一种用于测试半导体材料高精度温度可控探头

李茂隆 袁天浩

摘要：本文着重介绍一种高精度温度可控测试探头，该探头主要用于测试不同温度下半导体单晶硅材料型号类别，电阻率等主要参数。与传统单晶硅原材料测试探头相比，所述中探头装配有新型半导体制冷/制热片具有更高精度温控效果，保证测试结果准确性。

关键字：新型半导体制冷/制热片，高精度温控

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

近年来集成电路技术在各行各业应用越来越广泛，作为集成电路上游产业半导体材料也得到了前所未有发展。质量控制是半导体材料生产中重要一个环节，它关系到了下游集成电路器件性能参数实现。半导体材料质控一个重要手段是检测，检测需要用到各种类型设备，高精度可靠探头作为检测设备采集信号来源显得尤为重要。以下将介绍一种新型检测半导体单晶硅材料型号类别，电阻率等主要参数高精度温度可控探头。

1、制冷制热半导体原理介绍

半导体制冷制热技术是上世纪50年代才发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科。他的主要理论基础由以下三分部组成：

1.1、赛贝尔效应

2、制冷制热探头装置结构介绍

制冷制热探头装置结构如下图1所示，该探头装置结构由电子型（N型）半导体材料，空穴型（P型）材料，绝缘陶瓷板和金属导体组成。金属导体负责将交错排列的不同型号半导体材料连接起来，探头上安装有温度传感器，方便实时进行温度监控。半导体材料参数测试探针内嵌在绝缘陶瓷板上，测试时通过弹簧压力和样品良好接触，另一端作为测试数据输入端连接控制器。

N型半导体材料导电性是由电子移动引起，P型半导体材料导电主要是靠空穴转移。电子和空穴被称为多数载流子。当在外加电场作用多数载流子从半导体材料逃逸到金属导体处，即从高势能进入低势能，会释放能量在接触点处形成热端。相反如果载流子从金属导体进入半导体材料中，就会在接电处吸收能量形成冷端。为了方便有效进行温度控制，该装置的供电极性可控。

3、制冷制热装置探头电极及驱动电压控制

根据半导体制冷和制热原理可知，装置冷热端之间的温差由流过其中的电流决定，为了能精确控制电流强度，这里提供一个通过控制驱动电压占空比方法实现调节周期内通过半导体装置平均电流。该装置驱动电压控制回路分为两个部分。H桥驱动结构回路和控制器控制回路。

H桥驱动结构回路如图2所示，该部分由四个MOS管的H桥电路组成，该电路具体包括：第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，所述第一NMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极作为H桥的电源一端，所述第一NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极电连接，所述第三NMOS管的源极与第四NMOS管的漏极电连接，所述第二NMOS管的源极、第四NMOS管的源极作为H桥的电源另一端。

控制器控制回路如下图3所示。该控制回路能够根据当前样品的表面溫度调整加热/冷半导体工作电压的极性和占空比，以达到精准控制样品表面工作温度环境目的。当探头接触到样品表面时，控制器将传感器反馈样品温度和需求样品环境温度对比。指示探头将要对样品表面进行加热或者制冷。

3.1、如果样品表面温度比需求测试温度低，则探头进入加热工作状态。控制器控制驱动电路工作原理如下：

（1）控制器的G1?、G4?口发出一个低电平驱动信号，G2?、G3?发出高电平信号。

（2）驱动信号经过ULN2003芯片取反同时增强驱动能力后直接驱动MOS管1和MOS管4开启，MOS管2和MOS管3保持关闭状态。探头装置电流从夹具A端流入，B端流出，探头处于加热状态。

（3）随着样品表面温度变化，控制器不断调整G1?、G4?驱动信号占空比。如果样品表面温度距离需求温度相距较大，加大占空比。反之则减小驱动电压信号占空比。

3.2、如果样品表面温度比需求测试温度高，则探头进入制冷工作模式。控制器控制驱动电路工作原理如下：

（1）控制器的G1?、G4?口发出一个高电平驱动信号，G2?、G3?发出低电平信号。

（2）驱动信号经过ULN2003芯片取反同时增强驱动能力后直接驱动MOS管2和MOS管3开启，MOS管1和MOS4保持关闭状态。探头装置电流从夹具B端流入，A端流出，探头处于制冷状态。

（3）随着样品表面温度变化，控制器不断调整G2?、G3?驱动信号占空比。如果样品表面温度距离需要温度相距较大，加大占空比。反之则减小驱动电压信号占空比。

在整个测试过程中探头上温度传感器不断检测样品表面温度，重复上述中3.1、3.2步骤。工作流程图如下所示：

如图3中所示，R1属于限流电阻，D1为15V稳压二极管。由于二極管D1两端电压恒定为15V，故MOS管1源极电压为15V。当控制器G1?发出不开启信号时（输出高电平信号），高电平经过达林顿管后变为零电位，接到MOS管1栅极。栅-源之间电势差为-15V，MOS管1处于关闭状态。当控制器G1?发出开启信号时（输出低电平信号），低电平经过达林顿管后变为24V，接到MOS管1栅极。栅-源之间电势差为9V（24V-15V=9V），MOS管1处于开启状态。电容C1，C5属于旁路电容起滤波作用。同理R2，R3，R4属于限流电阻，D2，D3，D4属于15V稳压二极管，C2，C3，C4，C6，C7，C8属于旁路滤波电容。图中U1为ULN2003达林顿管，主要作用是信号取反同时增强信号驱动能力，R9，R10，R11，R12属于上拉电阻接到24V，起到稳定驱动电压作用。

3.4、制冷/加热装置探头功率计算方法

制冷/加热装置探头驱动电压如下图5所示。电压作用于半导体一个工作周期时由于内阻作用会产生焦耳热量q，装置中半导体内阻为R，通过平均电流为I，占空比为N。

4、该结构探头主要应用价值

目前类似半导体材料单晶硅原材料测试探头主要是靠普通加热管和加热丝进行有限局部升温测试，这种工作模式不但温控效果难以达到高精度把控同时还缺少制冷工作状态选择。使用可控制冷制热结构装置探头可以更好满足高标准测试需要，提高检验数据的有效性和可靠性，有很好的利用前景和经济效益。

参考文献：

李晓波，方玲，朱志华，廖兰兰.关于新型半导体制冷方法的研究【J】.科技资讯，2008，NO.31：8-9

徐昌贵，贾艳婷，闫献国，田志峰.半导体制冷技术及其应用【J】.机械工程与自动化，2011，NO.3：209-211

安景飞，耿李姗，张宇.浅谈半导体制冷技术的研究现状及前景【J】.科学与财富，2012，NO.10：19

作者简介：

李茂隆（1988—），男，广州市微生物研究所主任工程师，工程师职称，主要从事电子电器研发及可靠性研究。

袁天浩（1993—），女，广州广电计量检测股份有限公司失效分析工程师，工学硕士，主要从事军用电子元器件可靠性研究。