Способ измерения толщины металлического покрытия на диэлектрической подложке и чувствительный элемент для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01B15/02 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности к способам и устройствам для измерения толщины нанесенного на диэлектрическую подложку покрытия из металла или металло- диэлектрического материала с проводимостью металлического типа, и может быть использовано, преимущественно, в процессе производства полупроводниковых приборов и приборов на твердом теле в микроэлектронной, радио- и электротехнической промышленности.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет учета влияния дополнительных параметров и повышение

информативности за счет определения этих параметров.

На фиг. 1 показаны структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа и конструкция предлагаемого чувствительного элемента; на фиг, 2 - вид А на фиг. 1.

Предлагаемый чувствительный элемент содержит пластину 1 из диэлектрического материала, на противоположные поверхности 2 и 3 которой друг против друга зеркально симметрично нанесены два идентичных металлических покрытия в виде спиралей 4 и 5. Форма спиралей 4 и 5 соответствует форме образующей измеряемого покрытия

о

CJ

ел о о

(не показано): она может быть, например, круглой, прямоугольной и т.д. Количество витков спиралей А и 5 - не менее 5-6, так как для распространения поверхностной волны необходимо конструктивно четко выраженное периодическое изменение электромагнитных свойств замедляющей структуры.

В устройстве для осуществления способа периферийные концы 6 и 7 спиралей 4 и G симметричным радиочастотным кабелем 8 соединены с симметричным протовофаз- мым выходом перестраиваемого по частоте генератора 9 гармонических высокочастотных электромагнитных колебаний. Центральные концы 10 и 11 спиралей 4 и 5 симметричным радиочастотным кабелем 12 соединены с симметричным дифференциальным входом измерителя1 13 времени запаздывания фазы волны.

В качеств измерителя 13 можно использовать, например, фазометр, соединенный опорным входом с выходом генератора 9 (соединение на чертеже не показано).

О времени запаздывания фазы поверхностной волны в чувствительном элементе с его помощью судят по измеренному значению фазы р:

в р(а-00(о),(1)

где 0J- круговая частота электромагнитных колебаний на выходе генератора 9;

00 - экспериментально определенная приЬорная константа, учитывающая изменение фазы сигнала в кабелях 8 и 12 и в плоскостях соединения кабелей 8 и 12 со спиралями 4 и 5.

Предлагаемый чувствительный элемент работает следующим образом.

Электромагнитные колебания с симметричного противофазного выхода генератора 9 через кабель 8 возбуждают в спиралях 4 и 5 противофазную поверхностную электромагнитную волну, которая после распространения от периферийных концов 6 и 7 к центральным концам 10 и 11 спиралей 4 и 5 преобразуется в электромагнитные колебания, поступающие по кабелю 12 на вход измерителя 13. Симметричный дифференциальный вход измерителя 13 выделяет соответствующую противофазной волне противофазную составляющую входных колебаний, после чего измеритель 13 измеряет время запаздывания фазы противофазной поверхностной волны в спиралях 4 и 5.

Поле используемой поверхностной волны можно рассматривать как результат интерференции двух гибридных

поверхностных волн, распространяющихся одна по спирали 4, другая по спирали 5 и находящихся в определенных фазовых и энергетических соотношениях. Поскольку

спирали4и5идентичны, расположены друг f против друга (двухрядная замедляющая структура) и зеркально симметрично, о случае противофазной волны во внешних по отношению к пластине 1 областях пространства интерференция приводит к сложению магнитных и вычитанию электрических полей интерферирующих волн. Расстояние между спиралями 4 и 5 выбрано в 10-1000 раз меньше области сосредоточения поля

поверхностной волны, равного Я /2тг , где А - длина поверхностной волны. При этом в рассматриваемых областях происходит практически полная взаимная компенсация электрических полей интерферирующих

волн. Так что электрическое поле результирующей волны оказывается сосредоточенным в пластине 1, где электрические поля интерферирующих волн складываются, а магнитное поле- во внешних по отношению

к пластине 1 областях пространства, примыкающих к поверхностям 2 и 3.

Измеряемое покрытие помещают в область магнитного поля поверхностной волны параллельно пластине 1 на расстоянии S

от нее. Длину AI основной поверхностной волны соответствующей установкой частоты колебаний на выходе генератора 9 выбирают превышающей , что необходимо для эффективного взаимодействия магнитного поля с покрытием. Глубину проникновения электромагнитного поля в материал покрытия на частоте этой волны выбирают превышающей толщину покрытия. В результате граничные условия для магнитного

поля поверхностной волны оказываются зависящими от толщины Д покрытия, от рас- стояния S и от параметра N, характеризующего электромагнитные свойства материала покрытия. В качестве параметра N могут быть выбраны различные величины в зависимости от того, какую из них удобнее использовать в конкретном технологическом процессе, например удельная электрическая проводимость материала покрытия, концентрация определенной примеси в основном металле (примеси кремния в алюминии) и др. Изменение любой из величин Д, N, S вследствие соответствующего изменения граничных условий для магнитного поля сопровождается изменением фазовой скорости поверхностной волны, что приводит к изменению времени в. Кроме того, время в изменяется в зависимости от температуры Т подложки покрытия, находящегося в тепловом контакте с пластиной 1. Действительно, изменение тмпературы приводит к изменению геометрических размеров пластины 1 и диэлектрической проницаемости ее материала, с которым взаимодействует электрическое поле поверхностной волны. Таким образом, время О зависит от величин Д, N, S, Т. На рабочем участке многомерной градуировочной характеристики эта зависимость по экспери- ментальным данным имеет вид: 0(А)00( +а(А1)(Л-Л,)1 +/7(Ai)x x(N - No) 1 + у (Ai) (S - So) 1 + б (Т - To

(2)

где в0 , АО ,N0. So, To - номинальные значе- ния величин 0,Д N, S, и Т соответственно;

a ,fi , у экспериментально определенные константы.

С изменением длины поверхностной волны, приводящим к изменению простран- ственного распределения магнитного поля, зависимость между величинами 0,Д, N, S, Т изменяется, Это позволяет, используя дополнительные поверхностные волны различных длин, получить измерительную информацию о влияющих величинах N, S и Т.

Для получения информации о параметре N длину дополнительной противофазной поверхностной волны выбирают отличной от Ai и равной А2 4тт5, что необходимо для эффективного взаимодействия покрытия с магнитным полем. Глубину проникновения электромагнитного поля в материал покрытия на частоте этой волны также выбирают превышающей толщину покрытия. На волне длиной А2 имеет место зависимость:

в(А2) 0о (А2) 1 + а (А2) (А - АО) 1 +/ (Аа) x(N - 14,) 1 + у (Аг) (S - So) 1 + д (Т - Т0

(3)

Для получения информации о расстоянии S длину АЗ дополнительной поверхностной волны выбирают отличной от AI и А2 и удовлетворяющей неравенству Аз 4 JtS, поскольку здесь также требуется эффективное взаимодействие магнитного поля с покрытием. На волне длиной Аз имеет место зависимость:

0 (Аз) 0о (Аз) 1 + а (Аз) (А - До) 1 +/ (Аз) x(N - No)1 +у (Аз) (S - So) 1 +с5 (Т - Т0

(4) где значения коэффициентов а (Аз) и (1 ( АЗ )

из-за уменьшения глубины проникновения электромагнитного поля в материал покры- тия могут быть близки к нулю.

Для получения информации о температуре Т взаимодействие поверхностной волны с покрытием не обязательно. Длину ХА дополнительной противофазной поверхностной волны целесообразно выбрать значительно меньшей, чем AI, А2, АЗ, в диапазоне от минимально допустимых значений, составляющих 2-3 периода замедляющей структуры (шага намотки спиралей 4 и 5) до (o,1-1)rrS. При этом магнитное поле сильно концентрируется у поверхностей 2 и 3 и практически перестает взаимодействовать с покрытием. В результате время 0 зависит только от температуры Т, что упрощает обработку измерительной информации

0(А) 0о (А)1 +д(Т-Т0) . (5)

Таким образом, измеряя значение времени в на противофазных поверхностных волнах длиной AI , А2 , Аз и AI , получают систему четырех уравнений (2)-(5) с четырьмя неизвестными А , N, S и Т. Решение этой системы дает значение толщины А покрытия, откорректированное с учетом значений влияющих величин N, S и Т, а также значения перечисленных влияющих величин.

Если в технологическом процессе влияющая величина N, S или Т фиксирована, поверхностную волну для получения информации о ней не возбуждают, количество уравнений в системе соответственно сокращается.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Измеряемое покрытие распологают против спиралей 4 и 5 параллельно пластине 1 на расстоянии S от нее. С помощью генератора 9 в спиралях последовательно во времени возбуждают противофазные поверхностные волны длиной AI , А2 , Аз и AI , и посредством измерителя 13 измеряют соответствующие им значения времени 0за- паздывания фазы поверхностной волны в спиралях 4 и 5. Затем, используя систему уравнений (2)-(5), по совокупности измеренных значений времени 0 рассчитывают значение толщины А покрытия, откорректированное с учетом значений влияющих величин N, S и Т, а также значения перечисленных влияющих величин.

Возбуждение поверхностных волн в спиралях 4 и 5 можно осуществлять и параллельно во времени. Для этого используют генераторы колебаний соответствующих частот, которые объединяют по выходу посредством сумматора сигнала, и измерители времени запаздывания фазы волны по числу возбуждаемых волн, объединяемых по входу посредством разветвителя сигнала с включенными на выходах полосовыми избирательными фильтрами на частоты возбуждаемых волн.

Предлагаемы способ и чувствительный элемент предназначены для измерения толщины металлического покрытия, нанесенного на диэлектрическую подложку, преимущественно, при производстве полупроводниковых приборов и п риборов на твердом теле. Их применение позволит повысить точность измерения толщины покрытия в результате коррекции погрешностей от влияющих величин, а также получить информацию об электромагнитных свойствах материала покрытия, температуре под- ложки покрытия и расстоянии между чувствительным элементом и покрытием, необходимую для контроля технологического процесса нанесения покрытия.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

i. Способ измерения толщины металлического покрытия на диэлектрической подложке, заключающийся в том, что параллельно поверхности измеряемого покрытия размещают отрезок электродинами- ческой замедляющей структуры с периодическим расположением ее элементов, возбуждают в нем поверхностную противофазную электромагнитную волну и измеряют время запаздывания фазы волны в отрезке замедляющей структуры, по которому определяют толщину металлического покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет учета влияния дополнительных пара- метров и повышение информативности за счет определения этих параметров, в отрезке замедляющей структуры возбуждают дополнительныепротивофазныеповерхностные электромагнитные волны по числу учитываемых параметров, длину дополнительных волн выбиоают различной и

отличной от длины основной волны, поверхностные волны возбуждают с частотами, обеспечивающими глубину проникновения электромагнитного поля большую, чем толщина покрытия, измеряют время запаздывания каждой из дополнительных волн, а толщину металлического покрытия определяют с учетом измеренных значений времени запаздывания.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что, с целью учета изменений расстояния между покрытием и отрезком замедляющей структуры и/или электромагнитных свойств материала покрытия, длину дополнительной противофа зной поверхностной волны выбирают из условия А 4лЗнаке, где Змакс - максимальное в диапазоне измерений значение расстояния между покрытием и отрезком замедляющей структуры.

3.Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что, с целью учета изменения температуры подложки, длину дополнительной противофазной поверхностной волны выбирают из условия 2 а Л jr Змакс, где а- период расположения элементов замедляющей структуры.

4.Чувствительный элемент для измерения толщины металлического покрытия на диэлектрической подложке, содержащий диэлектрическую пластину с двумя размещенными на ее противоположных сторонах металлическими покрытиями с пеоиодиче- скими разрывами в профиле, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, металлические покрытия выполнены в виде спирали.

)

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности к способам и устройствам для измерения толщины нанесенного на диэлектрическую подложку покрытия из металла, и может бы гь использовано преимущественно в процессе производства полупроводниковых приборов и приборов на твердом теле. Целью изобретения является повышение точности и информативности измерений. Способ измерения толщины металлического покрытия заключается в том, что измеряемое покрытие помещают в область магнитного поля поверхностных электромагнитных волн определенной длины, измеряют время запаздывания фазы этих волн в отрезке замедляющей структуры и по совокупности измеренных значений судят об из- меряемой и влияющих величинах. Чувствительный элемент для осуществления способа содержит диэлектрическую пластину, на противоположных поверхностях которой друг против друга нанесены два идентичных металлических покрытия в виде спирали. Повышение точности измерения достигается получением информации о влияющих величинах и введением коррекции на их значения. 2 с.и 2 з.п ф-лы, 2 ил. (Л С

- Ял. 2