устройство автоматизированного прецизионного мониторинга удельного сопротивления

Формула изобретения

Устройство автоматизированного прецизионного мониторинга удельного сопротивления, содержащее источник стабильного тока, матричную зондовую головку, зонды в которой расположены не на одной линии, отличающееся тем, что введены программируемый коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, блок цифроаналогового преобразования, блок шаговых приводов, фиксатор прижима зондов, фиксатор начала координат, блок управления, первый выход которого соединен с последовательно соединенными формирователем массива результатов измерений, блоком вычисления значений удельного сопротивления и его анизотропии, формирователем результатов мониторинга, блоком хранения информации и блоком отображения результатов, выход источника тока соединен с четвертым входом программируемого коммутатора, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами зондовой головки, первый и второй входы которой соединены с первым и вторым выходами программируемого коммутатора, третий выход и первый вход которого соединены соответственно с входом аналого-цифрового преобразователя и первым выходом блока цифроаналогового преобразования, второй выход и вход которого соединены соответственно с входом источника стабильного тока и вторым выходом блока управления, третий выход, третий, первый и второй входы которого соединены соответственно с входом блока шаговых приводов, выходами аналого-цифрового преобразования, фиксатора начала координат и фиксатора прижима зондов, вход которого соединен с первым выходом блока шаговых приводов, второй и третий выходы которого соединены соответственно с третьим входом зондовой головки и входом фиксатора начала координат, причем источник стабильного тока выполнен программируемым, а количество зондов в зондовой головке больше четырех.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению удельного сопротивления слоев (образцов) зондовым методом.

Известны четырехзондовые устройства мониторинга (с расположением зондов по прямой линии) [1]

Недостатками указанных аналогов является малая точность и низкая информативность измерений (за одно касание зондовой головки исследуемого образца) из-за отсутствия возможности получения характеристик вне прямой линии, соединяющей зонды.

Известно также четырехзондовое устройство, повышающее в 2 раза точность мониторинга удельного сопротивления, это достигается за счет того, что в нем используется зондовая головка, зонды в которой расположены в вершинах квадрата, и измерения выполняются при пропускании тока последовательно через каждую пару соседних зондов (с изменением полярности) [2]

Недостатками прототипа являются недостаточная точность мониторинга за счет наличия систематических ошибок межзондовых расстояний (координат зондов), недостаточная информативность за счет применения максимум шести независимых комбинаций использования токовых и потенциальных зондов, малое разрешение как из-за конструкции зондовой головки (практическая невозможность провести различие между локальной и протяженной неоднородностью удельного сопротивления), так и из-за невозможности выставления самой головки с точностью, превышающей 300.500 микрон, а также большое время обследования всего образца.

Решаемой технической задачей изобретения является повышение точности, информативности, разрешения, увеличение и автоматический выбор диапазона измеряемых величин, а также автоматизация процесса (трехмерного) мониторинга.

На чертеже приведена блок-схема устройства автоматизированного прецизионного мониторинга удельного сопротивления.

Устройство содержит программируемый источник стабильного тока 1, программируемый коммутатор 2, матричную зондовую головку 3, аналого-цифровой преобразователь 4, блок цифроаналогового преобразования 5, блок управления 6, формирователь массива результатов измерений 7, блок вычисления массивов значений удельного сопротивления и его анизотропии 8, формирователя результатов (трехмерного) мониторинга (двумерных распределений удельного сопротивления и его анизотропии, и результатов сканирования вглубь объекта) 9, блока хранения информации (базы данных) 10, блока отображения результатов (дисплея и/или принтера) 11, блока шаговых приводов 12, фиксатора начала координат 13, фиксатора прижима зондов 14. Источник тока 1 последовательно соединен с коммутатором 2 зондов матричной головки 3, зонды в которой расположены на определенном расстоянии друг от друга, зависящем от толщины образца и решаемой задачи (мониторинга удельного сопротивления или бруска, или эпитаксиального слоя, или диффузионного слоя, или образца с разной чистотой напыления), аналого-цифровым преобразователем 4, блоком управления 6, формирователем 7, блоком 8, формирователем 9, блоком хранения информации 10 и блоком отображения информации 11. Блок 6 соединен через блок 5 с источником тока 1 и коммутатором 2. Матричная зондовая головка 3 подключена к блоку шаговых приводов 12, с помощью которого она управляется в трехмерном пространстве. Блок 12 соединяется также с блоками 13 и 14. В свою очередь блоки 12, 13 и 14 присоединены к блоку управления 6.

Устройство работает следующим образом.

I. Матричная зондовая головка 3 (в поднятом состоянии) выводится из начала координат с помощью блока шаговых приводов 12 (управляемого в свою очередь блоком 6) и останавливается над заданным участком образца.

II. Блок 6 вырабатывает управляющий сигнал блоку шаговых приводов 12, который опускает матричную зондовую головку 3 до тех пор, пока блок фиксации (нормировки) прижима 14 не выдаст сигнал в блок 6. После чего блок 6 вырабатывает команду останова блоку 12.

III. Блок 6 вырабатывает управляющий сигнал, который через блок цифроаналогового преобразования 5 передается на программируемый коммутатор 2, который подключает источник тока 1 (с низшим значением тока) к токовым зондам ij и одновременно аналого-цифровой преобразователь 4 к паре потенциальных зондов kl (klij; i, j, k, l 1, n; n>4).

IV. Измеряют напряжение U_kl на потенциальных зондах k и l. Результат измерения преобразуют с помощью аналого-цифрового преобразователя 4 в цифровую форму и передают через блок управления 6 в формирователь массива результатов измерений 7.

V. В блоке управления 6 проверяют, что в разрядах аналого-цифрового преобразователя 4 менее двух значащих цифр и значение тока между зондами i и j не заданное максимальное. Если "да", то блок 6 вырабатывает управляющий сигнал, который через блок 5 передается на программируемый источник тока 1, который увеличивает значение постоянного тока между зондами i и j в s (s>1) раз, и переходят к операции III, если "нет" переходят к операции VI. С помощью формирователя массива результатов измерения 7 заполняют соответствующие элементы U_kl и J_ij массива входных данных.

VI. В блоке управления 6 проверяют, что не проводилось изменение направления тока между зондами i и j. Если "да", то блок 6 вырабатывает управляющий сигнал, который через блок 6 поступает на коммутатор 2, который меняет порядок подключения источника тока 1 к зондам i и j на обратный, и переходят к операции III, если "нет" переходят к операции VII.

VII. В блоке 6 вырабатываются управляющие сигналы, которые через блок 5 передаются на источник тока 1, в котором устанавливается минимальное значение тока и на коммутатор 2, в котором производится переключение потенциальных зондов (kl) матричной головки 3.

VIII. В блоке управления 6 проверяют, что операции III VII повторены C²_n-2 раз. Если "да", то переходят к операции IX, если "нет" к операции III.

IX. В блоке управления 6 проверяют, что операции III VIII повторены C²_n раз. Если "да", то переходят к операции X, если "нет", то вырабатывают управляющий сигнал и через блок 5 передают его на коммутатор 2, который переключает источник тока 1 на другую пару токовых зондов матричной головки 3, и переходят к операции III.

X. В блоке 8 результаты измерений совместно обрабатывают с учетом направления тока и двумерных систематических ошибок расстояний между зондами (ошибок координат зондов), которые также оцениваются в этом блоке, в блоке 10 формируют результаты (трехмерного) мониторинга (двумерных распределений удельного сопротивления и его анизотропии, и результатов сканирования вглубь объекта), заносят их совместно с координатами исследуемого участка образца в блок хранения 11 и выводят их в блоке отображения результатов (на дисплее и/или принтере) 11.

XI. Блок 6 вырабатывает управляющий сигнал блоку шаговых приводов 12, который поднимает матричную зондовую головку 3.

XII. В блоке управления 6 проверяют, все ли заданные участки образца обследованы. Если "да", то переходят к операции XIII, если "нет" к операции III.

XIII. Блок 6 вырабатывает управляющий сигнал блоку шаговых приводов 12, который начинает продвижение матричной зондовой головки 3 в сторону начала координат до тех пор, пока блок фиксации начала координат 13 не выдаст в блок 6 соответствующий сигнал. После чего блок 6 вырабатывает сигнал останова блоку шаговых приводов 12.

XIV. Оканчивают работу на исследуемом образце.

Использование изобретения может позволить повысить разрешение как за счет предлагаемого изменения конструкции зондовой головки (позволит провести различие между локальной и протяженной неоднородностью), так и за счет улучшения координатной привязки самой головки не менее чем в три раза (с точностью 50.100 микрон), проводить автоматизированный процесс (трехмерного) мониторинга (и за счет этого уменьшить время обследования всего образца), а также увеличить диапазон измеряемых величин не менее чем в 1000 раз за счет расширения (при одновременной автоматизации процесса выбора) диапазона используемых значений тока и увеличить точность измерений не менее чем в 2 раза.