[发明专利]载流子浓度镓基液态金属测量探头及其装置

说明书

本发明公开了一种载流子浓度镓基液态金属测量探头，导电线连接碳化钨棒，碳化钨棒的一端伸入由抗腐蚀材料制成的液态金属容器中，液态金属容器开设有贯通的容腔和毛细管，容腔连通毛细管；所述容腔内部填注镓基液态金属，镓基液态金属浸没碳化钨棒，利用在毛细管内的镓基液态金属形成测量探针，解决了探针安全性和环保的问题；该测量探针与测量样品为面接触，相比传统探针的点接触能够增大接触面积，使得测量数据的重复性好，提升了测量数据的准确度；使用诸如聚四氟乙烯等抗腐蚀材料的液态金属的容器及其毛细管，既不会被镓基合金腐蚀，也不会与镓基液态金属发生粘连，提升了镓基液态金属的流动性，从而提升测量精度。

技术领域

本发明涉及半导体测量，具体是一种应用电容一电压(CV)法测量半导体抛光片载流子浓度的镓基液态金属测量探头及其装置。

背景技术

硅抛光片和砷化镓抛光片是半导体器件中的重要基础材料，它们都摻入不同的杂质，以控制材料的电阻率、型号等性能，这样才能形成PN结、MOS结等器件。半导体单晶中的载流子浓度与电阻率、掺杂分布紧密相关，是材料和器件工艺中必须掌握的重要质量参数。

载流子浓度的测量普遍使用CV(电容-电压)法，如果采用一般的探针测量，采用的都是很尖的针，接触直径按微米计(几十个微米)，属于点接触。由于CV法中测量的结电容C是与接触面积成正比的，点接触的接触面积小且不稳定，无法得到稳定的测量结果，还会损坏抛光片，因此不能采用尖针做探针。那么，必须找到能够实现面接触测量的相关技术和设备(由于面接触的接触面积较大且稳定，又因为只有金属与测量样品直接接触才能形成良好的金属-半导体结，有了结才有结电容C，这是进行CV测量的原理所在)。

考虑到液态金属汞的流动性极佳，对毛细管不会有任何沾连(也即汞不会粘附于毛细管)，同时对金属没有腐蚀性，可以用各种导电良好的金属做电极引线，汞探针与半导体抛光片的接触面积很稳定，重复性也很好，因此，多年来国内外在该领域一直沿用汞作为测量介质(电容的一极)，但是，由于汞有剧毒，对使用者的健康带来隐患，给防护带来许多困难，也抑制了这种方法的普遍推广。

现有的载流子浓度测量设备(SSM495、MCV530L、MCV-3000)中，探针均用汞，汞在毛细管(与气路相连)内受气体分配器压力的控制，气压为负时，汞缩入毛细管与测量样品脱离接触；气压为正时，汞伸到毛细管口与在空气中的半导体测量样品接触，形成金属-半导体结(肖特基结)，此时汞暴露在空气中，为了防止汞的危害，在设备中对汞蒸气的收集、排放、被污染晶片的处理，汞蒸气的分析占了很重要部分，增加了设备的成本和复杂程度，同时增加了使用的难度，也给后期的汞处理也带来麻烦。总之，由于设备昂贵，汞的防护要求高，特别不适合中小企业和高校做测量或实验设备。

为了代替汞的使用，研究表明，对人体基本无害的镓基液态合金是最佳选择。如现有技术：中国专利文献CN106381434(一种具有低温流动性的镓基液态合金、制备工艺及体温计)能够降低液态合金的“预凝固”温度，改善其低温粘度，确保液态合金器件在低温环境下的正常使用和存储。具有低温流动性的镓基液态合金，它由以下重量百分比的组分组成：镓60～80％、铟9～10％、锡5～2％、铋0.5～4％和银0.2～1.5％。该技术在医疗器械领域的水银替代、尖端制冷领域的关键制冷介质等方面具有广泛的应用。镓基液态合金温度计解决了合金与玻璃毛细管的粘连问题，它是在体温下受热膨胀体积变大了，这种镓基温度计只能用于温度变化测量环境，并且，温度计里的液态金属是封在玻璃管内的，这种温度计结构无法应用于半导体测量(半导体测量要求镓基液态合金与被测物体表面直接接触，也不能依靠热胀冷缩来改变液柱高度)。

镓基合金虽然无毒，但是对大部分金属有腐蚀性，对玻璃等毛细管均会粘附，且会氧化，因此与抛光片的接触面积可能不稳定，严重影响测量精度。若要用镓基合金代替汞，必须解决与毛细管粘连及流动性差的缺点。

发明内容