DESIGN OF THE CONTACT POTENTIALS DIFFERENCE PROBES

The contact potential difference probes distinguished by great variety and produced mostly in the laboratory for specific experimental applications. As a rule, they consist of commercially available instrumentation, and have a number of disadvantages: large dimensions, complexity and high cost, small sensitivity, operating speed, noiseproof, etc. The purpose of this paper is to describe the basic approaches to design of the small dimension, complete contact potential difference probes, providing high sensitivity, operating speed, and noise immunity. In this paper the contact potential difference probe, which is a electrometer with dynamic capacitor plate at about 0.1–5 mm2 . These probes are could be used in scanning systems, such as a Scanning Kelvin Probe, as well as for controlling system of manufacturing processes, e.g. under friction. The design of such contact potential difference probes conducted using modern electronic components, unique circuitry and design solutions described in detail at paper. The electromechanical modulator applied for mechanical vibrations of the reference sample. To provide a high amplitude and phase stability the upgraded generator with Wien bridge was used instead traditional oscillation sensor. The preamplifier made on the base of modern operational amplifiers with femtoampere current input. The power of the preamplifier designed with «floating ground». It allows keeping the relation constant potential to the probe components when changing over a wide range the compensation voltage. The phase detector-integrator based on the electronic antiphase switches with the modulation frequency of the contact potential difference and the integrator. Fullwave phase detection would greatly increase the sensitivity of the probe. In addition, the application of the phase detection allows suppressing noise and crosstalk at frequencies different from the modulation frequency. The preamplifier and the reference sample mounted on a flexible printed circuit board and the edge mechanically connected with a vibrator. Modulator, phase detector-integrator, and other electronic components placed on a separate board. This design contributes to reduce the influence of electromagnetic interference and noise as well as removing microphonic effects, etc

ПОСТРОЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ

The contact potential difference probes distinguished by great variety and produced mostly in the laboratory for specific experimental applications. As a rule, they consist of commercially available instrumentation, and have a number of disadvantages: large dimensions, complexity and high cost, small sensitivity, operating speed, noiseproof, etc. The purpose of this paper is to describe the basic approaches to design of the small dimension, complete contact potential difference probes, providing high sensitivity, operating speed, and noise immunity. In this paper the contact potential difference probe, which is a electrometer with dynamic capacitor plate at about 0.1–5 mm2 . These probes are could be used in scanning systems, such as a Scanning Kelvin Probe, as well as for controlling system of manufacturing processes, e.g. under friction. The design of such contact potential difference probes conducted using modern electronic components, unique circuitry and design solutions described in detail at paper. The electromechanical modulator applied for mechanical vibrations of the reference sample. To provide a high amplitude and phase stability the upgraded generator with Wien bridge was used instead traditional oscillation sensor. The preamplifier made on the base of modern operational amplifiers with femtoampere current input. The power of the preamplifier designed with «floating ground». It allows keeping the relation constant potential to the probe components when changing over a wide range the compensation voltage. The phase detector-integrator based on the electronic antiphase switches with the modulation frequency of the contact potential difference and the integrator. Fullwave phase detection would greatly increase the sensitivity of the probe. In addition, the application of the phase detection allows suppressing noise and crosstalk at frequencies different from the modulation frequency. The preamplifier and the reference sample mounted on a flexible printed circuit board and the edge mechanically connected with a vibrator. Modulator, phase detector-integrator, and other electronic components placed on a separate board. This design contributes to reduce the influence of electromagnetic interference and noise as well as removing microphonic effects, etc. Измерители контактной разности потенциалов отличаются большим многообразием и изготавливаются в основном в лабораторных условиях для конкретных экспериментальных задач. Как правило, они состоят из серийно выпускаемых измерительных приборов и поэтому обладают рядом недостатков, например большими габаритами, сложностью и высокой стоимостью, низкими чувствительностью, быстродействием, помехозащищенностью и др. Целью работы являлось описание базовых подходов к разработке и конструированию малогабаритных, полностью сформированных измерителей контактной разности потенциалов, обеспечивающих высокую чувствительность, быстродействие и помехозащищенность. Для возбуждения механических колебаний эталонного образца применен электромеханический модулятор, в котором для обеспечения высокой амплитудно-фазовая стабильности используется модернизированный генератор с мостом Вина, что обеспечивает захват и поддержание частоты механического резонансного колебания без традиционно используемого датчика колебаний. Предусилитель выполнен на базе операционных усилителей с фемтоамперными входными токами. Питание предусилителя выполнено с «плавающей землей», что позволяет сохранить соотношения потенциалов компонентов зонда постоянными при изменении напряжения компенсации в широком диапазоне. Фазовый детектор-интегратор выполнен на основе противофазно коммутируемых с частотой модуляции контактной разности потенциалов электронных ключей и интегратора. Двухполупериодное фазовое детектирование позволяет в значительной степени повысить чувствительность. Для уменьшения влияния электромагнитных наводок и шумов, устранения микрофонного эффекта предварительный усилитель вместе с эталонным образцом смонтирован на гибкой печатной плате, отдельно от других электронных узлов.

Универсальный цифровой зондовый электрометр для контроля полупроводниковых пластин

Non-contact electrical methods are widely used for research and control of semiconductor wafers. The methods are usually based on surface potential measurement (CPD) in combination with illumination and/or deposition of charges on the sample using a corona discharge, and are also based on the measurement of surface photo-emf. By photo-EMF (SPV) it is possible to determine the lifetime of minor charge carriers, their diffusion length and detect traces of heavy metals on the surface. In addition, using photo-EMF it is possible to determine the surface resistance of the plate, some parameters of the dielectric layer on the surface and barrier photo-EMF (JPV). Electrical performance results reflect the influence of near-surface characteristics on the final performance of devices. The aim of the work was to develop a universal digital probe electrometer that implements various non-contact electrical methods for analyzing semiconductor wafers, in which the change in operating modes and configuration, transmission of the received data, remote testing and calibration are carried out via digital local control channels. This paper describes a universal digital probe electrometer developed by the authors, which implements the above-described non-contact electrical methods for analyzing semiconductor wafers (CPD, SPV and JPV), in which the change in operating modes and configuration, transmission of the received data, remote testing and calibration are carried out via digital local control channels. Due to their high speed, electrical characterization methods are suitable for inspecting semiconductor wafers during production. The results of testing the developed probe electrometer in CPD, SPV and JPV modes are presented, which reflect the effectiveness of the proposed approaches.Для исследования и контроля полупроводниковых пластин широко используются бесконтактные электрические методы, основанные на измерении потенциала поверхности (CPD) в сочетании с освещением и/или осаждением зарядов на образец с помощью коронного разряда, а также на измерении поверхностной фото-ЭДС (SPV). По фото-ЭДС возможно определение времени жизни неосновных носителей заряда, их диффузионную длину и обнаружение следов тяжелых металлов на поверхности. Кроме того, с использованием фото-ЭДС возможно определение поверхностного сопротивления полупроводниковой пластины, некоторые параметры слоя диэлектрика на поверхности и барьерную фото-ЭДС (JPV). Результаты измерения электрических параметров отражают влияние приповерхностных характеристик на конечные характеристики устройств. Целью работы являлась разработка универсального цифрового зондового электрометра, реализующего различные бесконтактные электрические методы анализа полупроводниковых пластин, в котором передача полученных данных, изменение конфигурации, удалённое тестирование и калибровка осуществляются по цифровым каналам локального управления. В работе описан разработанный авторами универсальный цифровой зондовый электрометр, реализующий описанные выше бесконтактные электрические методы анализа полупроводниковых пластин (CPD, SPV и JPV). Управление электрометром, включающее передачу полученных данных, изменение конфигурации, удалённое тестирование и калибровка, осуществляется по цифровым каналам локального управления. Благодаря высокому быстродействию методы определения электрических характеристик подходят для контроля полупроводниковых пластин в процессе производства. Приведены результаты тестирования разработанного зондового электрометра в режимах CPD, SPV и JPV, отражающие эффективность предложенных подходов

Интеллектуальный сенсор для измерительных систем, работающих по схеме синусоидальное возбуждение – отклик

Measuring devices and systems containing sensors that require sinusoidal excitation are widely used in information and measurement technology both in production conditions and in research practice. Examples include various types of metal detectors, eddy current flaw detectors, analyzers of liquid media, electrometers with a dynamic capacitor, etc. The aim of the work was to develop the optimal architecture and algorithms for the operation of intelligent sensors intended for use in measuring systems operating according to the sinusoidal excitation – response scheme.This paper describes the approach proposed by the authors to the construction of intelligent sensors based on modern microcontrollers, the distinctive feature of which is the continuous generation of sinusoidal excitation and reading responses in the background, as well as setting the readiness flags for data processing in the main process of the microprocessor, which ensures uninterrupted execution of background processes, the main of which is the generation of a sinusoidal excitatory action.This approach has been tested in the development of charge-sensitive surface mapping systems, such as the Kelvin probe based on a vibrating capacitor, and the surface photo voltage probe for the case of semiconductors.Измерительные приборы и системы, содержащие датчики, требующие синусоидальное возбуждающее воздействие, широко используются в информационно-измерительной технике как в производственных условиях, так и в исследовательской практике. В качестве примеров можно привести различные типы металлоискателей, вихретоковые дефектоскопы, анализаторы жидких сред, электрометры с динамическим конденсатором и др. Целью работы являлась разработка оптимальной архитектуры и алгоритмов работы интеллектуальных сенсоров, предназначенных для использования в измерительных системах, работающих по схеме синусоидальное возбуждение – отклик.В настоящей работе описан предложенный авторами подход к построению интеллектуальных сенсоров на базе современных микроконтроллеров, отличительной особенностью которого является непрерывная генерация синусоидальных воздействий и считывание откликов в фоновом режиме, а также выставление флагов готовности для обработки данных в основном процессе микропроцессора, что обеспечивает бесперебойное выполнение фоновых процессов, главным из которых является генерация синусоидального возбуждающего воздействия.Данный подход опробован при разработке систем картирования поверхностей зарядочувствительными методами, такими как зонд Кельвина, на основе динамического конденсатора, и зонд поверхностной фото-ЭДС для случая полупроводников

Зарядочувствительный метод исследования деформационных процессов

Surface charge can be used as an information parameter about the change in the state of the material under the action of mechanical stresses. The aim of the work was to develop methods for studying deformation processes in metallic and polymeric materials using a charge-sensitive method.Experimental studies of deformation processes under tensile, compressive and impact loads were carried out on samples of various materials: aluminum alloy of AMg2 grade, steel of grade 08PS, high-pressure polyethylene of grade 12203-250 and samples of composite materials based on it, F4 polytetrafluoroethylene. As a research method, the analysis of changes in the relative values of the surface electron work function in the case of metals and the surface electrostatic potential in the case of polymers and composite materials is used. A scanning modification of a charge-sensitive probe is used as a measuring instrument.The results of experimental studies of materials in a stress-strain state demonstrate the high efficiency of the proposed method. The research methodology makes it possible to detect local changes in the surface potential of the material in the area of deformations, which are not detected on a macroscopic scale using standard methods. The results obtained can serve as a basis for the development of new methods and techniques for studying the mechanical properties of both metals and dielectric materials. В качестве информационного параметра об изменении состояния материала под действием механических напряжений может быть использован поверхностный электростатический потенциал (заряд). Целью работы являлась отработка методик исследования деформационных процессов в металлических и полимерных материалах с использованием зарядочувствительного метода.Проведены экспериментальные исследования деформационных процессов при растягивающих, сжимающих и ударных нагрузках на образцах различных материалов: алюминиевый сплав марки АМг2, сталь марки 08ПС, полиэтилен высокого давления марки 12203-250 и образцы композиционных материалов на его основе, фторопласт-4. В качестве метода исследований использовался анализ изменений относительных значений работы выхода электрона поверхности в случае металлов и поверхностного электростатического потенциала в случае матричных и композиционных полимерных материалов. В качестве средств измерений использовалась сканирующая модификация зарядочувствительного зонда.Результаты экспериментальных исследований материалов в напряжённо-деформированном состоянии демонстрируют высокую эффективность предложенного метода. Методика исследований позволяет обнаруживать локальные изменения поверхностного потенциала материала в области действия деформаций, которые не обнаруживаются в макроскопическом масштабе с использованием стандартных методов. Полученные результаты могут служить базой для разработки новых методов и методик исследования механических свойств как металлов, так и диэлектрических материалов

Измерение электрического потенциала поверхности с использованием статического зонда

Surface electric potential measurements are widely used in non-destructive inspection and testing of precision surfaces, for example, in the production of semiconductor devices and integrated circuits. Features of the construction and application of devices for measuring the surface electric potential using an immovable reference electrode are considered. Despite the need to increase the area of the probe compared to devices with a vibrating probe, measurement techniques with an immovable probe have a number of advantages and could expand the scope of surface electric potential measurements in the inspection of samples with precise surfaces. Models of the formation of a measuring signal in the presence of a spatial inhomogeneity of surface electric potential are presented and discussed.Методы контроля изменений электрического потенциала поверхности широко используются в операциях неразрушающего контроля прецизионных поверхностей, например, в электронной промышленности в процессе изготовления полупроводниковых приборов. Целью работы является расширение области применения методик бесконтактного контроля и измерения электрического потенциала поверхности на основе использования статического отсчётного электрода.Рассмотрены особенности построения и применения устройств измерения электрического потенциала поверхности с использованием неподвижного отсчётного электрода. Несмотря на необходимость увеличения площади зонда по сравнению с устройствами, использующими вибрирующий зонд, методики измерения с неподвижным зондом имеют ряд преимуществ и расширяют область применения измерений электрического потенциала поверхности в контроле изделий с прецизионными поверхностями. Приведены модели формирования измерительного сигна-ла при наличии пространственной неоднородности электрического потенциала поверхности.