Согласование узлов аппаратно-программного комплекса зондовой электрометрии на основе невибрирующего зонда Кельвина с персональным компьютером

Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

К.т.н. Тявловский А.К., к.т.н. Свистун А.И., Дубаневич А.В., д.т.н. Жарин А.Л.

Белорусский национальный технический университет, Беларусь

Согласование узлов аппаратно-программного комплекса зондовой электрометрии на основе невибрирующего зонда Кельвина с персональным компьютером

В рамках разработки принципов и методов зондовой электрометрии на основе невибрирующего зонда Кельвина была разработана структурная схема измерительной установки, обеспечивающей сканирование поверхности образца (в качестве которого рассматривалась полупроводниковая пластина) и построение карты пространственного распределения поверхностного потенциала (контактной разности потенциалов) контролируемого объекта. Такие карты востребованы, в частности, в микроэлектронной промышленности для диагностики дефектов кристаллической структуры и межоперационного контроля заготовок полупроводникового производства [1]. В отличие от используемых в настоящее время методов зондовой электрометрии, метод на основе невибрирующего зонда Кельвина обеспечивает значительно меньшее время проведения контроля и большую разрешающую способность, однако требует достаточно сложной математической обработки измерительного сигнала [2], что предполагает использование в составе измерительной установки персонального компьютера.

Было выполнено согласование приводов перемещения и чувствительного элемента невибрирующего зонда Кельвина с персональным компьютером на аппаратном и программном уровне. Для управления приводами перемещения используется последовательный СОМ-порт персонального компьютера (ПК) стандарта RS-232. Для программного согласования СОМ-порта ПК с платой контроллера управления приводами перемещения SSXYZA01PA разработано программное обеспечение на языке Visual Basic, для чего использовалась среда программирования Microsoft Visual Studio Team System 2008. Выполнена отладка программного обеспечения согласования интерфейсов, по результатам которой полностью обеспечена требуемая функциональность контроллера управления приводами перемещения.

Для согласования с чувствительным элементом невибрирующего зонда Кельвина используется плата сбора данных National Instruments DAQ типа PCI-6036E, встраиваемая в ПК. Выполнено конфигурирование платы PCI-6036E в среде National Instruments Measurement and Automation Explorer v.4.6.1f0. Разработан и отлажен программный модуль связи с платой сбора данных National Instruments DAQ из среды Visual Basic, что обеспечивает полную интеграцию всех элементов программного обеспечения разрабатываемой информационно-измерительной системы в единой программной среде [3].

Структурная схема измерительной установки, реализующей принцип зондовой электрометрии на основе невибрирующего зонда Кельвина, приведена на рисунке 1. На схеме показано согласование приводов перемещения с ПК по интерфейсу RS-232 и аналоговой части измерительной системы по аналоговому интерфейсу NI DAQ (National Instruments Data AcQuisition).

Бесколлекторный двигатель используется как привод вращения образца с постоянной угловой скоростью. Шаговый двигатель осуществляет перемещение чувствительного элемента невибрирующего зонда Кельвина по радиусу вращения, обеспечивая тем самым сканирование всей площади исследуемой поверхности. Измерения осуществляются компенсационным методом, с включением в цепь обратной связи интегрирующего звена (обозначенного на рисунке цифрой 1), чем обеспечивается минимизация ошибки регулирования. В качестве выходного сигнала измерительной системы U_CPD используется сигнал в цепи обратной связи с выхода интегратора, численно равный измеряемому значению поверхностного потенциала (контактной разности потенциалов).

В процессе моделирования взаимодействия объекта измерений с чувствительным элементом невибрирующего зонда Кельвина была выявлена необходимость учета и/или компенсации дистанционной зависимости выходного сигнала невибрирующего зонда Кельвина. В связи с этим в схему аналоговой части измерительной установки введены узлы, обеспечивающие автоматический контроль и поддержание на постоянном уровне расстояния между невибрирующим зондом Кельвина и поверхностью образца.

Рисунок 1 – Схема согласования основных узлов измерительной установки, реализующей принцип зондовой электрометрии на основе невибрирующего зонда Кельвина, с персональным компьютером.

С этой целью на постоянное напряжение компенсации дополнительно накладывается переменное напряжение с амплитудой и частотой :

(1)

Выражение для силы тока на входе предусилителя при этом преобразуется к виду

(2)

При демодуляции сигнала, описываемого выражением (2), с помощью фазового детектора (обозначенного на рисунке как lock-in), работающего на частоте , амплитуда демодулированного сигнала будет равна

(3)

В то же время интегрирование выражения (2) с периодом интегрирования T>>2π/ω_m даст значение U_CPD, т.к. интеграл от гармонической функции U(t) на интервале времени, стремящемся к бесконечности, стремится к нулю. Таким образом, наложение переменного сигнала с частотой не оказывает влияния на измерение контактной разности потенциалов. В то же время сила тока согласно выражению (3) обратно пропорциональна расстоянию между обкладками динамического конденсатора и, таким образом, данный сигнал может непосредственно использоваться в цепи обратной связи для поддержания этого расстояния постоянным. В данном случае для перемещения чувствительного элемента невибрирующего зонда Кельвина в вертикальном направлении с целью регулировки расстояния зонд-образец предлагается использовать высокочувствительный малоинерционный электромагнитный привод на основе соленоида с подвижным самарий-кобальтовым сердечником. За счет наличия интегрирующего звена (обозначенного на рисунке цифрой 2) в цепи обратной связи по расстоянию зонд-образец обеспечивается минимизация ошибки регулирования. Чтобы обеспечить возможность задания разных значений расстояния зонд-образец, в схеме рис. 1 предусмотрена возможность подачи в цепь питания электромагнитного привода постоянного сигнала смещения U_Y₀, который вычитается из напряжения в цепи обратной связи. Для подачи этого сигнала от ПК также используется аналоговый интерфейс NI DAQ.

Таким образом, в результате проведенных исследований обеспечено согласование приводов перемещения и чувствительного элемента невибрирующего зонда Кельвина с персональным компьютером по интерфейсам RS-232 и NI DAQ, разработано программное обеспечение согласования интерфейсов, в результате чего полностью обеспечена требуемая функциональность контроллера управления приводами перемещения. Разработанная схема согласования обеспечивает возможность поддержания на постоянном уровне расстояния между чувствительным элементом невибрирующего зонда Кельвина и поверхностью образца и регулировки этого расстояния. Измерения поверхностного потенциала осуществляются по компенсационной (нулевой) схеме, с использованием в качестве измерительного сигнала напряжения в цепи обратной связи по U_CPD.

Работа выполнена при поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (тема Т10М-168).

Литература:

1. Воробьев, Ю.В. Методы исследования полупроводников / Ю.В. Воробьев, В.Н. Добровольский, В.И. Стриха. – Киев: Высш. школа, 1988. – 232 с.

2. Zharin, A. L. Contact Potential Difference Techniques as Probing Tools in Tribology and Surface Mapping // Scanning Probe Microscopy in Nanoscience and Nanotechnology (edited by B. Bhushan). – Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2010. – P. 687-720.

3. Жарин, А.Л., Тявловский, А.К. Современные тенденции развития средств автоматизации научных исследований // Автоматизация технологических процессов. Материалы международной научно-технической конференции (Минск, 15-16 марта 2011 года). – Минск: «Бизнесофсет», 2011. – С. 86-87.