基于ELVIS的薄層電阻測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉寶棟1　劉新?！蛆i飛　莎桐桐

[摘 要] 在分析薄層電阻測(cè)試方法及原理基礎(chǔ)上，利用NI LabVIEW軟件及NI ELVIS硬件完成改進(jìn)的范德堡法的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。硬件電路的數(shù)據(jù)采集由NI ELVIS完成，軟件部分以數(shù)據(jù)處理模塊為核心，經(jīng)數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行顯示，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取。最后，通過樣品測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的合理性。

[關(guān)鍵詞] ELVIS；LabVIEW；微區(qū)薄層電阻；改進(jìn)范德堡法

中圖分類號(hào)：TN3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5200（2017）05-026-03

DOI：10.11876/mimt201705011

0 引言

微電子技術(shù)發(fā)展的主要途徑是通過不斷縮小器件尺寸和增加芯片面積，以此提高集成度和信息處理速度[1]。電子芯片的電路尺寸越來(lái)越小，集成化水平越來(lái)越高，半導(dǎo)體基片電阻率的均勻性作為影響半導(dǎo)體性能的重要指標(biāo)越來(lái)越受到關(guān)注。因此，對(duì)微區(qū)薄層電阻的測(cè)試顯得格外重要[2]。以往的薄層電阻測(cè)試操作工序繁瑣，測(cè)量結(jié)果也不夠精確。虛擬儀器的應(yīng)用將測(cè)量技術(shù)帶到了一個(gè)新的層面[3]，利用LabVIEW圖形化特點(diǎn)，使測(cè)量更為便捷、準(zhǔn)確。本文利用ELVIS硬件和LabVIEW軟件改進(jìn)了范德堡法薄層電阻測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 測(cè)試原理分析

Wynands和 Hyun等在解決硅片電阻率測(cè)量中修正的相關(guān)問題方面已開展了一定的研究工作[4-5]，其測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)能夠得到整個(gè)半導(dǎo)體硅片的電阻分布。上海測(cè)試技術(shù)研究所和中科院的微電子中心等都已經(jīng)對(duì)薄層電阻的測(cè)量進(jìn)行了深入研究[6]。在已經(jīng)研究出來(lái)的這些方法中，每一種方法都有其不同的適用范圍和測(cè)試條件[7]，具體情況如表1所示。

改進(jìn)范德堡法需要用4根傾斜探針，不要求4根探針在同一條直線上，但要求金屬探針的直徑足夠大來(lái)保證剛度的需要，同時(shí)也要求使探針針尖在樣片的微區(qū)4個(gè)角區(qū)邊界一定的范圍之中。與以往的測(cè)量方法相比，該方法探針的游移和邊緣效應(yīng)不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果[8-10]，操作簡(jiǎn)便、快捷、可行，該方法適合于微區(qū)薄層電阻的測(cè)量。

改進(jìn)的范德堡法的測(cè)量公式如下：

式中 —范德堡修正函數(shù)；

I—測(cè)試電流；

—第n次測(cè)量所得的電壓。

2 總體方案設(shè)計(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)主要由硬件電路和軟件編程兩部分組成。

2.1 基于NI ELVIS的測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù)改進(jìn)的范德堡法，該測(cè)試系統(tǒng)硬件包括恒流源電路、多路模擬通道、電壓放大電路、NI ELVIS以及計(jì)算機(jī)五大部分。

恒流源電路選用級(jí)聯(lián)型電流源，該電流源是由兩個(gè)基本鏡像電流源電路級(jí)聯(lián)而成，該電流源的大小受到外接電阻的影響，通過改變其內(nèi)部的阻值可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電流的大小，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

模擬通道是四路模擬通道，分別接四個(gè)探針。測(cè)量過程中，四根探針需要輪換作為電流探針和電壓測(cè)量探針，比如，在第一次測(cè)量時(shí)，將探針A和探針B作為電流探針，測(cè)量探針C和探針D之間的電壓，第二次測(cè)量時(shí)，將探針B和探針C作為電流探針，測(cè)量探針A和探針D之間的電壓，以此類推，完成四次輪換。因此，需要在電路中選用3片四選二多路模擬開關(guān)CD4052設(shè)計(jì)成模擬通道。為了滿足電流、電壓的輪換，設(shè)計(jì)電路如圖1所示。在圖1中，JP1是電流換向開關(guān)，JP2是選擇電流探針的開關(guān)，JP3是選擇電壓探針的開關(guān)。

由于從模擬通道輸出的電壓非常小，信號(hào)微弱，直接送入NI ELVIS后顯示出來(lái)的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，容易被電路中的噪聲淹沒，需要電壓放大電路放大輸出的電壓，減小系統(tǒng)誤差。該電路采用了反相放大電路，由一個(gè)集成運(yùn)算放大器OP07實(shí)現(xiàn)電壓放大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，閉環(huán)增益可手動(dòng)調(diào)節(jié)。

硬件電路的數(shù)據(jù)采集利用NI公司的ELVIS平臺(tái)，可以與LabVIEW軟件較為簡(jiǎn)單的連接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。NI ELVIS能夠發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)的靈活性和自定義功能。同時(shí)，它還結(jié)合了NI Multisim采集及仿真環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)NI ELVIS板載電路的測(cè)量及仿真。利用NI ELVIS可以在統(tǒng)一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多用戶多應(yīng)用的操作，降低儀器成本。該套件包括硬件和軟件兩部分。硬件部分核心是數(shù)據(jù)采集卡，由面包板和ELVIS工作臺(tái)組成，在面包板上可以隨時(shí)搭建電路，方便省時(shí)，通過數(shù)據(jù)采集卡將所測(cè)的各個(gè)物理量送入計(jì)算機(jī)。軟件部分集成了多種通用電路電子測(cè)試的虛擬儀器，功能強(qiáng)大，使用靈活[12-13]。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)存取模塊， 數(shù)據(jù)讀取模塊組成。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，然后對(duì)物理通道、樣品厚度等進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后開始采集數(shù)據(jù)，判斷一次數(shù)據(jù)是否采集結(jié)束，結(jié)束則進(jìn)行通道切換，沒結(jié)束則等待。待所有數(shù)據(jù)采集完畢后，在LabVIEW中進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算與處理后顯示。將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后還可以實(shí)時(shí)讀取出來(lái)。

如圖2所示，系統(tǒng)主界面分為四部分：參數(shù)設(shè)置區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)、波形顯示區(qū)以及主控制區(qū)。

在參數(shù)設(shè)置區(qū)需要對(duì)測(cè)量的電壓、電流的物理通道、任務(wù)輸入等進(jìn)行一系列設(shè)置，物理通道的選擇需要根據(jù)ELVIS工作臺(tái)上的插線來(lái)判斷。數(shù)據(jù)顯示區(qū)不僅顯示每次測(cè)量的電壓值，同時(shí)也顯示根據(jù)范德堡法計(jì)算出的電阻及電阻率的大小，經(jīng)讀取的數(shù)據(jù)也在此顯示。波形顯示區(qū)顯示的是每次采集到的電壓和每次計(jì)算出的電阻的變化。主控制是該界面中最重要的部分，它包括切換按鈕、保存按鈕、讀取按鈕以及停止按鈕。切換按鈕控制模擬通道的切換，停止按鈕控制整個(gè)程序的運(yùn)行停止?fàn)顟B(tài)。

3 測(cè)試結(jié)果及誤差分析

實(shí)驗(yàn)選用四寸的薄圓片型硅片，厚度0.5mm，直徑100mm。已知其阻值330～350Ω。為了得到整片硅片的電阻分布，實(shí)驗(yàn)時(shí)，將硅片分為57個(gè)小區(qū)域，對(duì)每一個(gè)小區(qū)域進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，因硅片邊緣存在嚴(yán)重的邊緣效應(yīng)，故將邊緣4mm左右的部分忽略。endprint