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Dokumentenidentifikation DE4440167A1 29.08.1996
Titel Verfahren und Anordnung zur Messung der lateralen Stromverteilung in Halbleiterbauelementen
Anmelder Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften eV, 14195 Berlin, DE
Erfinder Breitenstein, Otwin, Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Atsugi, Kanagawa, JP
Vertreter Köster und Kollegen, 80802 München
DE-Anmeldedatum 10.11.1994
DE-Aktenzeichen 4440167
Offenlegungstag 29.08.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.08.1996
IPC-Hauptklasse G01R 31/265
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der lateralen Stromverteilung in Solarzellen und anderen Halbleiterbauelementen und eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. Das Verfahren dient dazu, die Homogenität des Stromflusses in diesen Halbleiterstrukturen mit einer Ortsauflösung bis weit unterhalb der Waferdicke zu untersuchen. Das Verfahren nutzt die lokale Erwärmung des zu untersuchenden Objektes bei Stromdurchgang. Erfindungsgemäß wird die Probe einer mit einer gewählten Frequenz periodisch modulierten oder einer impulsförmigen Strombelastung ausgesetzt, und es wird nur die lokale Modulation der Probentemperatur gemessen. Bei einer ersten Alternative wird die Probentemperaturmodulation durch lokale Abrasterung sequentiell durch eine Kontaktmessung gemessen, wobei der Gleichstromanteil des Temperatursignals vorzugsweise in einer langsam wirkenden Regelschleife im Zeitmittel auf Null geregelt wird. Bei einer anderen Alternative wird die lokale dynamische Erwärmung durch Erstellung eines Infrarot-Thermobildes angezeigt, vorzugsweise aus der pixelweisen Subtraktion des Infrarot-Thermobildes vor und nach einer impulsförmigen Strombelastung. Die Wahl der Modulationsfrequenz bzw. der Impulsdauer der Strombelastung des Meßobjektes erlaubt es, einen Kompromiß zwischen Nachweisempfindlichkeit und Ortsauflösung zu wählen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der lateralen Stromverteilung in Halbleiterbauelementen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Verfahren dieser Gattung eignen sich zur Lokalisierung von Vordurchbruchsstellen, lokalen Kurzschlüssen oder anderen Stellen mit lokal erhöhter oder erniedrigter Stromdichte, welche die Parameter der Bauelemente beeinflussen können. Das erfindungsgemäße Verfahren soll vorzugsweise in der Fotovoltaik-Industrie und der Halbleiter- Industrie zur Produktionskontrolle eingesetzt werden, sowie in Forschungseinrichtungen, die sich mit der Optimierung von Solarzellen und anderen Halbleiterbauelementen wie etwa Leistungselementen befassen.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Halbleiterelemente können wie eine Matrix oder Gruppe vieler kleiner Einzelelemente betrachtet werden, die einander parallelgeschaltet sind und sich voneinander in beliebigen Qualitätsparametern unterscheiden können. Durch lokale Messung der Strom/Spannungs-Charakteristik z. B. an Mesadioden-Solarzellen wurde festgestellt, daß in polykristallinen Materialien mehr als 90% des Durchlaßstroms auf weniger als 10% der Fläche entfallen kann. Es gibt also eine Reihe "schwacher Stellen" oder "Kurzschlußbereiche", welche die Strom/Spannungs-Charakteristik der gesamten Zelle beträchtlich verschlechtern.

Die Homogenität des Stromflusses in Halbleiterbauelementen wird üblicherweise vor allem durch Thermographieverfahren untersucht. Dabei wird die Probe durch elektrischen Strom belastet, und die lokale Erwärmung der Probenoberfläche wird als Maß für die lokale Stromdichte angesehen. Auch das Betriebsverhalten einer Solarzelle kann durch Anlegen elektrischer Strombelastung an die unbeleuchtete Zelle simuliert werden. Die Visualisierung (Abbildung) der lokalen Erwärmung erfolgt entweder durch geeignete Thermokameras über die abgestrahlte Infrarotstrahlung, oder sie wird durch thermochrome Flüssigkristalle oder durch das Auslösen lokaler Siedevorgänge in tiefsiedenden Flüssigkeiten bewirkt. Das prinzipielle Problem aller dieser Thermographieverfahren ist die insbesondere im Silicium besonders stark ausgeprägte laterale Wärmeleitfähigkeit des Halbleitermaterials. Diese führt dazu, daß sich die Erwärmung auf ein größeres Gebiet um einen lokalen Wärmeeintrag herum verteilt, wodurch sich die laterale Auflösung des Verfahrens verschlechtert.

Man kann diesem Problem begegnen, indem man die Probe ganzflächig auf einer gut wärmeableitenden Unterlage befestigt. Dann kann die Ortsauflösung bis in die Größenordnung der Probendicke verbessert werden. Die Temperaturerhöhung pro eingetragene Leistung nimmt jedoch dementsprechend drastisch ab. Eine Abschätzung ergibt, daß bei idealer Wärmeabführung über die Rückseite einer mit einem typischen Durchlaßstrom von 30 mA/cm² belasteten Solarzelle einer Dicke von 400 µm die Temperaturerhöhung an der Vorderseite weniger als 1 mK beträgt. Diese Temperaturerhöhung ist außerhalb des Nachweisbereiches aller bisheriger Thermographieverfahren, und auch die reproduzierbare Kontaktmessung der Probentemperatur mit den bisher bekannten Anordnungen ist bei dieser Signalgröße durch unkontrollierte Temperaturdrift und Umgebungseinflüsse (Umgebungsstrahlung, Konvenktion) praktisch unmöglich. Eine Verbesserung der Ortsauflösung statischer Thermographieverfahren auf Werte unterhalb der Probendicke ist nicht möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Methode bzw. eine Anordnung zu schaffen, mit welcher der lokale Stromfluß in Halbleiterbauelementen mit einer gegenüber dem bisherigen Thermographieverfahren wesentlich verbesserten Empfindlichkeit und Ortsauflösung abgebildet werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. durch die im Patentanspruch 14 gekennzeichnete Anordnung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in zugeordneten Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, die Probe mit einer Strombelastung zu beaufschlagen, die einer gewählten definierten Zeitfunktion folgt, und nur die lokale zeitliche Temperaturvariation auszuwerten; die eigentliche oder absolute lokale Probentemperatur bleibt für das erfindungsgemäße Verfahren ohne Interesse. Der technische Erfolg dieses erfindungsgemäßen Prinzips erklärt sich folgendermaßen:

Wenn die thermische Belastung nicht permanent, sondern zeitabhängig erfolgt, dann kann bei einem inhomogenen Stromfluß durch das Meßobjekt die dynamische lokale Wärmeausbreitung durch die zeitabhängige lokale Lösung der Wärmediffusions- Gleichung beschrieben werden. Analysiert man also die zeitliche Änderung der Temperatur an einem bestimmten Meßort in ihrer Beziehung zur Zeitfunktion der Strombelastung unter Berücksichtigung des physikalischen Gesetzes der Wärmeausbreitung, dann läßt sich eine Größe ableiten, die ein relatives Maß für diejenige Erwärmung ist, welche speziell durch die am betreffenden Ort herrschende Stromdichte verursacht wurde.

Erfolgt, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die thermische Belastung durch einen Impuls der Länge t, dann kann der laterale Amplitudenabfall δT(x) der Temperatur bei einem lokalen Wärmeeintrag gemäß der eindimensionalen Diffusionstheorie nach folgender Formel berechnet werden:

δT(x) = 2 P (t/λρc)S ierfc [x/(4λt/ρc)S]

wobei P die eingetragene Leistungsdichte, λ die Wärmeleitfähigkeit, ρ die Dichte und c die spezifische Wärme des Halbleitermaterials ist, während t die Länge des Strombelastunsimpulses, x der Abstand zum Ort des Wärmeeintrags und ierfc die integrale komplementäre Error-Funktion ersten Grades bedeuten. Es ergibt sich eine Ortsauflösung, also ein Abstand x vom Ort des Wärmeeintrags, bei dem die Temperatur auf die Hälfte ihres bei x=0 vorhandenen Maximalwertes abgesunken ist, proportional zu . Die maximale Temperaturauslenkung ist für eine Ortsauflösung unterhalb der Probendicke nach obiger Formel proportional zu ; wenn die Ortsauflösung größer als die Probendicke ist (wenn also die Probe über die gesamte Dicke gleichmäßig erwärmt wird), ist die maximale Temperaturauslenkung proportional zu t. Durch die Wahl von t kann also ein Kompromiß zwischen Ortsauflösung und Nachweisempfindlichkeit eingestellt werden. Der jeweils zu wählende Wert von t hängt natürlich u. a. auch von den in der obigen Formel enthaltenen Materialkonstanten ab. In der Praxis werden für t Werte im Bereich von 100 ns bis 1 s in Frage kommen, wie die nachstehenden quantitativen Beispiele zeigen.

Bei einer Silicium-Solarzelle beispielweise läßt sich mit einem Strombelastungsimpuls einer Länge von 150 ms theoretisch eine räumliche Auflösung von 1,7 mm erwarten. Bei einer typischen Stromdichte von 30 mA/cm² und einer Probendicke von 400 µm beträgt die zu erwartende Temperaturmodulation unter Vernachlässigung jeglicher Wärmeabführung 34 mK. Mit Präzisionsmeßtechnik läßt sich eine Nachweisempfindlichkeit (Temperaturauflösung) von deutlich unterhalb 100 µK erzielen.

Wenn man genügend große Leistungsdichten zur Verfügung hat (z. B. bei der Untersuchung von Festkörperlasern, Leistungs- oder Hochgeschwindigkeits-Bauelementen), dann kann man so kurze Impulse anlegen, daß man mit der Ortsauflösung in den Mikrometerbereich kommt. Bei einer Impulslänge, die gegenüber dem vorstehend erwähnten Beispiel um den Faktor 10&sup6; kürzer ist (also 150 ns), beträgt die erwartete Ortsauflösung gemäß der genannten Wurzelabhängigkeit etwa 1,7 µm. Bei einem in der Mikro- und Optoelektronik durchaus üblichen Leistungseintrag von 15 kW/cm² (entspricht 0,15 mW/µm²) beträgt die nach obiger Formel zu erwartende Temperaturerhöhung 3,7 K, was beispielsweise mit Festkörper-Infrarotdetektorarrays nachgewiesen werden kann. Wenn also genügend Leistungsdichte vorhanden ist, dann kann das erfindungsgemäße Verfahren auch im mikroskopischen Maßstab angewandt werden, selbst wenn die dort verfügbaren Meßanordnungen weniger empfindlich sind als die oben erwähnte Präzisionsmeßtechnik.

Vorteilhafterweise wird die lokale Temperatur jeweils in der Nähe des Beginns und des Endes des Belastungsimpulses gemessen (vorzugsweise unmittelbar vor und nach dem Impuls), und die beiden Meßwerte werden voneinander subtrahiert, um die Differenz als Maß für die lokale Erwärmung anzuzeigen.

Durch mehrfache Messung unter Wiederholung der Impulsbelastung und Mittelung der Einzelergebnisse kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung das Signal/Rausch-Verhältnis um einen Faktor verbessert werden, der gleich der Quadratwurzel der Anzahl der Einzelmessungen ist, wie an sich bekannt.

Erfolgt die Strombelastung der Probe periodisch mit einer Modulationsfrequenz f, dann kann, insbesondere bei Verwendung einer rechteckwellenförmigen Strombelastung mit einem Tastverhältnis von 50%, die Lösung der Wärmediffusionsgleichung auch nach dem Konzept der Wärmewellen angegeben werden. Bei einer lokalen Belastung ergibt sich demnach ein lateraler Amplitudenabfall δT(x) der Wärmewelle gemäß folgender Formel:

δT(x) = δT&sub0; exp[-x(ρcπf/λ)S],

wobei λ die Wärmeleitfähigkeit, ρ die Dichte und c die spezifische Wärme des Halbleitermaterials ist und f die Modulationsfrequenz der Belastung bedeutet. Es ergibt sich also ein exponentieller Abfall der Amplitude der Wärmewelle als Funktion des Abstandes zum Ort des Wärmeeintrags mit einer Ortsauflösung proportional zu 1/. Die maximale Amplitude der Temperaturmodulation ist bei einer Ortsauflösung oberhalb der Probendicke proportional zu 1/f und bei einer Ortsauflösung unterhalb der Probendicke proportional zu 1/. Durch die Wahl von f kann auch hier ein Kompromiß zwischen Ortsauflösung und Nachweisempfindlichkeit eingestellt werden. Die jeweils zu wählenden Werte hängen auch hier natürlich von den in der obigen Formel enthaltenen Materialkonstanten ab.

Für den Einfluß der Höhe der Modulationsfrequenz f auf die Ortsauflösung und die Nachweisempfindlichkeit gelten quantitative Überlegungen analog zu denjenigen, wie für den Einfluß der Dauer t eines einzigen Belastungsimpulses angestellt wurden. Man kann davon ausgehen, daß sich mit einer Modulationsfrequenz f ungefähr die gleichen Wirkungen ergeben wie mit Einzelimpulsen der Länge t=1/2f (insbesondere bei Verwendung einer rechteckwellenförmigen periodischen Strombelastung mit einem Tastverhältnis von 50%). In der Praxis werden für f also Werte im Größenordnungsbereich von 1 bis 10&sup7; Hz in Frage kommen, um Ortsauflösungen vom Millimeter- bis herunter in den Mikrometerbereich zu erzielen.

Die Anwendung periodischer Strombelastung mit der oben erwähnten Mittelung der Einzelergebnisse der Temperatur-Differenzmessung unmittelbar vor und nach den Belastungsimpulsen entspricht physikalisch dem Verfahren der Lock-in-Detektion, bei dem die Modulationsamplitude eines Signals durch Wechselstromauskopplung und phasenempfindliche Gleichrichtung phasenstarr zur angelegten Modulation der Belastung gemessen wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird ein System verwendet, das sich durch eine besonders hohe Nachweisgenauigkeit auszeichnet. In diesem System wird der Temperatursensor, z. B. ein Kontaktthermometer, in einer an sich bekannten Brückenschaltung mit trägerfrequenter Speisung und Synchrongleichrichtung des Brückensignals mittels eines trägerfrequenzgesteuerten Lock-in-Demodulators betrieben. Zur Kompensation unkontrollierbarer langsamer Temperaturvariationen ist zwischen einem Verstärker des Brückensignals und dem Lock-in-Demodulator eine Überlagerungseinrichtung vorhanden, die dem Brückensignal einen steuerbaren Anteil der Brücken- Speisespannung als Korrektursignal überlagert. Die Steuerspannung für den besagten Anteil wird aus dem Integral des Ausgangssignals des Lock-in-Demodulators gewonnen. Durch diese langsame Rückkopplung, die im Sinne eines automatischen Brückenabgleichs wirkt, erscheint am Ausgang des Lock-in- Demodulators nur noch die dynamische Temperaturmodulation, die dann durch eine weitere Lock-in-Detektion erfaßt werden kann.

Das vorstehend beschriebene System hat den Vorteil, daß durch den automatischen Brückenabgleich auch eine höhere Wechselstrom-Signalverstärkung vor der Demodulation (also ohne 1/f- Rauschen) möglich ist, daß ferner durch die Einkopplung des Korrektursignals nach der Vorverstärkung diese Einkopplung praktisch kein zusätzlichen Rauschen einkoppelt und daß durch die lineare Erzeugung des Korrektursignals unmittelbar aus der Brückenspeisespannung Unvollkommenheiten dieser Spannung (Amplituden- und/oder Phasenmodulation, spektrale Unreinheit, Rauschen usw.) das Ergebnis nicht oder kaum beeinflussen.

Die Erfassung der Temperaturmodulation durch Lock-in-Detektion kann so erfolgen, daß für jeden Bildpunkt jeweils zwei phasenstarr zur Modulation gewonnene Meßwerte (z. B. unmittelbar vor und unmittelbar nach einem Ausschlag der periodischen Modulation) voneinander subtrahiert werden. Sollte die Temperaturmessung selbst eine Relaxationszeit oder Verzögerung aufweisen, die nicht mehr vernachlässigbar gegenüber der Länge der Belastungsausschläge ist, dann wirkt sich diese Verzögerung merklich auf die Phasenlage der detektierten Temperaturmodulation aus. In diesem Fall müssen die Temperatur-Meßzeitpunkte entsprechend der Verzögerungszeit optimiert werden. Dies entspricht einer Optimierung der Phasenlage der Lock-in- Detektion entsprechend der Verzögerung der Temperaturmessung.

Alternativ kann aber, in besonderer Ausführungsform der Erfindung, ein phasenunabhängiges Demodulationsverfahren angewandt werden, bei welchem das Temperatursignal in jeder Modulationsperiode an vier äquidistanten Zeitpunkten (also in 90-Grad- Abständen) erfaßt wird und jeweils die Differenz zwischen dem ersten und dritten und zwischen dem zweiten und vierten Erfassungswert gebildet wird. Die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der beiden Differenzen ist dann ein Maß für die Modulationsamplitude, unabhängig von der Phasenlage.

Zur Durchführung des Verfahrens sind prinzipiell zwei Varianten anwendbar:

  • 1. sequentielle Abrasterung der Probe mit einem Kontakt- Thermosensor oder einem fokussierenden Infrarotdetektor;
  • 2. Anwendung der Infrarot-Thermographie, bei der eine Momentaufnahme der flächigen Temperaturverteilung erfolgt.


Besonders günstig kann die Anwendung des pyroelektrischen Detektionsprinzips sein, welches von vornherein nur zeitliche Änderungen der Probentemperatur nachweist.

Bei der sequentiellen Messung ist es vorteilhaft, den Gleichstromanteil der Temperaturmessung in einer langsam wirkenden Regelschleife im Zeitmittel auf Null zu regeln. Dadurch werden Temperaturdriften und laterale Unterschiede der mittleren Probentemperatur ausgeglichen. Zur Verringerung der Meßzeit können mehrere Kontaktthermometer bzw. fokossierende Infrarotdetektoren in einer räumlich verteilten Gruppe (Array) angeordnet sein und parallel unabhängig voneinander messen. Dann wird das ganze Meß-Array sequentiell über die Probe gerastert und die Abbildung aus den parallelen und sequentiellen Einzelmessungen zusammengesetzt.

Für die oben genannte zweite Variante der Durchführung des Verfahrens können vorteilhafterweise unter Verwendung impulsförmiger Strombelastung des Meßobjektes zwei Thermogramme unmittelbar vor und nach dem Belastungsimpuls gewonnen werden, die dann pixelweise voneinander subtrahiert werden, um das Differenzbild als Maß für die lokale Erwärmung anzuzeigen.

Die vorstehend allgemein umrissenen Ausführungsformen der Erfindung unterscheiden sich von den bisherigen Thermographieverfahren durch eine verbesserte Toleranz gegenüber Temperaturdrift und störenden Umgebungseinflüssen. Ferner ist eine Ortsauflösung deutlich unterhalb des Wertes der Probendicke möglich.

Mit der Erfindung läßt sich somit eine gegenüber dem bisherigen Thermographieverfahren wesentlich verbesserte Ortsauflösung erreichen. Eine nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbeitende Anordnung erlaubt eine wesentlich verbesserte Empfindlichkeit, die das Thermographieverfahren auf die Untersuchung kleiner Stromdichten ausweitet, wie sie bei Solarzellen auftreten.

Einzelheiten verschiedener Realisierungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 ein detaillierteres Blockschaltbild einer besonderen Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 zwei Temperaturmeßsignale, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren am Ort eines Kurzschlusses und in dessen unmittelbarer Nähe gewonnen wurden.

In der Fig. 1 ist die einfachste Form der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Probe 1 ist auf einem x-y-Positioniertisch 2 befestigt, der von einem Personalcomputer (PC) 3 gesteuert wird. Der Temperatursensor 4 kann von einem z-Trieb 5, der ebenfalls vom PC 3 gesteuert wird, auf die Probe 1 abgesenkt werden. Eine Meßschaltung 7 bildet aus dem Sensorsignal ein weiterverarbeitbares Temperaturmeßsignal. Die elektrische Belastung der Probe 1 erfolgt aus einem Belastungsgenerator 6. Die aufgrund eines Belastungsimpulses aus dem Generator 6 sich ergebende Änderung des Temperaturmeßsignals wird in einem mit dem Generator 6 synchronisierten Änderungsdetektor 8 in ein Anzeigesignal umgewandelt, welches nach entsprechender Digitalisierung dem PC 3 zugeführt wird. Der PC 3 steuert die sequentielle Abrasterung der Probe und speichert das entstehende Bild, das als lokale Abbildung der Stromdichteverteilung interpretiert werden kann.

Der Generator 6 kann einen Einzelimpuls liefern, und die Amplitude des daraufhin erscheinende Ausschlages des Meßsignals kann im Detektor 8 bestimmt werden, z. B. durch Abtastung des Meßsignals unmittelbar vor und nach dem Belastungsimpuls und Differenzbildung beider Abtastwerte. Der ganze Meßvorgang kann für jeden Meßort an der Probe mehrfach wiederholt werden, und die Einzelmessungen können dann gemittelt werden. Alle diese Funktionen können auch vom PC selbst übernommen werden. Statt der aus den Elementen 2, 4, 5, 7 und 8 bestehenden Anordnung kann kann auch eine Infrarotkamera verwendet werden, welche auf Probe 1 gerichtet ist und jeweils umittelbar vor und nach dem Belastungsimpuls eine Momentaufnahme macht. Die beiden ausgenommenen Einzelbilder werden dann im PC 3 gespeichert und pixelweise voneinander subtrahiert, um das Differenzbild auf dem Monitor des PC anzuzeigen.

Der Generator 6 kann aber auch für jeden Meßort eine periodische Strombelastung einer Modulationsfrequenz f hervorrufen, etwa durch Erzeugung einer Rechteckwelle. In diesem Fall wird als Änderungsdetektor 8 ein Demodulator verwendet, der die f-Modulationsamplitude des Temperaturmeßsignals nach einem phasensynchronisierten Lock-in-Verfahren oder einem phasenunabhängigen Demodulationsverfahren bestimmt, wie weiter oben erläutert. Ein zu verwendender Lock-in-Demodulator enthält üblicherweise einen Integrator, der über eine gewisse Anzahl von Meßperioden mittelt; am Ende der gesamten Meßzeit wird für jeden Meßort das Ergebnis digitalisiert.

Bei der speziellen Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Probe 1 ebenfalls auf einem x-y-Positioniertisch 2 befestigt, der von dem PC 3 gesteuert wird, und der Temperatursensor 4 kann vom z-Trieb 5, der ebenfalls vom PC 3 gesteuert wird, auf die Probe 1 abgesenkt werden. Die elektrische Belastung der Probe l erfolgt hier periodisch mit einer Modulationsfrequenz f über einen Impulsverstärker 9, der vom PC 3 angesteuert wird. Der Temperaturmeßwandler 10 enthält eine Meßbrücke und einen Vorverstärker zum Verstärken des Brückensignals. Die Meßbrücke wird aus einem Wechselspannungsgenerator 13 mit einer Frequenz F, die deutlich höher ist als die Frequenz f, gespeist.

Das vom Verstärker der Meßbrückenschaltung 10 gelieferte Brückensignal wird einem Lock-in-Demodulator 12 über eine Addierstufe 11 angelegt. In dieser Addierstufe 11 wird ein mittels eines Analogmultiplizierers 14 gewonnener definierter Anteil der Brücken-Speisespannung aus dem Wechselspannungsgenerator 13 dem Brückensignal überlagert. Die Steuerspannung für den Analogmultiplizierer 14 wird über einen Integrationsverstärker 15 aus dem Ausgangssignal des Lock-in-Demodulators 12 gewonnen.

Das am Ausgang des Lock-in-Demodulators 12 gelieferte Signal der Temperaturmodulation wird nach geeigneter Einengung der Bandbreite in einem auf die Temperaturmodulationsfrequenz f abgestimmten Schmalbandverstärker 16 dem Analog/Digital- Wandler des PCs 3 zugeführt. Der PC 3 steuert die sequentielle Abrasterung der Probe, er realisiert ferner die periodische Belastung des Meßobjektes und die Lock-in-Detektion der Temperaturmodulation und speichert das entstehende Bild, das die räumliche Verteilung der Stromdichte über die Probe sichtbar wiedergibt.

Das Temperaturmeßsignal kann jeweils am Anfang und am Ende (oder, je nach vorhandener Relaxationszeit der Messung, kurz nach dem Anfang und kurz nach dem Ende) jedes Ausschlages der periodischen Strombelastung detektiert werden, um dann beide Meßwerte voneinander zu subtrahieren. Die Detektion kann aber auch durch das weiter oben beschriebene phasenunabhängige 4- Punkt-Demodulationsverfahren erfolgen.

Die Fig. 3 demonstriert in einem Schaubild die Empfindlichkeit einer erfindungsgemäßen Anordnung und das räumliche Auflösungsvermögen der angewandten Technik. Dieses Schaubild zeigt das Ergebnis von Messungen, die an einer 100 cm² großen polykristallinen Solarzelle durchgeführt wurden, unter Anlegen einer periodischen Strombelastung von 3 A in Durchlaßrichtung mit einer Modulationsfrequenz von 3 Hz. Dies entspricht einer mittleren Durchlaßstromdichte von 30 mA/cm², was auch typisch für die Messungen der Leerlaufspannung ist. Die Probe wurde auf einer Kunststoffunterlage montiert, ohne spezielle Vorkehrungen zur Wärmeableitung. Die Oberflächentemperatur wurde gemessen, indem der Meßfühler mit einem Auflagegewicht von 1g direkt auf die Solarzelle aufgesetzt wurde. Die Fig. 3 zeigt zwei hochpaßgefilterte Temperaturmeßsignale für zwei verschiedene Orte des Sensors, nämlich a) ungefähr 1 mm von einer lokalen Kurzschlußstelle entfernt und b) direkt am Ort dieses Kurzschlusses. In beiden Fällen wurde die periodische elektrische Strombelastung jeweils in der zweiten Hälfte der Periode ausgeschaltet, um das Hintergrundsignal (Rauschsignal) anzuzeigen. Die Temperaturmessung erfolgte unter Anwendung eines Trägerfrequenzverfahrens gemäß Fig. 2, so daß ungewollte Einkopplungen des Strombelastungssignals definitiv ausgeschlossen waren. Die Ergebnisse entsprechen den theoretischen Erwartungen und veranschaulichen die räumliche Auflösung (Amplitudenunterschied zwischen den beiden Signalen) sowie die Empfindlichkeit der Temperaturfühlung, die deutlich unter 100 µK liegt.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Messung der lateralen Stromverteilung in Halbleiterbauelementen nach dem Prinzip der Messung der lokalen Erwärmung, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombelastung gemäß einer definierten Zeitfunktion an das Halbleiterbauelement gelegt wird und daß die zeitliche Änderung der gefühlten lokalen Erwärmung erfaßt und mit der Zeitfunktion der Strombelastung in Beziehung gesetzt wird und aus dieser Beziehung eine Größe abgeleitet wird, die ein Maß für die lokale Erwärmung darstellt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombelastung als Impuls gewählter Dauer t an das Halbleiterbauelement gelegt wird und daß die lokale Temperatur jeweils in der Nähe des Beginns und des Endes des Impulses gemessen und die Differenz beider Meßwerte als Maß für die lokale Erwärmung verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung für verschiedene Orte am Halbleiterbauelement sequentiell unter mechanischer Abrasterung durch einen Temperatursensor erfolgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung für verschiedene Orte simultan durch Aufnahme zweier Infrarot-Thermogramme unmittelbar vor und nach dem Belastungsimpuls erfolgt und daß die beiden Thermogramme pixelweise voneinander subtrahiert werden, um das Differenzbild als Abbild der lateralen Wärmeverteilung anzuzeigen.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Messung unter Wiederholung der Strombelastung mehrfach durchgeführt wird und daß die Ergebnisse gemittelt werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombelastung periodisch mit einer gewählten Frequenz f an das Bauelement gelegt und nur die Amplitude der lokalen Temperaturmodulation als Maß für die lokale Erwärmung verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung für verschiedene Orte am Halbleiterbauelement sequentiell unter mechanischer Abrasterung durch einen Temperatursensor erfolgt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombelastung die Form einer Rechteckwelle hat.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechteckwelle ein Tastverhältnis von 50% hat.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Temperaturmodulation mit einem Lock-in-Verfahren (phasensynchronisierte Detektion) erfolgt.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

    daß zum Fühlen der lokalen Erwärmung ein mit einer Trägerfrequenz »F gespeister Temperatursensor verwendet wird, der in einer Meßbrücke angeordnet ist und in einem Abtastraster über das Halbleiterbauelement geführt wird;

    daß das Ausgangssignal der Meßbrücke mit einem definierten Anteil der trägerfrequenten Brückenspeisespannung überlagert und dann im Lock-in-Verfahren mit der Trägerfrequenz F demoduliert wird;

    daß das so demodulierte Signal einer weiteren, mit der Modulationsfrequenz f synchronisierten Lock-in-Demodulation zur Erfassung der Temperaturmodulation und damit der lokalen Erwärmung unterworfen wird und außerdem nach Integration zur Steuerung des genannten definierten Anteils der Brückenspeisespannung im Sinne eines automatischen Brückenabgleichs verwendet wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Lock-in-Demodulation der Temperaturmodulation die Signalerfassung jeweils in der Nähe des Anfangs und des Endes eines jeden Ausschlages einer periodischen Strombelastung erfolgt und daß diese beiden erfaßten Werte jeweils voneinander subtrahiert werden, um die Differenz als Maß für die lokale Erwärmung anzuzeigen.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Demodulation der Temperaturmodulation eine Signalerfassung in äquidistanten Zeitabständen gleich einem Viertel der Temperaturmodulationsperiode erfolgt und aus jeweils vier aufeinanderfolgenden Erfassungswerten a&sub1;, a&sub2;, a&sub3;, a&sub4; die Modulationsamplitude mittels der Verknüpfung

    [(a&sub3;-a&sub1;)² + (a&sub4;-a&sub2;)²]S

    abgeleitet wird.
  14. 14. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 13, gekennzeichnet durch:

    einen Belastungsgenerator (6; 9) zum Anlegen eines periodischen Belastungsstroms der Modulationsfrequenz f an das zu vermessende Halbleiterbauelement (1);

    einen Temperatursensor (4) zum Fühlen der lokalen Temperatur auf dem Halbleiterbauelement (1);

    eine Vorrichtung (2, 3, 5) zur gesteuerten lateralen Abtastung des Halbleiterbauelementes mit dem Temperatursensor (4);

    eine Meßschaltung (7; 10-15), die aus dem Fühlsignal des Temperatursensors ein Temperaturmeßsignal erzeugt;

    einen Lock-in-Demodulator (8; Schaltung in 3), der aus dem Temperaturmeßsignal ein Anzeigesignal erzeugt, das repräsentativ für die Amplitude der mit der Frequenz f auftretenden Modulation des Temperaturmeßsignals ist.
  15. 15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (10-15) folgendes aufweist:

    eine Meßbrücke (10), in welche der Temperatursensor (4) eingefügt ist;

    einen Wechselspannungsgenerator (13) zur Speisung der Meßbrücke (10) mit einer Trägerfrequenz F»f;

    eine Einrichtung (11, 14) zur Überlagerung des von der Meßbrücke (10) gelieferten Signals mit einem steuerbaren Anteil der Brückenspeisespannung;

    einen weiteren, mit der Trägerfrequenz F gesteuerten Lock- in-Demodulator (12), der das Ausgangssignal der Überlagerungseinrichtung (11, 14) empfängt und das Temperaturmeßsignal erzeugt;

    eine das Temperaturmeßsignal empfangende und integrierende Schaltung (15), deren Ausgangssignal auf einen Steuereingang der Überlagerungseinrichtung (11, 14) gekoppelt ist, um den besagten Anteil der Brückenspeisespannung im Sinne eines automatischen Abgleichs der Meßbrücke (10) zu steuern.






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