СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРЫ "МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПЛЕНКА - ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ИЛИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОДЛОЖКА" Российский патент 2008 года по МПК G01N22/00 G01B15/02 

Изобретение относится к области технологии тонких пленок и многослойных наноструктур, а точнее к области контроля толщины и электропроводности тонких металлических пленок, нанесенных на подложку из диэлектрического или полупроводникового материала, а также контроля электропроводности подложки, и может быть использовано в микроэлектронике и оптике.

Известен способ измерения толщины металлической пленки (см. патент РФ №2221989, МПК G01B 11/06), включающий формирование ступенчатой структуры на поверхности пленки, высота которой равна толщине пленки, напыление на поверхность подложки со ступенькой слоя высокоотражающего металла и освещение пленки лучом лазера с известной длиной волны, отличающийся тем, что на измеряемой пленке формируют периодическую структуру из чередующихся непротравленных и протравленных на всю глубину пленки вплоть до подложки полос одинаковой ширины, затем после удаления фоторезиста напыляют на полученный рельеф вторичную отражающую пленку металла толщиной, достаточной для обеспечения непрозрачности этой вторичной пленки для зондирующего лазерного излучения, после чего облучают полученную рельефную структуру зондирующим лазерным пучком и в полученной отраженной дифракционной картине проводят измерение мощностей дифрагированных пучков нулевого и первого, дифракционных порядков, после чего рассчитывают толщину исходной металлической пленки.

Однако данный способ является разрушающим.

Известен СВЧ-способ определения диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических покрытий на металле (см. патент РФ №2256168, МПК G01N 22/00; G01R 27/26), который заключается в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического материала на металлической подложке и последующей регистрации изменения параметров преобразователя, характеризующих высокочастотное поле.

Однако данный способ не позволяет измерять параметры проводящих материалов.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому является способ, включающий зондирование с помощью волноведущей системы измеряемой структуры волнами, модулированными по частоте. Изменяя частоту генератора и регистрируя значения частоты, соответствующие экстремальным значениям отраженного от диэлектрического слоя сигнала, можно определить толщину слоя следующим образом , где ƒ₁ и ƒ₂ - частоты, соответствующие двум соседним отраженным от слоя сигналам, ε - диэлектрическая проницаемость материала слоя, с-скорость света (см. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.).

Однако данный способ не позволяет проводить измерения толщины металлических покрытий, а также не позволяет одновременно определять параметры металлической пленки и подложки, на которую нанесена пленка.

Задача настоящего способа заключается в реализации неразрушающего многопараметрового контроля электрофизических параметров нанометровых слоев металла и электропроводности полупроводника в структурах металл-полупроводник и металл-диэлектрик по спектрам отражения и прохождения электромагнитной волны. Техническим результатом является расширение диапазона измеряемых толщин и класса исследуемых материалов путем увеличения диапазона изменения коэффициентов отражения и прохождения, а также увеличения чувствительности.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения параметров структуры, включающем облучение структуры излучением СВЧ-диапазона с помощью волноведущей системы, измерение частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона от измеряемой структуры в выбранном частотном диапазоне, согласно решению перед структурой типа «металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка» дополнительно размещают диэлектрическую пластину с толщиной L и диэлектрической проницаемостью ε_d, при которых в выбранном частотном диапазоне на одной из частот ω₁ выполняется условие

а на другой частоте ω₂ из выбранного диапазона выполняется условие

где а - характерный размер поперечного сечения волноведущей системы, ω=2πƒ - круговая частота электромагнитного излучения, ε₀ и μ₀ - диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума, при этом относительную диэлектрическую проницаемость диэлектрической пластины выбирают более 2, в качестве параметров выбирают электропроводность или толщину металлической пленки, которые определяют по частотной зависимости коэффициента отражения от структуры «металлическая пленка-подложка», перед которой размещена диэлектрическая пластина, при известных параметрах подложки, при этом второй параметр, соответственно толщину или электропроводность, металлического слоя предварительно измеряют.

Измерения проводят при двух различных ориентациях измеряемой структуры относительно направления падения электромагнитной волны: «металлическая пленка - полупроводниковая подложка» и «полупроводниковая подложка - металлическая пленка», перед которой размещена диэлектрическая пластина, используя теоретические зависимости коэффициентов отражения для таких ориентаций структуры дополнительно рассчитывают электропроводность полупроводниковой подложки.

Для определения искомых электрофизических параметров решают обратную задачу с использованием метода наименьших квадратов.

Оригинальность предлагаемого решения заключается в использовании дополнительной диэлектрической пластины, обеспечивающей широкий диапазон изменения коэффициентов отражения и прохождения при изменении частоты, а также в измерении коэффициентов отражения и прохождения при двух различных ориентациях измеряемой структуры относительно направления падения электромагнитной волны.

Предлагаемый способ поясняется чертежами:

Фиг.1. Расположение измеряемой структуры в волноводе, где P_fal - мощность падающего на измеряемую структуру СВЧ-излучения, P_ref, - мощность отраженного от структуры СВЧ-излучения, P_pass - мощность прошедшего через структуру СВЧ-излучения, Т - коэффициент прохождения, R - коэффициент отражения, t_d - толщина диэлектрического слоя, t_m - толщина металлической пленки, t_s - толщина полупроводниковой подложки, 1 - диэлектрический слой, 2 - полупроводниковая подложка, 3 - металлическая пленка.

Фиг.2. Первая ориентация измеряемой структуры, где 1 - диэлектрический слой, 2 - полупроводниковая подложка, 3 - металлическая пленка.

Фиг.3. Вторая ориентация измеряемой структуры, где 1 - диэлектрический слой, 2 - полупроводниковая подложка, 3 - металлическая пленка.

Фиг.4. Функция невязок в пространстве координат (t_m,σ_s,S), где t_m - толщина металлической пленки, σ_s - электропроводность полупроводниковой подложки, S - значение функции невязок.

Фиг.5. Контурная карта функции невязок вблизи глобального минимума.

Фиг.6. Экспериментальные (дискретные кривые) и расчетные (непрерывные кривые) зависимости квадратов модулей коэффициентов отражения электромагнитной волны от трехслойной структуры при различных значениях толщины и электропроводности металлического (хром) слоя.

Способ осуществляется следующим образом.

Облучают структуру излучением СВЧ-диапазона с помощью волноведущей системы, измеряют частотную зависимость коэффициента отражения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона от измеряемой структуры в выбранном частотном диапазоне, перед структурой типа «металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка» дополнительно размещают диэлектрическую пластину с толщиной L и диэлектрической проницаемостью ε_d, при которых в выбранном частотном диапазоне на одной из частот ω₁ выполняется условие (1), а на другой частоте ω₂ из выбранного диапазона выполняется условие (2), где а - характерный размер поперечного сечения волноведущей системы, ω=2πƒ - круговая частота электромагнитного излучения, ε₀ и μ₀ - диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума, при этом относительную диэлектрическую проницаемость диэлектрической пластины выбирают более 2, в качестве параметров выбирают электропроводность или толщину металлической пленки, которые определяют по частотной зависимости коэффициента отражения от структуры «металлическая пленка-подложка», перед которой размещена диэлектрическая пластина, при известных параметрах подложки, при этом второй параметр (соответственно толщину или электропроводность) металлического слоя предварительно измеряют.

Измерения проводят при двух различных ориентациях измеряемой структуры относительно направления падения электромагнитной волны: «металлическая пленка - полупроводниковая подложка» и «полупроводниковая подложка - металлическая пленка», перед которой размещена диэлектрическая пластина, используя теоретические зависимости коэффициентов отражения для таких ориентаций структуры, дополнительно рассчитывают электропроводность полупроводниковой подложки.

Пример практической реализации способа.

Измеряемая структура толщиной t состоит из металлического слоя толщиной t_m с электропроводностью σ_m и подложки толщиной t_s с электропроводностью σ_s (фиг.1). Измеряемая структура помещается в прямоугольном волноводе и полностью заполняет его по поперечному сечению. Измеряются спектры отражения и прохождения электромагнитной волны в диапазоне частот 8-12 ГТц через полупроводниковую пластину с нанесенным на нее тонким (частично пропускающим излучение) металлическим слоем. Для увеличения диапазона изменения коэффициента отражения R и коэффициента прохождения Т с изменением частоты в выбранном диапазоне частот (8-12 ГТц) перед исследуемой структурой размещался слой диэлектрика. В этом случае при увеличении частоты от 8 до 12 ГТц наблюдается значительное (почти на два порядка) уменьшение коэффициента отражения электромагнитной волны. Этим достигается расширение диапазона измеряемых толщин и класса исследуемых материалов.

Измерение толщины металлической пленки t_m и электропроводности подложки σ_s по спектрам отражения R(ω) и прохождения T(ω) электромагнитного излучения при использовании метода наименьших квадратов для обработки экспериментальных данных для этого случая основано на решении системы уравнений

где

или

Для расчета частотной зависимости коэффициента отражения R₁(ω,t_m,σ_s) электромагнитной волны от структуры, изображенной на фиг.2 и состоящей из трех слоев N=3, может быть использовано соотношение

в котором элементы Т₃[2,1] и Т₃[2,2] матрицы передачи Т₃ трехслойной структуры определяются из выражения

где

Выбрав в качестве начала отсчета поверхность диэлектрического слоя, на который падает электромагнитная волна (фиг.2), имеем z_0,1=0, z_1,2=t_d, z_2,3=t_d+t_m, z_3,4=t_d+t_m+t_s,

где t_d - толщина слоя диэлектрика, γ₀ - постоянная распространения электромагнитной волны в области до и после измеряемой структуры, γ_m, γ_s - постоянные распространения электромагнитной волны в металлическом слое и в полупроводниковой подложке.

Аналогично рассчитывается частотная зависимость коэффициента отражения R₂(ω,t_m,σ_s) электромагнитной волны от структуры, изображенной на фиг.3. Выбрав в качестве начала отсчета поверхность диэлектрического слоя, в этом случае имеем z_0,1=0, z_1,2=t_d, z_2,3=t_d+t_s,z_3,4=t_d+t_s+t_m.

Измеренные R_1exp, R_2ехр и рассчитанные R₁(ω,t_m,σ_s), R₂(ω,t_m,σ_s) частотные зависимости коэффициента отражения электромагнитной волны, падающей со стороны диэлектрического слоя, при двух различных ориентациях измеряемой структуры (фиг.2 и 3) позволяют построить функцию невязок, являющуюся функцией двух переменных t_m, σ_s:

представляющую собой поверхность в пространстве координат (t_m,σ_s,S) (фиг.4) и обладающую на плоскости (t_m,σ_s) явно выраженным глобальным минимумом (фиг.5).

Решением уравнений (3) для функции двух переменных S(t_m,σ_s) в виде (5) является искомая толщина металлической пленки t_msought и электропроводность подложки σ_{s sought}.

Экспериментально измерялись параметры титановых, нихромовых и ванадиевых пленок, нанесенных на кремниевые подложки толщиной 500 мкм и пленок хрома на керамических и стеклянных подложках. Коэффициент отражения измерялся с помощью панорамного измерителя КСВН и ослабления Р2-61, в состав которого входит генератор качающей частоты в диапазоне частот 8-12 ГГц, направленные ответвители, измерители падающей, отраженной и прошедшей мощности микроволнового сигнала, блок индикации с дисплеем. В качестве диэлектрической вставки, помещаемой перед измеряемой пластиной, использовалась керамическая пластина ε_д=100 и толщиной 3 мм.

На фиг.6 представлены экспериментально измеренные зависимости (дискретные кривые) квадратов модулей коэффициента отражения |R_эксп|² электромагнитной волны от исследуемой структуры (пленки хрома различной толщины на керамической Al₂O₃ подложке) от частоты зондирующего сигнала. На фиг.6 представлены также зависимости |R_эксп|² (непрерывные кривые), рассчитанные с использованием соотношения (4) при значениях толщины t_м=t_{м иск}, определяемых из решения уравнения (3).

При толщинах металлической пленки более 1000 нм коэффициент отражения от трехслойной структуры, представленной на фиг.1, превышает 70%, что вызывает определенные трудности для его точного измерения. Однако, как показывают расчеты, при изменении ориентации подложки с нанесенным металлическим слоем относительно направления падения электромагнитной волны (со стороны подложки) коэффициент отражения от кремниевой подложки с алюминиевой пленкой толщиной 1000 нм составляет ˜5%, что позволяет проводить измерения с достаточной степенью точности.

Изобретение относится к области технологии тонких пленок и многослойных наноструктур. Технический результат: расширение диапазона измеряемых толщин и класса исследуемых материалов и увеличение чувствительности. Сущность: облучают структуру типа «металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка» СВЧ излучением с помощью волноведущей системы. При этом перед структурой размещают диэлектрическую пластину с толщиной L и диэлектрической проницаемостью ε_d, при которых в выбранном частотном диапазоне на одной из частот ω₁ выполняется условие а на другой частоте ω₂ выполняется условие где а - характерный размер поперечного сечения волноведущей системы, ω=2πf - круговая частота излучения, ε₀ и μ₀ - диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума. Относительную диэлектрическую проницаемость диэлектрической пластины выбирают более 2. По частотной зависимости коэффициента отражения от структуры определяют электропроводность или толщину металлической пленки. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения параметров структуры, включающий облучение структуры излучением СВЧ-диапазона с помощью волноведущей системы, измерение частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона от измеряемой структуры в выбранном частотном диапазоне, отличающийся тем, что перед структурой типа «металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка» дополнительно размещают диэлектрическую пластину с толщиной L и диэлектрической проницаемостью ε_d, при которых в выбранном частотном диапазоне на одной из частот ω₁ выполняется условие а на другой частоте ω₂ из выбранного диапазона выполняется условие где а - характерный размер поперечного сечения волноведущей системы, ω=2πf - круговая частота электромагнитного излучения, ε₀ и μ₀ - диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума, при этом относительную диэлектрическую проницаемость диэлектрической пластины выбирают более 2, в качестве параметров выбирают электропроводность или толщину металлической пленки, которые определяют по частотной зависимости коэффициента отражения от структуры «металлическая пленка-подложка», перед которой размещена диэлектрическая пластина, при известных параметрах подложки, при этом второй параметр, соответственно толщину или электропроводность, металлического слоя предварительно измеряют.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерения проводят при двух различных ориентациях измеряемой структуры относительно направления падения электромагнитной волны: «металлическая пленка - полупроводниковая подложка» и «полупроводниковая подложка - металлическая пленка», перед которой размещена диэлектрическая пластина, используя теоретические зависимости коэффициентов отражения для таких ориентаций структуры, дополнительно рассчитывают электропроводность полупроводниковой подложки.