книги / Неразрушающий контроль параметров тонких проводящих пленок электромагнитными методами
..pdf112 |
4. ИК-, радиоволновые и емкостные методы контроля |
для системы, аналогичной представленной на рис. 2.5 (см. выра жения (2.37)) [90], получаем коэффициент прохождения по мощ ности [90]
Т= |
(4.5) |
1-HJB |
’ |
где В — сложная периодическая функция от параметров системы [90].
В случае слабого рассогласования рь р2^0,5, пренебрегая чле нами, пропорциональными pj2p2 и рфг2, и полагая ф1= ф2 = 0 , по лучаем
В= (1 —0 2(PI2+P22) + 2 p i(l—/)cos2p/+2p2(l —£)cos2px
X (L -/)+ 2p,p3[(l-20cos2pZ .+ (l-^ )c o s2 p (2 /-L )]. (4.6)
При выводе выражения (4.6) принималось ф* = 0, что справед ливо для тонкопленочных проводящих структур с чисто активным импедансом квадрата поверхности.
Без образца (/=1) коэффициент прохождения системы по мощности является периодической функцией величины рабочего зазора (расстояние между рупорами):
Т=■- -- -• - |
к 1 |
И---------------- |
(4.7) |
1 + p i V - 2 pip2 cos (2pL - ф! - ф2)
Рассмотрим теперь зависимость |
Т(1) |
(см. |
выражения |
(4.5), |
||
(4.6)) |
для различных pi, р2, t2 и рабочих |
зазоров L |
(рис. |
4.3). |
||
На |
рис. 4.3, а рабочий зазор |
L= пАо/2, на |
рис. |
4.3,6 |
L = |
|
2/i 4* 1 Я<о
= —g--- 2’ что соответствУет максимуму и минимуму в зависи
мости (4.7). Как видно из рисунков, при рабочем зазоре L, со ответствующем минимуму выражения (4.7), зависимость коэффи циента прохождения по мощности от перемещений образца в ра бочем зазоре минимальна (реализуется отстройка от поперечных перемещений образца в рабочем зазоре).
Проводились экспериментальные исследования рупорных пре
образователей с целью реализации |
разработанного |
метода. На |
рис. 4.4 представлены зависимости |
коэффициента |
прохождения |
по мощности от положения образца |
в рабочем зазоре I, снятые |
|
рупорным преобразователем [79, 80, 83, 90] для четырех тонкоилзночных образцов.
Как видно из рисунков, экспериментальные исследования под тверждают теоретические выводы (для исключения дифракцион ных эффектов при близком расположении рупоров эксперимен тальные исследования необходимо проводить при достаточном рас стоянии между рупорами L^5Ao [83]) и доказывают возможность измерения параметров (коэффициент прохождения по мощности,
4.2. Волноводные и рупорные методы контроля
11?
Рис 4 3 Теоретическая зависимость коэффициента
„рохождешш рупорного преобразователя от попе
речных перемещении |
образцов |
для |
L - п Л - |
(о) |
и |
2 n + l V |
при /=0,7 |
(1)\ |
ОД (2); |
0,3 |
(3) |
2 2
8 - 599
114 |
4. ИК-, радиоволновые и. емкостные методы контроля |
Рис. 4.4. Экспериментальные зависимости Г(/), снятые в мини муме (а) и максимуме (б) для пяти образцов
импеданс квадрата поверхности) тонкопленочных проводящих структур большой площади с отстройкой от поперечных переме щений образцов в рабочем зазоре, что особенно важно при кон троле движущихся тонкопленочных изделий (рулонные материалы).
На рис. 4.5 приведены экспериментальные зависимости коэф фициента прохождения по мощности рупорного преобразователя
от сопротивления |
квадрата |
поверхности |
тонкой |
проводящей |
||
пленки в рабочем |
зазоре. При реализации разработанного ме |
|||||
тода отстройки |
от |
поперечных перемещений образцов (см. рис. |
||||
4.5, а) |
кривые |
для |
четырех |
положений |
образцов в |
диапазоне |
А/=±1 |
мм совпадают с точностью 3%. Зависимости, |
снятые без |
||||
Рис. 4.5. Экспериментальные зависимости T{RB) для четырех по ложений образцов, снятые в минимуме (а) и максимуме (б)
4.3. Контроль на основе СВЧ-открытого преобразователя |
115 |
отстройки для тех же положений образцов, расходятся в преде лах до 50% по коэффициенту прохождения (см. рис. 4.5,6).
Таким образом, проведенные исследования позволили разра ботать волноводный метод измерения параметров тонкопленочных структур с фиксацией образцов в поперечном разрезе волноводного согласованного тракта [73, 98] и метод на основе использования рупорного проходного измерительного преобразователя с отстрой кой от поперечных перемещений тонкопленочных движущихся об разцов в рабочем зазоре [83, 90].
4.3. КОНТРОЛЬ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
СВЧ-ОТКРЫТОГО РЕЗОНАТОРНОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Для измерения параметров сверхтонких резистивных ме таллических полупроводниковых и диэлектрических пленок вол новодные и рупорные методы непригодны из-за низкой чувстви тельности. Оптимальным для контроля таких структур является использование резонансных методов контроля, причем рассмот ренная в п. 2.2.3 методика расчета открытых резонаторных пре образователей позволяет реализовать контроль тонкопленочных движущихся изделий в процессе производства [72, 81, 82, 84, 91].
Из выражения (2.36) для коэффициента прохождения плоской волны через двухслойную структуру (резистивная пленка с со противлением квадрата поверхности Rs на диэлектрической под ложке (еог) толщиной d0<€.X) можно записать (?=£ехр (нр*)) [84]
4
2-+ |
Z0 у |
( |
4 я ^ 0 2(1 — Бог) |
[ i-8or+fr( |
|
Rs / |
+! |
h? |
(4.8) |
2яс?о(еог— 1)
где Zo — импеданс свободного пространства; А0 — длина волны в резонаторе. Подставляя (4.8), (4.9) в выражение (2.38), можно получить зависимости коэффициента прохождения по мощности открытого резонаторного преобразователя от сопротивления квад рата поверхности резистивных пленок Rs для разных толщин под ложек d0 [84] (рис. 4.6).
В случае свободной резистивной пленки из (2.38), (2.42) полу чаем следующее выражение для нормированного (по коэффицн-
8*
116 4. ИК-, радиоволновые и емкостные методы контроля
енту в отсутствие образца) коэффициента прохождения по мощ ности (L = ^ (n + 1), /=^-(2/1 + 1), п= 0,1,2,...) [81]:
Т=- |
(4.10) |
|
Зависимость T(Rs) (4.10) для разных зеркал (£3) |
(рис. 4.7) |
сви |
детельствует о возможности путем подбора зеркал |
(параметр |
t3) |
разработать метод контроля сопротивления квадрата поверхности свободных резистивных пленок в диапазоне 102—106 Ом/П на ос нове измерения прошедшей сквозь открытый резонаторный преоб
разователь СВЧ-мощности. |
(при ф<<С1, |
| t | « l ) |
Для тонкой диэлектрической пленки [81] |
||
Т = |
' |
( 4 И ) |
На основе выражения (4.11) разработан оперативный бесконтак тный метод контроля толщины диэлектрической проницаемости тонких диэлектрических пленок на базе феноменологической тео рии расчета открытого резонаторного преобразователя [91].
Рис. 4.6. Теоретическая зависимость коэффициента прохождения по мощности для двухслойной тонкопленочной структуры при разных значениях толщины диэлектрической подложки (d0, е0г=3,2) и па раметров зеркала:
<3=0,1 для |
1-6\ |
<„=0.03 для |
1'-4'\ |
1. |
V - |
^ =0; 2, Г - ^ |
- = 10-»; 3, 3' — |
|
|
|
|
|
|
К |
л |
-*=2-10-3: |
4. 4' - |
!*-3-10-*; |
5 - ^ |
= |
4-Ю3; |
6 - ^=5-10-* |
|
4.3. Контроль на основе СВЧ-открытого преобразователя |
117 |
Рас. 4.7. Зависимость коэффициента прохождения по
мощности от |
Rs проводящих пленок для /З=0,3 |
(/); |
|||||||||
0,2 |
(2); |
0,1 |
(3); |
0,05 |
(4); |
0,03 |
(5); |
0,02 |
(3); |
0,01 |
(7) |
В реальных условиях резистивные пленки наносятся на диэлек трические подложки и требуется комплексное рассмотрение двух слойной структуры (см. рис. 4.6), так как влияние диэлектричес кой подложки на результаты измерения параметров резистивных пленок может быть значительным.
Из анализа кривых, представленных на рис. 4.6, можно заклю чить, что для образцов с i?s^5-103 Ом/П при /3^0,1 изменение толщины диэлектрической подложки от 0 до 500 мкм слабо влияет на коэффициент прохождения. При измерении параметров пле нок с Я ^ 5 - 1 0 3 Ом/D (высокоомные пленки) разброс в толщи нах подложек может сильно влиять на результаты измерений, что делает невозможным использование разработанного метода в прак тических условиях.
Так как введение в резонатор очень тонкого диэлектрического образца вызывает фактически только смещение резонанса (изме нение эффективного рабочего зазора) [91], отстроиться от влия ния разброса в толщинах подложек на результаты измерений Rs высокоомных пленок можно, подстраивая величину рабочего за зора в резонанс путем передвижения одного из зеркал на расстоя ние [84, 91]
( 2 - t 3)4 d o ^ o v ~ ll |
|
А!=*- |
|
(2~ И |
(4.12) |
118 |
4. ИК-t радиоволновые и емкостные методы контроля |
|
Рис. 4.8. Зависимость коэффициента прохождения по мощности пре образователя от перемещения диэлектрической пластины в рабочем зазоре при разных толщинах диэлектрической подложки d0 при е0г=3,2: tf0=M O -3 (/); Я-2-10~3 (2); Ь-З-Ю"3 (3); V4-10-3 (4)
Для высокоомных образцов (RS> Z0) это смещение равно сме щению зеркал, необходимому для восстановления резонанса после помещения в резонатор чистого диэлектрика толщиной Ado. В ре альных условиях при непрерывном контроле сопротивления тон ких резистивных покрытий на движущихся диэлектрических плен ках вопрос отстройки от влияния диэлектрика приобретает перво степенное значение.
Отстройка на основе перемещения зеркал обладает рядом не достатков (имеет низкую оперативность, технически трудно осуще ствима) и фактически не может быть использована в реальных приборах.
Более перспективно использование метода непрерывного попе речного перемещения дополнительной диэлектрической пластины в рабочем пространстве резонатора с последующим измерением максимума промодулированного по частоте вибрации коэффици ента прохождения по мощности [82]. В этом случае между об разцом (резистивное покрытие Rs на диэлектрической пленке вот, do) и одним из зеркал помещается дополнительная диэлектричес кая пластина (см. рис. 2.5), размеры которой превышают размеры резонатора, а толщина di и диэлектрическая проницаемость в\г отвечают условию
У%>\rd\>2Уeordo. |
(4.13) |
4.3. Контроль на основе СВЧ-открытого преобразователя
119
Т
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Рис. 4.9. Экспериментальная зависимость коэффици ента прохождения по мощности от поперечного пере мещения диэлектрической пластины: I — Rs —105 Ом/П; I I _ /?з=5> 103 Ом/П
Вся система настраивается в резонанс. На рис. 4.8 представлены теоретические зависимости (Ао= 3 см) коэффициента прохожде ния по мощности такого преобразователя от величины перемеще
ния |
диэлектрической пластины (А) |
толщиной d\ = 2 мм, |
eir=2,4 |
при разных значениях толщин подложки для двух образцов: I — |
|||
R s = |
Ю6 Ом/П; II — /?s =104 Ом/П |
(/Зл;0,03). Как видно |
из ри |
сунка, максимумы зависят в основном от сопротивления квадрата поверхности резистивных покрытий Rs и не зависят от толщины пленок do.
На рис. 4.9 приведены аналогичные экспериментальные зави симости (Ао=3 см), снятые при поперечном перемещении пластины из органического стекла {d\ = \ мм, eir=2,4) в открытом резона торном преобразователе с /3«0,08 для двух образцов резистивного
покрытия |
на полиэтилентерефталатной пленке толщиной do— |
= 115 мкм |
{1, 1'), 145 {2,2') и 175 мкм {3,3'). |
На рис. 4.10 представлена снятая данным методом эксперимен тальная зависимость максимального значения коэффициента про хождения по мощности от сопротивления квадрата поверхности ре зистивных покрытий на лавсановых пленках различной толщины для резонаторного преобразователя с /3 = 0,105 ±0,016; сплошной линией показана кривая, построенная по выражению (4.10) для свободной пленки.
Таким образом, на основе исследований взаимодействия элек тромагнитных полей открытого резонаторного преобразователя с
120 |
4. ИК-. радиоволновые и емкостные методы контроля |
|
Рис. 4.10. Зависимость коэффициента прохождения по мощности резонаторного преобразователя от сопротив ления квадрата поверхности проводящих покрытий
тонкопленочными проводящими высокоомными структурами раз работаны дистанционные методы неразрушающего контроля тол щины (диэлектрической проницаемости) тонких диэлектрических пленок [72, 84], а также сопротивления квадрата поверхности ре зистивных покрытий на диэлектрических пленках с отстройкой от влияния разброса в толщинах диэлектрической пленки и попе речных перемещений образцов в рабочем зазоре (см. рис. 2.8) на результаты измерений [81, 82, 84]. Разработанные методы откры вают возможность создания приборов неразрушающего контроля высокоомных тонкопленочных структур в процессе производства (движущиеся рулонные материалы).
4.4. ЕМКОСТНЫЕ ВЧ-МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОК
Используемые для измерения параметров тонких резистив ных пленок контактные четырехзондовые и шинные методы обла дают рядом существенных недостатков, иногда требуют нанесе ния специальных контактных площадок и приводят к разрушению образцов. Одним из перспективных методов точного измерения импеданса квадрата поверхности тонких резистивных пленок яв ляется емкостный метод. Он основан на создании емкостной связи между накладными измерительными электродами и изделием
4.4. Емкостные ВЧ-методы измерения параметров пленок |
121 |
Рис. |
4.11. |
Схема |
реализации |
емкостного |
метода |
с отстрой |
|
кой |
от мешающих |
факторов |
|
и широко используется для контроля параметров диэлектричес ких [145] и полупроводниковых материалов.
Вопрос контроля тонких пленок на диэлектрических подложках емкостным методом изучен недостаточно. Основными недостатками этого метода являются его сильная чувствительность к изменению зазора между плоскими накладными измерительными электро дами и пленкой и снижение точности при измерении пленок на высоких частотах (поле свободно проникает сквозь пленку) из-за не поддающихся учету потерь на излучение и паразитных емко стных связей с массивными металлическими телами, находящи мися вблизи пленки.
В настоящем параграфе предлагается несколько емкостных ме тодов контроля на основе накладных и проходных преобразова телей с частичным подавлением указанных мешающих факторов, описываются устройства для их реализации [102].
Одним из методов снижения потерь на излучение и емкостных паразитных связей является контроль, основанный на постоянном поддержании на пленке минимального относительно земли потен циала, который регистрируется с помощью специального дополни тельного электрода [102] (рис. 4.11). К двум измерительным электродам 4, 5 и дополнительному 6 (рис. 4.11) подключаются последовательные резонансные контуры Cl, L1 и С2, Z.2; вся си стема 3 подключается к ВЧ-мосту 2, питаемому генератором L Преобразователь помещается на измеряемую резистивную пленку 8 на диэлектрике 9 с зазорами, имеющими емкости С\х и С2Х. Контур Cl, L 1, С1Х настраивается в резонанс, что фиксируется минимальным напряжением на индикаторе 7, при этом потенциал