫伏量級(10-200mV)的交流電壓。其中，交流電壓的作用是使樣品的電容與系統(tǒng)檢測電路產(chǎn)生共振以獲取其共振頻率；由于AFM探針與樣品(測試件)接觸，樣品在 AFM探針接觸區(qū)域的電容值(C)將隨著直流電壓的變化量(△%。)而變化；該電容值的變化 (AC)將引起系統(tǒng)檢測電路的共振頻率的變化(Af)，共振頻率的變化經(jīng)過頻率-電壓轉(zhuǎn)換器(FM調(diào)制器)轉(zhuǎn)換后輸出一電壓信號(Vo)，數(shù)據(jù)采集卡將經(jīng)鎖相放大器處理后所得的電壓Vo及直流電壓的變化量△ Vd。等電信號采集后、輸入計算機處理，即通過下式
dC AC r Af …Vo——=-=L = LM-
dV AVdc AVdc AVdc以獲得電容隨直流電壓變化的變化率(dC/dV)；式中，M為頻率-電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換系數(shù)(該系數(shù)為定值)；L為AC與Af的轉(zhuǎn)換系數(shù)，由于共振電路的非線性特征使AC 與Af的轉(zhuǎn)換系數(shù)L為一變化值；因此，所獲得的電容隨直流電壓變化的變化率dC/dV也為變化值。而在測量半導體異質(zhì)結(jié)2DEG(二維電子氣)的濃度時，要采用如下公式
C3n(W) =--—
qsrs0S dC I αν其中，η為2DEG的濃度，W是耗盡區(qū)深度，C是樣品檢測點的電容值，S是針尖與樣品接觸(點)的面積，V是加載在針尖和樣品間的電壓，dC/dV是電容隨直流電壓變化的變化率，ε C1是真空介電常數(shù)、ε ^為樣品的相對介電常數(shù)，q為單位電荷量。由上述公式知， 要檢測2DEG電子氣濃度n，需要測得微小區(qū)域的電容值C，由于采用掃描探針顯微鏡對電子元器件微小區(qū)域電容的檢測方法無法得到該微小區(qū)域的電容值C、只能將C的值忽略(即將該公式的分子設(shè)為1)，而得到的2DEG的濃度值只能是近似值。即只能對2DEG的濃度進行定性分析、而不能進行定量分析，因而影響了對器件的電氣性能和物理性能的準確評定； 此外，由于測試中受雜散電容等的影響，所得的dC/dV值(變化率)的誤差也較大，因此對 2DEG濃度進行定性分析時的準確度也較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對背景技術(shù)存在的缺陷，研究設(shè)計一種電子元器件微小區(qū)域電容值的檢測系統(tǒng)，以達到在提高對電子元器件dC/dV值(變化率)檢測的準確性同時、對該微小區(qū)域的電容值C進行準確測定，為分析電子元器件的物理及電學性能提供準確依據(jù)。本發(fā)明的解決方案是在原由AFM(原子力顯微鏡)及用于加載電信號的交流/直流(交流和直流)電源，對AFM檢測到的電信號進行處理的調(diào)制器，鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡，以及計算機(處理器)串聯(lián)而成的檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在原子力顯微鏡(AFM)與鎖相放大器之間設(shè)置一由電流前置放大器和帶通濾波器串聯(lián)而成的電路、代替背景技術(shù)中的調(diào)制器(電路)、對AFM檢測到的電信號進行處理，然后再將處理后的電信號(數(shù)據(jù))經(jīng)鎖相放大器處理、數(shù)據(jù)采集卡采集后，輸入計算機處理；從而得到元器件在檢測點處的電容值(C) 及電容隨直流電壓變化的變化率dC/dV;為了進一步提高檢測精度，本發(fā)明在電流前置放大器與鎖相放大器之間還并聯(lián)了一帶可調(diào)電容及移相器的移相器電路，以消除由探針周圍環(huán)境等引起的雜散電容；本發(fā)明即以此實現(xiàn)其發(fā)明目的。因此，本發(fā)明電子元器件微小區(qū)域電容值的檢測系統(tǒng)包括原子力顯微鏡(AFM)及用于加載電信號的交流/直流電源，鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡及與之連接的計算機(處理器)，關(guān)鍵在于在原子力顯微鏡與鎖相放大器之間還設(shè)有電流前置放大器和帶通濾波器；電流前置放大器的反相輸入端與原子力顯微鏡的輸出端連接、電流前置放大器的輸出端則與帶通濾波器的輸入接口連接，而帶通濾波器的輸出端則與鎖相放大器的輸入接口連接；鎖相放大器與數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集卡與計算機之間的連接關(guān)系仍與背景技術(shù)相同。為了進一步提高檢測精度，在電流前置放大器的反相輸入端與鎖相放大器的輸入之間還并聯(lián)有一帶可調(diào)電容及移相器的移相電路。所述可調(diào)電容的調(diào)節(jié)范圍為0. I-IOOpF0本發(fā)明由于在原子力顯微鏡(AFM)與鎖相放大器之間設(shè)置一由電流前置放大器和帶通濾波器串聯(lián)而成的電路、代替背景技術(shù)中的調(diào)制器(電路)對AFM檢測到的電信號進行處理；并在電流前置放大器與鎖相放大器之間并聯(lián)了一帶可調(diào)電容及移相器的移相器電路，以消除由探針周圍環(huán)境等引起的雜散電容。從而具有不但可對電子元器件微小區(qū)域的電容值C進行準確測定，而且還可提高對電子元器件dC/dV值(變化率)檢測的準確性， 為分析電子元器件的物理及電學性能提供準確依據(jù)等特點。


圖1為本發(fā)明微小區(qū)電容值的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖(方框圖)；圖2為本發(fā)明具體實施方式
對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的微小區(qū)域點進檢測結(jié)果的C-V 曲線圖(坐標)。
具體實施例方式本實施方式中原子力顯微鏡的型號為(SPA-300HV)，電流前置放大器由采用“積分器-微分器”結(jié)構(gòu)、其輸入級由運算放大器0PA627B和反饋電容構(gòu)成(0PA627B具有低噪聲高帶寬的特點，IOkHz時的電壓噪聲密度小于4. 5nV/ V Hz、偏置電流僅lpA，IOOHz的電流噪聲密度小于2.5fA/ V Hz)，帶通濾波器采用型號為Signal Recovery生產(chǎn)的5113帶通濾波器，鎖相放大器型號為SR830，可變電容C1本實施方式采用調(diào)節(jié)幅度為0. l-50pF的可變電容，移相器采用180°移相器，計算機(處理器)采用常規(guī)通用計算機，交流/直流電源采用可同時提供0. Ι-lOOkHz、電壓為0. 1-5V的交流電和-50-50V可變直流電壓的交流/ 直流電源。本實施方式以檢測AKiaN/GaN半導體異質(zhì)結(jié)樣品為例首先將樣品置于原子力顯微鏡的檢測臺上、同時使原子力顯微鏡的探針與樣品中心接觸；然后調(diào)節(jié)可變電容C1的值、即在樣品與原子力顯微鏡探針之間施加-20V的直流電壓(原子力顯微鏡的探針為零電位)、調(diào)節(jié)可變電容C1至計算機顯示鎖相放大器輸出的電壓為0止；檢測時在樣品與原子力顯微鏡探針之間施加一個50kHz、0. 6V交流電壓和一個可由-IOV逐漸增加至IV的可變直流電壓，本實施方式以每上升0. IV采集一次電信號數(shù)據(jù)、并經(jīng)電流前置放大器、帶通濾波器、移相電路及鎖相放大器處理后輸入計算機處理，并根據(jù)
權(quán)利要求
1.一種電子元器件微小區(qū)域電容值的檢測系統(tǒng)，包括原子力顯微鏡及用于加載電信號的交流/直流電源，鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡及與之連接的計算機，其特征在于在原子力顯微鏡與鎖相放大器之間還設(shè)有電流前置放大器和帶通濾波器；電流前置放大器的反相輸入端與原子力顯微鏡的輸出端連接、電流前置放大器的輸出端則與帶通濾波器的輸入接口連接，而帶通濾波器的輸出端則與鎖相放大器的輸入接口連接。
2.按權(quán)利要求1所述電子元器件微小區(qū)域電容值的檢測系統(tǒng)，其特征在于在電流前置放大器的反相輸入端與鎖相放大器的輸入之間還并聯(lián)有一帶可調(diào)電容及移相器的移相電路。
3.按權(quán)利要求2所述電子元器件微小區(qū)域電容值的檢測系統(tǒng)，其特征在于所述可調(diào)電容的調(diào)節(jié)范圍為0. I-IOOpF0
全文摘要
該發(fā)明屬于電子元器件測試用儀器中的電子元器件微小區(qū)域電容值的檢測系統(tǒng)；包括原子力顯微鏡及用于加載電信號的交流/直流電源，電流前置放大器，帶通濾波器，鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡及與之連接的計算機，以及帶可調(diào)電容及移相器的移相電路。該發(fā)明由于在原子力顯微鏡與鎖相放大器之間設(shè)置了電流前置放大器和帶通濾波器，并在在電流前置放大器的反相輸入端與鎖相放大器的輸入之間還并聯(lián)有一帶可調(diào)電容及移相器的移相電路，以對電容C進行測定及消除雜散電容的影響。從而具有不但可對電子元器件微小區(qū)域的電容值C進行準確測定，而且還可提高對電子元器件dC/dV值(變化率)檢測的準確性，為分析電子元器件的物理及電學性能提供準確依據(jù)等特點。
文檔編號G01R27/26GK102230949SQ20111007820
公開日2011年11月2日 申請日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者曾慧中, 林媛, 王志紅, 韓若冰, 黃文 申請人:電子科技大學