一種用于測試半導(dǎo)體材料高精度溫度可控探頭

李茂隆 袁天浩

摘要：本文著重介紹一種高精度溫度可控測試探頭，該探頭主要用于測試不同溫度下半導(dǎo)體單晶硅材料型號類別，電阻率等主要參數(shù)。與傳統(tǒng)單晶硅原材料測試探頭相比，所述中探頭裝配有新型半導(dǎo)體制冷/制熱片具有更高精度溫控效果，保證測試結(jié)果準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵字：新型半導(dǎo)體制冷/制熱片，高精度溫控

Abstract： This article focuses on a high-precision temperature-controllable test probe， which is mainly used to test the main parameters of semiconductor single crystal silicon material type， resistivity and other parameters at different temperatures. Compared with the traditional single crystal silicon raw material test probe， the middle probe is equipped with a new type of semiconductor refrigeration/heating film， which has a higher precision temperature control effect and ensures the accuracy of test results.

Keywords： New semiconductor refrigeration/heating film， High-precision temperature control

近年來集成電路技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，作為集成電路上游產(chǎn)業(yè)半導(dǎo)體材料也得到了前所未有發(fā)展。質(zhì)量控制是半導(dǎo)體材料生產(chǎn)中重要一個環(huán)節(jié)，它關(guān)系到了下游集成電路器件性能參數(shù)實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體材料質(zhì)控一個重要手段是檢測，檢測需要用到各種類型設(shè)備，高精度可靠探頭作為檢測設(shè)備采集信號來源顯得尤為重要。以下將介紹一種新型檢測半導(dǎo)體單晶硅材料型號類別，電阻率等主要參數(shù)高精度溫度可控探頭。

1、制冷制熱半導(dǎo)體原理介紹

半導(dǎo)體制冷制熱技術(shù)是上世紀(jì)50年代才發(fā)展起來的一門介于制冷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)邊緣的學(xué)科。他的主要理論基礎(chǔ)由以下三分部組成：

1.1、賽貝爾效應(yīng)

2、制冷制熱探頭裝置結(jié)構(gòu)介紹

制冷制熱探頭裝置結(jié)構(gòu)如下圖1所示，該探頭裝置結(jié)構(gòu)由電子型（N型）半導(dǎo)體材料，空穴型（P型）材料，絕緣陶瓷板和金屬導(dǎo)體組成。金屬導(dǎo)體負(fù)責(zé)將交錯排列的不同型號半導(dǎo)體材料連接起來，探頭上安裝有溫度傳感器，方便實(shí)時進(jìn)行溫度監(jiān)控。半導(dǎo)體材料參數(shù)測試探針內(nèi)嵌在絕緣陶瓷板上，測試時通過彈簧壓力和樣品良好接觸，另一端作為測試數(shù)據(jù)輸入端連接控制器。

N型半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性是由電子移動引起，P型半導(dǎo)體材料導(dǎo)電主要是靠空穴轉(zhuǎn)移。電子和空穴被稱為多數(shù)載流子。當(dāng)在外加電場作用多數(shù)載流子從半導(dǎo)體材料逃逸到金屬導(dǎo)體處，即從高勢能進(jìn)入低勢能，會釋放能量在接觸點(diǎn)處形成熱端。相反如果載流子從金屬導(dǎo)體進(jìn)入半導(dǎo)體材料中，就會在接電處吸收能量形成冷端。為了方便有效進(jìn)行溫度控制，該裝置的供電極性可控。

3、制冷制熱裝置探頭電極及驅(qū)動電壓控制

根據(jù)半導(dǎo)體制冷和制熱原理可知，裝置冷熱端之間的溫差由流過其中的電流決定，為了能精確控制電流強(qiáng)度，這里提供一個通過控制驅(qū)動電壓占空比方法實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)周期內(nèi)通過半導(dǎo)體裝置平均電流。該裝置驅(qū)動電壓控制回路分為兩個部分。H橋驅(qū)動結(jié)構(gòu)回路和控制器控制回路。

H橋驅(qū)動結(jié)構(gòu)回路如圖2所示，該部分由四個MOS管的H橋電路組成，該電路具體包括：第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，所述第一NMOS管的漏極、第三NMOS管的漏極作為H橋的電源一端，所述第一NMOS管的源極與第二NMOS管的漏極電連接，所述第三NMOS管的源極與第四NMOS管的漏極電連接，所述第二NMOS管的源極、第四NMOS管的源極作為H橋的電源另一端。

控制器控制回路如下圖3所示。該控制回路能夠根據(jù)當(dāng)前樣品的表面溫度調(diào)整加熱/冷半導(dǎo)體工作電壓的極性和占空比，以達(dá)到精準(zhǔn)控制樣品表面工作溫度環(huán)境目的。當(dāng)探頭接觸到樣品表面時，控制器將傳感器反饋樣品溫度和需求樣品環(huán)境溫度對比。指示探頭將要對樣品表面進(jìn)行加熱或者制冷。

3.1、如果樣品表面溫度比需求測試溫度低，則探頭進(jìn)入加熱工作狀態(tài)?？刂破骺刂乞?qū)動電路工作原理如下：

（1）控制器的G1?、G4?口發(fā)出一個低電平驅(qū)動信號，G2?、G3?發(fā)出高電平信號。

（2）驅(qū)動信號經(jīng)過ULN2003芯片取反同時增強(qiáng)驅(qū)動能力后直接驅(qū)動MOS管1和MOS管4開啟，MOS管2和MOS管3保持關(guān)閉狀態(tài)。探頭裝置電流從夾具A端流入，B端流出，探頭處于加熱狀態(tài)。

（3）隨著樣品表面溫度變化，控制器不斷調(diào)整G1?、G4?驅(qū)動信號占空比。如果樣品表面溫度距離需求溫度相距較大，加大占空比。反之則減小驅(qū)動電壓信號占空比。

3.2、如果樣品表面溫度比需求測試溫度高，則探頭進(jìn)入制冷工作模式。控制器控制驅(qū)動電路工作原理如下：

（1）控制器的G1?、G4?口發(fā)出一個高電平驅(qū)動信號，G2?、G3?發(fā)出低電平信號。

（2）驅(qū)動信號經(jīng)過ULN2003芯片取反同時增強(qiáng)驅(qū)動能力后直接驅(qū)動MOS管2和MOS管3開啟，MOS管1和MOS4保持關(guān)閉狀態(tài)。探頭裝置電流從夾具B端流入，A端流出，探頭處于制冷狀態(tài)。

（3）隨著樣品表面溫度變化，控制器不斷調(diào)整G2?、G3?驅(qū)動信號占空比。如果樣品表面溫度距離需要溫度相距較大，加大占空比。反之則減小驅(qū)動電壓信號占空比。

在整個測試過程中探頭上溫度傳感器不斷檢測樣品表面溫度，重復(fù)上述中3.1、3.2步驟。工作流程圖如下所示：

如圖3中所示，R1屬于限流電阻，D1為15V穩(wěn)壓二極管。由于二極管D1兩端電壓恒定為15V，故MOS管1源極電壓為15V。當(dāng)控制器G1?發(fā)出不開啟信號時（輸出高電平信號），高電平經(jīng)過達(dá)林頓管后變?yōu)榱汶娢?，接到MOS管1柵極。柵-源之間電勢差為-15V，MOS管1處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)控制器G1?發(fā)出開啟信號時（輸出低電平信號），低電平經(jīng)過達(dá)林頓管后變?yōu)?4V，接到MOS管1柵極。柵-源之間電勢差為9V（24V-15V=9V），MOS管1處于開啟狀態(tài)。電容C1，C5屬于旁路電容起濾波作用。同理R2，R3，R4屬于限流電阻，D2，D3，D4屬于15V穩(wěn)壓二極管，C2，C3，C4，C6，C7，C8屬于旁路濾波電容。圖中U1為ULN2003達(dá)林頓管，主要作用是信號取反同時增強(qiáng)信號驅(qū)動能力，R9，R10，R11，R12屬于上拉電阻接到24V，起到穩(wěn)定驅(qū)動電壓作用。

3.4、制冷/加熱裝置探頭功率計(jì)算方法

制冷/加熱裝置探頭驅(qū)動電壓如下圖5所示。電壓作用于半導(dǎo)體一個工作周期時由于內(nèi)阻作用會產(chǎn)生焦耳熱量q，裝置中半導(dǎo)體內(nèi)阻為R，通過平均電流為I，占空比為N。

4、該結(jié)構(gòu)探頭主要應(yīng)用價值

目前類似半導(dǎo)體材料單晶硅原材料測試探頭主要是靠普通加熱管和加熱絲進(jìn)行有限局部升溫測試，這種工作模式不但溫控效果難以達(dá)到高精度把控同時還缺少制冷工作狀態(tài)選擇。使用可控制冷制熱結(jié)構(gòu)裝置探頭可以更好滿足高標(biāo)準(zhǔn)測試需要，提高檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性和可靠性，有很好的利用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：

李茂?。?988—），男，廣州市微生物研究所主任工程師，工程師職稱，主要從事電子電器研發(fā)及可靠性研究。

袁天浩（1993—），女，廣州廣電計(jì)量檢測股份有限公司失效分析工程師，工學(xué)碩士，主要從事軍用電子元器件可靠性研究。