CN104266960A - 扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***及测试方法，该测试***包括脉冲激光***、微波***、数据采集***、扫描运动***、运动控制***，测试控制***和探头，扫描运动***用于将探头进行三维定位，运动控制***分别与扫描运动***、测试控制***相连，用于根据测试控制***指令驱动扫描运动***动作；脉冲激光***、微波***均设置在探头内，微波***与数据采集***相连，数据采集***和测试控制***相连。脉冲激光***产生脉冲式的红外激光，穿过微波***中微带天线的中间开孔垂直照射在样品台上的被测样品表面。本发明可对大面积的半导体晶体材料进行载流子寿命分布情况的扫描式测量，且结构更加紧凑，探头体积小。
Description
技术领域
本发明涉及载流子复合寿命测试仪研究领域，特别涉及一种扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***及测试方法。
背景技术
在半导体材料及器件的生产过程中，所使用的生产设备几乎都含有金属，因此，重金属(主要是铁)对半导体材料的污染是普遍存在的问题，严重影响半导体晶体材料的性能。载流子复合寿命是评价半导体材料性能优劣的重要参数指标之一，它可以灵敏地反映出重金属含量的多寡，因此，载流子复合寿命测试仪是半导体硅单晶、铸造多晶企业、光伏企业、高等院校研究和生产中的重要工具。
目前已有多种载流子复合寿命测试仪器，如高频光电导寿命测试仪，微波反射无接触寿命测试仪，准稳态光电导少子寿命测试仪等。但在上述的这些寿命测试仪中，大多数只能对半导体晶体材料的局部区域进行测试，不能对整块(锭)或整片半导体晶体材料的载流子寿命的分布情况进行测量，而半导体晶体材料的测量面积越大则越可更完整更真实地反映材料的质量。
因此，需要提供一种针对大面积半导体材料测试的、成本较低且维修方便的载流子复合寿命扫描测试***。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***，该***可实现大面积半导体材料的载流子复合寿命分布式测量，更直观且准确地反映材料的整体性能，同时具有成本低的优点。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***的测试方法，该方法具有定位准确、控制方便的优点。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***，包括脉冲激光***、微波***、数据采集***、扫描运动***、运动控制***、测试控制***和探头，所述扫描运动***包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构，样品台设置在Y轴运动机构上，Z轴运动机构固定在Y轴运动机构的一侧，X轴运动机构通过探头支架设置在Z轴运动机构上，探头设置在X轴运动机构上，探头位于样品台的上方；所述运动控制***分别与扫描运动***、测试控制***相连，用于根据测试控制***指令驱动扫描运动***动作；脉冲激光***、微波***均设置在探头内，微波***与数据采集***相连，数据采集***和测试控制***相连。通过增加运动控制***和扫描运动***，从而可以对大面积的半导体材料进行扫描式测试，得到更准确的材料的性能结果。
优选的，所述微波***中的微带天线采用聚四氟乙烯双面覆铜板，包括底层铜箔板、聚四氟乙烯板、上层铜箔板，底层铜箔板经腐蚀形成一个用于微波信号的传输与接收的圆环区域，在圆环区域的内圆环部分的聚四氟乙烯板和上层铜箔板开设透光孔，在圆环的边缘延伸一条长3.8-6.5mm，宽0.9-1.8mm的铜带作为同轴馈线的连接线，聚四氟乙烯双面覆铜板在该连接线末端设有一通孔，同轴馈线通过此通孔与连接线直接焊接。
更进一步的，所述聚四氟乙烯双面覆铜板的尺寸为长20-25mm，宽15-20mm，高2-6mm，双面分别是厚度为0.01～0.1mm的覆铜面。
优选的，所述脉冲激光***产生脉冲式的红外激光，穿过微波***中微带天线的中间开孔垂直照射在样品台上的被测样品表面。与脉冲光线斜照方式相比，这样大大地缩小了探头的体积。这里所述被测样品具体是指放置在样品台上的待测硅晶体样品。
优选的，所述X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构均分别包括一台直流无刷伺服电机和一个滚珠丝杠导轨，每个直流无刷伺服电机均分别与运动控制***相连。
优选的，所述运动控制***包括运动控制器和3台伺服驱动器，每台伺服驱动器分别与一个直流无刷伺服电机相连，运动控制器与测试控制***相连，用于根据测试控制***的运动指令输出脉冲数、方向、速度信息给伺服驱动器，伺服驱动器驱动对应直流无刷伺服电机运动。
更进一步的，在每个所述直流无刷伺服电机处都设有脉冲编码器，该脉冲编码器与运动控制器连接。该脉冲编码器用于在电机运动时产生脉冲，并将这些脉冲发送到运动控制器，运动控制器将实际脉冲数与设定的脉冲数进行比较，继而实现闭环控制，提高定位的精度。
优选的，所述样品台上设有吸附孔，该吸附孔下方与真空负压泵连接。样品放置到该样品台上后，开启真空负压泵，通过该吸附孔可固定待测样品。
优选的，所述扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***整体设置在一个主机箱内，Y轴运动机构设在主机箱底板上，Z轴运动机构设在主机箱背板上。
一种基于上述扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***的测试方法，包括步骤：
(1)探头处于初始化位置；
(2)测试控制***根据用户输入的需要测试的点位置坐标，发送信号到运动控制***，运动控制***发送脉冲数、方向、速度信息到扫描运动***，扫描运动***按照上述信息控制探头进行X、Y、Z轴三维运动，定位在需要测试的点位置上；
(3)脉冲激光***产生脉冲式的红外激光，穿过微波***的微带天线的中间开孔垂直照射在被测样品上，微波***通过微带天线将微波信号发射到被测样品上，同时微带天线接收微波反射信号，微波反射信号经微波***的环形检波器检出并输入到数据采集***的宽带放大器输入端，放大后将其转化为数字信号发送到测试控制***保存；
(4)测试控制***判断是否还有下一个需要测试的点位置，如果有，则执行步骤(2)，否则测试控制***对保存的信号进行统计分析，对外输出载流子复合寿命计算结果，并控制探头归位。
优选的，所述扫描运动***中采用直流无刷伺服电机，每个所述直流无刷伺服电机处都设有脉冲编码器，在直流无刷伺服电机运动时，脉冲编码器产生脉冲，这些脉冲反馈到运动控制器，运动控制器对这些脉冲进行计数，并实时地将当前实际脉冲数与设定的脉冲数进行比较，一旦出现差距就进行运动补偿。从而实现精确定位。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明针对大面积的半导体晶体材料，通过运动控制***和扫描运动***实现载流子寿命分布情况的扫描式测量，使得所得结果更加完整、真实。
2、本发明中扫描运动***采用高性能的直流无刷伺服电机和高精度的滚珠丝杠导轨，进行分布式扫描测试定位，可以获得整片或大面积的半导体材料载流子复合寿命分布图。
3、本发明中脉冲激光***产生脉冲式的红外激光，穿过微波***中微带天线的中间开孔垂直照射在样品台上的被测样品表面。提高了光照效率，同时使探头结构更加紧凑，缩小了探头体积。
4、本发明通过扫描运动***可以调节探头高度，从而可以快捷地实现对不同厚度的半导体材料的测试。
附图说明
图1为本发明的工作原理示意图；
图2为本发明中扫描运动***的结构示意图；
图3为本发明中微带天线的结构示意图；
图4为本发明中脉冲激光***与微带天线的结构原理示意图。
图2-4中，1—圆环区域；2—通孔；3—聚四氟乙烯板；4—上层铜箔板；5—脉冲激光光源；6—同轴馈线；7—微带天线；8—样品；9—样品台；10—主机箱背板；11—主机箱底板；12—X轴运动机构；13—Y轴运动机构；14—Z轴运动机构；15—探头；16—探头支架。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明载流子复合寿命测试是采用微波反射法测试，该方法依据的原理是：脉冲式的红外激光照射在被测样品上，引起被测样品的光电导变化，微波***通过微带天线发射并接收微波反射信号，被测样品的光电导变化在一定范围里与微波的反射功率成正比，微波反射功率的衰退曲线就反映了光电导衰退曲线，从微波反射功率的衰退曲线中就可以计算出载流子复合寿命。
本实施例所述的扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***的结构组成如图1、4所示，包括脉冲激光***、微波***、数据采集***、测试控制***、扫描运动***、运动控制***和探头15，待测样品8放置在样品台9上，检测时，探头15位于样品台9的上方。所述运动控制***分别与扫描运动***、测试控制***相连；脉冲激光***、微波***均设置在探头15内，微波***与数据采集***相连。脉冲激光***产生脉冲式的红外激光，穿过微波***的微带天线7的中间开孔垂直照射在被测样品上；微波***通过微带天线发射并接收微波信号，由其环形波器检出并将信号传送给数据采集***；扫描运动***实现探头的测试点定位，每定位一次进行一次测试；运动控制***向扫描运动***发送定位指令，并通过脉冲编码器接收探头的定位信息，对测试点进行监控，防止定位误差；数据采集***用于采集微波反射信号，并将该信号经宽带放大器放大后转化为数字信号发送到测试控制***。测试控制***一方面发送运动指令到运动控制***，一方面对测试数据进行分析计算，输出测试结果。在实际使用时，可结合现有的计算机设备，实现各种测量方案对多点测量并将测量结果以分布图形式输出。
如图2所示，扫描运动***包括X轴运动机构12、Y轴运动机构13、Z轴运动机构14；其中X轴、Y轴、Z轴运动机构均包含一台直流无刷伺服电机和一根高精度滚珠丝杠导轨；所述Y轴运动机构13设在主机箱底板11上，样品台设在Y轴运动机构13上面，可进行Y方向前后运动，同时样品台上设有吸附孔，安装真空负压泵后可固定待测样品；Z轴运动机构14设在主机箱背板10上，探头支架16设在Z轴运动机构14上，X轴运动机构12设在探头支架16上，与Z轴运动机构14相互垂直，整个X轴运动机构12可进行Z方向上下运动；探头设在X轴运动机构12上，可进行X方向左右运动。
如图3所示，所述微带天线7采用聚四氟乙烯双面覆铜板，具体包括底层铜箔板、聚四氟乙烯板3、上层铜箔板4，底层铜箔板经腐蚀形成一个圆环区域1，用于微波信号的传输与接收，腐蚀成圆环的内圆环部分的聚四氟乙烯和上层铜箔板开透光孔，在圆环的边缘延伸一条长3.8-6.5mm，宽0.9-1.8mm的铜带作为同轴馈线6的连接线，聚四氟乙烯双面覆铜板在该连接线末端设有一通孔2，同轴馈线6通过此通孔2与连接线直接焊接。本实施例中的聚四氟乙烯双面覆铜板的尺寸为长20-25mm，宽15-20mm，高2-6mm，双面分别是厚度为0.01～0.1mm的覆铜面。
在测量时，脉冲激光***中的脉冲激光光源5与微带天线7的位置关系如图4所示，脉冲激光光源5产生脉冲式的红外激光，穿过微波***中微带天线7的中间开孔垂直照射在样品台上的被测样品表面。
本实施例所述扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***的测试方法，包括步骤：
(1)探头处于初始化位置；
(2)测试控制***根据用户输入的需要测试的点位置坐标，发送信号到运动控制***，运动控制***发送脉冲数、方向、速度信息到扫描运动***，扫描运动***按照上述信息控制探头进行X、Y、Z轴三维运动，定位在需要测试的点位置上；
(3)脉冲激光***产生脉冲式的红外激光，穿过微波***的微带天线的中间开孔垂直照射在被测样品上，微波***通过微带天线将微波信号发射到被测样品上，同时微带天线接收微波反射信号，微波反射信号经微波***的环形检波器检出并输入到数据采集***的宽带放大器输入端，放大后将其转化为数字信号发送到测试控制***保存；
(4)测试控制***判断是否还有下一个需要测试的点位置，如果有，则执行步骤(2)，否则测试控制***对保存的信号进行统计分析，对外输出载流子复合寿命计算结果，并控制探头归位。
所述扫描运动***中采用直流无刷伺服电机，每个所述直流无刷伺服电机处都设有脉冲编码器，在直流无刷伺服电机运动时，脉冲编码器产生脉冲，这些脉冲反馈到运动控制器，运动控制器对这些脉冲进行计数，并实时地将当前实际脉冲数与设定的脉冲数进行比较，一旦出现差距就进行运动补偿。从而实现精确定位。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***，其特征在于，包括脉冲激光***、微波***、数据采集***、扫描运动***、运动控制***、测试控制***和探头，所述扫描运动***包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构，样品台设置在Y轴运动机构上，Z轴运动机构固定在Y轴运动机构的一侧，X轴运动机构通过探头支架设置在Z轴运动机构上，探头设置在X轴运动机构上，探头位于样品台的上方；所述运动控制***分别与扫描运动***、测试控制***相连，用于根据测试控制***指令驱动扫描运动***动作；脉冲激光***、微波***均设置在探头内，微波***与数据采集***相连，数据采集***和测试控制***相连。
2.根据权利要求1所述的扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***，其特征在于，所述微波***中的微带天线采用聚四氟乙烯双面覆铜板，包括底层铜箔板、聚四氟乙烯板、上层铜箔板，底层铜箔板经腐蚀形成一个用于微波信号的传输与接收的圆环区域，在圆环区域的内圆环部分的聚四氟乙烯板和上层铜箔板开设透光孔，在圆环的边缘延伸一条长3.8-6.5mm，宽0.9-1.8mm的铜带作为同轴馈线的连接线，聚四氟乙烯双面覆铜板在该连接线末端设有一通孔，同轴馈线通过此通孔与连接线直接焊接。
3.根据权利要求2所述的扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***，其特征在于，所述聚四氟乙烯双面覆铜板的尺寸为长20-25mm，宽15-20mm，高2-6mm，双面分别是厚度为0.01～0.1mm的覆铜面。
4.根据权利要求2所述的扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***，其特征在于，所述脉冲激光***产生脉冲式的红外激光，穿过微波***中微带天线的中间开孔垂直照射在样品台上的被测样品表面。
5.根据权利要求1所述的扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***，其特征在于，所述X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构均分别包括一台直流无刷伺服电机和一个滚珠丝杠导轨，每个直流无刷伺服电机均分别与运动控制***相连。
6.根据权利要求5所述的扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***，其特征在于，所述运动控制***包括运动控制器和3台伺服驱动器，每台伺服驱动器分别与一个直流无刷伺服电机相连，运动控制器与测试控制***相连，用于根据测试控制***的运动指令输出脉冲数、方向、速度信息给伺服驱动器，伺服驱动器驱动对应直流无刷伺服电机运动。
7.根据权利要求6所述的扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***，其特征在于，在每个所述直流无刷伺服电机处都设有脉冲编码器，该脉冲编码器与运动控制器连接。
8.根据权利要求1所述的扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***，其特征在于，所述样品台上设有吸附孔，该吸附孔下方与真空负压泵连接；
所述扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***整体设置在一个主机箱内，Y轴运动机构设在主机箱底板上，Z轴运动机构设在主机箱背板上。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的扫描式微波反射法载流子复合寿命测试***的测试方法，其特征在于，包括步骤：
(1)探头处于初始化位置；
(2)测试控制***根据用户输入的需要测试的点位置坐标，发送信号到运动控制***，运动控制***发送脉冲数、方向、速度信息到扫描运动***，扫描运动***按照上述信息控制探头进行X、Y、Z轴三维运动，定位在需要测试的点位置上；
(3)脉冲激光***产生脉冲式的红外激光，穿过微波***的微带天线的中间开孔垂直照射在被测样品上，微波***通过微带天线将微波信号发射到被测样品上，同时微带天线接收微波反射信号，微波反射信号经微波***的环形检波器检出并输入到数据采集***的宽带放大器输入端，放大后将其转化为数字信号发送到测试控制***保存；
(4)测试控制***判断是否还有下一个需要测试的点位置，如果有，则执行步骤(2)，否则测试控制***对保存的信号进行统计分析，对外输出载流子复合寿命计算结果，并控制探头归位。
10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，所述扫描运动***中采用直流无刷伺服电机，每个所述直流无刷伺服电机处都设有脉冲编码器，在直流无刷伺服电机运动时，脉冲编码器产生脉冲，这些脉冲反馈到运动控制器，运动控制器对这些脉冲进行计数，并实时地将当前实际脉冲数与设定的脉冲数进行比较，一旦出现差距就进行运动补偿。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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