基于ELVIS的薄層電阻測試系統設計

劉寶棟1　劉新福　吳鵬飛　莎桐桐

[摘 要] 在分析薄層電阻測試方法及原理基礎上，利用NI LabVIEW軟件及NI ELVIS硬件完成改進的范德堡法的測試系統設計。硬件電路的數據采集由NI ELVIS完成，軟件部分以數據處理模塊為核心，經數據分析后進行顯示，并可實現數據存儲與讀取。最后，通過樣品測試驗證了設計方法的合理性。

[關鍵詞] ELVIS；LabVIEW；微區薄層電阻；改進范德堡法

中圖分類號：TN3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5200（2017）05-026-03

DOI：10.11876/mimt201705011

0 引言

微電子技術發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越小，集成化水平越來越高，半導體基片電阻率的均勻性作為影響半導體性能的重要指標越來越受到關注。因此，對微區薄層電阻的測試顯得格外重要[2]。以往的薄層電阻測試操作工序繁瑣，測量結果也不夠精確。虛擬儀器的應用將測量技術帶到了一個新的層面[3]，利用LabVIEW圖形化特點，使測量更為便捷、準確。本文利用ELVIS硬件和LabVIEW軟件改進了范德堡法薄層電阻測試系統設計。

1 測試原理分析

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

改進范德堡法需要用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保證剛度的需要，同時也要求使探針針尖在樣片的微區4個角區邊界一定的范圍之中。與以往的測量方法相比，該方法探針的游移和邊緣效應不會影響測量結果[8-10]，操作簡便、快捷、可行，該方法適合于微區薄層電阻的測量。

改進的范德堡法的測量公式如下：

式中 —范德堡修正函數；

I—測試電流；

—第n次測量所得的電壓。

2 總體方案設計

該測試系統主要由硬件電路和軟件編程兩部分組成。

2.1 基于NI ELVIS的測試系統

根據改進的范德堡法，該測試系統硬件包括恒流源電路、多路模擬通道、電壓放大電路、NI ELVIS以及計算機五大部分。

恒流源電路選用級聯型電流源，該電流源是由兩個基本鏡像電流源電路級聯而成，該電流源的大小受到外接電阻的影響，通過改變其內部的阻值可以實現調節電流的大小，電路結構簡單。

模擬通道是四路模擬通道，分別接四個探針。測量過程中，四根探針需要輪換作為電流探針和電壓測量探針，比如，在第一次測量時，將探針A和探針B作為電流探針，測量探針C和探針D之間的電壓，第二次測量時，將探針B和探針C作為電流探針，測量探針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CD4052設計成模擬通道。為了滿足電流、電壓的輪換，設計電路如圖1所示。在圖1中，JP1是電流換向開關，JP2是選擇電流探針的開關，JP3是選擇電壓探針的開關。

由于從模擬通道輸出的電壓非常小，信號微弱，直接送入NI ELVIS后顯示出來的數據不穩定，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，減小系統誤差。該電路采用了反相放大電路，由一個集成運算放大器OP07實現電壓放大，結構簡單，性能穩定，閉環增益可手動調節。

硬件電路的數據采集利用NI公司的ELVIS平臺，可以與LabVIEW軟件較為簡單的連接進行數據處理。NI ELVIS能夠發揮虛擬儀器技術的靈活性和自定義功能。同時，它還結合了NI Multisim采集及仿真環境來實現NI ELVIS板載電路的測量及仿真。利用NI ELVIS可以在統一平臺上實現多用戶多應用的操作，降低儀器成本。該套件包括硬件和軟件兩部分。硬件部分核心是數據采集卡，由面包板和ELVIS工作臺組成，在面包板上可以隨時搭建電路，方便省時，通過數據采集卡將所測的各個物理量送入計算機。軟件部分集成了多種通用電路電子測試的虛擬儀器，功能強大，使用靈活[12-13]。

2.2 系統軟件設計

軟件系統結構由數據采集模塊，數據處理模塊，數據存取模塊， 數據讀取模塊組成。首先對數據進行初始化，然后對物理通道、樣品厚度等進行參數設置，設置完成后開始采集數據，判斷一次數據是否采集結束，結束則進行通道切換，沒結束則等待。待所有數據采集完畢后，在LabVIEW中進行相應的運算與處理后顯示。將數據存儲后還可以實時讀取出來。

如圖2所示，系統主界面分為四部分：參數設置區、數據顯示區、波形顯示區以及主控制區。

在參數設置區需要對測量的電壓、電流的物理通道、任務輸入等進行一系列設置，物理通道的選擇需要根據ELVIS工作臺上的插線來判斷。數據顯示區不僅顯示每次測量的電壓值，同時也顯示根據范德堡法計算出的電阻及電阻率的大小，經讀取的數據也在此顯示。波形顯示區顯示的是每次采集到的電壓和每次計算出的電阻的變化。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，停止按鈕控制整個程序的運行停止狀態。

3 測試結果及誤差分析

實驗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，實驗時，將硅片分為57個小區域，對每一個小區域進行實際測量，因硅片邊緣存在嚴重的邊緣效應，故將邊緣4mm左右的部分忽略。endprint