книги / Неразрушающий контроль параметров тонких проводящих пленок электромагнитными методами

162 6. Радиоволновые и емкостные средства контроля

мерения активного сопротивления квадрата поверхности тонких резистивных покрытий и пленок.

Разработанное устройство открывает возможность применения емкостного метода контроля проводящих пленок в производствен­ ных условиях для выполнения экспрессных сравнительных абсо­ лютных измерений сопротивлений квадрата поверхности резистив­ ных пленок в диапазоне от десятков ом до нескольких мегаом.

6.3. ПРИБОР СИМП-2 С РУПОРНЫМ ПРОХОДНЫМ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА

Описанный в параграфе 6.1 прибор СИМП-1 предназна­ чался для контроля поверхностного сопротивления 0,04—4,0 кОм резистивных пленок на ситалловых подложках [73]. Образец по­ мещается в зазор между открытыми концами волновода. Зазор выбирался очень малым, порядка 1 мм, для достижения режима, близкого к режиму бегущей волны в зазоре, чем достигалась от­ стройка от малых поперечных перемещений образца.

При непрерывном контроле поверхностного сопротивления дви­ жущихся рулонных материалов большой площади (например, то­ копроводящей бумаги) в процессе их производства по прошедшей СВЧ-мощности необходимо учитывать возможность сильных попе­ речных перемещений (в диапазоне нескольких миллиметров) в ра­ бочем зазоре, причем сам зазор должен быть достаточно боль­ шим [29, 90].

Для устранения влияния поперечных перемещений образца в зазоре необходимо создать в последнем режим бегущей волны, что обычно трудноосуществимо в волноводных системах с доста­ точно большими зазорами (несколько сантиметров).

Наиболее близкий режим можно получить, используя в каче­ стве излучающих и принимающих систем рупорные волноводные элементы, согласованные с подсоединенными к ним отрезками вол­ новода. Однако и в этом случае режим бегущей волны достичь практически не удается, приходится учитывать коэффициенты от­

ражения от излучающего (pi) и принимающего (р2) рупоров, что значительно усложняет отстройку от поперечных перемещений об­ разца [29, 83, 90].

На основе СИМП-1 был разработан прибор СИМП-2 с рупор­ ными излучателями и приемником для контроля поверхностного сопротивления 0,04—40,0 кОм/□ токопроводящей бумаги в про­ цессе ее производства на основе измерения коэффициента прохож­ дения по мощности с реализацией метода контроля, изложенного в параграфе 4.2 [90].

6.3. Прибор СИМП-2

А

Рис. 6.5. Блок-схема прибора СИМП-2

Блок-схема прибора СИМП-2 представлена на рис. 6.5 [74, 75, 79, 80]. СВЧ-электромагнитная волна из генератора 1 (Х=3 см) по прямоугольному волноводу через вентиль 2 поступает на излу­ чающий рупор 3, проходит сквозь образец 4 на принимающий ру­ пор 5 и через вентиль 6 — в детекторную камеру 7. Сигнал, про­ порциональный коэффициенту прохождения по мощности, через де­ тектор поступает на усилитель с индикатором 8.

Прибор состоит из трех отдельных блоков (рис. 6.6, верх): блока питания и выхода, излучающего и принимающего волноводных блоков. Существует модификация двух последних блоков в виде открытого резонаторного преобразователя (рис. 6.6, низ).

Волноводные блоки кабелями связаны с блоком питания и вы­ хода. Такая конструкция обеспечивает возможность раздельного расположения на некотором расстоянии волноводных блоков и блока питания и выхода, что существенно при контроле в про­ цессе производства. Расстояние между волноводными блоками, т. е. между излучающим и принимающим рупорами, устанавлива­ ется исходя из соображения чувствительности, конструктивных особенностей в месте расположения образца, отстройки от попе­ речных его перемещений (см. параграф 4.2) [83, 90].

Как было сказано выше, из-за невозможности идеального сог­ ласования волноводных элементов в реальных системах (бегущая волна) между рупорами в рабочем зазоре образуется стоячая волна, параметры которой можно вычислить, измеряя коэффици­ енты отражения рупоров. Экспериментально измеренные коэф­ фициенты отражения от излучающего и принимающего рупоров прибора СИМП-2 соответственно равны 0,4 и 0,25.

На рис. 6.7 представлена экспериментальная зависимость ко­ эффициента прохождения по мощности от расстояния между ру­

порами (L). Как	видно из рисунка, для достаточно больших L
(не менее 4,5 см)	зависимость периодическая, с периодом, рав­

ным половине длины волны в рабочем зазоре. Для значений L < <4,5 см периодичность нарушается, очевидно, в связи с тем что

и*

6.3. Прибор СИМП-2	165
вблизи рупоров волну нельзя считать плоской	(дифракционные яв­
ления).

На основании метода, изложенного в параграфе 4.2, расстоя­ ние между рупорами (рабочий зазор) выбирается соответствую­ щим одному из минимумов зависимости, представленной на рис. 6.7 (L>4,5 см). При таком зазоре (см. рис. 4.4, 4.5) выход­ ной сигнал (пропорционален коэффициенту прохождения по мощ­ ности) слабо зависит от поперечных перемещений образцов [83, 90]. Для получения градуировочной кривой настроенного таким образом прибора исследовались плоские образцы токопроводящей бумаги с углеродным наполнением, имеющие сеточную структуру. Из-за специфичности технологического процесса получения бу­ маги (рулоны) возникает преимущественная ориентация углерод­ ного волокна (вдоль рулона), в связи с чем бумага приобретает анизотропные свойства.

На рис. 6.8 представлена градуировочная кривая, снятая по данным образцам, которая соответствует (2.34). Образцы поме­ щаются или протягиваются между рупорами в месте, которое со­ ответствует минимальному значению прошедшей СВЧ-мощности

(см.	рис. 4,4,а).	Поперечное	перемещение образцов	в пределах
±0,5	см изменяет выходной		сигнал на индикаторе	только на
±3%	(отстройка	от поперечных перемещений). Коэффициент про­

хождения по мощности измеряется по шкале стрелочного инди­ катора (100 мА). Без образца ручками «чувствительность» блока выхода и индикации стрелка устанавливается на конечное зна­

чение	шкалы (7’ = 100%), после	помещения образца в выбранное
место	рабочего зазора индикатор покажет коэффициент прохож­
дения	по мощности в процентах.

Рис. 6.7. Зависимость коэффициента прохождения по мощности от расстояния между рупорами в отсутствие образца для прибора СИМП-2

166	6. Радиоволновые и емкостные средства контроля

Рис. 6.8. Градуировочная кривая прибора СИМП-2

Таким образом, реализация изложенного в параграфе 4.2 радиоволнового метода позволила создать прибор СИМП-2 для конт­ роля сопротивления квадрата поверхности проводящих бумаг и других плоских резистивных структур большой площади в диапа­ зоне 0,04—40,0 кОм/D с отстройкой от влияния поперечных пере­ мещений образцов в рабочем зазоре в пределах около 1 см, что по­ зволяет использовать его для непрерывного контроля параметров рулонных листовых материалов в процессе производства.

6.4. ПРИБОР СИМП-3 С РЕЗОНАТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ВЫСОКООМНЫХ ПРОВОДЯЩИХ и

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

Для высокоомных	структур с # s= 3 —40 кОм/П	погреш­
ность приборов СИМП-2	превышает 10%, структуры	с Rs>

>40 кОм/П вообще не поддаются контролю данным прибором. Как было показано в параграфе 4.3, для измерения парамет­ ров высокоомных тонкопленочных структур (R s~ 103—1012 Ом/Ш) наиболее подходят СВЧ-методы на основе использования откры­ тых резонаторных проходных преобразователей [91], которые по­ зволяют реализовать оперативный высокочувствительный контроль сопротивления квадрата поверхности (толщины или диэлектричес­ кой проницаемости диэлектрических пленок) с осуществлением в

6.4. Прибор СИМП-3

167

ряде случаев отстройки от влияния диэлектрических подложек и поперечных перемещений образцов в рабочем зазоре на резуль­ таты измерений [72, 81, 82, 84, 91].

В настоящем параграфе описывается разработанный с исполь­ зованием методов параграфа 4.3 СВЧ-прибор СИМП-3 (А=3 см) со съемными открытыми резонаторными преобразователями, ко­ торый позволяет осуществлять дистанционный (рабочий зазор 1,5; 3,0; 4,5 см) непрерывный неразрушающий контроль электрофизи­ ческих параметров (диэлектрическая проницаемость или толщина) тонких диэлектрических пленок (в диапазоне изменений относи­ тельной диэлектрической проницаемости 2—16, толщины слоя 1— 300 мкм) [72, 81, 91] и сопротивления квадрата поверхности вы­ сокоомных покрытий на диэлектрических подложках (в диапа­

зоне	103—1012 Ом/Щ) движущихся рулонных материалов пло­
щадью	более 5 x 5 см2. В	приборе использовано специальное
устройство (см. параграф 4.3)		[82] для устранения влияния диэлек­

трической подложки на результаты измерения сопротивления квад­ рата поверхности высокоомных покрытий. Основная погрешность прибора при изменении температуры в пределах ±5° не превышает

6% .

На базе СИМП-3 разработан прибор СИМП-4, который вклю­ чает в себя дополнительные измерительные преобразователи для контроля в отраженном СВЧ-сигнале. Внешний вид приборов

СИМП-3 (СИМП-4) показан на рис. 6.9.			блок-схемы			прибора
На рис. 6.10	представлена СВЧ-часть
СИМП-3. СВЧ-генератор 1 выполнен на			основе		лавинно-пролет­
ного генераторного диода ГЛПД-1 (А,=3			см)	с	блоком	питания
(/« 5 ,6 мА). Через прямоугольный волновод				и вентиль 2 сквозь
отверстие связи	(диаметр отверстия	и площадь			зеркал	опреде­
ляют параметр	/3, см. параграф 4.3)	неподвижного зеркала 3

СВЧ-сигнал поступает в открытый резонаторный преобразова­ тель, состоящий из зеркал 3, 4, диэлектрической пластины 8 с виброустройством 9 и образца 7. Через отверстие связи подвиж­ ного зеркала 4 полезный сигнал поступает в детекторную камеру 5 и затем — на усилитель с индикатором 6. Путем снятия зависи­ мости выходного сигнала T(L) от расстояния между зеркалами 4, 3 без образцов экспериментальным путем, по методике работы [91], определяют значения для каждого из съемных резонатор­ ных преобразователей. После настройки в резонанс прибор готов к работе.

На рис. 6.11 представлены результаты измерения на прибопе СИМП-3 (без диэлектрической пластины 8 и виброустройства 9) параметров тонких полиэтиленовых диэлектрических пленок с по­ мощью преобразователя с /З=0,03. Сплошная линия соответствует зависимости (4.11). Крестики соответствуют экспериментальным точкам для пленок толщиной (мкм): 62,4±6,5; 62,9±8,8; 96,1 ±8,3; 101,3± 2,6; 125,3± 14,4; 154,4± 14,7; 259,7± 17,3. Толщина пленок

6.4. Прибор СИМП-3

Рис 6.11. Градуировочная кривая для измерения па­ раметров диэлектрических пленок прибором СИМП-3

измерялась оптиметром ОМС-5 в 20 точках для каждой пленки* большая погрешность связана с сильным разбросом толщины пле­ нок по площади.

Используя градуировочную кривую, представленную на рис. 6.11, можно с помощью прибора СИМП-3 определить толщину или относительную диэлектрическую проницаемость тонких диэлектри­ ческих пленок. Прибор обладает высокой оперативностью. Им можно контролировать диэлектрическую проницаемость и толщину сверхтонких диэлектриков в процессе производства [91].

Градуировочная кривая прибора СИМП-3 для измерения сопро­ тивления квадрата поверхности резистивных пленок в диапазоне 1—30 кОм/П представлена на рис. 4.10 для зеркал с /3=0,105.

На рис. 6.12 приведена зависимость коэффициента прохожде­ ния по мощности (показания прибора) от положения образцов ре­ зистивных пленок на полиэтилеитерефталатной подложке для пре­ образователя с /э=0,5. Как и следовало ожидать, чувствительность наибольшая при помещении образца в максимум поля, причем в этой области показания приборов слабо зависят от поперечных пе­ ремещений образцов в пределах ±1 мм.

Для обеспечения стабильности работы прибора СИМП-3 на твердотельном СВЧ-генераторе необходима высокая стабильность тока питания лавинно-пролетного диода (ЛПД) (/«5,6 мА). Блок питания ЛПД СВЧ-генератора выполнен по двойной схеме стабилизации напряжения и тока с применением термокомпенси­ рующих .цепей, что позволило добиться высокой термостабильиости выходного тока. Блок питания ЛПД обеспечивает плавную регулировку выходного.тока в пределах от 4 до 6 мА (при замене

170	6. Радиоволновые и емкостные средства контроля

					Рис.		6.12.	Зависимость			по­
					казаний			прибора		СИМП-3
					от	поперечных			перемещении
					в	рабочем зазоре				образцов
	0	3,5	7,0	10,5 1,мм	с ./?s = 8 кОм/П				(7); 1,3		(2);
					0,16		(5)	и 0,1	кОм/П		(4)

ЛПД необходимо установить значение тока, указанное в пас­ порте).

Исследования стабильности блока питания ЛПД показали из­ менения выходного тока в пределах ±0,2% за 8 ч непрерывной ра­ боты и изменения выходного тока от температуры в пределах ±0,5% в диапазоне от 13 до 31 °С, что соответствует предъявляе­ мым требованиям.

Для выяснения собственной погрешности прибора проведены ис­ следования стабильности мощности излучения СВЧ-генератора. На рис. 6.13 представлена зависимость выходного напряжения, снимаемого на принимающем диоде, от времени. Нестабильность выходного сигнала не более 1%, что может быть связано как с нестабильностью самого СВЧ-генератора, так и с нагревом при­ нимающего диода. Зависимость показаний выходного сигнала от

Рис. 6.13. Стабильность выходного сигнала прибора СИМП-3 во времени

6.4. Прибор СИМП-3

Рис. 6.14. Зависимость выходного сигнала прибора СИМП-3 от температуры

температуры в интервале 20—40 °С приведена на рис. 6.14. Термонестабильность в этом диапазоне не превыщает ±1%.

Таким образом, прибор СИМП-3 можно использовать для из­ мерения параметров тонких диэлектрических, свободных резистив­ ных и резистивных пленок на диэлектрических тонких подложках в процессе их производства (рулонные, ленточные материалы). Под­ бирая открытые резонаторные преобразователи (параметр /3, см. параграф 4.3), можно выбрать наиболее оптимальный диапазон по чувствительности к толщине тонких диэлектрических пленок или сопротивлению квадрата поверхности резистивных покрытий. Например, резонаторный преобразователь с /3=0,5 является опти­ мальным для измерения сопротивления квадрата поверхности резистивных пленок в диапазоне 5-102—104 Ом/D, причем такой преобразователь слабо реагирует на изменение толщины диэлектри­ ческой подложки от 0 до 500 мкм. При контроле более высокоом­ ных резистивных покрытий, например от 104 до 106 Ом/D, для достижения оптимальной чувствительности необходимо использо­ вать резонатор с £3=0,01, результаты измерений будут сильно зависеть от измерения толщины подложки. Изменение толщины подложки на ±10 мкм вызывает изменение выходного сигнала в пределах ±50% . В этом случае необходимо использовать описан­ ный в параграфе 4.3 метод отстройки (см. рис. 4.8, 4.9) от влия­ ния подложки на основе применения дополнительной диэлектри­ ческой пластины с виброустройством [82] (см. рис. 6.10).