CC BY
3
УДК 620.179.14
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-4-223-224
ЛОКАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ СВЕРХМИНИАТЮРНЫХ ВИХРЕ ТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Д.И. Лосоногов, Д.А. Шмыков, Е.А. Жданов, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, А.А. Ореховская
В данной работе метод вихревых токов был использован для исследования электропроводности полупроводниковых материалов. В статье описана конструкция вихретокового датчика и системы позиционирования датчика на основе шаговых двигателей и звуковой карты в качестве АЦП-ЦАП. Описаны результаты исследований электропроводности полупроводникового полупространства в планарном случае. Полученные в ходе исследования результаты демонстрируют возможности вихретокового метода для исследования электропроводности полупроводниковых материалов.
Ключевые слова: вихретоковый контроль, преобразователь, шаговый двигатель, электропроводность, полупроводники.
Потребность в совершенствовании и развитии технологий производства полупроводниковых материалов актуализирует проблему эффективного контроля их качества. Производство материалов микроэлектроники требует оснащения промышленности высокоточными методами и средствами измерений, а также освоения современных методов неразрушающего контроля. В настоящее время диагностика полупроводниковых пластин осуществляется преимущественно четырёхзондовым методом, который имеет ряд недостатков.
В основе метода вихретокового неразрушающего контроля (НК) лежит регистрация изменений электромагнитного поля вихревых токов, индуцированных возбуждающей обмоткой вихретокового преобразователя (ВТП) в электропроводящем объекте контроля. Интенсивность и распределение вихревых токов в объекте зависят от его геометрических размеров, электромагнитных параметров и расположения ВТП относительно объекта [1-2].
Преимущество электромагнитного контроля заключается в том, что измерения можно проводить без прямого контакта между преобразователем и объектом. Взаимодействие происходит на расстоянии от долей миллиметра до нескольких миллиметров, что позволяет получать точные результаты даже при движении объектов контроля [3-6].
Ещё одно достоинство метода вихревых токов (МВТ) — это его простая конструкция. Катушки защищены корпусом и залиты компаундом, что делает их стойкими к механическим повреждениям и воздействию окружающей среды. Такая конструкция обеспечивает надёжную работу преобразователей в агрессивных условиях и при различных температурах и давлениях.
Как видно из сравнительного анализа обоих методов, метод вихревых токов способен заменить 4-х зон-довый метод и оптимизировать процесс диагностики.
Материалы и методы. На базе Алтайского государственного университета создана экспериментальная установка электромагнитной диагностики полупроводниковых пластин методом вихревых токов. Основной модуль установки - система сбора информации в виде вихретокового датчика.
Система сбора информации служит непосредственно для работы с полупроводниковой пластиной. Именно эта система взаимодействует с объектом измерений. После исследования объекта контроля, информация об объекте оцифруется через звуковую карту, используемую в качестве АЦП.
Система позиционирования предназначена для точного размещения датчика ВТП над поверхностью объекта диагностики в выбранной пользователем координате.
Датчик имеет три степени свободы и, следовательно, может перемещаться в трех плоскостях. Хотя для проведения диагностики необходимо перемещение по двум координатам - над поверхностью матрицы.
Система позиционирования строится на шаговых двигателях с червячным механизмом.
Рис. 1. Схема работы системы позиционирования
Так как необходимо перемещать датчик в двух плоскостях, то в системе позиционирования используется два шаговых двигателя.
В начале работы пользователь задает область диагностики. Область формируется как матрица позиций для измерений. Затем происходит инициализация устройств. Двигатель №1 и двигатель №2 последовательно подводят датчик к выбранной позиции, в плоскости параллельной матрице.
Известия ТулГУ. Технические науки. 2024. Вып. 4
Свободный ход двигателя составляет 15 мм. Соответственно площадь диагностируемой поверхности составляет 15мм*15мм = 225 мм2, что вполне достаточно для проведения необходимых измерений.
После проведения измерения в исходной позиции двигатель №1 начинает смещаться на один шаг пока не дойдет до края выбранной области.
Аналогично двигатель №2 смещается по другой координате. Таким образом, происходит построчное сканирование выбранной области, с пошаговой записью данных в массив.
Результаты исследования. Для тестирования устройства, была произведена серия измерений электропроводности эталонных полупроводников с заранее известным значением электропроводности. Удельная электрическая проводимость использованных образцов была определена при помощи двойного моста Уитстона при температуре 20±0,5°С с погрешностью не более 1% 4-х зондовым методом.
Диаграмма зависимости отклика (у.е.) от позиционирования ВТП представлена на рис. 2.
Зависимость отклика (у.е.) от позиционирования
у.е.
20000000
15000000 10000000
5000000
О 10 20 30 40
Рис. 2. Диаграмма зависимости отклика (у.е.) от позиционирования ВТП (Образец - арсенид индия ИМЭО-36 ф36)
По эталонным полупроводниковым пластинам с известной удельной проводимостью была построена зависимость отклика от удельной проводимости. На рис.3 представлена зависимость проводимости пластин с различной электропроводностью от их отклика в у.е. от положения датчика над пластиной.
Рис. 3. Диаграмма зависимости отклика от удельной проводимости
На представленном графике заметны существенные изменения проводимости в зависимости от положения датчика над объектом. Это свидетельствует о неоднородности полупроводниковой структуры и, как следствие, о ее низком качестве.
Заключение. В ходе проведенных исследований был изучен один из методов неразрушающего контроля - метод вихревых токов и возможности его применения для исследования электропроводности полупроводниковых материалов.
Разработана система позиционирования датчика на основе шаговых двигателей и звуковой карты в качестве АЦП-ЦАП. Также были разработаны методы и средства взаимодействия со стандартными устройствами мультимедиа. Осуществлена разработка экспериментальной установки для диагностики полупроводниковых пластин и проведены исследования электропроводности полупроводникового полупространства в планарном случае.
Полученные в ходе исследования результаты измерения электропроводности полупроводников демонстрируют возможности вихретокового метода для контроля качества полупроводниковых материалов. Благодаря высокой локализации магнитного поля удается получать данные с малых участков полупроводниковых пластин, за счет чего можно делать вывод о распределении примесей в полупроводниках на небольших участках. Таким образом, данный метод открывает широкие возможности для оценки качества полупроводниковых пластин.
Благодарности. Исследование выполнено в рамках реализации Программы развития Алтайского государственного университета на 2021-2030 годы в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030», проект "Аппаратно-программный комплекс для исследования металлических изделий и деталей вихретоковым и лазерно-акустическим методом".
Список литературы
1. S F Dmitriev, A V Ishkov, V N Malikov, A M Sagalakov, A O Katasonov. Non-destructive testing of the metal-insulator-metal using miniature eddy current transducers. IOP Conf. Ser: Mater. Sci. Eng.. 2015. Volume 71 conference 1. P. 1-7.
2. W. Li, Y. Ye, K. Zhang, A Thickness Measurement System for Metal Films Based on Eddy-Current Method With Phase Detection. IEEE Trans. Indust. Electr. 2017. Volume 64(5). P. 3940-3949.
3. D. F. He, K. Zhang, J. Tang, A contactless method to measure the electrical conductivity. 3rd IEEE International Conference on Control Science and Systems Engineering (ICCSSE). Beijing. 2017. P. 305-308.
4. W. L. Yin, K. Xu, A Novel Triple-Coil Electromagnetic Sensor for Thickness Measurement Immune to Liftoff Variations. IEEE Trans. Instrum. Meas. 2016. Volume 65(1). P. 164-169.
5. E. Pinotti, E. Puppin, Simple Lock-In Technique for Thickness Measurement of Metallic Plates. IEEE Trans. Instrum. Meas. 2014. Volume 63(2). P. 479-484.
6. W. Yin, A. J. Peyton, Thickness measurement of non-magnetic plates using multi-frequency eddy current sensors. Nondestr. Test. Eval. Int. 2007. Volume 40(1). P. 43-48.
Лосоногов Дмитрий Игоревич, студент, [email protected]. Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Шмыков Данил Николаевич, студент, danvshmvkov0000@mail. ru. Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Жданов Евгений Александрович, студент, zdanovevgenii555@gmail. com. Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, sergev_voi@mail. ru, Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, [email protected]. Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Ореховская Александра Александровна, канд. сельс. наук, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, orehovskaia [email protected], Россия, Казань, Казанский федеральный университет
LOCAL MEASUREMENTS OF ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF SEMICONDUCTOR MATERIALS USING
SUBMINATURE EDGE CURRENT CONVERTERS
D.I. Losonogov, D.A. Shmykov, E.A. Zhdanov, S.A. Voinash, V.A. Sokolova, A.A. Orekhovskaya
In this work, the eddy current method was used to study the electrical conductivity of semiconductor materials. The article describes the design of an eddy current sensor and a sensor positioning system based on stepper. The results of studies of the electrical conductivity of a semiconductor half-space in the planar case are described. The results obtained during the study demonstrate the capabilities of the eddy current method for studying the electrical conductivity of semiconductor materials.
Key words: eddy current testing, converter, stepper motor, electrical conductivity, semiconductors.
Losonogov Dmitry Igorevich, student, thegamerone2@gmail. com. Russia, Barnaul, Altai State University,
Shmykov Danil Nikolaevich, student, danvshmvkov0000@mail. ru, Russia, Barnaul, Altai State University,
Zhdanov Evgeniy Aleksandrovich, student, zdanovevgenii555@gmail. com. Russia, Barnaul, Altai State
University,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher at the research laboratory, [email protected]. Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Sokolova Viktoriia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, leading researcher at the research laboratory, sokolova_vika@inbox. ru. Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Orekhovskaya Alexandra Aleksandrovna, candidate of agricultural sciences, leading researcher at the research laboratory, orehovskaia [email protected]. Russia, Kazan, Kazan Federal University
