Способ измерения толщины полупроводниковых и диэлектрических материалов Советский патент 1988 года по МПК G01N22/02 

О5 СП

Ичооретсние относи ivn ч .i мс);, с, iM-iJi: |4 .iiiii e, и может быть исмо, i;, ,;iiii) л,14 измерения толщнны iK). iyii|)()i o;uinKOBi,iv ,- дя э. К К грическиX материалов.

llc. ib изобретения -- пс вышенис точное; ч. (люсоП измерения тол1иии1 1 пол ч;рово.: ()Bbi. и диэлектрических MaiejMiajiOH iUeeTB,iHK)T следующим образом.

Э.1ектр()магнитные ко.лебаиия СВ диа- пазона разде.1яют на зондирук)ни1е и oiiofi- fibie. Зондирукмние колебания наиравляют ерез излучаюип ю аитенну на контро/жруе- лый материал иод угло.м а, исключающим юнадание отраженных ко.лебаний в излу- антениу. Прои едн1ие материал зон- 1ируюи1,ие колебания нрииимают нриемной антенной и с помоидью фазометра сравни- ают 110 фазе с онорными колебаниями в юнеречном сечении, совнадающи.м с нан- )авлением раенространения. Фиксируют на- альную разность фаз между зондирующими к(Х 1ебаниями, прошедншми контролируе- 1ЫЙ материал, и онорными колебаниями. равенстве электрических длин каналов распространения зондирующих и оиорны.х ко- ебаннй разность фаз СВЧ колебаний он- еде.чяетея задержкой зондирующих колебаний в диэлектрическо.м материале:

f,.2.f,,()c|.

|-де/ D - начальная частота СВЧ колебаний; () и & - соответственно толщина и отноеи- Iтельная диэлектрическая ироницаеiмость контролируемого материала;

Со- скорость раенространения СВЧ колебаний в свободном иространстЕ е; ; а- угол наклона материала относите.ль- :но направления раенространения.

{ Измеряют выходное наиряжение фазо- фетра, пропорциональное разности фаз, и из- |1еняют частоту СВЧ колебаний до нолуче- 1Ыя нулевого значения;

(L/,, S,,(1 + v)23r /i(V6 б

Со cosa.

+ , 40

где 5i) чувствительность преобразования разности фаз Alf в напряжение;

,10 - относительная мультипликатнв-

ная погрешность преобразования; AfAi - абсолютная аддитивная ногрень ноеть преобразования.

Задерживают опорные колебания на время Аг .многим меньн е иериода С,ВЧ колебаний (А/ «i. f |). Измеряюг выходное напряжение фазометра, нрог1Орци()на.(е ирн- ращению разноети фаз:

и, : 5,(1 + Y,)2ir/,|(VB -i)74;--А | +

-|.AL , -S,(l + Vi)2ir/iA + - ,

;il, i.MHHiSJU I j::;t 1 I . i-i:iMO HI)T 110. l iniiKir ,.|--:од1()е на11 П1же11ис (Ьа.чометра

Vjikrr :/ i --1cf

/ I vB-t-i c

fCosa

-M + U, S;,(l 7,)2n:| A/( ve - DX

15

r:;L-- (f +Af).t) +AU,

CoCOSc v

Mbi,

где S-, Y: И At/;) - чувствительность и ио- грешности преобразования разности фаз Ач 2Исключают задержку опорных колебаний (Ai 0) и измеряют полученное выходное наиряжение фазометра:

25 S,( + 7:027г(/, + A/ Xv e - +

+ UU3 -Sjd :l,)(V& + U, - AL n,

5.

CoWSd

0

5

0

5

С

5

где S:s, 7:i ; 1 чувствите.1ьноеть и iiorpeni- HocTH преобразования разности (|)аз Ac( j.

Задержку опорных колебаний А/ выбирают такой, чтобы приращение фазового сдвига от ее введения превышало бы пороговую чувствительность фазометра в 5-10 раз.

Аналогичным образом выбирают отношение двух частот СВЧ излучения, т. е. чтобы увеличение частоты 1| излучения на .Af вызывало бы соответствующее приращение разноети фаз и в 5-10 раз превьипало порог чувствительности фазометра. При таком выборе At и At можно считать, что результаты трех измерений (U|, U и Ь з) получены в пределах линейного участка характеристики нреобразования разности фаз в наиряжение относительно иервоначального нуля (L, 0). Поэтому чуветвительность преобразования при веех промежуточных изме- jieiu-nix остается постоянной ( ), ; относительные и абсо;1ютные по- rjjeiiiiiocTH преобразования равны (у, .- Y, у„ (| AL- i MJ2 - AL :; AL ,).

По резу. штатам второго и первого измерений определяют разность напряжений:

, f

(1+7)2лА1

(

СоСойЛ

Atl

Из результата третьего измерения ;;11ч:1 тают ,начение разиоети втпрогч) и iiej- i ,;); о измерений и, - U 2 - и) 8(1 -i-).

Далее определяют отношение напряжения третьего измерения к полученному раз- ноетному напряжению

и.

CdCo.sg

LJ,,At

Из полученного выражения онределяют толп1и.чу контролируемо1-о материала

С„Л/сол-а 3

VT- 1 3 - U-, + (J,

Таким образом, но результатам трех измерений (L l, U 2 и (7;i), и извеетным величинам Си,. Л/, а и 6 определяют толщину диэлектричеекого материала без непоередст- венного измерения частоты СВЧ колебаний и ее приран1ения, а также ногрешноетей преобразования разноети фаз в напряжение.

Время измерения существенно уменьшается за счет однозначного измерения толщины диэлектрического материала независимо от соотнон1ения его толщины и длины во,ч- ны зондирующих СВЧ колебаний. Однозначность обеспечивается соответствующим выбором величины задержки А/ и прирапхени- ем частоты Л/.

Повьщ|ение точности измерения доетиг- нуто благодаря возможности линейного преобразования приращений разности фаз в напряжение, погрещности которого у и Af/ полностью исключаются из результата измерения, а также исключения погрепиюети измерения частоты СВЧ колебаний. Задержка А/ имеет фиксированное значение и не зависит от толщины контролируемого материала.

/1ГЧЧН) илмере1 1 : , li- i ч:м..г.ь;,; 11 диэлектриче1 к к. Ю П О111И11ся н том, ; ко,1спание разделяют lU

0

5

0

5

ное, изл чают з()ндир н чннс э.(.i - нитные колебания в н;и1равлении исследуемого материала, принимают iipoiHe ;iiiee через него э,:1ектро.магнигное колеба ;:1е, сравнивают его фазу с фазой опорного элект ромагнитного колебания носредстном фазометра, регистрируют вы.ходное на11 1я -;ение фазометра, изменяют частоту э, :ект| 1магнит- ного колебания, отличающийся re.;, что, с целью повьинения точности, часклч электромагнитного колебания измечикп .и ве.ш- чины 1 :, при которой выходное :;а11;-. ;же1 И ,- фазометра становится paBiib .M н, 1ь., вводит задержку опорного электромагнитного колебания на величину Л/, измеряют 1. напряжение фазометра Г;, увелпчигают чае тоту электромагнитного колебания до ве,1и чины , измеряют выходное напряжение фазометра L, L, иек,-1юча1от задержку опорного электромагнитног о ко.тебания, измеряют вы.ходное напряжение фазометра l.i и вычисляют толи1ину исс, 1едуемого материа, 1а 6 по формуле

б

СоА/cosa и,- (7,+ fy,

и.

где С(| - скорость распространения электромагнитного колебания в свободном пространстве;

а - угол наклона исследуемого материала отноеительно направления распространениязондирую HI их

электромагнитны.х колеба1 ий: € относите, 1ьная диэлектричеекая проницаемость исследуемого материала.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения. Сущность данного способа заключается в том, что электромагнитное колебание (ЭМК) разделяют на зондирующее и опорное. Излучают зондирующие ЭМК в направлении исследуемого материала и принимают прошедшее через него ЭМК. Сравнивают его фазу с фазой опорного ЭМК посредством фазометра (Ф) и регистрируют его выходное напряжение. Изменяют частоту ЭМК до величины fi, при которой выходное напряжение Ф становится равным нулю. Вводят задержку опорного ЭМК на величину At и измеряют выходное напряжение и|Ф: Увеличивают частоту ЭМК до величины f2 и измеряют выходное напряжение и2Ф. Исключают задержку опорного ЭМК, измеряют выходное напряжение Ь зФ и по ф-ле вычисляют толщину б исследуемого материала. Цель достигается за счет возможности линейного преобразования приращений разности фаз в напряжение, погрешности которого Y и ли полностью исключаются из результата измерения, а также за счет исключения погрешности измерения частоты СВЧ колебаний. S сл