книги из ГПНТБ / Видершайн, М. Н. Производственный контроль параметров элементов цифровой автоматики

Устройство для автоматизации измерений параметров полупро­ водниковых схем, в частности для измерения параметров транзи­ сторов, описано в работе [39]. Основным требованием, предъяв­ ляемым при испытании полупроводниковых приборов, является обеспечение необходимых стабильных условий среды, при которых обеспечивается воспроизводимость результатов отдельных испы­ таний. Особенно большое значение это имеет в отношении стабиль­ ности температуры вследствие резкой зависимости параметров полупроводниковых приборов от температурных условий. Любая автоматическая испытательная система должна быть построена по модульному принципу, при котором обеспечивается возмож­ ность измерения большого количества различных параметров, вне зависимости от их вида путем применения ряда стандартных бло­ ков. Необходимые, в зависимости от вида параметров, преобразо­ вания должны производиться во входных устройствах, приводящих аналоговый сигнал к виду, удобному для его дальнейшей обра­ ботки.

Во всех случаях для обеспечения автоматической обработки результатов испытаний в измерительные устройства должны вво­ диться данные, характеризующие:

1) тип и номер партии приборов;

2 ) браковочные значения параметров, сравнение с которыми должно производиться в процессе оценки результатов изме­ рения;

3) параметры окружающих условий, и в частности, темпера­ туру.

Испытательную систему можно разделить на три части:

а) испытываемые схемы, их держатели, а также устройства, создающие контролируемые окружающие условия, в частности термостаты, камеры холода и т. д.;

б) коммутирующая аппаратура и схемы испытания параметров (устройства для выборки испытуемых приборов, необходимых испы­ тательных схем и измерения параметров);

в) управляющая логика, аналого-цифровой преобразователь, выходные устройства, вспомогательная логика, включающая в себя устройства для ручного ввода данных и считывания информации с ленты.

Ввиду зависимости результатов измерений полупроводниковых схем от температуры, необходимо обеспечить контроль темпера­ туры или вводить необходимые поправки. Для достижения равно­ весия в температуре всех испытуемых приборов, они прикреп­ ляются к металлической плате, которая затем помещается в термо­ стат.

Используя такое устройство, можно обеспечить регулирование окружающих условий в диапазоне 5— 175° С при точности, в 1° С. Однако при наличии мощных транзисторов, рассеивающих тепло, градиент температуры вдоль монтажной платы может быть не­ сколько превышен.

160

Для обеспечения необходимой коммутации используют электро­ механические устройства, в частности шаговые переключатели— реле. При этом обеспечивается синхронная работа двух коммута­ торов, производящих переключения испытуемых приборов и от­ дельных измеряемых параметров схем в заданной последователь­ ности.

Описываемое устройство производит одновременное испытание 1 0 0 транзисторов с измерением до 1 0 параметров в каждом из них. Параметры могут измеряться как на постоянном токе, так и в им­ пульсном режиме. При испытании транзисторов образуются че­ тыре схемы для измерений следующих основных параметров: гра­ ничной частоты, коэффициента усиления, напряжения пробоя, из­ мерения тока в различных режимах работы транзистора. Прибо­ ром обеспечивается измерение тока до величины 10” 9 А с точ­ ностью, зависящей от приложенного напряжения и ограничивае­ мой сопротивлением утечки.

Вимпульсном режиме диапазон измеряемых токов находится

впределах от 10“ 2 до 10“ 8 А.

Создание элементов цифровой автоматики на базе тонкопленоч­ ной и полупроводниковой технологии вызывает необходимость проведения в процессе производства специфичных видов испы­ таний. К ним относятся измерения физических параметров пле­ ночных структур, определяющих характеристики отдельных ми­ кросхем.

Измерение удельного сопротивления кремния и германия не­ обходимо в процессе производства интегральных полупроводнико­ вых микросхем. При этом прибор, который используется в про­ цессе проектирования и производства, должен обеспечивать бы­ строе измерение удельного сопротивления. Особенностью измере­ ния удельного сопротивления в производстве интегральных микро­ схем является наличие неправильной формы отдельных кристал­ лов, что в значительной мере снижает возможность применения обычных методов измерения удельных сопротивлений. В работе [47 ] описан прибор, позволяющий измерять удельное сопротивле­ ние кремния в диапазоне значений от 0,003 до 1000 Ом-см. При­ бор построен по схеме с четырехточечным датчиком с зазором 1,59 мм, отсчет показания прибора производится непосредственно в Ом-см.

Общая погрешность приборов достигает ± 6 %. В основном за счет неточности поправки на диаметр и толщину полупроводнико­ вого материала, а также вследствие влияния таких факторов, как температура, неоднородность образца, обработка поверх­ ности и т. д.

На рис. 77 показана блок-схема прибора для измерения удель­ ного сопротивления полупроводника. Четыре щупа датчика 2 располагаются на равном расстоянии друг от друга по прямой линии. С помощью крайних щупов через образец 1 пропускается ток величиной /, внутренние щупы используются для измерения

напряжения V.' Удельное сопротивление образца р определяется из выражения

р = -у 2Я5/7,

где S — расстояние между щупами напряжения; F — коэффициент поправки на форму образца.

В случае, если образец имеет бесконечный диаметр и толщину, то коэффициент поправки на форму образца равен 1. При конеч­ ных значениях толщины и диаметра должны быть введены по­ правочные коэффициенты. Так, при толщине образца менее 0,3 рас­ стояния между щупами и бесконечно большом диаметре поправоч­ ный коэффициент определяется из выражения

где W — толщина образца.

Вслучае, если толщина образца более чем 0,3 расстояния между щупами, а радиус его меньше чем 15S, то вводятся до­ полнительные поправочные коэффициенты на форму образца.

Вобщем случае напряжение Vm на выходе прибора опреде­ ляется выражением

/Ссцоц

Vm= pl 2 nS ’

Так как для данного образца все величины, кроме р, являются известными и постоянными, то величина напряжения на выходе

162

прибора Vmпрямо пропорциональна удельному сопротивлению и показания прибора могут быть отградуированы непосредственно в значениях Ом-см.

Значения коэффициентов поправки на толщину и диаметр опре­ деляют опытным путем по показаниям прибора при известных зна­ чениях удельного сопротивления образцов и различных величи­ нах толщины и диаметра. По полученным результатам строятся графики поправочных коэффициентов отдельно в зависимости от толщины образца и отдельно в зависимости от диаметра. Если образец имеет не круглую форму, то для определения поправочных коэффициентов можно использовать среднее значение диаметров вписанной и описанной окружностей.

Прибор (см. рис. 77) работает следующим образом. Через обра­ зец протекает ток, поступающий от регулируемого источника тока 3. Величина тока задается переключением диапазонов пере­ ключателем 4. Напряжение, возникающее между внутренними щупами датчика 2, подается на вход усилителя У 2 и усиливается им. В случае, если удельное сопротивление материала меньше чем 1 Ом •см, то в качестве усилителя У х используют операцион­ ный усилитель с модуляцией сигнала; если удельное сопротивле­ ние материала больше чем 1 Ом-см, то применяют обычный опе­ рационный усилитель с большим входным сопротивлением. Пере­ ключатель рода работы 5 регулирует коэффициент усиления уси­ лителя У 2. Показания прибора градуируются в Ом-см или в омах на единицу площади. Размерность показания определяется поло­ жением переключателя рода работы 5.

Потенциометрическим блоком 6 вводится поправка на толщину образца в показание прибора. На этом блоке устанавливается дей­ ствительная толщина образца, которая предварительно изме­ ряется, и соответствующая поправка автоматически вводится в по­ казание прибора. Поправка на диаметр вводится аналогично с по­ мощью потенциометрического блока 7,

Операционный усилитель У3 с постоянным коэффициентом усиления включается между блоком 6 поправки на толщины и блоком 7 поправки на диаметр образца. Индикатор, в качестве которого используется вольтметр постоянного тока с пределом измерения 0— 10 В, входным сопротивлением 500 Ом/В и допусти­ мой погрешностью 1 %, имеет шесть диапазонов измерения от

0,01 до 1000 Ом-см.

Блоки поправки на толщину и диаметр образца — это потен­ циометры, с помощью которых производится линейно-кусочная аппроксимация кривых поправок в показания прибора в зависи­ мости от действительной его толщины и диаметра.

Расчет поправки на толщину и диаметр образца производится из предположения, что датчик устанавливается в центре образца круглой формы. Если измеряют неравномерность удельного со­ противления по поверхности образца, то дополнительно вводят поправку на эксцентриситет с помощью блока 8.

При производстве измерений образец необходимо устанавли­ вать на массивной медной плите, покрытой тонким слоем слюды, которая используется как теплоотвод. При этом принимается, что температура образца устанавливается равной температуре тепло­ отвода.

В процессе производства тонкопленочных микросхем должны производиться следующие измерения: удельного сопротивления Пленочных материалов, спектрального состава э. д. с. шума ре­ зистивных пленок, температурной зависимости удельного сопро­ тивления металлических пленок, остаточной поляризации пленоч­ ных конденсаторов, диффузии в двухслойных пленках и внутрен­ них напряжений, возникающих в тонких пленках.

Помимо указанных выше, должны производиться измерения для определения физических свойств пленок и для технологиче­ ских измерений, при которых измеряется давление и состав оста­ точных газов, скорости напыления и толщина пленок, темпера­ тура и т. д.

Для быстрого определения удельного сопротивления тонко­ пленочных схем наиболее приемлем бесконтактный метод, описан­ ный в работе [2 ].

Удельное сопротивление пленочных материалов, а также его распределение по поверхности образца можно определить по из­ менению добротности контура путем внесения в контурный кон­ денсатор измеряемой пленки. Контурный конденсатор образуется путем напыления на диэлектрическую подложку двух пленочных электродов, расстояние между которыми d значительно больше толщины пленки h. Измеряемая полупроводниковая пленка на­ кладывается на электроды датчика, причем для предотвращения непосредственного контакта пленки с датчиком применяется про­ кладка из слюды толщиной 20—50 мкм.

Конденсатор включается в колебательный контур и при этом электромагнитное поле высокой частоты вызывает в пленке токи проводимости и смещения, обусловливающие потерю энергии.

Для определения удельного сопротивления пленки необходимо оценить величину сопротивления R u эквивалентного активным потерям в контуре. Сопротивление R x определяется по разности тангенсов угла потерь измерительного конденсатора при наличии и отсутствии пленки.

Определяязависимость добротности контура от величины со­ противления потерь R lt можно построить кривую Q = f (Ri) и, далее, по известному значению Rx определить удельное сопротив­ ление пленки по формуле ^

P = ~d^T‘

Точность измерения при использовании указанного метода около 30%; диапазон измеряемых величин сопротивлений нахо­ дится в пределах 1,5 ^ p/t 104, где h выражено в микронах, а р — в омах на сантиметр.

164

2. Применение методов инфракрасной техники и электронной микроскопии

Методы испытаний без разрушения с помощью инфракрасных лу­ чей при проектировании и производстве электронных приборов находят в последнее время все большее применение. Такие испы­ тания являются часто единственным способом прогнозирования потенциальных отказов в годных изделиях. Этот метод находит широкое применение при проверке интегральных схем, так как обычными электрическими методами трудно измерить параметры отдельной схемы.

Метод испытания элементов с помощью инфракрасных лучей без разрушения имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами испытаний. Он дает возможность обнаруживать отдель­ ные компоненты с большими температурными градиентами и кон­ тролировать их качество по отклонениям от нормального тепло­ вого режима.

С помощью этого метода обеспечивается установление опре­ деленных критериев проектирования. Так как правильное функ­ ционирование и надежность зависят от оптимального распределе­ ния тепла в данной схеме, то с помощью инфракрасных лучей можно обнаруживать «перегретые места» и высокие температур­ ные градиенты.

В дальнейшем предполагается использование этого метода для определения критерия надежности с помощью температурных из­ мерений и точного прогнозирования работы компонентов при до­ статочном времени их проверки или при испытании большого количества образцов.

Применение инфракрасных лучей для контроля качества элек­ тронных элементов имеет и ряд других достоинств, в частности:

электрические повреждения в устройствах могут быть быстро определены в процессе работы;

компоненты не разрушаются во время испытаний, так как нет физического контакта с ними, что особенно важно для интеграль­ ных схем;

измерения можно неоднократно повторять; высокая степень точности сравнима с точностью обычных ме­

тодов измерения температуры с помощью термопары или термо­ метров.

Метод проверки микроэлектронных компонентов с помощью инфракрасных лучей относительно новый. В США создано спе­ циальное тестовое оборудование для обнаружения и измерения инфракрасного излучения ряда электронных элементов.

В работе [45 ] описан метод оценки новых электронных блоков с помощью инфракрасной термографии. Лабораторный образец блока сканируется растром, имеющим достаточное количество строк. Уровни радиации, полученные от каждого компонента блока, затем переводятся в температурные уровни.

Для каждого компонента строится график. Уровень инфра­ красной радиации прямо пропорционален рассеиваемой мощности (например, сопротивления) и зависит от его физического размера. Величина постоянного тока имеет второстепенное значение. Этот факт упрощает работу по составлению графиков, так как для це­ лого ряда сопротивлений можно построить одну кривую.

Для оценки качества проектирования с помощью инфракрасных лучей сравниваются высчитанный и фактический тепловые уровни для каждого компонента схемы и определяется максимальный тепловой уровень.

Превышение максимального уровня тепла может вызываться электрической перегрузкой, и тогда необходима корректировка схемы для устранения перегрузки отдельных компонентов. Такая диаграмма позволяет выявлять любую часть схемы, где электри­ ческие и тепловые режимы выше нормы.

Инфракрасные микроскопы позволяют проверять интегральные микроэлектронные схемы площадью 1— 2 мм2. Их разрешающая способность достигает 1 0 мкм, тепловая чувствительность — до 0,5° С при развертке до 100 строк в 1 с.

Большие возможности для испытания различных полупровод­ никовых элементов, в том числе интегральных схем, возникают при использовании сканирующих электронных микроскопов. На их основе мог-ут быть созданы установки промышленного контроля для обнаружения микродефектов в полупроводниковых приборах. Такие установки должны обеспечивать измерения электрических параметров приборов с необходимой степенью точности с прове­ дением испытаний при влиянии различных дестабилизирующих факторов: холода, тепла, влаги, механических воздействий и т. п.

Основной частью таких установок должны явиться сканирую-\ щие электронные микроскопы.

Вработе [36 ] описаны сканирующие зеркальные электронные микроскопы (ЗЭМ), используемые для исследования интегральных микросхем.

Вэлектронном зеркальном микроскопе формирующие изобра­ жение электроны отражаются не от самого образца, а от эквипо­ тенциальной поверхности, которая расположена в непосредствен­ ной близости над образцом. Плоская эквипотенциальная поверх­ ность дает однородную яркость на экране. Любые возмущения

эквипотенциальной поверхности за счет потенциальных полей в образце, топографических вариаций на поверхности или за счет магнитных эффектов приводят к перераспределению тока в отра­ женном пучке и к вариациям интенсивности свечения экрана.

Зеркальный электронный микроскоп во многом подобен обыч­ ному электронному микроскопу. В одном из типов микроскопов магнитное поле, перпендикулярное к плоскости чертежа, откло­ няет пучок электронов, направляя его по криволинейной траек­ тории от катода и магнитной линзы в сторону электронного заряда, потенциал которого поддерживается на уровне, несколько более

166

отрицательном по отношению к катоду. Отраженный пучок элек­ тронов искривляется тем же самым магнитным полем и попадает на зрительный экран.

Вдругом микроскопе применена система цилиндрических элек­ тродов, расположенных перед зеркальным электродом. Благодаря локальной вариации потенциала цилиндрических электродов те места отраженного электронного изображения, которые имели положительный потенциал, оказываются светлыми, а места с от­ рицательным потенциалом — темными.

Вработе [48 ] описываются некоторые установки с применением сканирующих электронных микроскопов, позволяющие произ­

водить необходимые испытания полупроводниковых приборов. Сканирующий электронный микроскоп с оптическим микро­

скопом позволяет определять поверхностный рельеф материалов и измерять поверхностные потенциалы; обеспечивает регистрацию дефектов связи и структуры, микроканалов в толще полупровод­ ника (проколов), фиксирует появление окисных пленок и наруше­ ние геометрии элементов прибора. Высокая разрешающая спо­ собность установки, составляющая около 2 0 0 А, делает ее эффек­ тивным средством для изучения поверхностных явлений. Загряз­ нение исследуемого материала не оказывает существенных влия­ ний на конечные результаты в данной области исследований. В ряде случаев определение поверхностных потенциалов в иссле­ дуемом приборе затруднено из-за влияния выводов и изолирующих элементов.

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), предназначенный для исследования характеристик полупроводниковых переходов, позволяет определять нежелательные инверсные или обедненные слои в полупроводнике, поверхностные каналы и проколы, обес­ печивает регистрацию изменения типа проводимости в окисных пленках. В установке имеется относительно сложная вспомога­ тельная аппаратура, обеспечивающая нагревание, охлаждение и ультрафиолетовое облучение испытываемых образцов, параллелную регистрацию макроскопических вольтамперных характери­ стик, а также диаграмм типа «проводимость — напряжение».

3. Измерение параметров источников питания

Источники питания составляют одну из важнейших частей любой радиоэлектронной аппаратуры, и в частности, устройств цифровой автоматики. Их удельный вес в общем объеме аппаратуры может доходить до 50%. От качества и надежности источников питания в значительной мере зависит работа всей системы цифровой авто­ матики. Для обеспечения безотказной работы устройств источ­ ники питания, как правило, выполняют в виде стабилизирован­ ных устройств, обеспечивающих неизменность выходного напря­ жения или тока при изменении величины питающего напряжения, нагрузки, температуры и других дестабилизирующих факторов.

167

Особенностью стабилизированных источников питания, применяе­ мых в устройствах цифровой автоматики, является необходимость обеспечения стабилизации в условиях наличия импульсной на­ грузки, которыми характеризуются эти устройства.

Измерение параметров стабилизированных источников пита­ ния в соответствии с требованиями технических условий на них является довольно сложной задачей. При этом необходимо учи­ тывать, что необходимо измерять изменение напряжений, равные единицам милливольт при выходном сопротивлении порядка долей миллиом. При испытаниях стабилизированных источников напря­ жения [35] измеряются следующие основные параметры: неста­ бильности выходного напряжения, вызванные изменениями пи­ тающего напряжения, нагрузки, температуры и другими деста­ билизирующими факторами; время восстановления при переход­

ном процессе; пиковое значение пульсаций и шумов; величина дрейфа.

Схема для испытаний источников напряжения приведена на рис. 78. Для уменьшения погрешности измерения необходимо обеспечить возможно минимальное падение напряжения на участке между выходными зажимами источника и местом измерения пара­ метра, а также ток, потребляемый измерительной аппаратурой. Заземление схемы должно осуществляться в одном месте, у клеммы осциллографа «Земля».

Ключ К\ служит для подключения нагрузки; конденсатор Сг и сопротивление R x образуют искрогасящий контур. Для подклю­ чения нагрузки целесообразно использовать реле с двумя парами контактов, при этом с помощью второй пары контактов возможен запуск развертки осциллографа.

Для повышения точности измерений отклонений выходного напряжения под воздействием дестабилизирующих факторов в схеме рис. 78 использован компенсационный метод. Маломощ­ ный регулируемый источник постоянного напряжения 8 вклю­ чается встречно испытуемому. Его напряжение первоначально устанавливается равным напряжению испытуемого источника. Коэффициент пульсации источника 8 должен быть меньше, чем у источника 3. Таким образом, милливольтметр 5 будет показы­ вать только отклонение выходного напряжения испытуемого источ­ ника от первоначального значения под воздействием различных дестабилизирующих факторов. Для измерения отклонений вы­ ходного напряжения возможно использование дифференциальных цифровых вольтметров, которые показывают степень отклонения параметра от первоначально установленной величины.

Методика измерения параметров источника питания состоит в следующем. Испытуемый источник напряжения включают в сеть. С помощью автотрансформатора устанавливается номинальное зна­ чение входного переменного напряжения, подаваемого на источ­ ник питания. Если источник питания имеет регулятор выходного напряжения, то он устанавливается максимальным, величина на-

168

J

©

Рис. 78. Установка для испытаний источников напряжения:

руемый опорный источник постоянного напряжения

грузки также устанавливается на максимальное значение (RHми­ нимально), в соответствии с техническими условиями на источник питания. Далее стабилизированный источник питания отклю­ чается от питающей сети и проверяется отсутствие наводок путем наблюдения за сигналом в выходных проводах на экране осцил­ лографа. В случае, если наводки имеют место, они должны быть устранены путем соответствующего расположения проводов или их экранировки. Далее источник снова подключают к питающей сети и прогревают до установления температурного режима. Уста­ новку величины сопротивления нагрузки RH корректируют до получения максимально-допустимого значения (при установлен­ ном напряжении) нагрузочного тока. Затем производят регули­ ровку выходного напряжения компенсационного источника на­ пряжения 8 до получения нулевого показания на милливольт­ метре 5, что свидетельствует о равенстве выходных напряжений испытуемого и компенсационного источников.

Измерение нестабильности источника напряжения, вызванное изменением питающего напряжения, производится в следующей последовательности. Питающее напряжение изменяют на вели­ чину, указанную в технических условиях (например, на ± 1 0 % от

169