專利名稱：用于片狀材料的無(wú)損測(cè)量和繪制分布圖的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料的無(wú)損測(cè)量和分布圖繪制，具體地說(shuō)，涉及利用微波測(cè)量半導(dǎo)體晶片和平板顯示器的載流子濃度、遷移率和表面電阻。
背景技術(shù)：
利用微波測(cè)量砷化鎵(GaAs)晶片表面電阻的現(xiàn)行儀器采用具有300歐姆特征阻抗的X波段波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但對(duì)帶有薄的頂蓋層的晶片不能做精確的測(cè)量。在Norman Braslau的美國(guó)專利No.4,605,893中討論了這種儀器。其缺點(diǎn)之一是不能分別測(cè)量包含多個(gè)導(dǎo)電層的晶片(例如高電子遷移率晶體管(HEMT)晶片)中多個(gè)導(dǎo)電層的特性，這種晶片包含二維(2D)溝道層和頂蓋層。因此，為了增大相對(duì)于頂蓋層導(dǎo)電性的溝道層遷移率，現(xiàn)行系統(tǒng)必須在低于300°K的溫度(例如在77°K)下來(lái)測(cè)量表面電阻和遷移率。這些儀器還需要復(fù)雜的校準(zhǔn)過(guò)程。
破壞性地測(cè)量表面電阻和遷移率的技術(shù)是眾所周知的。但是，這種技術(shù)必須破壞晶片或其它被測(cè)量的材料。
發(fā)明概述用于無(wú)損測(cè)量片狀材料中遷移率和載流子濃度的裝置包括微波源；配置成把從微波源接收的微波發(fā)送到片狀材料(例如半導(dǎo)體晶片或平板顯示器)的圓波導(dǎo)；用于接收正向微波功率的第一檢測(cè)器；用于檢測(cè)從材料反射的微波功率的第二檢測(cè)器；以及用于檢測(cè)霍爾效應(yīng)功率的第三檢測(cè)器。只傳輸TE11模式的圓波導(dǎo)由晶片端接，在晶片后面1/4波長(zhǎng)距離的地方設(shè)置短路器。垂直于晶片平面(沿著波導(dǎo)管的軸線)施加可變磁場(chǎng)。在這種配置下，給定的入射的TE11模式將引起兩束反射波。一束是與入射波的極化方向一致的普通反射波，這束波被用于測(cè)量表面電阻。另一束反射波是由霍爾效應(yīng)引起的。其極化方向垂直于前述波束，并且可以用適當(dāng)配置的探頭單獨(dú)檢測(cè)這束波。
用于測(cè)量導(dǎo)電片狀材料中的遷移率和載流子濃度的裝置包括微波源；設(shè)置來(lái)接收來(lái)自微波源的微波輻射的圓波導(dǎo)；適合于將片狀材料元件固定在測(cè)量位置上以便接收從圓波導(dǎo)發(fā)送的微波輻射的安裝支架；設(shè)置成在測(cè)量位置感生磁場(chǎng)的磁體；設(shè)置成檢測(cè)微波輻射源的功率的第一檢測(cè)器；設(shè)置成檢測(cè)從測(cè)量位置上的片狀材料元件反射的微波功率的第二檢測(cè)器；以及設(shè)置成檢測(cè)霍爾效應(yīng)微波功率的第三檢測(cè)器。還可以設(shè)置第四個(gè)檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)測(cè)量位置上的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
用于測(cè)量導(dǎo)電片狀材料元件的遷移率和載流子濃度的方法包括以下步驟產(chǎn)生微波輻射；僅僅把所產(chǎn)生的微波輻射中的TE11模式依次向?qū)щ姸搪菲骱推瑺畈牧蠘悠钒l(fā)送；在所述發(fā)送步驟期間，施加具有經(jīng)過(guò)選擇的強(qiáng)度的磁場(chǎng)；在正向位置檢測(cè)微波場(chǎng)強(qiáng)度；檢測(cè)分別從導(dǎo)電短路器和樣品反射回來(lái)的微波場(chǎng)強(qiáng)度；檢測(cè)霍爾效應(yīng)的微波場(chǎng)強(qiáng)度；以及根據(jù)所檢測(cè)到的微波場(chǎng)強(qiáng)來(lái)計(jì)算遷移率和載流子濃度的值。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是根據(jù)本發(fā)明的裝置的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的裝置的示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的裝置的部分視圖。
圖4是圖3的裝置的截面圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的裝置的視圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明使用的軟件的流程圖。
詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明包括測(cè)量導(dǎo)電材料的表面電阻和載流子濃度的裝置和方法。所述裝置包括微波源，微波源的輸出端耦合到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在所述結(jié)構(gòu)中，一小部分入射波被轉(zhuǎn)移，而大部分入射波沿著主分支傳輸。主分支耦合到圓波導(dǎo)。而圓波導(dǎo)只傳送TE11(橫電波1，1)模式。圓波導(dǎo)在接口處接收輻射，并將輻射輸出到測(cè)試區(qū)，所述測(cè)試區(qū)具有一個(gè)安裝口，用于或者支承導(dǎo)電的測(cè)試樣品、例如短路器或者支承待測(cè)試的晶片或其它導(dǎo)電的片狀元件。提供磁體以便向測(cè)試區(qū)施加磁場(chǎng)。在本發(fā)明的方法和裝置中，在計(jì)算表面電阻和載流子濃度時(shí)至少檢測(cè)四個(gè)值。提供一個(gè)檢測(cè)器以便檢測(cè)總的微波輸出功率。提供第二個(gè)檢測(cè)器以便檢測(cè)常規(guī)的具有與入射波相同的極化方向的反射波強(qiáng)度。提供第三個(gè)檢測(cè)器以便檢測(cè)具有與入射波相反的極化方向的第二束反射波的強(qiáng)度。最好提供霍爾效應(yīng)探頭來(lái)檢測(cè)這束反射波，所述探頭電耦合到定向耦合器。入射波中被轉(zhuǎn)移的那部分在穿過(guò)衰減器和移相器之后也被耦合到這個(gè)霍爾定向耦合器，用于校準(zhǔn)的目的。然后霍爾定向耦合器耦合到檢測(cè)器。第四個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度。
圖1和圖2從示意地畫出根據(jù)本發(fā)明的裝置10的各部件。裝置10包括微波源模塊15，它可以提供頻率為10GHz左右的微波，但是其它頻率也可以使用。例如，可以使用較高的頻率以便使被測(cè)晶片或其它樣品上測(cè)量面積更小。微波源模塊15可以包括例如耿氏二極管，也可以使用其它微波源。源模塊15包含諸如耿氏二極管的微波源16，微波源16通過(guò)波導(dǎo)管耦合到隔離器17。隔離器17可以具有傳統(tǒng)的或其他合適的設(shè)計(jì)以便防止輻射從裝置10的其它地方進(jìn)入源15。源模塊15還包括功率檢測(cè)器18，用于檢測(cè)微波場(chǎng)的強(qiáng)度。檢測(cè)器18還稱為正向功率檢測(cè)器。
源模塊15的輸出可以耦合到用于將正向功率的一小部分轉(zhuǎn)移到側(cè)分支的裝置。所述用于將正向功率的一小部分轉(zhuǎn)移到側(cè)分支的裝置可以是耦合器21。耦合器21例如可以是十字型定向耦合器。更具體地說(shuō)，是20dB十字型定向耦合器。分出一部分正向功率的目的是校準(zhǔn)霍爾效應(yīng)探頭，在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下將探頭調(diào)零。側(cè)分支22具有計(jì)算機(jī)控制的可變衰減器35和計(jì)算機(jī)控制的可變移相器40，以便產(chǎn)生非常小的具有適當(dāng)相位的信號(hào)，用于在沒(méi)有磁場(chǎng)條件下在將霍爾效應(yīng)探頭調(diào)零時(shí)進(jìn)行超精細(xì)的對(duì)比。由于所述可變衰減器和所述可變移相器通常是用計(jì)算機(jī)控制的，因此便于調(diào)節(jié)。但是應(yīng)該明白，在原理上，可變衰減器和可變移相器是可以用手工調(diào)節(jié)的。
耦合器21的主輸出端將被稱為主分支24。主分支24最好具有用于將微波輻射傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器25的波導(dǎo)。主分支24可以包括傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)20。如圖2所示，在主分支24中還示出反射功率檢測(cè)器23。反射功率檢測(cè)器23檢測(cè)從轉(zhuǎn)換器25向耦合器21傳送的微波功率。反射功率檢測(cè)器23檢測(cè)從測(cè)試樣品返回到主分支24中的反射功率。
如上所述，提供設(shè)置成接收來(lái)自源15的微波輻射的圓波導(dǎo)50。具體地說(shuō)，圓波導(dǎo)50通過(guò)耦合器21和主分支24耦合到源15。傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)20通過(guò)匹配的轉(zhuǎn)換器25耦合到圓波導(dǎo)50中。圓波導(dǎo)50是具有圓形截面的圓柱形波導(dǎo)管。圓波導(dǎo)50只傳輸TE11模式的輻射。圓波導(dǎo)接口25與圓波導(dǎo)50耦合，如圖2中所示。必須仔細(xì)地校準(zhǔn)圓波導(dǎo)50與傳統(tǒng)波導(dǎo)20的耦合，以便將信號(hào)的反射和損失減到最小?，F(xiàn)將校準(zhǔn)過(guò)程說(shuō)明如下將圓波導(dǎo)50安裝在接口25上并且與傳統(tǒng)波導(dǎo)20的長(zhǎng)軸垂直。通過(guò)沿著圓波導(dǎo)50的長(zhǎng)軸調(diào)整它相對(duì)于接口25的位置，達(dá)到校準(zhǔn)的目的。在一個(gè)實(shí)施例中，圓波導(dǎo)50沿著螺紋軌道安裝在接口25上。形成可以轉(zhuǎn)動(dòng)圓波導(dǎo)50的手柄形式的圓波導(dǎo)調(diào)節(jié)器55、以便可以調(diào)整圓波導(dǎo)50的垂直位置。
提供安裝支架60以便將片狀材料樣品固定在可以接收從圓波導(dǎo)50發(fā)送的微波輻射的測(cè)量位置上。樣品可以是晶片或其它導(dǎo)電的測(cè)試材料59。安裝支架60可以是真空吸盤的形式。提供短程調(diào)諧調(diào)節(jié)器65以便精確地移動(dòng)安裝支架60。安裝支架適合于將晶片或其它片狀材料夾持在圓波導(dǎo)50的與接口25相對(duì)的末端。在晶片或其它材料的不是面對(duì)圓波導(dǎo)50開口的一側(cè)設(shè)置活動(dòng)短路器58。短路器58將設(shè)置在離開晶片或其它材料1/4波長(zhǎng)的地方。短路器58具有導(dǎo)電片的形式、例如敷銅電路板。
如上所述，在源模塊15內(nèi)設(shè)置檢測(cè)器18，以便在正向功率分裂為主分支24和側(cè)分支22之前測(cè)量正向功率。在主分支24內(nèi)設(shè)置檢測(cè)器23，以便檢測(cè)反射的微波功率。檢測(cè)器23所檢測(cè)的反射輻射的極化方向與正向微波輻射相同。將霍爾探頭70插入圓波導(dǎo)50中，所述霍爾探頭設(shè)置成測(cè)量從位于真空吸盤的材料反射回來(lái)的霍爾效應(yīng)微波輻射。所述霍爾效應(yīng)微波輻射的極化方向垂直于入射波的極化方向。如下面要討論的那樣，所述校準(zhǔn)過(guò)程為霍爾探頭95只檢測(cè)霍爾效應(yīng)輻射提供保證。
霍爾探頭70通過(guò)同軸線75連接到定向耦合器80的輸入端。定向耦合器80可以是20dB的定向耦合器。分支22的輸出端在經(jīng)過(guò)衰減器模塊和可變移相器之后連接到定向耦合器80輸入端。定向耦合器80的輸出端耦合到霍爾檢測(cè)器95。如下所述，所述校準(zhǔn)過(guò)程為霍爾檢測(cè)器95只檢測(cè)其極化方向垂直于正向輻射的極化方向的輻射提供保證。因此這種輻射是從樣品反射回來(lái)的霍爾效應(yīng)輻射。
現(xiàn)在來(lái)討論轉(zhuǎn)換器、圓波導(dǎo)和安裝支架的示范實(shí)施例的詳細(xì)情況。圖3是接口25的部分剖視等距視圖。圖4是沿圖3的4-4線截取的截面圖。接口25具有其一端與常規(guī)波導(dǎo)20耦合的主矩形腔100。在矩形腔100的向上的一側(cè)設(shè)置開孔，圓波導(dǎo)50連接到此開口。在接口25的內(nèi)部，在常規(guī)波導(dǎo)20的對(duì)面，設(shè)置波束阻止器115，所述波束阻止器完全填滿開孔并具有錐形表面、最好在120處與垂直方向構(gòu)成30度角。下面將指出，本專業(yè)的技術(shù)人員可以通過(guò)另一種設(shè)計(jì)來(lái)修改接口25，以便將在圓波導(dǎo)50和常規(guī)波導(dǎo)20之間的接口處的反射和損失減至最小。在圖3-4中，可以看到，圓波導(dǎo)包括探頭法蘭107，在探頭法蘭107的上端(在110處)有一個(gè)供探頭用的開口?；魻柼筋^可以插入110處。
圖5是描繪示范性配置的側(cè)視圖，所述配置包括圓波導(dǎo)50、夾具或安裝支架60以及相關(guān)的示范性硬件。夾具或安裝支架60的作用是固定片狀材料元件以便接收來(lái)自圓波導(dǎo)50的微波輻射。圖中示出與接口25耦合的常規(guī)波導(dǎo)20。設(shè)置在圓波導(dǎo)50的與耦合到接口25的一端相對(duì)的一端的探頭法蘭107位于真空吸盤形式的夾具60的對(duì)面。真空吸盤60由一條臂支撐，所述臂就是吸盤夾具62。吸盤夾具62由可調(diào)節(jié)螺釘121、122支撐，從而可以沿著兩條軸的方向調(diào)整真空吸盤60的位置。螺釘121、122被支承在橋124上，以可調(diào)節(jié)的方式安裝所述橋本身，如125和126所示。螺釘122配備彈簧123用于減緩橋124傳來(lái)的振動(dòng)。顯然，可以采用其它結(jié)構(gòu)來(lái)將夾具60相對(duì)于圓波導(dǎo)50定位。圖5還一般地示出提供所需磁場(chǎng)的磁體130的位置。施加垂直于晶片或其它樣品平面并沿著圓波導(dǎo)50長(zhǎng)軸的方向的磁場(chǎng)。提供所需磁場(chǎng)強(qiáng)度的一個(gè)或一個(gè)以上的合適的磁體的設(shè)計(jì)對(duì)于本專業(yè)的普通的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)不難做到。如下所述，在一個(gè)實(shí)例中，在固定在所述夾具上的晶片或其它樣品處的磁場(chǎng)強(qiáng)度要求高達(dá)9kG。
下面討論所述裝置的校準(zhǔn)和操作。整個(gè)過(guò)程可以在室溫下進(jìn)行。室溫應(yīng)理解為使人員能舒適地工作的溫度范圍。室溫排除低溫度，例如在大氣壓力下液氮沸騰的溫度。最好將電壓表接連到霍爾檢測(cè)器電纜、輸入端或正向功率位置、以及反射功率位置。使用高斯計(jì)來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度。最好使用帶有RS232或IEEE488總線通信接口的市售儀表。諸如敷銅PC板的短路器58設(shè)置在真空吸盤上面，并加以固定。將計(jì)算機(jī)控制的衰減調(diào)節(jié)器35調(diào)到最大。圓波導(dǎo)50的位置調(diào)整到使霍爾檢測(cè)器95所獲得的電壓最小。一邊監(jiān)視著霍爾檢測(cè)器的電壓表，一邊調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)控制的衰減器35，最好是利用計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)執(zhí)行，以便使檢測(cè)電壓達(dá)到最小值。然后調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)控制的相位調(diào)整器40，最好利用計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)地進(jìn)行，以獲得霍爾檢測(cè)電壓的最小值。利用計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)地進(jìn)行衰減調(diào)節(jié)和相位調(diào)節(jié)，以獲得最小值。將霍爾檢測(cè)器電壓、正向檢測(cè)器電壓和反射檢測(cè)器電壓記錄下來(lái)。撤除短路器，并代之以將待檢驗(yàn)的樣品。調(diào)整真空吸盤位置的短程調(diào)諧調(diào)節(jié)器65，以便獲得最小反射功率。圓波導(dǎo)調(diào)整器55、衰減調(diào)整器35和相位調(diào)整器40的調(diào)節(jié)原則都是令霍爾檢測(cè)器的讀數(shù)最小。然后在零磁場(chǎng)強(qiáng)度的條件下記錄所述三個(gè)電壓讀數(shù)，并且隨后在相繼的遞增的磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下記錄所述三個(gè)電壓讀數(shù)。磁場(chǎng)強(qiáng)度的范圍至少是0-9kG。最好使用控制磁體電源的計(jì)算機(jī)軟件來(lái)自動(dòng)地改變磁場(chǎng)強(qiáng)度以獲得所需的磁場(chǎng)。原理上，根據(jù)本方法可以大幅度降低所使用的磁場(chǎng)強(qiáng)度?？梢詢?yōu)化磁場(chǎng)值的數(shù)目和磁場(chǎng)值之間的間隔、以期獲得最好的分析精度。
接下來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析以獲得遷移率和表面電阻的讀數(shù)。參看圖6，該圖提供了軟件的概貌。所述軟件可能是為使用intel的奔騰或兼容芯片作為處理器、使用DOS或Windows操作系統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)編寫的。上面所述的硬件系統(tǒng)總體上由方框600表示。第一個(gè)模塊605是信號(hào)采集和控制模塊。所述模塊接收來(lái)自上述裝置的檢測(cè)器的信號(hào)并控制可變移相器和衰減器模塊以及磁體。所接收的信號(hào)有霍爾功率檢測(cè)；銅短路器和晶片的正向功率檢測(cè)；銅短路器和晶片的反射功率檢測(cè)；以及磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)。使這些信號(hào)通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，而模塊605獲得數(shù)字輸出值。獲取這些信號(hào)以后，相應(yīng)的電壓輸入數(shù)值被傳遞到信號(hào)相關(guān)模塊610以便進(jìn)一步處理。
信號(hào)相關(guān)模塊610接收來(lái)自信號(hào)采集模塊605的輸入信號(hào)作為原始輸入電壓。將這些電壓輸入到算法中以獲得用正確的工程單位表示的數(shù)值。這個(gè)步驟是直接相關(guān)過(guò)程。
信號(hào)相關(guān)模塊610的輸出被轉(zhuǎn)換模塊615接收。轉(zhuǎn)換模塊將所述輸出轉(zhuǎn)換成Sigma文件結(jié)構(gòu)625，然后Sigma文件結(jié)構(gòu)625被遷移率譜分析模塊630讀取。所述Sigma輸出文件包括14行一般測(cè)試信息，通常包括；樣品名稱、日期和類似信息，接下來(lái)是一行包含樣品厚度的信息，接著是關(guān)于采集霍爾數(shù)據(jù)的每個(gè)磁場(chǎng)的行。這些數(shù)據(jù)行中的每一行包含用標(biāo)記分隔的多個(gè)項(xiàng)目，分別代表磁場(chǎng)、Sigma_XX，SD_XX，Sigma_XY，SD_XY，這里SD_XX和SD_XY分別是Sigma_XX和Sigma_XY值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。所有數(shù)據(jù)項(xiàng)都用MKSA單位表示。也就是說(shuō)，厚度的單位是米、磁場(chǎng)的單位是特斯拉(Teska)，而導(dǎo)電率的單位是“西門子/米”(Siemens/Meter)。所述文件用作遷移率譜分析模塊的輸入以便最后獲得遷移率和電荷載流子密度。所述模塊包括兩個(gè)單獨(dú)的可執(zhí)行程序，它們進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算以便分析與磁場(chǎng)有關(guān)的霍爾數(shù)據(jù)。這些模塊從Sigma輸出文件中讀取數(shù)據(jù)并產(chǎn)生遷移率譜輸出文件635，所述遷移率譜輸出文件包含其峰值表示存在離散的載流子類型的遷移率譜和多載流子擬合(Multi-Carrier-Fit)文件640，所述多載流子擬合文件包含這些載流子類型的最可能的遷移率和電荷載流子密度值。
找出比遷移率峰值更加準(zhǔn)確更加量化的答案的唯一方法是通過(guò)針對(duì)樣品的載流子作出某些假設(shè)來(lái)限制可能解的范圍。例如，多載流子擬合技術(shù)就明顯地假定存在固定數(shù)目的載流子，每一種載流子有離散的遷移率。
由軟件執(zhí)行的計(jì)算涉及下面的原則；當(dāng)把處在晶片背后位于空腔背面的微波短路器調(diào)整到合適的距離時(shí)，幅度反射系數(shù)Γ、晶片的表面電阻R和TE11模式的圓波導(dǎo)阻抗Z之間的關(guān)系為Γ＝(R-Z)/(R+Z)對(duì)于半徑為1.045cm的圓波導(dǎo)而言，阻抗已經(jīng)確定為697.5歐姆/平方，這使得可以精確地測(cè)量薄的頂蓋層。
必須確定在晶片處的微波電場(chǎng)。在各坐標(biāo)軸的電場(chǎng)幅度，例如EX，可以表示為EX＝(1+Γ)(Pincident/A)1/2，而且，EY＝(PHall/A)1/2。在x方向，所述幅度是入射波幅度和反射波的幅度的和或者所傳輸?shù)?駐波)波的幅度。對(duì)于y方向，唯一傳播的微波信號(hào)是霍爾波，所述霍爾波是由晶片產(chǎn)生的并在反射方向上檢測(cè)到的。值A(chǔ)是常數(shù)，它可以由在波導(dǎo)模式的整個(gè)圓形截面上的積分決定?？梢岳眠@些值將對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)軸的電導(dǎo)率σxx或σxy表示為σxx＝(1/Z)(1-Γ2-F2)/((1+Γ)2+F2)和σxx＝(F/(2z(1+Γ))((1+Γ)(3-Γ)-F2)/((1+Γ)2+F2)，這里，F(xiàn)=EY1-/Ex1+.]]>還有一個(gè)常系數(shù)用于與F的理論值相乘，因?yàn)榫植看怪庇诒患?lì)的TE11模式的電流并不準(zhǔn)確地與正交的TE11模式耦合。所述常數(shù)可以通過(guò)積分獲得并具有0到1之間的值。先前的分析假定，在晶片附近額外產(chǎn)生的TE11模式可以忽略。在某些情況下，這是不對(duì)的。對(duì)于那些情況，已經(jīng)開發(fā)出多模分析技術(shù)，并可以用于根據(jù)反射的微波功率來(lái)確定Sigma_XX和Sigma_XY。
為了得到遷移率，使用以上的計(jì)算結(jié)果以及所測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度B。對(duì)于在單一導(dǎo)電層一種載流子的樣品，載流子遷移率由如下公式給出μ＝(σxy/B)/σxx。
多載流子擬合過(guò)程的工作流程如下首先，所述程序采用單形(Simplex)法、通過(guò)將擬合的霍爾數(shù)據(jù)和所測(cè)的霍爾數(shù)據(jù)(σxx和σxy)之間的最小方差(least square deviation)減至最小來(lái)確定單一載流子的最佳擬合。每一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定性用于對(duì)最小平方和中的各項(xiàng)進(jìn)行加權(quán)，從而獲得最接近解。根據(jù)海賽(Hessian)矩陣最小化后(解求出時(shí))的各分量來(lái)估計(jì)推導(dǎo)的遷移率和載流子密度的不確定性。
接下來(lái)，所述程序使用兩種載流子來(lái)確定最佳擬合。通過(guò)將先前確定的單載流子遷移率置換為稍高一點(diǎn)和稍低一點(diǎn)的數(shù)值而獲得單形(Simplex)過(guò)程的起始值。所述單形(Simplex)過(guò)程除了現(xiàn)在有兩個(gè)遷移率的變化之外，與針對(duì)單載流子的等同。導(dǎo)出參數(shù)中的不確定性還是與描述單載流子的情況相同。所述程序還使用統(tǒng)計(jì)學(xué)上的F測(cè)試來(lái)估計(jì)第二種載流子的重要程度，也就是說(shuō)，估計(jì)第二種載流子的加入是不是將所述擬合改善到足以得出第二種載流子可能存在的結(jié)論的程度。這是一個(gè)非常有用的特征，因?yàn)樗沟糜脩裟軌蚬烙?jì)存在于樣品中的統(tǒng)計(jì)學(xué)上重要的載流子的數(shù)目。繼續(xù)所述過(guò)程，一次加入一種載流子并估計(jì)被加入載流子的重要性，直至載流子的數(shù)目超過(guò)磁場(chǎng)數(shù)目的一半為止。此時(shí)，過(guò)程終止。
通過(guò)與先前的已知的破壞性技術(shù)，即接觸式單磁場(chǎng)DC霍爾技術(shù)相比較，總結(jié)一下測(cè)試結(jié)果，并列出如下表格PHEMT測(cè)試結(jié)果匯總A-接觸式單磁場(chǎng)DC霍爾B-非接觸式多磁場(chǎng)RF薄頂蓋層PHEMT樣品
厚頂蓋層PHEMT樣品
可以提供針對(duì)全半導(dǎo)體晶片或平板顯示器材料的非破壞性和非接觸式測(cè)量的、操作人員只需經(jīng)過(guò)最少的訓(xùn)練就能使用的分析軟件。通過(guò)改變可以很容易修改的測(cè)試參數(shù)，可以使有經(jīng)驗(yàn)的研究人員具有進(jìn)行有深度的研究的能力。這些參數(shù)包括磁場(chǎng)強(qiáng)度、微波信號(hào)沿著所述分支的衰減和相位。所述軟件還能提供包括繪畫遷移率譜曲線的圖形顯示，而導(dǎo)電率和濃度則作為遷移率的函數(shù)。
可以利用針對(duì)每一磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的單載流子解來(lái)顯示載流子濃度和遷移率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度而變的曲線。單載流子解可以用于對(duì)分析作一般性檢查；具有單載流子的樣品應(yīng)該呈現(xiàn)與磁場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)的相同的載流子濃度和遷移率。相反，具有多于一個(gè)可檢測(cè)的載流子的樣品應(yīng)呈現(xiàn)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。
在軟件的文本窗口，可以以表層濃度數(shù)值的形式顯示所有結(jié)果。通過(guò)查閱軟件的結(jié)果屏幕的窗口，可以開始進(jìn)行電載流子的體積濃度的計(jì)算。如果選擇進(jìn)行所述操作，則用多載流子技術(shù)提取出單載流子解并將其與關(guān)于層厚度和載流子類型的輸入字段一起顯示在單獨(dú)的窗口。所述信息用于計(jì)算從上表面到上襯底界面的耗盡寬度、以便可以獲得導(dǎo)電層的真正厚度。
應(yīng)當(dāng)指出，通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試、然后在垂直于圓波導(dǎo)50的中心軸的平面上移動(dòng)安裝支架上的樣品、再重復(fù)所述測(cè)試，可以獲得整個(gè)層上遷移率和載流子濃度的變化。這個(gè)過(guò)程可以重復(fù)下去，以便得到遷移率和載流子濃度的分布圖。
雖然上面已經(jīng)就特定的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但對(duì)本專業(yè)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的修改和替換是顯而易見(jiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量導(dǎo)電片狀材料中的遷移率和載流子濃度的裝置，所述裝置包括微波源；設(shè)置成接收來(lái)自所述微波源的微波輻射的圓波導(dǎo)；適合于將片狀材料元件定位在測(cè)量位置上以便接收由所述圓波導(dǎo)傳送的微波輻射的安裝支架；設(shè)置成在所述測(cè)試位置感生磁場(chǎng)的磁體；用于檢測(cè)所述微波輻射源的功率的第一檢測(cè)器；用于檢測(cè)從所述檢測(cè)位置的所述片狀材料元件反射的微波輻射的第二檢測(cè)器；以及用于檢測(cè)霍爾效應(yīng)微波功率的第三檢測(cè)器。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括設(shè)置在所述圓波導(dǎo)中的探頭，所述探頭與所述第三檢測(cè)器耦合。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于還包括設(shè)置成從所述源接收微波輻射的定向耦合器，所述定向耦合器與側(cè)分支和主分支耦合，所述主分支耦合到所述圓波導(dǎo)，而所述側(cè)分支耦合到所述第三檢測(cè)器。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述側(cè)分支被通過(guò)可變衰減器和可變移相器耦合到所述第三檢測(cè)器。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括用于從所述檢測(cè)器接收數(shù)據(jù)并且根據(jù)所述數(shù)據(jù)計(jì)算遷移率和載流子濃度的計(jì)算裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括在所述源和所述圓波導(dǎo)之間的常規(guī)波導(dǎo)，其中，以可以相對(duì)于所述常規(guī)波導(dǎo)調(diào)節(jié)位置的方式設(shè)置所述圓波導(dǎo)。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述第二檢測(cè)器設(shè)置成檢測(cè)在所述常規(guī)波導(dǎo)中的反射的微波場(chǎng)強(qiáng)度。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括用于檢測(cè)所述測(cè)量位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)器。
9.一種用于測(cè)量導(dǎo)電片狀材料中的遷移率和載流子濃度的方法，所述方法包括以下步驟從微波源產(chǎn)生微波輻射；依次向?qū)щ姸搪菲骱吞幱跍y(cè)量位置的片狀材料樣品發(fā)送僅僅具有TE11模式的所述產(chǎn)生的微波輻射。在所述發(fā)送步驟期間，在所述測(cè)量位置上施加具有第一選擇強(qiáng)度的磁場(chǎng)；利用具有第二選擇強(qiáng)度的磁場(chǎng)重復(fù)上述施加磁場(chǎng)的步驟；在執(zhí)行上述發(fā)送微波輻射和施加磁場(chǎng)的步驟期間，在正向位置檢測(cè)微波場(chǎng)強(qiáng)度；在執(zhí)行上述發(fā)送微波輻射和施加磁場(chǎng)的步驟期間，檢測(cè)從所述導(dǎo)電短路器和所述樣品中的每一個(gè)反射的反射微波場(chǎng)強(qiáng)度；在執(zhí)行上述發(fā)送微波輻射和施加磁場(chǎng)的步驟期間，檢測(cè)霍爾效應(yīng)反射微波場(chǎng)強(qiáng)度；根據(jù)所述檢測(cè)的微波場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算遷移率和載流子濃度的數(shù)值。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述發(fā)送步驟包括通過(guò)圓波導(dǎo)傳送微波輻射。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述檢測(cè)霍爾效應(yīng)反射微波場(chǎng)強(qiáng)度的步驟包括在所述圓波導(dǎo)中設(shè)置探頭并從所述探頭發(fā)送信號(hào)到耦合器，同時(shí)將來(lái)自所述微波源的信號(hào)中經(jīng)過(guò)衰減和移相的部分發(fā)送到所述耦合器，并將所述耦合器的輸出發(fā)送到檢測(cè)器。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述發(fā)送步驟包括將微波輻射通過(guò)常規(guī)波導(dǎo)發(fā)送到所述圓波導(dǎo)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述檢測(cè)反射的微波場(chǎng)強(qiáng)度的步驟包括在設(shè)置成檢測(cè)所述常規(guī)波導(dǎo)中的微波場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)器中檢測(cè)所述反射的微波場(chǎng)強(qiáng)度。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于還包括在檢測(cè)微波場(chǎng)強(qiáng)度的同時(shí)調(diào)整所述圓波導(dǎo)的位置的步驟。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于還包括在執(zhí)行所述發(fā)送步驟的同時(shí)檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的步驟。
全文摘要
用于載流子濃度和遷移率的非接觸式測(cè)量的裝置包括微波源(16)；用于向位于測(cè)試位置的樣品(59)(例如半導(dǎo)體晶片或平板顯示器的屏面)發(fā)送微波輻射的圓波導(dǎo)(50)；用于檢測(cè)正向微波功率的第一檢測(cè)器(18)；用于檢測(cè)被樣品反射的微波功率的第二檢測(cè)器(23)；以及用于檢測(cè)霍爾效應(yīng)功率的第三檢測(cè)器(95)。所述樣品作為只傳輸TE11模式的圓波導(dǎo)(50)的終端負(fù)載，而樣品的后面設(shè)置短路器(58)。在垂直于樣品平面(并沿著圓波導(dǎo)(50)的軸)的方向上施加磁場(chǎng)。在這種配置中，給定的TE11模式入射波將引起兩束反射波。一束是普通的反射波，其極化方向與入射波相同。提供檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)所述反射的輻射。另一束反射波是由霍爾效應(yīng)引起的，其極化方向垂直于前一種反射波的極化方向，提供探頭(70)來(lái)檢測(cè)所述另一束反射波。用探頭(70)檢測(cè)所述另一束反射波，在單一檢測(cè)器中將探頭(70)的輸出與正向輻射中經(jīng)過(guò)衰減和移相的部分相組合。
文檔編號(hào)H01L21/66GK1531656SQ02813535
公開日2004年9月22日 申請(qǐng)日期2002年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月3日
發(fā)明者J·C·利茨尼, N·埃伯哈德特, J C 利茨尼, 綠 申請(qǐng)人:勒海頓電子公司