книги / Неразрушающий контроль параметров тонких проводящих пленок электромагнитными методами

3. Вихретоковые методы контроля тонкопленочных структур

OO^J СП (Л

Рис. 3.23. Зависимость функции Fj(a, у):

5 —„от V - .a - l.0 J i) ; 0,9 (2); 0,8 (3); 0,7 (4); 0.6 (5);

3.3. Контроль тонкопленочных проводящих дисков

103

Рис. 3.24. Зависимость активной составляю­ щей вносимого сопротивления от проводи­ мости квадрата поверхности:

J — f= 12 МГц, а=0,855, а - 2 сы; 2			— /-1 2 МГц.
а —0,838,	а—1,5 см; 3 — /=12	МГц,	а —0,625, а=
*=2 см; 4	— /=3,G МГц, а-0,855,	а—2	см

радиуса (параметр а) доказана возможность достаточно точного контроля импеданса квадрата поверхности для зазора h = 0 [46].

На рис. 3.24 приведена экспериментальная зависимость актив­ ной составляющей вносимого в преобразователь сопротивления от проводимости квадрата поверхности проводящих дисков при h = 0.

На рис. 3.25 приведены результаты экспериментальных ис­ следований серебряных покрытий на полимерных пленках круг­ лой формы радиусами 17,1 и 12,6 мм с помощью вихретокового преобразователя с а=20 мм, W—4 (а=0,855; 0,625) на частоте 12 МГц. Исследовались три образца. Импеданс квадрата поверх­ ности измерялся предварительно по методике работы [46], т. е.

104	3. Вихретоковые методы контроля тонкопленочных структур

RBH1

Ом

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0 -0,1 П 0,1 0,2 0,3 0,4 0.5 0,6 У

Рис, 3.25. Зависимость активной составляющей вносимого сопротивления от зазора для об­ разцов:

1 —	Z6= 0,48		Ом/П, <2=0,855;	2 — Zs = 0,657	Ом/П,
<х=0,855; 3		—	Zs = 1,796 Ом/D,	<2=0,855; 4 —	Zs =
=0,48	Ом/П,	<2=0,625

в точке h = 0. Затем снимались экспериментальные зависимости активной составляющей вносимого в преобразователь сопротив­ ления (преобразователь в схеме Q-метра) от зазора h (параметра y=hja). Сплошные кривые соответствуют построенным на осно­ вании выражения (3.55) кривым для значений Zs и а.

4. ИК-, РЛДИОВОЛНОВЫЕ И ЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

РЕЗИСТИВНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР

Оптическим и радиоволновым методам контроля тонких проводящих пленок посвящено множество работ [118, 119, 123, 126, 135, 187, 215, 217, 264]. Оптические методы широко использу­ ются для измерения толщины и оптических постоянных тонких диэлектрических и слабопоглощающих пленок на прозрачных и отражающих подложках [147, 151, 166, 182, 197, 198, 216, 253]. Толщина и оптические постоянные пленок определяются по изве­ стным выражениям для коэффициентов отражения и прохождения. Однако, как было показано в главе 1, для неоднородных пленок оптическая толщина не соответствует толщинам, измеренным другими методами, и не может однозначно характеризовать поведе­ ние пленок в электромагнитных полях других частотных диапазо­ нов. Для ИК-Диапазона, в случае однородных, сеточных, мелкозер­ нистых проводящих пленок наблюдается определенное соответст­ вие между этими величинами ![200, 208, 244].

Существующие радиоволиовые методы измерения тонких пле­ нок: волноводные и резонаторные [3, 17, 18, 114, 118, 219, 252] — требуют использования образцов специальной формы с примене­ нием различных видов радиоволновых преобразователей (излуча­ телей) [78, 100, 178, 202, 233] и не нашли широкого применения в промышленности. Использование специальных радиоволновых из­ лучателей основывается на эмпирическом материале (калибровка

по	эталонным	образцам), требует	дополнительной линеаризации
и	стабилизации разрабатываемых		приборов [75, 78, 102, 239].
	В пп. 2.2.2,	2.2.3 были изложены	методики расчета взаимодей­

ствия плоской электромагнитной волны и поля открытого резона­ торного преобразователя с тонкопленочной структурой, которые хорошо реализуются в оптическом, ИК- и СВЧ-диапазонах элек­ тромагнитных волн. Причем из-за высокой частоты электромаг­ нитных волн в этих диапазонах возможна реализация контроля

106	4. ИК-, радиоволновые и емкостные методы контроля

сверхтонких (высокоомных) резистивных пленок. Такие структуры широко используются в микроэлектронике, бессеребряной фото­ графии, ИК-, СВЧ-технике и других областях.

В настоящей главе рассматриваются методы неразрушающего контроля этих структур в различных диапазонах электромагнит­ ных волн (ИК, СВЧ, ВЧ-емкостные методы) с целью выяснения их возможностей и определения оптимального метода контроля для конкретной структуры. При этом, как было показано в гла­ вах 1 и 2, необходимо учитывать возможную частотную зависи­ мость импеданса квадрата поверхности пленок, связанную с их структурными особенностями.

4.1. КОНТРОЛЬ ПЛЕНОК В ИК-ДИАПАЗОНЕ

,В ИК-диапазоне электромагнитных волн значения импе­ данса и проводимости квадрата поверхности тонких проводящих пленок (см. главы 1, 2) в большинстве случаев являются комплек­ сными величинами:

is=Rs+iXs; f s = 4 - = r s +iY"s.	(4.1)
Zs

Для свободной проводящей пленки коэффициенты прохожде­ ния и отражения по мощности плоской электромагнитной волны из (2.34) и (4.1) можно записать в виде

Д«=	у'г+у"г	(4.2)
	(2+ у ')Ч у " г ’
Т=	4	(4.3)
(2+ у ') 2+ у т
где у'= Y'sZo, у" = Y"BZ0 — нормированные		по импедансу свобод­

ного пространства (20 = 377 Ом) комплексные составляющие про­ водимости квадрата поверхности пленки.

Таким образом, одновременно измеряя коэффициенты отраже­ ния и прохождения пленки, можно определить составляющие ком­ плексного импеданса или проводимости квадрата поверхности. Сравнивая эти значения с результатами измерений, выполненных

на постоянном и переменном токах, можно	получить сведения о
структуре пленки.		|Z s|^ 5 0 Ом,
ИК-методы пригодны для исследования пленок с
т. е. для резистивных пленок. Для пленок с	|ZS|^ 5 0	Ом чувстви­

тельность методов неудовлетворительна из-за близости коэффици­ ента прохождения к нулю, отражения — к единице.

В настоящем параграфе рассматриваются островковые метал­ лические пленки сплава PC-3710 (Si 53%; Сг 37%; Ni 10%) на

4.1. Контроль пленок в ИК-диапазоне

107

ситалловых подложках с сопротивлением квадрата поверхности 300—1500 Ом/П (измеренным на постоянном токе четырехзондовым методом), которые применяются в качестве пассивных эле­ ментов в интегральных схемах. Пленки имели эффективные тол­ щины 200 А и размеры островков 100 А. Исследования спектров отражения и прохождения проводились в диапазоне длин волн 4—25 мкм. Для выяснения оптимальных диапазонов измерения с целью подавления влияния подложки (толщина порядка 0,5 мм) снимались спектры коэффициентов отражения и прохождения для чистой ситалловой подложки [100, 106].

Наилучшей областью измерения коэффициента прохождения электромагнитной волны сквозь металлическую пленку на ситал­ ловой подложке является Я «7 мкм [100], в которой коэффици­ ент прохождения для подложки максимален — около 54%. В этой области можно достичь наибольшей чувствительности, добиться наименьшего влияния разброса в толщинах подложки и пользо­ ваться выражением (4.3) при вычислении коэффициента прохож­ дения сквозь пленку для известных значений комплексной прово­ димости квадрата поверхности.

В спектре отражения подложки [100] наиболее оптимальной является область, где коэффициент отражения подложки равен нулю (Я«9,5 мкм). В этой области можно исключить влияние подложки на общий вклад в отражение системы пленка—подложка, рассматривать пленку как свободную и измерять непосредственно коэффициент отражения пленки на данной частоте, который дол­ жен соответствовать коэффициенту отражения (4.2) для плоской волны.

Измерения на других длинах волн связаны с трудностями учета влияния подложки в теоретических выкладках и необхо­ димостью дополнительного исследования оптических свойств под­ ложки. Линейно экстраполируя выражения (4.2), (4.3) по длине волны, учитывая качественную зависимость у" от X (2.9) и изме­ ряя R(X= 9,5 мкм) и Т(Х=7,5 мкм) пленки [100, 106], из выра­ жений (4.2), (4.3) найдем значения у\ у" для каждого образца и по ним активную Z's и реактивную Z"s составляющие комплек­ сного импеданса квадрата поверхности (табл. 4.1).

Исследовались также образцы тонких алюминиевых покрытий на стеклянной подложке. Измерения проводились на длине волны 5,2 мкм (табл. 4.2).

Как видно из таблиц, резистивные пленки сплава РС-3710 имеют мелкозернистую структуру, реактивная составляющая импеданса квадрата поверхности появляется только у нескольких образцов и меньше активной составляющей. Для алюминиевых пленок ха­ рактерно наличие реактивной составляющей импеданса поверх­ ности для всех образцов — они имеют сложную островковую структуру.

108			4. ИК-, радиоволновые и емкостные методы контроля
							Т а б л и ц а 4.1
Результаты исследования параметров пленок сплава
РС-3710 ИК-методами
					7'	7"
Rso, Ом/П	т. %	R. %	У'	У"	А S	L S
						Ом/□
327	33	19	1.4	0.541	234,3	90,5	251,2
475	46	10	0.9701	0	388,6	0	388,6
488	43	12	1.04	0,178	352,2	60,3	357,3
493	47	9	0,9699	0	388,7	0	388,7
510	53	6	0,818	0	460,9	0	460,9
770	51	10	0,7122	0.504	353,1	249,9	432,6
970	68	3	0.4279	0	881	0	881
1062	73	0.5	0.3917	0	862	0	962
1075	71	2	0.3888	0	963.7	0	969,7
1141	67	6	0.3868	0.3775	499,2	487,2	637,5
1365	72	3	0.3355	0,2294	765,8	523,6	927,7
1470	67	7	0.3253	0.5418	307	511,4	596,5

						Т а б л и ц а 4.2
Результаты исследования параметров алюминиевых
пленок	ИК-методами
				L77	7"	l*el
т,%	R, %	У'	У"	S	L S
					O M /D
89	0,5	0.118	0.0531	2657,0	1196,0	2914,0
34	9	1,361	0.395	255.5	74,15	266,0
15	69	1,019	2,417	55,84	132,44	143,7
9	57	4,189	1.43	80.6	27.52	85,17
1	88	11,089	8.725	21,0	16,52	26,72

Таким образом, исследования в ИК-диапазоне подтверждают выводы глав 1 и 2 о частотной зависимости импеданса квадрата поверхности островковых пленок. Из двухпараметрических изме­ рений составляющих комплексного импеданса квадрата поверх­ ности по коэффициентам прохождения и отражения в ИК-диапа­ зоне можно качественно судить о структурных особенностях пле­ нок. Однако измеренные значения импеданса не соответствуют сопротивлению квадрата поверхности на постоянном токе (см. табл. 4.1), и данный метод неприменим для создания аппара­ туры неразрушающего контроля резистивных пленок в производ­ ственных условиях, хотя с успехом может использоваться для ис­ следований в лабораторных условиях.

4.2. Волноводные и рупорные методы контроля

109

4.2. ВОЛНОВОДНЫЕ И РУПОРНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Случай плоской волны (см. п. 2.2.2) относительно легко реализуется в СВЧ-диапазоне электромагнитных волн. Приближе­ ние плоской волны в этом диапазоне выполняется при помещении образцов в измерительный волновод [8, 42, 123, 251] или между рупорными излучателями и приемником [79, 83, 118]. При поме­ щении образцов в волновод требуется изготовление образцов спе­

циальной формы или	хорошее	согласование волноводного тракта
в месте расположения	образца	в разрезе волновода [7, 18, 42, 73,

122]. Использование рупорных антенн для реализации случая плоской волны также требует хорошего согласования излучателя и приемника.

Дополнительное согласование волноводных трактов является достаточно трудоемким процессом, поэтому большинство волновод­ ных и рупорных методов [7, 75, 162], используемых в промышлен­ ности, основывается на экспериментально снятых зависимостях для контрольных образцов.

В настоящем параграфе рассматриваются возможности реали­ зации волноводных [73, 85] и рупорных методов [79, 83, 90] конт­ роля тонкопленочных проводящих структур на основе эксперимен­ тальной проверки выводов п. 2.2.2 с использованием волноводных трактов в 3-сантиметровом диапазоне электромагнитных волн.

С целью экспериментального подтверждения теоретических за­ висимостей п. 2.2.2 был разработан волноводный метод контроля резистивных пленок на диэлектрических подложках по их коэффи­ циенту прохождения по мощности (см. зависимость (2.34)) [42, 98]. Плоские образцы помещали в поперечный разрез волновода с помощью специального фиксированного держателя. Без образца волноводный тракт с держателем настраивался на режим бегущей волны (реализация приближения плоской волны). После поме­ щения образцов измерялся коэффициент прохождения по мощ­ ности. Исследовались образцы резистивных пленок сплава РС3710 на ситалловых подложках и проводящая бумага с углерод­ ным наполнением (сеточная структура). Для всех образцов хорошо выполняются условия (2.2) и (2.33), поэтому должно быть справедливым выражение (2.34). Причем, как следует из п. 2.1.2 и параграфа 4.1, для мелкозернистых резистивных пленок и се­

точных	структур	импеданс	квадрата	поверхности будет являться
е СВЧ-диапазоне		(А = 3 см)	чисто активной величиной.
На	рис. 4.1 точками представлены			экспериментальные зависи­

мости коэффициента прохождения по мощности от сопротивления квадрата поверхности образцов, измеренного на постоянном токе RBO, линией обозначена теоретическая зависимость, соответствую­ щая выражению (2.34). На рис. 4.2 приведены аналогичные за­ висимости, снятые для тонкопленочных структур: ситалловая

4. ИК-, радиоволновые и емкостные методы контроля

п о

Т

0,6

0,5

0,4

9,3

0,2

0,1					Рис. 4.1.	Зависимость	коэффи­
					циента прохождения		по	мощ­
					ности от поверхностного			сопро­
					тивления:	# — резистивные
0	300	600	900	1200 Rso, ^	пленки; © — проводящая бу­
					мага

подложка—пленка Rsi—пленка Rsi—ситалловая подложка, кото­ рые создавались искусственно путем наложения образцов для про­ верки справедливости выводов п. 2.2.2. Кривая 1 соответствует об­

разцам Rsu накладываемым последовательно на образец	с Rs2 =
= 306 Ом/D, кривая 2 — на образец с # S2=1003 Ом/П,	кривая

3 — на образец с Rs2=1470 Ом/П, Rsi изменялось от 306 до 1470 Ом/П. Пунктиром показано значение Т при i?sl = oo. Как видно из рисунков, экспериментальные точки совпадают с расчет­ ными кривыми.

Таким образом, волноводный метод позволяет осуществлять контроль параметров (сопротивление квадрата поверхности) тон­ копленочных структур в СВЧ-диапазопе с достаточной точностью на основе использования выражений для коэффициента прохож­ дения плоской волны по мощности [73, 85].

Однако реализация данного метода сталкивается с необходи­ мостью помещения образцов внутрь волновода в специальном держателе, что не всегда возможно в производственных условиях, особенно при контроле движущихся изделий.

Для измерения параметров тонкопленочных проводящих дви­ жущихся изделий большой площади (рулонные материалы) опти­ мальным является метод контроля с использованием рупорных из­ лучателя и приемника [7, 162], основной недостаток которого — необходимость идеального согласования излучателя и приемника для отстройки от поперечных перемещений образцов в рабочем зазоре, что трудно реализовать.

Исследуем возможность контроля тонкопленочных проводящих

4.2. Волноводные и рупорные методы контроля	111

Рис.	4.2.	Экспериментальная
проверка		теоретической зави­
симости коэффициента				прохож­
дения	для		тонкопленочной
структуры		с	двумя	пленками
Rs 1,	R S2		(четырехслойная

структура)

структур с помощью рупорных антенн с частичным рассогласова­ нием [83, 90] и отстройки от поперечных перемещений образцов в рабочем зазоре.

Рассмотрим волноводную систему, состоящую из СВЧ-генера- тора, вентиля, излучающего рупора, рабочего зазора L, принимаю­ щего рупора, вентиля и детекторной камеры. Расстояние между рупорами L равно рабочему зазору, в который на расстоянии / от излучающего рупора помещен измеряемый образец с комплек­ сными коэффициентами отражения (г = г ехр(йрг)) и прохождения (/ = / ехр(гф;)) (см. рис. 2.5 без диэлектрической пластины). Согла­ сование системы не идеальное, рупоры имеют комплексные коэф­

фициенты отражения pi = pi exp (Api), р2= р2 ехр (np2) и прохождения

?;=/[ ехр (1фп),		/з= ^ехр (кр/2) соответственно. Без	образца (г = 0,
/= 1)	в зазоре	существует стоячая волна, квадрат	амплитуды ко­
торой	[90]	1 + Рг2+ 2 р2 c o s [2 р (L - г ) — ф ]
	^	^ 0 l + p i 2p 22 — 2 p ip 2 c o s [ 2 p L — ф! — ф 2] ’

где В0 — амплитуда волны генератора; z — координата; 0=-^----

постоянная распространения СВЧ-волны (затухание не учитыва­ ется). Как видно из выражения (4.4), режим бегущей волны до­ стигается только при р2= 0 » что труднодостижимо в практических условиях. Исследуем возможность реализации отстройки от попе­ речных перемещений образца (/= /0±Д/) в рабочем зазоре при на­ личии стоячей волны. Из грацичных условий для плоской волны