掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)包括脈沖激光系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、掃描運動系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)，測試控制系統(tǒng)和探頭，掃描運動系統(tǒng)用于將探頭進(jìn)行三維定位，運動控制系統(tǒng)分別與掃描運動系統(tǒng)、測試控制系統(tǒng)相連，用于根據(jù)測試控制系統(tǒng)指令驅(qū)動掃描運動系統(tǒng)動作；脈沖激光系統(tǒng)、微波系統(tǒng)均設(shè)置在探頭內(nèi)，微波系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測試控制系統(tǒng)相連。脈沖激光系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖式的紅外激光，穿過微波系統(tǒng)中微帶天線的中間開孔垂直照射在樣品臺上的被測樣品表面。本實用新型可對大面積的半導(dǎo)體晶體材料進(jìn)行載流子壽命分布情況的掃描式測量，且結(jié)構(gòu)更加緊湊，探頭體積小。
【專利說明】掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及載流子復(fù)合壽命測試儀研究領(lǐng)域，特別涉及一種掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體材料及器件的生產(chǎn)過程中，所使用的生產(chǎn)設(shè)備幾乎都含有金屬，因此，重金屬(主要是鐵)對半導(dǎo)體材料的污染是普遍存在的問題，嚴(yán)重影響半導(dǎo)體晶體材料的性能。載流子復(fù)合壽命是評價半導(dǎo)體材料性能優(yōu)劣的重要參數(shù)指標(biāo)之一，它可以靈敏地反映出重金屬含量的多寡，因此，載流子復(fù)合壽命測試儀是半導(dǎo)體硅單晶、鑄造多晶企業(yè)、光伏企業(yè)、高等院校研究和生產(chǎn)中的重要工具。
[0003]目前已有多種載流子復(fù)合壽命測試儀器，如高頻光電導(dǎo)壽命測試儀，微波反射無接觸壽命測試儀，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)少子壽命測試儀等。但在上述的這些壽命測試儀中，大多數(shù)只能對半導(dǎo)體晶體材料的局部區(qū)域進(jìn)行測試，不能對整塊(錠)或整片半導(dǎo)體晶體材料的載流子壽命的分布情況進(jìn)行測量，而半導(dǎo)體晶體材料的測量面積越大則越可更完整更真實地反映材料的質(zhì)量。
[0004]因此，需要提供一種針對大面積半導(dǎo)體材料測試的、成本較低且維修方便的載流子復(fù)合壽命掃描測試系統(tǒng)。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)大面積半導(dǎo)體材料的載流子復(fù)合壽命分布式測量，更直觀且準(zhǔn)確地反映材料的整體性能，同時具有成本低的優(yōu)點。
[0006]本實用新型的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn):掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)，包括脈沖激光系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、掃描運動系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、測試控制系統(tǒng)和探頭，所述掃描運動系統(tǒng)包括X軸運動機(jī)構(gòu)、Y軸運動機(jī)構(gòu)、Z軸運動機(jī)構(gòu)，樣品臺設(shè)置在Y軸運動機(jī)構(gòu)上，Z軸運動機(jī)構(gòu)固定在Y軸運動機(jī)構(gòu)的一側(cè)，X軸運動機(jī)構(gòu)通過探頭支架設(shè)置在Z軸運動機(jī)構(gòu)上，探頭設(shè)置在X軸運動機(jī)構(gòu)上，探頭位于樣品臺的上方；所述運動控制系統(tǒng)分別與掃描運動系統(tǒng)、測試控制系統(tǒng)相連，用于根據(jù)測試控制系統(tǒng)指令驅(qū)動掃描運動系統(tǒng)動作；脈沖激光系統(tǒng)、微波系統(tǒng)均設(shè)置在探頭內(nèi)，微波系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測試控制系統(tǒng)相連。通過增加運動控制系統(tǒng)和掃描運動系統(tǒng)，從而可以對大面積的半導(dǎo)體材料進(jìn)行掃描式測試，得到更準(zhǔn)確的材料的性能結(jié)果。
[0007]優(yōu)選的，所述微波系統(tǒng)中的微帶天線采用聚四氟乙烯雙面覆銅板，包括底層銅箔板、聚四氟乙烯板、上層銅箔板，底層銅箔板經(jīng)腐蝕形成一個用于微波信號的傳輸與接收的圓環(huán)區(qū)域，在圓環(huán)區(qū)域的內(nèi)圓環(huán)部分的聚四氟乙烯板和上層銅箔板開設(shè)透光孔，在圓環(huán)的邊緣延伸一條長3.8-6.5mm,寬0.9-1.8mm的銅帶作為同軸饋線的連接線,聚四氟乙烯雙面覆銅板在該連接線末端設(shè)有一通孔，同軸饋線通過此通孔與連接線直接焊接。
[0008]更進(jìn)一步的，所述聚四氟乙烯雙面覆銅板的尺寸為長20-25mm，寬15_20mm，高
2-6mm,雙面分別是厚度為0.01?0.1mm的覆銅面。
[0009]優(yōu)選的，所述脈沖激光系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖式的紅外激光，穿過微波系統(tǒng)中微帶天線的中間開孔垂直照射在樣品臺上的被測樣品表面。與脈沖光線斜照方式相比，這樣大大地縮小了探頭的體積。這里所述被測樣品具體是指放置在樣品臺上的待測硅晶體樣品。
[0010]優(yōu)選的，所述X軸運動機(jī)構(gòu)、Y軸運動機(jī)構(gòu)、Z軸運動機(jī)構(gòu)均分別包括一臺直流無刷伺服電機(jī)和一個滾珠絲杠導(dǎo)軌，每個直流無刷伺服電機(jī)均分別與運動控制系統(tǒng)相連。
[0011]優(yōu)選的，所述運動控制系統(tǒng)包括運動控制器和3臺伺服驅(qū)動器，每臺伺服驅(qū)動器分別與一個直流無刷伺服電機(jī)相連，運動控制器與測試控制系統(tǒng)相連，用于根據(jù)測試控制系統(tǒng)的運動指令輸出脈沖數(shù)、方向、速度信息給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器驅(qū)動對應(yīng)直流無刷伺服電機(jī)運動。
[0012]更進(jìn)一步的，在每個所述直流無刷伺服電機(jī)處都設(shè)有脈沖編碼器，該脈沖編碼器與運動控制器連接。該脈沖編碼器用于在電機(jī)運動時產(chǎn)生脈沖，并將這些脈沖發(fā)送到運動控制器，運動控制器將實際脈沖數(shù)與設(shè)定的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，繼而實現(xiàn)閉環(huán)控制，提高定位的精度。
[0013]優(yōu)選的，所述樣品臺上設(shè)有吸附孔，該吸附孔下方與真空負(fù)壓泵連接。樣品放置到該樣品臺上后，開啟真空負(fù)壓泵，通過該吸附孔可固定待測樣品。
[0014]優(yōu)選的，所述掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)整體設(shè)置在一個主機(jī)箱內(nèi)，Y軸運動機(jī)構(gòu)設(shè)在主機(jī)箱底板上，Z軸運動機(jī)構(gòu)設(shè)在主機(jī)箱背板上。
[0015]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0016]1、本實用新型針對大面積的半導(dǎo)體晶體材料，通過運動控制系統(tǒng)和掃描運動系統(tǒng)實現(xiàn)載流子壽命分布情況的掃描式測量，使得所得結(jié)果更加完整、真實。
[0017]2、本實用新型中掃描運動系統(tǒng)采用高性能的直流無刷伺服電機(jī)和高精度的滾珠絲杠導(dǎo)軌，進(jìn)行分布式掃描測試定位，可以獲得整片或大面積的半導(dǎo)體材料載流子復(fù)合壽命分布圖。
[0018]3、本實用新型中脈沖激光系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖式的紅外激光，穿過微波系統(tǒng)中微帶天線的中間開孔垂直照射在樣品臺上的被測樣品表面。提高了光照效率，同時使探頭結(jié)構(gòu)更加緊湊，縮小了探頭體積。
[0019]4、本實用新型通過掃描運動系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)探頭高度，從而可以快捷地實現(xiàn)對不同厚度的半導(dǎo)體材料的測試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本實用新型的工作原理示意圖；
[0021]圖2為本實用新型中掃描運動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為本實用新型中微帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4為本實用新型中脈沖激光系統(tǒng)與微帶天線的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0024]圖2_4中，I—圓環(huán)區(qū)域；2—通孔；3—聚四氟乙烯板；4一上層銅箔板；5—脈沖激光光源；6 —同軸饋線；7—微帶天線；8—樣品；9一樣品臺；10—主機(jī)箱背板；11 一主機(jī)箱底板；12—X軸運動機(jī)構(gòu)；13—Y軸運動機(jī)構(gòu)；14一Z軸運動機(jī)構(gòu)；15—探頭；16—探頭支架。

【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0026]實施例1
[0027]本實用新型載流子復(fù)合壽命測試是采用現(xiàn)有的微波反射法測試，該方法依據(jù)的原理是:脈沖式的紅外激光照射在被測樣品上，引起被測樣品的光電導(dǎo)變化，微波系統(tǒng)通過微帶天線發(fā)射并接收微波反射信號，被測樣品的光電導(dǎo)變化在一定范圍里與微波的反射功率成正比，微波反射功率的衰退曲線就反映了光電導(dǎo)衰退曲線，從微波反射功率的衰退曲線中就可以計算出載流子復(fù)合壽命。
[0028]本實施例所述的掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1、4所示，包括脈沖激光系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測試控制系統(tǒng)、掃描運動系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)和探頭15，待測樣品8放置在樣品臺9上，檢測時，探頭15位于樣品臺9的上方。所述運動控制系統(tǒng)分別與掃描運動系統(tǒng)、測試控制系統(tǒng)相連；脈沖激光系統(tǒng)、微波系統(tǒng)均設(shè)置在探頭15內(nèi)，微波系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。脈沖激光系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖式的紅外激光，穿過微波系統(tǒng)的微帶天線7的中間開孔垂直照射在被測樣品上；微波系統(tǒng)通過微帶天線發(fā)射并接收微波信號，由其環(huán)形波器檢出并將信號傳送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；掃描運動系統(tǒng)實現(xiàn)探頭的測試點定位，每定位一次進(jìn)行一次測試；運動控制系統(tǒng)向掃描運動系統(tǒng)發(fā)送定位指令，并通過脈沖編碼器接收探頭的定位信息，對測試點進(jìn)行監(jiān)控，防止定位誤差；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集微波反射信號，并將該信號經(jīng)寬帶放大器放大后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號發(fā)送到測試控制系統(tǒng)。測試控制系統(tǒng)一方面發(fā)送運動指令到運動控制系統(tǒng)，一方面對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，輸出測試結(jié)果。在實際使用時，可結(jié)合現(xiàn)有的計算機(jī)設(shè)備，實現(xiàn)各種測量方案對多點測量并將測量結(jié)果以分布圖形式輸出。
[0029]如圖2所示，掃描運動系統(tǒng)包括X軸運動機(jī)構(gòu)12、Y軸運動機(jī)構(gòu)13、Z軸運動機(jī)構(gòu)14 ;其中X軸、Y軸、Z軸運動機(jī)構(gòu)均包含一臺直流無刷伺服電機(jī)和一根高精度滾珠絲杠導(dǎo)軌；所述Y軸運動機(jī)構(gòu)13設(shè)在主機(jī)箱底板11上，樣品臺設(shè)在Y軸運動機(jī)構(gòu)13上面，可進(jìn)行Y方向前后運動，同時樣品臺上設(shè)有吸附孔，安裝真空負(fù)壓泵后可固定待測樣品；Z軸運動機(jī)構(gòu)14設(shè)在主機(jī)箱背板10上，探頭支架16設(shè)在Z軸運動機(jī)構(gòu)14上，X軸運動機(jī)構(gòu)12設(shè)在探頭支架16上，與Z軸運動機(jī)構(gòu)14相互垂直，整個X軸運動機(jī)構(gòu)12可進(jìn)行Z方向上下運動；探頭設(shè)在X軸運動機(jī)構(gòu)12上，可進(jìn)行X方向左右運動。
[0030]如圖3所示，所述微帶天線7采用聚四氟乙烯雙面覆銅板，具體包括底層銅箔板、聚四氟乙烯板3、上層銅箔板4，底層銅箔板經(jīng)腐蝕形成一個圓環(huán)區(qū)域1，用于微波信號的傳輸與接收，腐蝕成圓環(huán)的內(nèi)圓環(huán)部分的聚四氟乙烯和上層銅箔板開透光孔，在圓環(huán)的邊緣延伸一條長3.8-6.5mm,寬0.9-1.8mm的銅帶作為同軸饋線6的連接線,聚四氟乙烯雙面覆銅板在該連接線末端設(shè)有一通孔2，同軸饋線6通過此通孔2與連接線直接焊接。本實施例中的聚四氟乙烯雙面覆銅板的尺寸為長20-25mm，寬15-20mm，高2-6mm，雙面分別是厚度為
0.01?0.1mm的覆銅面。
[0031]在測量時，脈沖激光系統(tǒng)中的脈沖激光光源5與微帶天線7的位置關(guān)系如圖4所示，脈沖激光光源5產(chǎn)生脈沖式的紅外激光，穿過微波系統(tǒng)中微帶天線7的中間開孔垂直照射在樣品臺上的被測樣品表面。
[0032]本實施例所述掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)的測試方法，包括步驟:
[0033](I)探頭處于初始化位置；
[0034](2)測試控制系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的需要測試的點位置坐標(biāo)，發(fā)送信號到運動控制系統(tǒng)，運動控制系統(tǒng)發(fā)送脈沖數(shù)、方向、速度信息到掃描運動系統(tǒng)，掃描運動系統(tǒng)按照上述信息控制探頭進(jìn)行X、Y、Z軸三維運動，定位在需要測試的點位置上；
[0035](3)脈沖激光系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖式的紅外激光，穿過微波系統(tǒng)的微帶天線的中間開孔垂直照射在被測樣品上，微波系統(tǒng)通過微帶天線將微波信號發(fā)射到被測樣品上，同時微帶天線接收微波反射信號，微波反射信號經(jīng)微波系統(tǒng)的環(huán)形檢波器檢出并輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的寬帶放大器輸入端，放大后將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號發(fā)送到測試控制系統(tǒng)保存；
[0036](4)測試控制系統(tǒng)判斷是否還有下一個需要測試的點位置，如果有，則執(zhí)行步驟
(2)，否則測試控制系統(tǒng)對保存的信號進(jìn)行統(tǒng)計分析，對外輸出載流子復(fù)合壽命計算結(jié)果，并控制探頭歸位。
[0037]所述掃描運動系統(tǒng)中采用直流無刷伺服電機(jī)，每個所述直流無刷伺服電機(jī)處都設(shè)有脈沖編碼器，在直流無刷伺服電機(jī)運動時，脈沖編碼器產(chǎn)生脈沖，這些脈沖反饋到運動控制器，運動控制器對這些脈沖進(jìn)行計數(shù)，并實時地將當(dāng)前實際脈沖數(shù)與設(shè)定的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，一旦出現(xiàn)差距就進(jìn)行運動補償。從而實現(xiàn)精確定位。
[0038]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)，其特征在于，包括脈沖激光系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、掃描運動系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、測試控制系統(tǒng)和探頭，所述掃描運動系統(tǒng)包括X軸運動機(jī)構(gòu)、Y軸運動機(jī)構(gòu)、Z軸運動機(jī)構(gòu),樣品臺設(shè)置在Y軸運動機(jī)構(gòu)上,Z軸運動機(jī)構(gòu)固定在Y軸運動機(jī)構(gòu)的一側(cè)，X軸運動機(jī)構(gòu)通過探頭支架設(shè)置在Z軸運動機(jī)構(gòu)上，探頭設(shè)置在X軸運動機(jī)構(gòu)上，探頭位于樣品臺的上方；所述運動控制系統(tǒng)分別與掃描運動系統(tǒng)、測試控制系統(tǒng)相連，用于根據(jù)測試控制系統(tǒng)指令驅(qū)動掃描運動系統(tǒng)動作；脈沖激光系統(tǒng)、微波系統(tǒng)均設(shè)置在探頭內(nèi)，微波系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測試控制系統(tǒng)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)，其特征在于，所述微波系統(tǒng)中的微帶天線采用聚四氟乙烯雙面覆銅板，包括底層銅箔板、聚四氟乙烯板、上層銅箔板，底層銅箔板經(jīng)腐蝕形成一個用于微波信號的傳輸與接收的圓環(huán)區(qū)域，在圓環(huán)區(qū)域的內(nèi)圓環(huán)部分的聚四氟乙烯板和上層銅箔板開設(shè)透光孔，在圓環(huán)的邊緣延伸一條長3.8-6.5mm,寬0.9-1.8mm的銅帶作為同軸饋線的連接線,聚四氟乙烯雙面覆銅板在該連接線末端設(shè)有一通孔，同軸饋線通過此通孔與連接線直接焊接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)，其特征在于，所述聚四氟乙烯雙面覆銅板的尺寸為長20-25mm，寬15-20mm，高2-6mm，雙面分別是厚度為0.0l?0.1mm的覆銅面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖激光系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖式的紅外激光，穿過微波系統(tǒng)中微帶天線的中間開孔垂直照射在樣品臺上的被測樣品表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)，其特征在于，所述X軸運動機(jī)構(gòu)、Y軸運動機(jī)構(gòu)、Z軸運動機(jī)構(gòu)均分別包括一臺直流無刷伺服電機(jī)和一個滾珠絲杠導(dǎo)軌，每個直流無刷伺服電機(jī)均分別與運動控制系統(tǒng)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng),其特征在于，所述運動控制系統(tǒng)包括運動控制器和3臺伺服驅(qū)動器，每臺伺服驅(qū)動器分別與一個直流無刷伺服電機(jī)相連，運動控制器與測試控制系統(tǒng)相連，用于根據(jù)測試控制系統(tǒng)的運動指令輸出脈沖數(shù)、方向、速度信息給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器驅(qū)動對應(yīng)直流無刷伺服電機(jī)運動。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng),其特征在于，在每個所述直流無刷伺服電機(jī)處都設(shè)有脈沖編碼器，該脈沖編碼器與運動控制器連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)，其特征在于，所述樣品臺上設(shè)有吸附孔，該吸附孔下方與真空負(fù)壓泵連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)，其特征在于，所述掃描式微波反射法載流子復(fù)合壽命測試系統(tǒng)整體設(shè)置在一個主機(jī)箱內(nèi)，Y軸運動機(jī)構(gòu)設(shè)在主機(jī)箱底板上，Z軸運動機(jī)構(gòu)設(shè)在主機(jī)箱背板上。
【文檔編號】G01N22/00GK204154617SQ201420582020
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】王昕 , 李俊生, 馮小明, 田蕾 申請人:廣州市昆德科技有限公司