книги / Неразрушающий контроль параметров тонких проводящих пленок электромагнитными методами

152	> 5. Приборы вихретокового неразрушающего контроля

Рис. 5.17. Блок-схема приборов ВИМП-52 и ВИМП-53

Изменение показаний нуля приборов в зависимости от температуры

Прибор	18	20	24	28
ВИМП-52	0,000	0,000	0,000	0,000
ВИМП-12	0,000	-0,02	-0 .08	-0 ,3 2

Изменение показании нуля приборов в зависимости от времени

k I п ц / л п п
1 i p i l U U	p
	g o o	9 3 0	1QO0	1 0 30
ВИМП-52	0,000	0.000	0.000	0.000
ВИМП-12	0,000	0.001	0.002	0,004

5.6. Приборы ВИМП-51, ВИМП-51М, ВИМП-52 и ВИМП-53

153

мого постоянного напряжения 10. Разностный сигнал подается затем в блок цифровой обработки 11 и цифровой индикатор 12. К выходу схемы сравнения подключен блок управления 13, кото­ рый в промежутках между изменениями устанавливает значение постоянного напряжения запоминающего устройства 7, соответ­ ствующее нулевому значению выходного напряжения (автопод­ стройка нуля). Постоянное напряжение с запоминающего устрой­ ства подается на вход ВЧ-детектора.

Благодаря низкочастотной модуляции и измерению минималь­ ного значения напряжения промодулированного сигнала суще­ ственно повышена стабильность приборов. Наличие системы авто­ подстройки нуля по сдвигу постоянного напряжения позволило также повысить точность и стабильность прибора (диапазон уп­ равления нулем по шкале прибора ±100% от всей шкалы, т. е. ±1 мкм). Использованная в измерительной схеме амплитудно-фа­ зовая система обработки сигнала четырехобмоточного дифференци­ ального преобразователя [38] позволяет добиться необходимой отстройки от влияния зазора на основе метода, изложенного в п. 3.2.2.

Зависимость выходного сигнала на цифровом индикаторе от толщины и проводимости квадрата поверхности тонких проводя­ щих покрытий линейна. На рис. 5.18 приведена зависимость показаний индикатора прибора от величины зазора между преобра­ зователем и покрытием. Пунктирными линиями представлены ти­ пичные зависимости от зазора для параметрического преобразова­ теля (см. рис. 5.5). В табл. 5.7, 5.8 приведены результаты нссле-

Т а б л и ц а 5.7

30

-0 .0 0 0

-0 ,6 8

цо°

0.000

0.001

				Температура, °С			»
35				40	45	50 .	55
о 11	о оо		-0.001		-0.001	-0.001	-0.001
		о
					Зашкаливает
	о
							Т а б л и ц а 5.8
				Время
1200			1300	1400	1500	16оо	1700
0.000			0.000	0.000	0.000	0.000	0,000
-0,002			-0.004	0.00	0.007	о.ою	0.012

154	5. Приборы вихретокового неразрушающего контроля

Рис. 5.18. Зависимость показаний индикатора от зазора для трех образцов

дования термо- и временной стабильности прибора ВИМП-52 (по сравнению с прибором ВИМП-12). Как видно из таблиц, разрабо­ танные схемы электронной автоподстройки позволили практически полностью исключить ручную настройку приборов, значительно по­ высить их стабильность и надежность.

Последнее поколение приборов серии ВИМП (ВИМП-13М, ВИМП-31М, ВИМП-53) не только обладает преимуществами по сравнению с предыдущими приборами этой серии, но и, по дан­ ным конъюнктурных исследований, не имеет аналогов за рубежом. Чувствительность и стабильность приборов фирм «Fischer and Со» (ФРГ), «UPA Technology» (США) и «Tesla, Kovo» (ЧССР) на по­ рядок ниже, отсутствие отстройки от влияния зазора резко снижает их точность и сужает область применения (контроль в процессе производства под защитным слоем).

Выпущены опытно-промышленные, партии приборов ВИМП-51, ВИМП-52 и ВИМП-53. Освоено серийное производство приборов ВИМП-51М.

6. РАДИОВОЛНОВЫЕ И ЕМКОСТНЫЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТИВНЫХ СТРУКТУР

Описанные в предыдущей главе вихретоковые приборы кон­ троля параметров тонких проводящих покрытий и пленок охваты­ вают диапазон проводимости квадрата поверхности с 0,01 См/П и выше, т. е. их можно использовать для контроля параметров струк­ тур с сопротивлением квадрата поверхности до 50 Ом/П. Для из­ мерения параметров тонкопленочных структур с сопротивлением квадрата поверхности более 50 Ом/П вихретоковые методы непри­ годны из-за необходимости использования частот свыше 100 МГц, что технически трудно реализовать [75]. Для контроля параметров таких структур наиболее подходят рассмотренные в главе 4 радиоволновые и емкостные ВЧ-методы контроля, легко реализуемые в практических условиях.

Высокоомные резистивные тонкопленочные структуры широко используются в интегральных схемах, СВЧ-технике, ИК-оптике. На основе таких структур создаются различные ИК-отражающие и поглощающие фильтры, обогревательные устройства (проводя­ щие обои с углеродным наполнением), проводящая ткань, кера­ мика и т. д. [160, 213, 224]. Островковые металлические пленки, как было показано в главе 1, также в основном попадают в данную область (/?s>50 Ом/П) [177]. При получении резистивных пленок и создании различных устройств на их основе наиважнейшим во­ просом является всесторонний контроль параметров (главным образом сопротивления квадрата поверхности) в процессе произ­ водства и после изготовления [137, 142, 151], причем следует обра­ тить внимание на возможность осуществления непрерывного конт­ роля движущихся изделий, что особенно важно в поточном произ­ водстве.

Таким образом, при разработке приборов иеразрушающего контроля, параметров тонкопленочные резистивных структур реша­ ются две задачи: контроль параметров изделий после их изготов-

156 6. Радиоволновые н емкостные средства контроля

ления (неподвижные изделия); непрерывный контроль параметров движущихся изделий в процессе производства. Во втором случае следует обратить внимание на отстройку от мешающих факторов (зазор, перемещение образца) и вопросы стабильности приборов.

В настоящей главе рассмотрены радиоволновые приборы серии СИМП (к=3 см) для измерения параметров тонкопленочных ре­ зистивных структур в процессе их производства (СИМП-2, СИМП-3) с отстройкой от поперечных перемещений движущихся образцов (рулонные материалы) в рабочем зазоре на основе ме­ тодов, описанных в параграфах 4.2, 4.3, а также прибор СИМП-1 и емкостные устройства для измерения параметров резистивных структур после изготовления.

6.1. ПРИБОР СИМП-1 ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ КВАДРАТА ПОВЕРХНОСТИ РЕЗИСТИВНЫХ ПЛЕНОК НА СИТАЛЛОВЫХ ПОДЛОЖКАХ

При производстве пассивных элементов интегральных ми­ кросхем используются тонкие резистивные пленки с заданными значениями сопротивления квадрата поверхности [160]. Исполь­ зуемые в настоящее время в промышленности методы контроля параметров тонких резистивных пленок в процессе их напыления

в вакууме (методы	«свидетелей»	и кварцевого резонатора) и
после изготовления	(контактные	методы) недостаточно опера­

тивны и достоверны [142, 151]. Применение бесконтактного опе­ ративного метода неразрушающего контроля резистивных пленок непосредственно перед процессом фотолитографии дает возмож­ ность разбраковывать образцы по партиям, соответствующим раз­ личным фотошаблонам, что позволяет значительно повысить точ­ ность пленочных резисторов и исключить необходимость даль­ нейшей подгонки.

Прибор СИМП-1 предназначен для оперативного контроля тон­ ких резистивных пленок на ситалловых подложках (толщина менее 0,6 мм, площадь около 6X4 см2) по сопротивлениям квадрата по­ верхности в диапазоне 0,04—4,0 кОм/П с точностью ±10% [28, 37, 73—75].

Принцип работы прибора основан на измерении прошедшей че­ рез образец мощности СВЧ-электромагнитной волны 3-сантиметро­ вого диапазона (см. п. 2.2.2 и параграф 4.2). Измерения провоз дятся в бегущей волне, что позволяет использовать для градуи­ ровки шкалы прибора зависимость (2.34). Режим бегущей волны достигается специальной настройкой волноводных элементов СВЧтракта.

Шкала стрелочного индикатора прибора отградуирована в килоомах. Предусмотрена возможность компенсации выходного си-

158	6. Радиоволновые и емкостные средства контроля
ния	подложки, приближение плоской волны). Сигнал снимается

квадратичным детектором с зондом 6 и поступает через усилитель S на индикатор 9.

Прибор состоит из блока питания с индикатором и блока изме­ рительных преобразователей с держателем образца (рис. 6.1,6).

Перед работой следует настроить прибор. Через 30 мин после включения с помощью согласующего трансформатора система на­ страивается на рабочий режим, который фиксируется равенством прошедшей СВЧ-мощности (по шкале индикатора) в случае отсут­ ствия образца и при помещении чистой подложки. Проверяется со­ ответствие шкалы прибора эталонным образцам. Проверка соответ­ ствия эталонным образцам и измерение проводятся следующим образом: после настройки прибора на рабочий режим чувствитель­ ность усилителя (в отсутствие компенсации) устанавливают таким •образом, чтобы стрелка индикатора показывала на крайнюю пра­ вую отметку шкалы (оо) (соответствует бесконечно большому со­ противлению квадрата поверхности или коэффициенту прохожде­ ния по мощности, равному 100%). Затем в измерительный зазор по­ мещают эталонный образец. При этом стрелка индикатора должна показывать его сопротивление по шкале прибора, отградуированной согласно зависимости (2.34).

С помощью частичной компенсации выходного сигнала воз­ можно выделение узкого диапазона сопротивления около 0,2 кОм по всей шкале с последующей градуировкой по эталонным образ­ цам.

Зависимость относительных показаний прибора от толщины си-

талловых подложек представлена на рис.		6.2. Для подложек с
d< 600	мкм погрешность укладывается в	допустимые пределы
±3%	[75].

Таким образом, прибор СИМП-1 реализует волноводный метод

контроля	на основе измерения		прошедшей СВЧ-мощности	(см.
п. 2.2.2 и параграф 4.2)		с использованием для градуировки		зави­
симости	(2.34). Прибор	может	контролировать сопротивление

квадрата поверхности как резистивных пленок на диэлектрических подложках толщиной до 0,6 мм, так и любых других проводящих резистивных структур, укладывающихся в необходимые размеры

5%
• " "		Г->4£*
552
мкм			’> v
'	'. ■■
			■н-+++(
1
- 5е/.	’	500	550 бг.мкм
^50

Рис. 6.2. Влияние разброса тол­ щин подложек на показания прибора СИМП-1: ф — чи­ стая подложка; + — под-

.ложка с пленкой

6.2. Емкостное автоматизированное устройство

15»

Рис. 6.3. Сравнительные резуль­ таты измерения Rs прибором

СИМП-1 и контактным методом на постоянном токе (Rso)- О —

резистивные пленки сплава РС3710; + — проводящая бумага

RS’	1
Ом
□	/
	т
1200	су
1000	(к
800	с
	/
600	/
400	/
	:
200	400 600 800 1000 1200 Rso, ^ -

и имеющих сопротивления в диапазоне 0,04—4 кОм/Ш. На рис. б.З представлены сравнительные результаты измерения сопротив­ ления квадрата поверхности резистивных пленок прибором: СИМП-1 и контактным методом на постоянном токе (Rso)-

6.2. ЕМКОСТНОЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ТОНКИХ РЕЗИСТИВНЫХ ПЛЕНОК

В параграфе 4.4 были рассмотрены емкостные методы, ко­ торые в ряде случаев открывают возможность реализации ВЧ-не- разрушающего контроля сопротивления квадрата поверхности резистивных проводящих структур. Основные недостатки этих ме­ тодов — низкая оперативность и сложность настройки реализую­ щих их устройств [43, 47, 102]. В настоящем параграфе предла­ гается автоматизированное емкостное устройство для измерения сопротивления резистивных плоских пленок на диэлектрических подложках, блок-схема которого представлена на рис. 6.4.

Сигнал от генератора качающейся частоты 1 подается на не­ инвертирующий вход операционного ВЧ-усилителя 2 [196], к ин­ вертирующему входу которого через резонансные последователь­ ные индуктивности L1 и L2 подсоединен емкостный преобразова­ тель с двумя электродами 14, имеющий емкости зазоров СП1 и Сп2 и активное сопротивление квадрата поверхности измеряемой пленки Rx, или переключением герконовых реле 11 на короткое время вместо преобразователя подсоединяется эталонная рези­ стивно-емкостная цепь 13. Выход операционного ВЧ-усйлитсля 2' соединен со входом ВЧ-аМплитудного детектора 3 и пиковым вольт-

160	6. Радиоволновые и емкостные средства контроля

Рис. 6.4. Блок-схема емкостного устройства

метром 4, сигнал с которого подается на один из входов схемы сравнения 5. На другой вход схемы подается эталонное постоян­ ное напряжение, соответствующее нулевому или эталонному уровню выходного сигнала с запоминающего источника эталонного на­ пряжения 9. Уровень постоянного эталонного напряжения уста­ навливается с помощью блока управления уровнем эталонного напряжения 10 периодически — при включении геркоиового реле 12. Со схемы сравнения сигнал подается на блок цифровой об­ работки 6 и индикатор 7. Вход блока управления уровнем эта­ лонного напряжения 10 соединен с выходом схемы сравнения 5. Генератор импульсов 8 соединен с обмотками герконовых реле 11, 12 и обеспечивает их кратковременное периодическое вклю­ чение.

Прибор работает следующим образом. Промодулированный по

-частоте	(с захватом частот резонанса контуров L1,	Сп1, Сп2, L2
и /Л, С,	С, L2) ВЧ-сигнал с генератора 1 подается	на вход уси­

лителя 2. Когда к инвертирующему входу подключена цепь с ем­ костным преобразователем 14, на выходе усилителя 2 появляется

промодулированный по			амплитуде	сигнал,	максимум	которого
(на	частоте,	соответствующей резонансной			частоте контура		L1,
€ п\,	Сп2, L2)	не зависит	от величин	L1, Сп1, Сп2, L2		[140,	151]:

	£/,maxi	R	(6.1)
		Ro4-Roi~\~R*

тде R — активное сопротивление обратной связи; R0 — дополни­ тельное активное сопротивление обеих резонансных цепей; RQI — суммарное активное сопротивление индуктивностей L1 и L2; Rx —

6.2. Емкостное автоматизированное устройство

161

измеряемое активное сопротивление квадрата поверхности рези­ стивной структуры.

При подключении к инвертирующему входу с помощью герконового реле 11 эталонной цепи 13 максимум выходного сигнала (значения С эталонной цепи подбираются из соображений прибли­ зительного равенства резонансных частот контуров L1, Сп1, Сп2,

L2 и L 1, С, С, L2)

т а х 2' 1+-	R
	(6.2)
	Ro+Roi+R*

После детектирования по высокой частоте детектором 3 выход­ ной сигнал в максимуме измеряется пиковым вольтметром 4 и полученное напряжение подается на один из входов-схемы срав­ нения 5, на другой вход которой подается постоянное эталонное напряжение с запоминающего устройства 9. Разностный сигнал со схемы сравнения 5 подается на блок цифровой обработки си­ гнала 6 и индикатор 7. К выходу схемы сравнения подключен вход блока управления уровнем эталонного напряжения 10, выпол­ ненного по схеме детектора обнаружения перехода через нуль [140, 151], выход которого через герконовое реле 12 связан со вхо­ дом запоминающего устройства эталонного напряжения 9. В мо­ мент подачи короткого импульса с генератора импульсов 8 на герконовые реле И, 12 происходит их синхронное кратковремен­ ное переключение (вместо емкостного преобразователя подключа­ ется эталонная цепь, а блок 10 соединяется с блоком 9). В это время на вход схемы сравнения 5 подается сигнал, пропорцио­ нальный t/max2Если на выходе схемы сравнения разностный сиг­ нал отличен от нуля, срабатывает блок управления уровнем эта­ лонного напряжения 10, который быстро изменяет выходное напряжение запоминающего устройства 8 до тех пор, пока выход­ ной сигнал схемы сравнения не станет равным нулю. В рабочем состоянии выходное напряжение запоминающего устройства со­ ответствует этому уровню и в промежутках между импульсами, т. е. напряжение, подаваемое на схему сравнения 5 с запоминаю­ щего устройства 9, пропорционально Uimxv С пикового вольт­ метра 4 в рабочем состоянии (в промежутке между импульсами) на другой вход схемы сравнения подается сигнал, пропорциональ­ ный UmaXl. На выходе получается (при Roi+Ro^Rx, R%) напря­ жение, пропорциональное Rx—R*a (или Rx, если R*a—0), которое затем подается на блок цифровой обработки сигнала 6' и инди­ катор 7.

Таким образом, происходит периодическая автонастройка нуля в процессе измерений с .одновременным частичным подавлением влияния изменений зазора .между преобразователем и резистив­ ным измеряемым покрытием. Подбирая (переключая) активные сопротивления R, R0, R*a, можно охватить широкий диапазон из-

II — 699