半绝缘半导体电阻率气控悬浮式探针电容探头及测试方法与流程

本发明涉及半绝缘半导体材料电学参数测试研究领域，特别涉及一种半绝缘半导体电阻率气控悬浮式探针电容探头及测试方法。

背景技术：

半绝缘半导体是继第一代半导体材料Si后发展起来的第二代半导体材料GaAs、InP和第三代半导体材料，如SiC、GaN等，具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度、抗辐射能力强、介电常数小等特点，适合于制备高温、高频、大功率的电子器件及性能优异的微波、光电器件，具有广泛的应用前景。

对于任何半导体物质的研究，电阻率都是一个非常重要的依据，是研发、生产过程中必须测量的重要的基本电学参数。整块(锭)或整片半导体晶体材料的电阻率分布情况可完整真实地反映材料的质量。

随着半绝缘半导体材料生产技术的不断提高，现在市场上的材料直径正在不断变大，目前6英寸的碳化硅晶片已经商品化。要生产大直径的晶片，对切割技术要求也越来越高，但也不能完全保证切割后的晶片两表面是完全平行的，也就是说晶片的厚度是不完全均匀，在国家标准GB/T 30656-2014中，对半绝缘半导体的几何参数的规定，对于4英寸的半绝缘半导体晶片，所允许的翘曲度已经放宽到不大于45μm，可想而知，当晶片尺寸达到6英寸时，晶片的翘曲度将更大。由于现有半绝缘半导体测试仪所采用的测试探头，测试电极是固定不动的，当进行电阻率测试时，测试电极与样品间的距离极小，一般为30μm到80μm之间，如果晶片厚度不均匀，当在进行多点扫描测量时(参见专利CN2015206620671)，探头中测试电极与晶片间的距离是变化的，这样就会导致测量条件不一致，影响整个测量结果。

因此，需要提供一种可准确测量大直径材料的、测量电极与样品间距离可保持恒定的半绝缘半导体电阻率测试探头。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种半绝缘半导体电阻率气控悬浮式探针电容探头，该探头中测试时电极与样品间距离可保持恒定，测量结果更准确。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述测试探头的测试方法，该方法控制精确，测量结果准确。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种半绝缘半导体电阻率气控悬浮式探针电容探头，包括测试电路、测试电极、外壳，测试电极通过软导线与测试电路相连，在外壳内部的底端设有一实体中轴，在中轴内设有保护气输送通道、电极悬浮通道，所述保护气输送通道一端与外部的保护气供应系统相连，另一端与电极悬浮通道的下部相通，所述电极悬浮通道为竖直通道，贯穿中轴，测试电极置于其中；保护气输送过程中设有压力控制阀门，该阀门与设于探头外的控制电路相连；测试时，在保护气的压力作用下，测试电极可在电极悬浮通道内悬浮一定的高度。

优选的，所述电极悬浮通道上设有两个衬套，一个设置在电极悬浮通道的顶端，另一个设置在氮气输送通道与电极悬浮通道相通处。用于保证测试电极在垂直方向移动。

更进一步的，所述衬套材料为红宝石。其具有尺寸稳定、精度高的优点，材料坚硬耐磨。

优选的，所述保护气供应系统与保护气输送通道之间设有依次密封相连的直通接头、连接短管、90°弯接头，所述直通接头一端设置在外壳外部，通过管道与保护气供应系统相连，90°弯接头的一端与保护气输送通道密封连接。

优选的，所述外壳包括外壳侧壁、外壳基座，以及设置在上下两端的上盖板和下盖板，四者围成一空腔，中轴设置在外壳基座内；在下盖板上对应电极悬浮通道位置也设有垂直通孔以使测试电极伸出；在外壳侧壁上设有可开启的侧安装板。采用这种结构，便于安装和维护。

更进一步的，所述外壳均采用金属材料加工而成，从而可实现良好的电磁屏蔽效果。

优选的，所述测试电极为直径0.8mm～1.5mm的实心铜质圆棒。

优选的，所述保护气可采用氮气，也可采用干燥的压缩空气等。所起的作用有两个，一个是在电极和样品之间形成保护。另一个是用于在空气反作用力作用下使测试电极悬浮。

一种基于上述测试探头的测试方法，步骤是：在测量前，根据当前样品确定测试电极需要悬浮的预定高度；调节压力控制阀门，将一定压力的保护气输送到测试电极和样品之间，使测试电极在压力作用下悬浮在预定高度。本发明可实现测试时测试电极距离样品表面的距离始终保持一致，从而更直观且准确地反映材料的整体性能。

具体的，包括以下步骤：

(1)测试前，根据大量实验建立压力和测试电极悬浮高度之间的关系式，以及确定各种类型样品需要悬浮的预定高度；

查找当前样品得到当前测试电极需要悬浮的预定高度；根据预定高度，代入上述关系式得到压力调整值；

(2)控制测试探头移动到样品其中一个测量点处，控制器调整压力控制阀门，将压力在压力调整值的保护气输送到测试电极和样品之间；待测试电极位置稳定后进行测试；

(3)重复步骤(2)，直到所有测量点完成测试。

优选的，所述步骤(1)中，压力和测试电极悬浮高度之间的关系式通过拟合或插值等方式得到，压力由设置在压力控制阀门后方的压力表测得。

优选的，所述步骤(1)中，确定各种类型样品需要悬浮的预定高度，步骤是：对于每一类，提供一标准样品，测试时，逐步调整电极和标准样品之间的距离，电极采集的信号经过电荷放大器放大后，根据该信号大小确定哪个距离最优。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明测试探头中的测试电极，可在氮气压力反射力的作用下被吹至悬浮状态，调节氮气的压力，可使测试电极悬浮不同的高度，对于具有不同平面度的样品，在测试过程中，测试电极距离样品表面的距离可始终保持一致。从而可实现大直径的半绝缘体半导体材料电阻率测量，直观且准确地反映材料的整体性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中A处的局部放大图。

图3为本发明的气体流动示意图。

图4为本发明的测试电极动作原理图。

图1-4中，1—测试电路、201—外壳侧壁、202—外壳基座、203—上盖板、204—下盖板、205—侧安装板、301—直通接头、302—连接短管、303—90°弯接头、4—中轴、5—氮气输送通道、6—电极悬浮通道、7—测试电极、8—红宝石衬套、9—样品、10—样品台。

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

如图1所示，一种半绝缘半导体电阻率自适应测试探头，包括测试电路、测试电极、外壳，测试电极通过软导线与测试电路相连，在外壳内部的底端设有一实体中轴，在中轴内设有氮气输送通道、电极悬浮通道，所述氮气输送通道一端与外部的氮气供应系统相连，另一端与电极悬浮通道的下部相通，所述电极悬浮通道为竖直通道，贯穿中轴，测试电极置于其中；所述氮气输送过程中设有压力控制阀门，该阀门与设于探头外的控制电路相连；在测试时，在氮气的压力作用下，测试电极可在电极悬浮通道内悬浮一定的高度。

本实施例中，外壳均采用金属材料加工而成，包括外壳侧壁、外壳基座，以及设置在上下两端的上盖板和下盖板，外壳侧壁两端分别与上盖板及外壳基座连接，下盖板与外壳基座的另一端连接，中轴置于外壳基座内，中轴中心开口两端分别嵌入一红宝石衬套，其结构参见图2。在下盖板上对应电极悬浮通道位置也设有垂直通孔以使测试电极伸出；在外壳侧壁上设有可开启的侧安装板。

本实施例中，氮气供应系统与氮气输送通道之间的通道上设有依次密封相连的直通接头、连接短管、90°弯接头，直通接头置于外壳侧面，通过管道与氮气供应系统相连，90°弯接头与中轴上端面的偏心孔通过螺纹连接，与氮气输送通道相通。

本实施例中，测试电极为直径0.8mm～1.5mm的实心铜质圆棒。测试电极一端与测试电路连接，测试电极将采集到的样品表面电荷变化信号传送至测试电路。

一种基于上述测试探头的测试方法，包括以下步骤：

(1)测试前，根据大量实验，通过拟合或插值等方式建立压力和测试电极悬浮高度之间的关系式。

同时，确定各种类型样品需要悬浮的预定高度，其通过下述步骤得到：对于每一类，提供一标准样品，测试时，逐步调整电极和标准样品之间的距离，电极采集的信号经过电荷放大器放大后，根据该信号大小确定哪个距离最优。

查找当前样品得到当前测试电极需要悬浮的预定高度；根据预定高度，代入上述关系式得到压力调整值。

(2)控制测试探头移动到样品其中一个测量点处，控制器调整压力控制阀门，将压力在压力调整值的保护气输送到测试电极和样品之间；待测试电极位置稳定后进行测试；

(3)重复步骤(2)，直到所有测量点完成测试。

如图3、4所示，由于样片厚度分布不匀，当电极底端离样片表面较近时，气流通道变窄，向上托举探针的压力加大，电极上升；当电极底端离样片表面较远时，气流通道变宽，对探针底端的压力减小，电极下降。

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。