基于ELVIS的薄层电阻测试系统设计

刘宝栋1　刘新福　吴鹏飞　莎桐桐

[摘 要] 在分析薄层电阻测试方法及原理基础上，利用NI LabVIEW软件及NI ELVIS硬件完成改进的范德堡法的测试系统设计。硬件电路的数据采集由NI ELVIS完成，软件部分以数据处理模块为核心，经数据分析后进行显示，并可实现数据存储与读取。最后，通过样品测试验证了设计方法的合理性。

[关键词] ELVIS；LabVIEW；微区薄层电阻；改进范德堡法

中图分类号：TN3 文献标识码：A 文章编号：2095-5200（2017）05-026-03

DOI：10.11876/mimt201705011

0 引言

微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件尺寸和增加芯片面积，以此提高集成度和信息处理速度[1]。电子芯片的电路尺寸越来越小，集成化水平越来越高，半导体基片电阻率的均匀性作为影响半导体性能的重要指标越来越受到关注。因此，对微区薄层电阻的测试显得格外重要[2]。以往的薄层电阻测试操作工序繁琐，测量结果也不够精确。虚拟仪器的应用将测量技术带到了一个新的层面[3]，利用LabVIEW图形化特点，使测量更为便捷、准确。本文利用ELVIS硬件和LabVIEW软件改进了范德堡法薄层电阻测试系统设计。

1 测试原理分析

Wynands和 Hyun等在解决硅片电阻率测量中修正的相关问题方面已开展了一定的研究工作[4-5]，其测试系统已经能够得到整个半导体硅片的电阻分布。上海测试技术研究所和中科院的微电子中心等都已经对薄层电阻的测量进行了深入研究[6]。在已经研究出来的这些方法中，每一种方法都有其不同的适用范围和测试条件[7]，具体情况如表1所示。

改进范德堡法需要用4根倾斜探针，不要求4根探针在同一条直线上，但要求金属探针的直径足够大来保证刚度的需要，同时也要求使探针针尖在样片的微区4个角区边界一定的范围之中。与以往的测量方法相比，该方法探针的游移和边缘效应不会影响测量结果[8-10]，操作简便、快捷、可行，该方法适合于微区薄层电阻的测量。

改进的范德堡法的测量公式如下：

式中 —范德堡修正函数；

I—测试电流；

—第n次测量所得的电压。

2 总体方案设计

该测试系统主要由硬件电路和软件编程两部分组成。

2.1 基于NI ELVIS的测试系统

根据改进的范德堡法，该测试系统硬件包括恒流源电路、多路模拟通道、电压放大电路、NI ELVIS以及计算机五大部分。

恒流源电路选用级联型电流源，该电流源是由两个基本镜像电流源电路级联而成，该电流源的大小受到外接电阻的影响，通过改变其内部的阻值可以实现调节电流的大小，电路结构简单。

模拟通道是四路模拟通道，分别接四个探针。测量过程中，四根探针需要轮换作为电流探针和电压测量探针，比如，在第一次测量时，将探针A和探针B作为电流探针，测量探针C和探针D之间的电压，第二次测量时，将探针B和探针C作为电流探针，测量探针A和探针D之间的电压，以此类推，完成四次轮换。因此，需要在电路中选用3片四选二多路模拟开关CD4052设计成模拟通道。为了满足电流、电压的轮换，设计电路如图1所示。在图1中，JP1是电流换向开关，JP2是选择电流探针的开关，JP3是选择电压探针的开关。

由于从模拟通道输出的电压非常小，信号微弱，直接送入NI ELVIS后显示出来的数据不稳定，容易被电路中的噪声淹没，需要电压放大电路放大输出的电压，减小系统误差。该电路采用了反相放大电路，由一个集成运算放大器OP07实现电压放大，结构简单，性能稳定，闭环增益可手动调节。

硬件电路的数据采集利用NI公司的ELVIS平台，可以与LabVIEW软件较为简单的连接进行数据处理。NI ELVIS能够发挥虚拟仪器技术的灵活性和自定义功能。同时，它还结合了NI Multisim采集及仿真环境来实现NI ELVIS板载电路的测量及仿真。利用NI ELVIS可以在统一平台上实现多用户多应用的操作，降低仪器成本。该套件包括硬件和软件两部分。硬件部分核心是数据采集卡，由面包板和ELVIS工作台组成，在面包板上可以随时搭建电路，方便省时，通过数据采集卡将所测的各个物理量送入计算机。软件部分集成了多种通用电路电子测试的虚拟仪器，功能强大，使用灵活[12-13]。

2.2 系统软件设计

软件系统结构由数据采集模块，数据处理模块，数据存取模块， 数据读取模块组成。首先对数据进行初始化，然后对物理通道、样品厚度等进行参数设置，设置完成后开始采集数据，判断一次数据是否采集结束，结束则进行通道切换，没结束则等待。待所有数据采集完毕后，在LabVIEW中进行相应的运算与处理后显示。将数据存储后还可以实时读取出来。

如图2所示，系统主界面分为四部分：参数设置区、数据显示区、波形显示区以及主控制区。

在参数设置区需要对测量的电压、电流的物理通道、任务输入等进行一系列设置，物理通道的选择需要根据ELVIS工作台上的插线来判断。数据显示区不仅显示每次测量的电压值，同时也显示根据范德堡法计算出的电阻及电阻率的大小，经读取的数据也在此显示。波形显示区顯示的是每次采集到的电压和每次计算出的电阻的变化。主控制是该界面中最重要的部分，它包括切换按钮、保存按钮、读取按钮以及停止按钮。切换按钮控制模拟通道的切换，停止按钮控制整个程序的运行停止状态。

3 测试结果及误差分析

实验选用四寸的薄圆片型硅片，厚度0.5mm，直径100mm。已知其阻值330～350Ω。为了得到整片硅片的电阻分布，实验时，将硅片分为57个小区域，对每一个小区域进行实际测量，因硅片边缘存在严重的边缘效应，故将边缘4mm左右的部分忽略。endprint