GB/T 42271-2022 半绝缘碳化硅单晶的电阻率非接触测试方法

　　ICS 77 . 040 CCS H 21

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 42271—2022

　　半绝缘碳化硅单晶的电阻率

　　非接触测试方法

　　Test method for resistivity of semi-insulating monocrystalline

　　silicon carbide by contactless measurement

　　2022-12-30 发布 2023-04-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 42271—2022

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC/TC203)与全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分技术委员会(SAC/TC203/SC2)共同提出并归 口 。

　　本文件起草单位:北京天科合达半导体股份有限公司 、中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟 、安徽长飞先进半导体有限公司 、有色金属技术经济研究院有限责任公司 、中国电子科技集团公司第四十六研究所 。

　　本文件主要起草人:彭同华 、佘宗静 、王大军 、张贺 、李素青 、王波 、杨建 、袁松 、刘立娜 。

　　I

　　GB/T 42271—2022

　　半绝缘碳化硅单晶的电阻率

　　非接触测试方法

　　1 范围

　　本文件描述了半绝缘碳化硅单晶的电阻率非接触测试方法。

　　本文件适用于测量电阻率范围为 1×105 Ω ● cm~1×1012 Ω ● cm 的半绝缘碳化硅单晶片。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中 , 注 日期的引用文件 , 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件 , 其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 14264 半导体材料术语

　　GB/T 30656 碳化硅单晶抛光片

　　3 术语和定义

　　GB/T 14264 界定的术语和定义适用于本文件。

　　4 原理

　　非接触式电阻率测试采用电容充放电原理。 首先对样品进行瞬时充电 , 再利用仪器实时监测放电过程中的电量 , 从而得到其变化的弛豫曲线 , 之后对该曲线进行数学分析得到弛豫时间(τ) , 最后通过弛豫时间(τ)计算出半绝缘碳化硅单晶的电阻率。

　　5 试验条件

　　5 . 1 测试过程中用的测试机台应无振动 、无电磁干扰且良好接地。

　　5 . 2 温度 : (23±3)℃ ;相对湿度(RH) :60%±20% 。

　　6 干扰因素

　　6 . 1 不同的光强 , 对电阻率的测试结果有影响 , 在测试过程中应关闭设备的遮光罩。

　　6 . 2 静电 、振动测试环境对电阻率的测试结果有影响 , 测试过程中应采取严格的屏蔽措施。

　　6 . 3 样品表面 、吸附载物台及测试探头上的颗粒沾污会影响半绝缘碳化硅单晶片的电阻率 , 测试前应确认样品表面 、吸附载物台及测试探头无肉眼可见的大颗粒沾污。

　　6 . 4 样品厚度的变化会对电阻率的测试结果有影响 , 测试前应确保样品厚度均匀。

　　1

　　GB/T 42271—2022

　　7 仪器设备

　　7 . 1 探头:电容式探头装置基本结构如图 1 所示 , 其中处于探头中心的是电荷放大器电极 , 用于实时监测电量变化 , 其直径为 1 mm 。

　　标引序号说明 :

　　1 — 电极 ;

　　2 — 金属环 ;

　　3 — 吸附载物台 ;

　　4 — 碳化硅单晶片 ;

　　5 — 氮气(空气)层 ;

　　6 — 测试区域 。

　　图 1 电容式探头装置基本结构示意图

　　7 . 2 步进电机 。

　　7 . 3 数字示波器 。

　　8 样品

　　8 . 1 半绝缘碳化硅单晶片的样品直径为 50 . 8 mm 、76 . 2 mm 、100 . 0 mm 、150 . 0 mm 、200 . 0 mm , 样品厚度为 200 μm~5 000 μm 。

　　8 . 2 样品表面应无大面积缺陷 , 并确保表面洁净 , 表面粗糙度(Ra)应小于 10 μm 。

　　8 . 3 样品局部厚度偏差应不大于 10 μm(测试区域:10 mm× 10 mm) , 全片总厚度偏差应不大于 30 μm。

　　9 试验步骤

　　9 . 1 校准

　　使用砷化镓标样晶片进行设备校准 。调整 Z 轴的最大行程及气体(氮气/空气)流量 , 使电容上的瞬时电压为 0 . 75 v(砷化镓的活化能为 0 . 75 v) , 确定 Z 轴的最大行程及气压设定正确 , 测得的砷化镓标样晶片电阻率的值与标准值的差应在误差范围内 。

　　注 : 活化能指电子从基态变为激发态所需要的能量 。

　　9 . 2 测试

　　9 . 2 . 1 将待测样品放置在吸附载物台上 , 打开真空吸附泵并开启计算机软件 。

　　9 . 2 . 2 根据待测样品的尺寸选择对应的程序文件 , 选择晶片材料类型为碳化硅 , 输入样品编号 、样品厚

　　2

　　GB/T 42271—2022

　　度及测试点数 , 点击开始测试 , 探头将在电机的控制下自动移动到待测位置 。

　　9 . 2 . 3 计算机根据测试需求将待测样品表面划分成若干个等面积的测试区域(见 9 . 3) , 并控制仪器依次测试这些区域的电阻率 。

　　9 . 2 . 4 测试完毕 , 取下样品 。

　　9 . 3 测试点分布

　　测试点边缘去除区应符合 GB/T 30656 的要求 , 测试点分布如图 2 所示 , 具体测试点个数及要求应符合表 1 的规定 , 圆内每个网格的中心为测试点 。

　　图 2 电阻率测试点分布图

　　表 1 不同直径碳化硅单晶片电阻率测试点的个数及要求

　　半绝缘碳化硅单晶片直径

　　mm

　　测试点个数

　　测试点要求

　　50 . 8

　　不少于 4 × 4 个点

　　圆 内 每 个 网 格 不 大 于 10 mm × 10 mm , 圆内每一行网格的右侧为起始测试点

　　76 . 2

　　不少于 6 × 6 个点

　　100 . 0

　　不少于 8 × 8 个点

　　150 . 0

　　不少于 12 × 12 个点

　　200 . 0

　　不少于 16 × 16 个点

　　3

　　GB/T 42271—2022

　　10 试验数据处理

　　10 . 1 弛豫时间按公式(1)计算 :

　　τ =RS (Ca +CS) ……………………( 1 )

　　式中:

　　τ — 弛豫时间 , 单位为秒(S) ;

　　RS — 晶片的电阻 , 单位为欧姆(Ω) ;

　　Ca — 探头与晶片之间的气体(氮气/空气)电容 , 单位为法拉(F) ;

　　CS — 晶片的电容 , 单位为法拉(F) 。

　　10 . 2 加入恒定的外加电压(U)时 , 瞬态电量[Q(t)]按公式(2)计算:

　　Q +Q ……………………( 2 )

　　式中:

　　Q(t) — 时间 t 时的晶片两端的瞬态电量 , 单位为库仑(C) ;

　　Ca — 探头与晶片之间的气体(氮气/空气)电容 , 单位为法拉(F) ;

　　CS — 晶片的电容 , 单位为法拉(F) ;

　　U — 外加电压 , 单位为伏特(v) ;

　　e — 以 e为底的指数函数 , 数值约为 2 . 718 28 ;

　　t — 即时时间 , 单位为秒(S) ;

　　τ — 弛豫时间 , 单位为秒(S) ;

　　Q(0) — 时间 t=0 时的晶片两端的瞬态电量 , 单位为库仑(C) 。

　　10 . 3 由电阻定律和晶片电容公式可得到公式(3) :

　　RS CS = ε ε 0 P ……………………( 3 )

　　式中:

　　RS — 晶片的电阻 , 单位为欧姆(Ω) ;

　　CS — 晶片的电容 , 单位为法拉(F) ;

　　ε — 测试碳化硅的相对介电常数 ;

　　ε 0 — 真空介电常数 , 数值为 8 . 85 × 10 — 14 F/cm ;

　　P — 晶片的电阻率 , 单位为欧姆厘米(Ω . cm) 。

　　10 . 4 半绝缘碳化硅单晶的电阻率(P)按公式(4)计算:

　　P ……………………( 4 )

　　式中:

　　P — 晶片的电阻率 , 单位为欧姆厘米(Ω . cm) ;

　　Q(0) — 时间 t=0 时晶片两端的瞬态电量 , 单位为库仑(C) ;

　　Q(∞) — 时间 t=∞时完全放电后晶片两端电量 , 单位为库仑(C) ;

　　τ — 弛豫时间 , 单位为秒(S) ;

　　ε 0 — 真空介电常数 , 数值为 8 . 85×10 —14 F/cm ;

　　ε — 测试碳化硅的相对介电常数 。

　　1 1 精密度

　　选取 3 片直径为 100 . 0 mm , 电阻率范围为 1 × 10 5 Ω . cm~1 × 10 12 Ω . cm 的半绝缘碳化硅单晶

　　4

　　GB/T 42271—2022

　　片,采用非接触式电阻率测试仪按照本文件规定的方法分别进行测试。 单一实验室对半绝缘碳化硅单晶片电阻率测试的相对标准偏差不大于 10% ;3 个测试单位对半绝缘碳化硅单晶片电阻率测试的相对标准偏差不大于 20% 。

　　12 试验报告

　　试验报告应包含下列内容 :

　　a) 测试样品名称 、样品编号 ;

　　b) 本文件编号 ;

　　c) 测试日期 ;

　　D) 测试样品厚度 、电阻率最大值 、最小值 、平均值 ;

　　e) 测试结果输出图 ;

　　f) 测试人员 、复核人员签字盖章 ;

　　g) 其他。

　　5