Устройство для измерения параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕНЬС е ВУ >894577

* г

Ф (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 30.11.79 (21) 2847152/18-21 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 30.12.81, Бюллетень № 48

Дата опубликования описания 30.12,81 (51jM. Кл.

G 01 R 17/06

Гоеудеретвепый комнтет

СССР по делам нзебретеннй н открытий (53) УД К621.317. ,73.083 (088.8) Ю. Н. Захаров, В. Г. Плотников, Я. Н. Сардин, К. В. Ткаченко, Ю. А. Хайкин 1 и А. И. Ярухин ) 3 . (72) Авторы изобретения (7l) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

НЕРЕЗОНАНСНЫХ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ

ДВУХПОЛЮСНИКОВ

Изобретение относится к электроизме рительной технике и может быть использовано для измерения параметров полупроводниковых структур и тонких пленок при производстве попупроводниковых приборов, во влагометрии, биологии и других облас тях науки и техники, где объект контроля можно представить в виде трехэлемент ного двухполюсника.

Известна измерительная цепь преобра10 эователя параметров трехэлементных двухполюсников в активные величины, содержащая источник двух напряжений различных частот, подключенные к нему ветвь с исследуемым трехэлементным двухпо13 люсником и ветвь образцовых величин, содержащую три звена направленного действия с регулируемыми коэффициентами передачи, и узел суммирования выходных величин ветвей, причем ветвь образцовых величин содержит звено с коэффициентом передачи, совпадающим по величине фазового угла с отношением парамет ров двухэлементной части двухполюсника, охваченное отрицательной обратной связью с постоянным коэффициентом передачи и соединенное последовательно со звеном, коэффициент передачи которого совпадает по величине фазового сдвига с иммитансом одного из элементов двухэлементной части двухполюсника, а параллельно этим звеньям включено звено с коэффициентом передачи, совпадающим по величине фазового угла с иммитансом третьего элемента (1 ).

К недостаткам измерительной цепи преобразователя параметров трехэлементных двухполосников относится низкая точность измерения параметров двухполюсника при очень высокой точности уравновешивания измерительной цепи. Это происходит по той причине, что, не зная заранее параметров двухполюсника или его харак теристик, невозможно оптимально выбрать значения дискретных частот, питающих измерительную цепь, при которых погреш ность измерения минимальна. К недостаткам цепи относятся также сложности про894577 цесса уравновешивания измерительной цепи, и как следствие этого - низкое быстродействие. Измерительная цепь неуниверсальна, т.е. для каждого нового вида трехэлементного двухполюсника необходимо ее составлять заново, что затрудняет ее широкое использование.

Известен также преобразователь параметров пассивных нерезонансных двухполюсников, который содержит источник пи- 10 тания, соединенный с трансформатором тока, два усилителя, в обратной связи од» ного из которых вклкчен образцовый элемент, а выход и вход другого усилителя соединены с клеммами для подключения исследуемого двухполюсника; управляемый делитель напряжения и дополнительный образцовый элемент, конденсатор, сумматор, два измерителя отношения напряженйй и фазочувствительный индикатор, причем источник питания связан с сумматором и через последовательно соединенные первичную обмотку трансформатора тока и конденсатор — со входом усилителя, подключенного к сумматору, выходом связанного со входами последовательно соединенных фазочувствительного индикатора, управляемого делителя напряжения и двух измерителей отношения напряжений, Один из кОтОрых сВязан с фазОчуВ- зр ствительным индикатором, вход второго усилителя одновременно подключен ко вторичной обмотке трансформатора тока, второй конец которой заземлен и через допол. нительный образцовый элемент соединен

35 с выходом управляемого делителя напряжения и входом одного из измерителей отношения напряжений, а выход второго усилителя связан одновременно со вторыми входами фазочувствительного индика—

40 тора и другого измерителя отношения напряжений $2).

К недостаткам преобразователя параметров пассивных нерезонансных двухпоЛЮСНИКОВ ОТНОСИТСЯ ТО, ЧТО В КОНТРОЛН«

45 руемом двухполюснике измеряются параметры двух элементов только при наличии известного номинала третьего элемента. Преобразователь имеет низкую точность, так как частота питания измерительной цепи выбирается произвольно, вследствие чего на определенных частотах характеристики двухполюсника определяются, например, практически только параметрами одного из элементов схемы замещения, а также измерение параметров ряда элементов происходит прямым методом преобразования, Преобразователь также неуниверсален в смысле измерения параметров различных видов трехэлементных двухполюсников.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения параметров нерезонансных пассивных .трехэлементных двухполюсников, содержащее источник напряжения изменяющиеся частоты, к которому подключен преобразователь комплексного сопротивления (комплексной проводимости ) исследуемого двухполюсника в активный сигнал, формирователь компенсирующего сигнала, причем выходы преобразователя и формирователя соединены со входами вычитаюшего устройства, выход вычитающего блока соединен со входом указателя максимума реактивной составляющей, блок умножения и деления на частоту указатель равенства активной и реактивной составляющей, три отсчетных прибора, фазочувствительный детектор Э .

Измерение параметров трехэлементных двухполюсников в описанном устройстве основано на сочетании методов уравновешивания и прямого преобразования, поэтому два параметра двухпопюсника, которые измеряются методом прямого преобразования, измеряются с низкой точностью. Низкая точность измерния этих параметров обуславливается еще и тем, что их измеряют на неблагоприятной частоте в смысле точности. Это такая частота, где измеряемые параметры мапо влияют на,частотную характеристику двух« полюсника. Устройство обладает малыми функциональными возможностями: при смене одного вида контролируемого двухполюсника на другой необходимо заменять целый ряд узлов устройства.

Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников, содержащее источник напряжения изменяющейся частоты, преобразователь комплексного сопротивления исследуемого двухполюсника в активный сигнал, формирователь компенсирующего сигнала, вычитаюший блок и три отсчетных прибора, выход источника напряжения изменяющейся частоты соединен со входами преобразователя комплексного сопротивления исследуемого двухпопюсника и формирователя компенсирующего сигнала, а выход последнего - с одним из входов вычитающего блока, при этом

5 8945 упомянутый преобразовате -и содержит усилитель, во входную цепь которого включен образцовый элемент, а в обратную свяэьисследуемый двухполюсник, введены частотомер, фазометр усилитель с управля- 5 емым коэффициентом передачи, ключ, программно-вычислительный блок, блок уравновешивания и указатель экс1ремальных фазовых значений, причем выход преобразователя комплексного сопротивления ис- 1Ф следуемого двухполюсника в активный сигнал соединен с первым входом фазометра и со входом усилителя с управляемым коэффициентом передачи, а выход послед — . него - со вторым входом вычитаюшего !5 блока, второй вход фазометра соединен через ключ со входом и выходом формирователя комплексирующего сигнала, при этом выход фазометра соединен с программно-вычислительным блоком и со 20 входом указателя экстремальных фазовых значений, выход последнего соединен с управляющими входами частотомера и источника напряжения изменяющейся частоты, выход вычитаюшего блока через блок 25 уравновешивания соединен с программновычислительным блоком и усилителем с управляемым коэффициентом передачи, выход источника напряжения изменяющейся частоты соединен через частотомер с 2а программно-вычислительным блоком, а последний - с двумя регулирующими органами формирователя компенсирующего сигнала и тремя отсчетными приборами.

Наличие в устройстве фазометра, ука- у . зателя экстремальных фазовых значений, частотомера и их связи обеспечивают достижение одновременно двух условий: первое «частота питания измерительной цепи приводится в область максимального наклона амплитудно-частотной характерйстики двухполюсника, что обеспечивает достижение необходимой точности измерения; второе — значение измеренной частоты дает воэможность установки регулирующих органов формирователя компенсирующего сигнала в положение, удобное для приведения измерительной цепи в по-. ложение равновесия. Наличие в устройстве фаэометра и усилителя с регулируемым коэффициентом передачи и их связи обеспечивают раздельное уравновешивание измерительной цепи как по фазе, так и по амплитуде сигналов на всех частотах. В результате все три измеренных параметра для определения номиналов элементов схемы двухполюсника определяются методом уравновешивания, что повышает точность предлагаемого устройства по срав77 4 нению с известным.- Наличие в устройс1 ве формирователя компенсирующего сигI нала, состоящего иэ звена с регулируемым полюсом и нулем коэффициента пе редачи, лоэвопяет с одинаково высокой точностью измерять параметры двухпопюоников разных видов и состоящих из эпементов разных чоминалов. Это ocymec впяется за счет того, что каким бы ни был контролируемый двухполюсник, цопюс и нуль его передаточной функгки располагаются всегда определенным образом и имеют одну размерность, На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2схемы нерезонансный трехэпементных двухпопюсников.

Устройство для измерения параметров нерезонансных трехэлементных двухпопюоников содержит источник 1 напряжения изменяющейся частоты, преобразователь

2 комплексного сопротивления исследуемого двухполюсника в активный сигнал, в обратной связи которого включен контролируемый двухлолюсник 3, а во входной цепи — образцовый элемент 4, формирователь 5 компенсирующего сигнала, в обратной связи которого включен образцовый конденсатор 6 и цифроуправляемый резистор 7, а во входной цепи подобным же образом включены образцовый конденсатор 8 и цифроуправпяемый резистор 9, фазометр 10, один вход которого соединен с преобразователем 2, а второй - с ключем 11, имеющим контакты 12 и 13, выход фазометра соединен с указатепем

14 экстремальных фазовых значений и с программно-вычислительным блоком 15.

Выход преобразователя 2 через усилитель

16 с управляемым коэффициентом передачи соединен с одним из входов вычитаю щего блока 17. Выход вычитаюшего блока

17 подключен через блок 18 уравновешивания к блоку 15 и управляющему входу усилителя 16. Выход указателя 14 соединен со входом частотомера 19 и с управляющим входом источника 1 напряжения изменяющейся частоты. Выход блока

15 соединен с тремя отсчетными приборами 20, 21 и 22.

Устройство работает следующим обра-, зом.

Перед началом измерения ключ 11 за мыкает контакт 13. На выходе источника

1 напряжения изменяется частота гармонического сигнала до достижения максимального значения фазы на выходе фазометра 10. Экстремальное значение фазы фиксируется указателем 14, который ос894577 танавпивает изменение частоты источника 1 и дает команду частотомеру 1 9 на измерение этой частоты, Измеренное значение частоты в виде цифрового кода поступает в блок 15, далее ключ 11 замыкается на клемму 12,. а частота источника 1 напряжения начинает свипировать около измеренной частоты. Блок 15 на основе измеренного значения частоты устанавливает необходимые равные между собой номиналы сопротивлений резисторов

9 и 7, а затем изменяет эти сопротвпения - увеличивает одно сопротивление и уменьшает другое до появления на выходе фазометра 10 нулевого сигнапа, В этот момент времени регулировка цифроуправляемых резисторов 7 и 9 прекращается и их значение в виде цифрового кода запоминается в блоке 15. После этого наступает второй этап работы устройства. Блок 18 у15авновешивания начинает изменять коэффициент передачи усилитепя 16 так, чтобы на выходе вычитающего блока 17 отсутствовал сигнал.

После уравновешивания значение коэффициента передачи усипитепя 16 в виде цифрового кода поступает в блок 1 5. После измерения трех величин — двух сопро-, тивпений резисторов 7, 9 и коэффициента передачи усилителя 1 6 „которые измеряются методом уравновешивания и поэтому могут быть определены с очень высокой точностью, — бпок 15 производит вычисление параметров двухпопюсника, функционально связанных с измеренными величинами, Найденные параметры двухпопюсника высвечиваются на табло отсчет-ных приборов 20, 21 и 22. Программа вычиспитепьному бпоку 15 задается в зависимости от вида контролируемого двухпопюсника и легко может меняться.

Таким образом, происходит измерение параметров контролируемого двухпопюсника и достигается поставленная цель, Так, например, дпя двухпопюсников, изображенных на фиг. 2 а, б, операторное сопротивпение имеет вид

p(pap )

Z(p)=N где P = )Ml

Я - постоянный коэффициент; З и — ноль и полюс функции операторного сопротивления.

Еспи в качестве образцового эпемента 4 взять емкость С,, то коэффициент передачи преобразователя 2 имеет вид (0 р»- с(При этом частота, на которой возникает экстремум фазового сдвига, вносимого преобразоватепем 2, определяется следую. щим образом

Можно показать, что при свипировании частоты источника 1 в окрестностях найденной частоты Ю фазовая и амппитудная характеристики преобраэоватепя 2 обладают наибольшей чувствительностью к изменению параметров контролируемого двухпопюсника, и в результате при контропе параметров в этой области частот может быть получена максимально возможная точность измерений. Коэффициент передачи формирователя 5. имеет вид го где С и С - емкости образцовых кон8

25 денсаторов 8 и 6;, „ = (с

P

Cg емкость образцового элемента 4.

После этого блок 15 начинает изменять сопротивление одновременно регулируемых резисторов 7 и 9, при этом соблюдается соотношение

СВ2- Л г

К» Ь К С Р7С6Ф ипи

Р = р. (ю с, 9 2

55 зо где 1 и Р-7 - регулируемые торы 9 и 7.

Как дпя преобразователя ="-, так и дпя формироватепя 5 фаэочастотные характе—

З5 ристики определяются исключительно по- люсами и нулями, т.е. е, / .) и а,, fig, Дпя того чтобы фазочастотные характеристики усилителей были идентичны и фазометр 10 на всех частотах показывал

40 ноль, необходимо, чтобы о1=а „и p = pg поэтому первоначально бпок 15 устанав пивает значения сопротивлений резисторов 7 и 9 равными между собой и чтобы при этом выполнялось условие

45 Л

-Qu;

19С8 R„C&

894577

10 с

20 или

ККСО=

N= 11КСо при этом

При полном совпадении фазочастотных характеристик регулировка сопротивлений

R u Rq прекращается, что соответствует равенствамЦ=4q u p=,1. йля того, чтобы стали идентичными амплитудно-частотные характеристики преобразователя

2 и формирователя 5, необходима регулировка коэффициента передачи К усилите» ля 16 до соблюдения равенства

Таким образом, после полного уравновешивания измерительной цепи величины контролируемого двухполюсника

3 с(., Jb u N функционально связанные с его параметрами, определяются следуюшими выражениями

Например, для двухпопюсника, изображенного на фиг, 2а, операторное сопротивление равно

R(.C+C,,) Р+ 4 ® cc„Rp,cp

А=1 (R(C+C„) ь = lac„(Z)

N-- — +— с с„

Из (2) легко определяются значения емкости конденсаторов 23 (С) и 24 (С< ), а также сопротивление резистора 26 (К)

C=P jNd, с„= (н(- )) (ь ) к =(Р.—. (p ) н

Из (3) и (2) находим окончательные выражения дпя параметров двухпопюсника (фиг, 2а) через регулировки R>, Ry, К и через образцовые величины СО 14 С с=с,к с-с к — Кд

О R711 О

c

Подобным образом определяются параметры и других трехэлементных двухполюсников (фиг. 2б, в, г, д, е, ж, з).

Таким образом, исходные величины

К, gg u Ry для вычисления параметров контролируемых двухпопюсников определяются методом полного уравновешивания и потому могут быть измерены с очень высокой точностью. Относительная погрешность измерения параметров трехэлементных двухполюсников не превышает 0,1%.

Предлагаемое устройство прим еняеч ся для контроля параметров попупроводниковых структур при производстве больших интегральных схем. Устройство позволяет за счет измерения параметров трехэлементных схем замещения попупроводниковых структур производить отбраковку изделий уже на промежуточных стадиях их изготовления, а также оперативно корректировать параметры технологических режимов, Формула изобретения

Устройство дпя измерения параметров нереэонансных трехэлементных двухполюсников, содержащее источник напряжения изменяющейся частоты, преобразователь комплексного сопротивления исследуемого двухполюсника в активный сигнал формирователь компенсирующего сигнала, вычитающий блок и три отсчетных прибора, выход источника напряжения изменяющейся частоты соединен со входами преобра зоватепя комплексного сопротивления исследуемого двухпопюсника и формирователя компенсирующего сигнала, а выход последнего - с одним из входов вычитающего блока, при этом упомянутый преобразователь содержит усилитель,so входную цепь которого включен образцовый элемент, а в обратную связь - исследуемый двухполюсник, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей, в него введены частотомер, фазометр, усилитель с управляемым коэффициентом передачи, ключ, программно"вычислительный блок, блок уравновешива- ния и указатель экстремальных фазовых значений, причем выход преобразователя комплексного сопротивления исследуемого двухполюсника в активный сигнал соединен с первым входом фаэометра и со входом усилителя с управляемым коэффициентом передачи, а выход последнего - со вторым входом вычитающего блока, второй

894577 вход фазометра соединен через ключ со входом и выходом формирователя компенсирующего сигнала, при этом выход фазометра соединен с программно-вычислительHb1M блоком H co входом указателя 9KGT» ремальных фазовых значений, выход последнего соединен с управляющими входами частотомера н источника напряжения изменяющейся частоты, выход вычитаюшего блока через блок уравновешивания соединен с программно-вычислительным блоком и усилителем с управляемым коэффициентом передачи, выход источника напряжения изменяющейся частоты соединен через частотомер с программно-вычислительным блоком, а последний - с двумя регулирующими органами формирователя компенсирующего сигнала и с тремя отсчетными приборами.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Авторское свидетельство СССР

¹ 444115, кл. G 01 R 17/06, 1972, 2. Авторское свидетельство СССР № 519646, кл, G 01 R 27/00, 1974.

3. Авторское свидетельство СССР

¹ 234508, кл. G 01 R 31/26, 1966 (прототип ), 894577 л(с) 2Ф(С

Составитель В, Семенчук

Редактор И. Михеева Техред Т.Маточка Корректор С, Шомак

Заказ 11478/72 Тираж 735 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по депам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж- 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент", r. Ужгород, уп. Проектная, 4