Способ определения толщины тонкой диэлектрической пленки нанометровой толщины, нанесенной на металлическую подложку Российский патент 2024 года по МПК G01B7/06 B82Y35/00 

Изобретение относится к области технологий нанометрологических измерений и неразрушающего контроля толщины диэлектрических и полимерных тонких пленок нанометрового диапазона, нанесенных на металлические поверхности произвольной формы.

Существующие в настоящее время неразрушающие прямые и косвенные методы измерения и контроля толщин диэлектрических тонких пленок нанометрового диапазона имеют ряд особенностей. Например, для косвенного электроемкостного метода измерения необходимо, чтобы электроды датчиков (сенсорные элементы) находились с обеих сторон измеряемой пленки, для других достаточно расположить датчики только с одной стороны пленки. Методы различаются также по точности измерения, быстродействию, достоверности результатов, возможности автоматизации измерений и документированию их результатов. Важным свойством метода измерений является его применимость не только в лабораторных, но и в промышленных условиях, а также стоимость практической реализации метода и трудоемкость. Для производителей важно делать измерения в реальных условиях с высокой точностью и разрешающей способностью. Перечисленные требования совместить очень трудно.

К прямым методам измерения толщин нанометрового диапазона относятся методы электронной микроскопии и зондовые методы (СТМ и АСМ), однако их применение ограничено только лабораторными условиями. Также в нанометрологии для контроля тонких диэлектрических пленок могут применяться методы оптической эллипсометрии, основанные на свойствах пропускания и отражения света. Для измерения толщины диалектрических пленок на металлических поверхностях используется отражательная эллипсометрия в области микрометрового диапазона. В нанометровой области этот метод показывает результаты неудовлетворительные по погрешностям измерения, так как погрешность определения толщины пленки возрастает с уменьшением толщины самой пленки. Кроме того, методы эллипсометрии затруднительно применять в условиях серийного производства.

В методах оптической интерферометрии предъявляются повышенные требования к геометрии поверхности, что неприменимо для изделий, изготовленных в условиях промышленного производства. Кроме того, их трудно применять для пленок на криволинейных поверхностях.

Электронные методы измерения толщины, в отличие от механических методов, являются косвенными. Для повышения точности таких измерений замеры должны производиться не «по вершинам» неровностей поверхности пленки, а по усредненному значению толщины. Именно эта величина интересна для большинства практических применений. Однако, для электронных методов не избежать погрешностей измерений, обусловленных топографией поверхности тонкой диэлектрической пленки.

Известна группа способов по двухэлектродному электроемкостному методу измерения толщины диэлектрических пленок, электроды которого являются твердотельными. При этом электрическая емкость конденсатора является первичным информативным параметром и зависит от толщины и топографии поверхности пленки. Сущестование пространственных микрообъемов между датчиком-конденсатором и вершинами неровностей поверхности пленки резко снижает достоверность измерения, особенно в области нанометрового диапазона. Это является основным недостатком метода.

Известен емкостный способ измерения толщины покрытий на проводящем основании описанный в патенте SU 1634988. Для обеспечения надежного контакта измерительного устройства с покрытием используют ртуть, что является недостатком указанного способа из-за высокой токсичности материала.

Также известнен способ определения толщины диэлектрического покрытия с известным коэффициентом отражения материала, нанесенного на диэлектрическую основу по патенту РФ № 2262658. Способ заключается в том, что зондируют диэлектрическое покрытие электромагнитным сигналом излучателя, выполненного в виде зеркальной антенны, и принимают отраженный от поверхности контролируемого покрытия сигнал посредством приемника, выполненного в виде зеркальной антенны.

Основным недостатоком этих способов является низкая чувствительность определения толщины тонких пленок.

Известны [Левшина Е.С. и Новицкий И.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиздат, 1983, с. 320] емкостные датчики измерителя толщины диэлектрических пленок и покрытий, состоящие из двух электродов, между которыми размещается измеряемая диэлектрическая пленка. В зависимости от толщины пленки изменяется емкость конденсатора, образованного этими электродами, которая измеряется электрическими методами. Если диэлектрическая пленка расположена на проводящем основании, то последнее используют как один из электродов, а на поверхности пленки располагают другой электрод. Эти датчики имеют следующие недостатки: нет воспроизводимости и повторяемости результатов измерений для прижимаемых к пленке жестких электродов в условиях измерений пленок нанометрового диапазона; напыляемые проводящие пленочные электроды приводят к потере функционального применения пленки; ртутные электроды практически неприменымы из-за высокой токсичности.

Ближайшим аналогом изобретения является способ оценки толщины тонких полимерных пленок, описанный в патенте РФ № RU 2672820. Заключающийся в том, что измеряют толщину тонкой пленки путем анализа диэлектрических характеристик образцов и их зависимостей от толщины с использованием линейной зависимости температуры смены характера проводимости от толщины пленок ПДФ.

Основным недостатоком ближацшего аналога является миллиметровый и микрометровый диапазоны измерения толщин пленок из-за использования жесткого эдектрода контактирующего с полимерной пленкой, невозможность использования метода для оценки толщины тонких пленок нанометрового диапазона, а также их применения для тонких полимерных пленок, нанесенных на криволинейные металлические подложки.

Целью настоящего изобретения является повышение точности и обеспечение надежности измерения толщин диэлектрических пленок на проводящих подложках с произвольной кривизной поверхности в диапазоне нанометровых толщин.

Заявляемое способ определения толщины тонкой диэлектрической пленки нанометровой толщины, нанесенной на металлическую подложку, осущестляется путем применения электрического емкостного двухэлектродного метода, в котором первый электрод присоединяют к металлической подложке, а второй присоединяют к наружной поверхности тонкой диэлектрической пленки, и затем проводят измерения электрического импеданса в полосе частот от долей герц до порядка нескольких мегагерц, при этом, для формирования второго электрода на подготовительной стадии измерения формируют ограниченную полость из поверхности тонкой пленки и непроводящих бортов известной формы, затем полученную полость заполняют жидким металлическим веществом, затем к внешней поверхности жидкого металлического вещества прижимают электропроводящую пластину и соединяют ее согласно стандартной схеме электрического емкостного двухэлектродного метода.

Для формирования ограниченной полости второго электрода она также может быть разделена непроводящими перегородками на многие ограниченные полости различных размеров, а измерения электрического импеданса в измеряемой широкополосной области частот проводят путем параллельного получения и обработки сигналов между первым и многими вторыми электродами.

Для формирования ограниченной полости второго электрода она также может быть разделена непроводящими перегородками на многие ограниченные полости различных размеров, а измерения электрического импеданса в измеряемой широкополосной области частот могут проводить путем последовательного получения и обработки сигналов между первым и многими вторыми электродами.

Также жидкое металлическое вещество в полости может быть термостатировано и, одновременно, с измерениями электрического импеданса в широкополосной области частот, может измеряться его температура.

В качестве жидкого металлического вещества может быть использован галлий.

В качестве жидкого металлического вещества может быть использован галлий легкоплавкий сплав под названием «русский сплав».

Технический результат изобретения составляет повышение точности и обеспечение надежности измерения толщин диэлектрических пленок на проводящих подложках с произвольной кривизной поверхности в диапазоне нанометровых толщин.

На Фиг. 1 показана схема простейшей измерительной ячейки для реализации предложенного способа на поверхности металла с покрытием на поверхности.

На Фиг. 2 показана эквивалентная электричекая схема измерений.

На Фиг. 3 представлены: зависимость модуля измеренного импеданса от частоты для нанопокрытия, состоящего из многомолекулярного слоя фторорганической композиции типа 6СФК-180-05, а также результат ее аппроксимации.

На Фиг. 4 представлены: зависимость модуля измеренного импеданса от частоты для нанопокрытия, состоящего из одномолекулярного слоя фторорганической композиции типа 6СФК-180-05, а также результат ее аппроксимации.

Заявляемое изобретение для определения толщины тонких диэлектрических пленок, нанесенных на металлическую поверхность произвольной формы, может быть осуществлено в простейшем случае с помощью измерительного стенда. Измерительный стенд в себе содержит: ИЯ; электронный блок измерений; цифровую схему регистрации; генератор электрического тока от 0,2 Гц до 10 МГц и персональный компьютер.

Для повышения производитльности при сохранении достаточной точности метода верхняя граница частотного диапазона измерений, выбирается согласно типу и свойствам измеряемой диэлектрической пленки.

Измерительная ячейка (ИЯ), показанная на фиг. 1, предназначена для исследования электрических свойств тонких диэлектрических покрытий на металлических подложках электроемкостным методом с обеспечением жидкометаллического контакта. На фиг. 1 показано: 1 - металлическая подложка; 2 - тонкая пленка; 3 - жидкометаллический электрод; 4 - полость из непроводящих бортов известной формы; 5 - металлический электрод. С помощью ИЯ измеряется модуль электрического импеданса тонкой диэлектрической пленки для разных частот из диапазона используемых частот в методе. При этом один электрический контакт - это металлическая поверхность подложки 1, на которую нанесена измеряемая тонкая пленка 2. Для второго электрического контакта со стороны внешней поверхности тонкой пленки используют легкоплавкие малотоксичные и малоактивные металлы или их сплавы (галлий, «русский сплав») в жидкометаллическом электроде 3, помещенном в ИЯ. Конкретный сплав подбирается также исходя из физических и химических свойств измеряемой диэлектрической пленки и размеров ИЯ. За счет физикомеханических свойств примененного жидкого металла или сплава происходит наиболее полный электрический контакт с заполенением микрогеометрии поверхности тонкой пленки. Это обеспечивает возможность измерения толщины пленки на плоских и криволинейных поверхностях. Такой метод измерения и конструкция ИЯ обеспечивают надежный контакт с максимально возможной площадью соприкосновения жидкометаллического электрода 3 с измеряемой областью поверхности пленки без нарушения ее физических и геометрических свойств. Размеры полость из непроводящих бортов известной формы 4 можно варьировать, что позволяет измерять как локальные, так и глобальные параметры толщины пленки. Иакже для повышения производительности можно применять полость из непроводящих бортов известной формы 4 разделенную непроводящими перегородками на ИЯ произольного размера, в этом случае металлический электрод 5 также дложен быть разделен изолирующими вставками соотвествующими непроводящими перегородками. Значение электрической емкости между жидкометаллическим электродом 3 измерительной ячейки и подложкой 1 зависит от толщины контролируемого покрытия.

Электронный блок измерений измерительного стенда согласно двухэлектродному электроемкостному методу измерения толщины диэлектрических пленок, содержит набор образцовых высокоточных резисторов с коммутатором для их переключения и два буферных усилителя для уменьшения влияния входных емкостей осциллографа.

Цифровая схема регистрации измерительного стенда согласно двухэлектродному электроемкостному методу измерения толщины диэлектрических пленок представляет собой цифровой четырехканальный (двухканальный) осцилограф с быстродействующим высокоразрядным АЦП и коммутатором.

В персональном компьютере измерительного стенда согласно двухэлектродному электроемкостному методу измерения толщины диэлектрических пленок производится обработка данных измерений по нижеприведенным формулам, а на дисплее компьютера строятся графики зависимости исходных данных и измерений от частоты.

Электрофизическую модель диэлектрической или полимерной пленки опишем эквивалентной электрической схемой измерений, показанной на фиг. 2. На ней R_L и C_L - это неизвестные электрические параметры тонкой диэлектрической пленки, входящие в ИЯ, которые необходимо определить; а R_C - высокоточный калибровочный резистор. Напряжения V_G, V_C, V_L, - это соответственно амплитуды напряжений от генератора, на калибровочном резисторе и на ИЯ. В процессе измерений для разных частот измеряются V_G, V_C, V_L; после чего по ним определяется модуль электрического импеданса ИЯ |Z_L0| по формулам:

; . (1)

Здесь I_RC - ток, текущий через калибровочный резистор. С учетом эквивалентной электрической схемы (фиг. 2) для модуля импеданса |Z_L| получено аналитическое выражение вида:

; ; . (2)

В результате сравнения результатов формулы (2) с экспериментальными |Z_L0(ω)|, определяются параметры электрической схемы, такие как R_L и C_L. Параметр R_L определяется из анализа формулы (1), (2). Очевидно, что при низких частотах (ω → 0) выполняется соотношение:

. (3)

Поэтому для нахождения R_L используется графический метод определения при низких частотах. Второй параметр C_L (электрическую емкость ИЯ) определяют посредством аппроксимации измеренных значений |Z_L0(ω)| аналитическим выражением |Z_L(ω)| с использованием метода наименьших квадратов (МНК).

Полученную величину емкости можно использовать для нахождения толщины измеренного слоя тонкой диэлектрической пленки по формуле:

; ; (4)

здесь: d (м) - средняя толщина пленки (по измеряемой области в ИЯ), ε₀ = 8.854·10^-12 Ф/м, ε - относительная диэлектрическая проницаемость измеряемой пленки, C_L - вычисленная электрическая емкость диэлектрической тонкой пленки, S (м²) - площадь жидкометаллического контакта, обусловленного внутренними размерами кюветы. В (4) величина K₀ - конструктивный параметр кюветы ИЯ, изменяя который можно обеспечить многофункциональность применения метода, как для лабораторных исследований, так и для промышленного использования. Относительная диэлектрическая проницаемость ε материала пленки определяется в результате дополнительных измерений по известным методикам (ГОСТ 22372-77 или Можен М. Механика электромагнитных сплошных сред: Пер. с англ.-М.: 1991, -560 с.).

Была проведена апробация предложенного метода измерений на плоских металлических образцах с использованием полимерной фторогранической композиции типа 6СФК-180-05.

В результате дополнительной серии измерений стандартным емкостным методом в области частот от 2 Гц до 200 кГц (15 точек измерений) была получена средняя величина относительной диэлектрической проницаемости материала пленки ε = 2.67. При этом его среднеквадратическое отклонение (СКО) составило СКО = 0.113. Толщина слоя фторорганической композиции типа 6СФК-180-05 составляла 1.5⋅10^-3 м.

При апробации метода измерений в конструкции измерительной ячейки использовались кюветы с круглыми отверстиями диаметром 10 мм, и площадью равной S = 7.854·10^-5⋅м². Для получения пленки на образцах использовались технологии нанесения, обеспечивающие как многомолекулярные слои, так и мономолекулярный слой фтортензида. При обработке измерений удобно использовать графические зависимости функций |Z_L0(ω)| и |Z_L(ω)|, чтобы наглядно представить частотную динамику этих функций.

Первый вариант проведенных измерений, представленных на фиг. 3, выполнен на основе технологии, позволяющей нанести одномолекулярный слой фтортензида. Графики электрических импедансов (результаты измерений и расчетные результаты с использованием МНК), представлены на фиг. 3. Результаты расчета параметров ИЯ по формулам (1) - (4):

R_L = 1500 Ом; C_L = 1·10^-6 Ф. (6)

Учитывая параметры ИЯ (прямоугольная ячейка 20·15 мм²), с использованием формулы (5), толщина нанослоя равна:

d = 7.5 нм. (7)

Эта величина соответствует измерениям мономеров на сканирующем электронном микроскопе (Морфология тонкопленочных покрытий, сформированных на металлических субстратах / Эйсмонт Е.И., Овчинников Е.В., Чекан Н.М., Пинчук Т.И. // Порошковая металлургия: сборник научных трудов, ГНУ «Институт порошковой металлургии» - Минск, 2017 - С. 239-243), которая составляет 7,1 нм.

Для второго варианта измерений была использована технология нанесения, обеспечивающая многомолекулярный слой фтортензида. Так, на графике (см. фиг. 4), используя формулу (3), определяем R_L = 16000 Ом. Параметр C_L определяем посредством аппроксимации измеренных значений |Z_L0(ω)| аналитическим выражением |Z_L(ω)| с использованием МНК. В результате этих действий получаем:

C_L = 1.4·10^-8, Ф = 14000 пФ. (8)

На фиг. 4 представлена низкочастотная область аппроксимации, в которой имеются наибольшие отклонения измеренной функции от аппроксимирующей зависимости. Полученную величину емкости можно использовать для нахождения толщины измеренного слоя фтортензида следующим образом. Используем формулу взаимосвязи:

; ; . (5)

Здесь: ε₀ = 8.854 10^-12 ф/м, K₀ = 6.954·10^-18; ε= 2.67, C₀ = 1.4·10^-8Ф = 14000 пФ (по результатам измерений).

Подставляя необходимые данные, получаем:

Способ был апробирован для определения толщины полимерных пленок фтортензидных композиций. Полученные результаты для одномолекулярного слоя полимерной пленки совпадают с измерениями такого слоя (Морфология тонкопленочных покрытий, сформированных на металлических субстратах / Эйсмонт Е.И., Овчинников Е.В., Чекан Н.М., Пинчук Т.И. // Порошковая металлургия: сборник научных трудов, ГНУ «Институт порошковой металлургии» - Минск, 2017 - С. 239-243).

Проведенная апробация показывает адекватность и эффективность предложенного способа для определения толщины тонких диэлектрических пленок нанометровых размеров.

Таким образом, достигнут технический результат, а именно повышена точность и обеспечена надежность измерения толщин диэлектрических пленок на проводящем основании с произвольной кривизной поверхности в диапазоне нанометровых толщин.

Изобретение относится к средствам измерения толщины диэлектрической, в том числе полимерной пленки нанометровой толщины, нанесенной на металлическую поверхность произвольной формы. Сущность изобретения заключается в том, что метод измерения толщины тонкой пленки реализуется путем применения электрического емкостного двухэлектродного метода, в котором один из электродов является жидкометаллическим, состоящим из металла в жидком состоянии и изготовленным из малотоксичных малоактивных легкоплавких металлов или сплавов, например, галия или русского сплава. При этом второй составляющей метода является применение конструкции и материалов измерительной ячейки, обеспечивающих условия, необходимые для измерений электрического импеданса в измеряемой области и одновременного обеспечения герметичности контакта. Изобретение включает в себя электрофизическую модель пленки и метод обработки результатов измерений, что позволяет вычислить толщину покрытия по описанным в настоящем изобретении формулам. Технический результат - возможность измерения толщины диэлектрической пленки нанометрового размера на плоскости или поверхности произвольной формы в лабораторных или промышленных условиях. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения толщины тонкой диэлектрической пленки нанометровой толщины, нанесенной на металлическую подложку, путем применения электрического емкостного двухэлектродного метода, в котором первый электрод присоединяют к металлической подложке, а второй присоединяют к наружной поверхности тонкой диэлектрической пленки, и затем проводят измерения электрического импеданса в полосе частот от долей герц до порядка нескольких мегагерц, отличающийся тем, что, для формирования второго электрода на подготовительной стадии измерения формируют ограниченную полость из поверхности тонкой пленки и непроводящих бортов известной формы, затем полученную полость заполняют жидким металлическим веществом, затем к внешней поверхности жидкого металлического вещества прижимают электропроводящую пластину и соединяют ее со вторым электродом.

2. Способ определения толщины тонкой диэлектрической пленки нанометровой толщины по п. 1, отличающийся тем, что для формирования ограниченную полости второго электрода ее разделяют непроводящими перегородками на многие ограниченные полости различных размеров, а измерения электрического импеданса в измеряемой широкополосной области частот проводят путем параллельного получения и обработки сигналов между первым и многими вторыми электродами.

3. Способ определения толщины тонких диэлектрических пленок нанометровой толщины по п. 1, отличающийся тем, что для формирования ограниченную полости второго электрода ее разделяют непроводящими перегородками на многие ограниченные полости различных размеров, а измерения электрического импеданса в измеряемой широкополосной области частот проводят путем последовательного получения и обработки сигналов между первым и многими вторыми электродами.

4. Способ определения толщины тонкой диэлектрической пленки нанометровой толщины по п. 1, отличающийся тем, что жидкое металлическое вещество в полости термостатировано и, одновременно, с измерениями электрического импеданса в широкополосной области частот, измеряется его температура.

5. Способ определения толщины тонкой диэлектрической пленки нанометровой толщины по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидкого металлического вещества используется галлий.

6. Способ определения толщины тонкой диэлектрической пленки нанометровой толщины по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидкого металлического вещества используется легкоплавкий сплав под названием «русский сплав».