Способ измерения толщины слоев многослойных изделий Советский патент 1988 года по МПК G01N27/90 

Щцтхч,

оо

00 Од

QO

ел

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для оперативного бесконтактного контроля толщины (при изве- стном удельном сопротивлении) низко- омного полупроводникового слоя структур диэлектрик - полупроводник - диэлектрик или диэлектрик - полупроводник - Металл.

Цель изобретения - повышение точности измерения, расширение диапазона измеряемых толщин и номенклатуры измеряемых изделий за счет измерения толщины также и полупроводниковых слоев путем исключения влияния на контролируемьй параметр параметров преобразователя и за счет возможности контроля слоев, толщина которых превышает скин-слой электромагнитной волны, возбужденной в измеряемой среде.

На чертеже представлена блок-схема устройства для реализации способа измерения толщины слоя.

Устройство содержит регулируемый электромагнит 1, между полюсами которого размещают изделие 2 исследуемой полупроводниковой структуры, вихре- оковьт преобразователь 3, датчик 4 магнитного поля, измеритель 5 импеданса, подключенньй к вихретоковому преобразователю 3, и регистрирующий блок 6, в качестве которого может быть использован двухкоординатный

самописец, -связанный с выходами измерителя 5 и датчика Л магнитного поля.

Сущность способа заключается в следующем. В отсутствие магнитного попя свободные носители в проводящей среде полупроводника быстро реагируют на любое электромагнитное возмущение, частота которого много меньше плазменной частоты. В результате возникают токи, которые экраниру| т электромагнитное возмущение, препятствуя его проникновению в глубину материала (скин-эффект). При наличии сильного магнитного поля в проводящей среде может распространяться низкочастотная электромагнитная магнитоплазмен- ная волна - геликон. Резонанс гели- конных волн возникает в полупроводниковом слое (пластине) конечных размеров. Условия возникновения максимумов и минимумов в пропускании гели- конных волн через слой определяются равенством

, ,2,3,(1)

где d - толщина слоя;

- длина магнитоплазменной волны в слое, зависящая от параметров слоя и величины постоянного магнитного поля. В полупроводнике (или металле), ограниченном в сторону приложенного постоянного магнитного поля, возникают размерные резонансы, т.е. резонан- сы Фабри-Перо, известные из оптики. Если слой полупроводника покрыт металлом, размерные резонансы возникают при условии

d(2N+1)r-, ,1,2.

, (2)

5 0

5

О

5

и 0

0

При одновременном воздействии на контролируемый слой высокочастотным полем преобразователя 3 и постоянным магнитным полем создаются условия для распространения описанных магнитоплаз- менных волн в слое, что и способствует измерению слоев, толщина которых значительно превьш1ает скин-слой электромагнитной волны, создаваемой вихре- токовым преобразователем 3. Вносимое в преобразователь 3 сопротивление RJH осциллирует при изменении индукции В постоянного магнитного поля в соот ветствии с появлением размерных резо- нансов магнитоплазменных волн в слое. - Измеряя величину магнитной индукции BO постоянного магнитного поля, соответствующую экстремальному значению R н , можно определить толщину слоя.

Связь между магнитным полем Ь, возбужденным в полупроводниковом слое изделия 2, и возбуждающим преобразователем 3 полем Ьр, записывается как тензорное соотношение

,(3)

л

где А - тензор относительной магнитной проницаемости полупро- водникового слоя;

b - возбуждающее магнитное поле, усредненное по толщине d

слоя:

b - поле в слое, усредненное по

толщине d.

Это соотношение связывает возбуждающее и возбужденные поля через параметры полупроводникового материала и параметры электромагнитной волны. Если приложено постоянное магнитное поле, индукция В 11 К |1 Z, где К тензор

записыва

(4)

10

Установлено, что компонента пропорциональна активному сопротивлению, вносимому в преобразователь 3 полем стоячих геликонных волн в слое

Компонента f представляет собой ряд резонансных максимумов, соответствующих кратности толщины слоя числу полуволн геликона. Измеряя величину магнитной индукции В, когда -R дц имеет экстремальное значение (соответствует образованию основного резонанса геликонных волн), из дисперсионного соотношения можно определить

(5)

толщину d слоя полупроводника

,/n.f)/S .где d - константа;

п - концентрация измеряемого полупроводникового слоя; f - частота питания преобразователя 3.

Измерения производят следующим образом. .

На вихретоковый преобразователь 3 из измерителя 5 импеданса подают сигнал заданной частоты, который создает высокочастотные вихревые токи в проводящей среде (в измеряемом полупроводниковом слоем изделия 2). электромагнитом 1 создают постоянное магнитное поле с индукцией В, которое способствует проникновению электромагнитной волны в полупроводниковьй слой изделия 2 и изменению вносимого

этим слоем сопротивления R „ в преоб-

- он

разователь 3, регистрируемого регистрирующим блоком 6. При величине магнитной индукции Вр (т.е. при основном размерном резонансе магнитоплазмен- ной волны в слое с концентрацией п) RBH фиксируемое устройством, имеет максимум. Зафиксировав значение ин дукции BO постоянного магнитного по- ля,по формуле (5) вычисляют толщину d полупроводникового слоя изделия 2, Так как глубина проникновения электро магнитной волны в полупроводниковый слой определяется выражением

, + (U),0)2

,где ис циклотронная частота;

1 - среднее время свободного

пробега по импульсу; ci i/o , то значительно увелнчивает

10

20

25

,Q

ся диапазон измеряемых толщин полупроводниковых слоев. Так как толщина определяется из значения магнитной индукции В, а не из абсолютного изменения R g, размеры вихретокового преобразователя 3 и его расстояние до измеряемого слоя определяют только локальность контроля параметра.

При измерении структуры диэлектрик - полупроводник - проводник меняются условия отражения магнито- плазменных волн от границы полупроводник - проводник (имеют место четвертьволновые резонансы магнитоплаз- менных волн) и толщина полупроводникового слоя определяется по выражению d(Bo /4п)/г. (7) В таблице представлены данные измеренных толщин полупроводниковых слоев структур диэлектрик - полупроводник - диэлектрик с концентрацией электронов полупроводящего слоя п зависимости от В, при которых наблюдаются минимальные значения R д преобразователя 3, питаемого частотой МГц (полупроводник типа проводимости TnSbn).

Индукция внещнего магнитного поля В„

гV

при минимальных, значениях Rg, Т

45

Преобразователь имел десять витков провода ПЭЛ диаметром 0,33 мм, регулируемым электромагнитом служил лабораторный электромагнит типа ФЛ с источником питания и управления V5802.B качестве измерителя импеданса использовался прибор ВМ538 фирмы Тёсла, а в качестве регистрирующего устройства - графопостроитель Н306.

Таким образом, способ измерения толщины, слоев позволяет существенно

увеличить диапазон измеряемых полупроводниковых слоев (при практически достижимых магнитных полях) и исключить влияние размеров и положения преобразователя на точность измег рений. Формула изобретения

10

Способ, измерения толщины слоев многослойных изделий, заключающийся в том, что в изделии с помощью вихре- токового преобразователя возбуждают высокочастотные вихревые токи, измеряют активную составляющую вносимого и в преобразователь сопротивления при заданной частоте питания преобразова1383195.6

теля и определяют с ее учетом толщину слоя, отличающийся тем, что, с целью повьипения точности измерения, расширения диапазона измеряемых толщин и номенклатуры измеряемых изделий за счет измерения толщины также и полупроводниковых слоев, дополнительно на изделие воздействуют; постоянным магнитным полем, перпендикулярным поверхности изделия, изменяют индукцию зтого поля, а толщину слоя определяют по величине индукции поля в момент достижения активной составляющей вносимого в преобразователь сопротивления экстремального значения.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике.и может быть использовано для оперативного .бесконтактного измерения толщины (при известном удельном сопротивлении) низкоомного полупроводникового слоя структур диэлектрик - полупроводник - диэлектрик или диэлектрик - полупроводник - металл. Целью изобретения является повьшение точности измерения. Способ заключается в наведении вихревых высокочастотных токов в образце 2 с помощью вихретокового преобразователя 3, в воздействии на образец 2 постоянным магнитным полем, индукция В которого перпендикулярна плоской поверхности образца 2, и определении толщины слоя по значению индукции Вр соответствующему экс- - тремальному значению вносимого в вих- ретоковый преобразователь сопротив- ления. 1 табл., 1 ил. ё (Л