Способ измерения толщины слоев многослойных изделий

 

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 вихретоковый преобразователь сопротивления. 1 табл., 1 ил. ё (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU,,13 3195 (51)4 G 01 N 27/90

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР фЕ

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 3

ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4084145/25-28 (22) 01.07.86 (46) 23 ° 03.88. Бюл. у (71) Институт физики полупроводников

АН ЛитССР (72) Л.В.Лауринавичус (53) 620.179.14(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 901938, кл. С 01 R 27/00Ä 1977. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СЛОЕВ . МНОГОСЛОЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ (57) 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 повышение 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 В соответствующему экстремальному значению вносимого в вих- . ретоковый преобразователь сопротив- д ления. 1 табл., 1 ил.

1383195 (2) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для оперативного бесконтактного контроля толщины (при известном удельном сопротивлении) низко5 омного полупроводникового слоя структур диэлектрик — полупроводник — диэлектрик или диэлектрик — полупроводник — металл. 1О

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 контролируемый 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. 25

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

35 самописец, -связанный с выходами измерителя 5 и датчика .4 магнитного поля.

Сущность способа заключается в следующем. В отсутствие магнитного 4р поля свободные носители в проводящей среде полупроводника быстро реагируют на любое электромагнитное возмущение, частота которого много меньше плазменной частоты. В результате возника-45 ют токи, которые экранируют электромагнитное возмущение, препятствуя его проникновению в глубину материала (скин-эффект). При наличии сильного магнитного поля в проводящей среде может распространяться низкочастот50 ная электромагнитная магнитоплазменная волна — геликон. Резонанс геликонных волн возникает в полупроводниковом слое (пластине) конечных размеров. Условия возникновения максимумов и минимумов в пропускании геликонных волн через слой определяются равенством лм — =1,2,3, (1) где d — толщина слоя;

3„- 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. резонансы Фабри-Перо, известные из оптики.

Если слой полупроводника покрыт металлом, размерные резонансы возникают при условии

d=(2N+1)4 вЂ, N=0,1,2.

При одновременном воздействии на контролируемый слой высокочастотным полем преобразователя 3 и постоянным магнитным полем создаются условия для распространения описанных магнитоплазменных волн в слое, что и способствует измерению слоев, толщина которых значительно превышает скин-слой электромагнитной волны, создаваемой вихретоковым преобразователем 3. Вносимое в преобразователь 3 сопротивление Ryн осциллирует при изменении индукции В постоянного магнитного поля в соот ветствии с появлением размерных резонансов магнитоплазменных волн в слое..

Измеряя величину магнитной индукции

В, постоянного магнитного поля, соответствующую экстремальному значению

R „, можно определить толщину слоя.

Связь между магнитным полем b, возбужденным в полупроводниковом слое изделия 2, и возбуждающим преобразователем 3 полем Ь записывается как тензорное соотношение ь= к,ь, (3) л где (— тензор относительной магнитной проницаемости полупроводникового 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 1! К ll Z, где К1383195

Толщина слоя полупроводника, мм ндукция внешнего агнитного поля В ри минимальных знаениях R Т

1,294

1, 398

i 495

0,6

0,7

0,8"

1,671

1,0

2,047

1,5 л волновой вектор, тензор р записывается в виде: р,—.р, о ц= -.м, и, о (4) о о

Установлено, что компонента пропорциональна активному сопротивлению, вносимому в преобразователь 3 полем стоячих геликонных волн в слое. 10

Компонента р представляет собой ряд резонансных максимумов, соответствующих кратности толщины слоя числу полуволн геликона. Измеряя величину магнитной индукции Во, когда R <> имеет экстремальное значение (соответствует образованию основного резонанса геликонных волн), из дисперсионного соотношения можно определить толщину d слоя полупроводника

20 с1=((В,/и Х), (5) .где И вЂ” константа; и — 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 полупроводниковый слой изделия 2 и изменению вносимого этим слоем сопротивления К „ в преоб40 разователь 3, регистрируемого регистрирующим блоком 6. При величине магнитной индукции Во (т.е. при основном размерном резонансе магнитоплазменной волны в слое с концентрацией и)

R 8 фиксируемое устройством, имеет максимум. Зафиксировав значение ин . дукции В постоянного магнитного по-: ля,по формуле (5) вычисляют толщину

d полупроводникового слоя изделия 2, Так как глубина проникновения электро-50 магнитной волны в полупроводниковый слой определяется выражением

1+(ю; ". ) 2 11Р =ы1 (6) .

1+ „— у ) с, где ы - циклотронная частота; 55 — среднее время свободного пробега по импульсу, а >7 a то значительно увеличивает-. ся диапаз он измеря емых толщин полупроводниковых слоев.

Так как толщина определяется из значения магнитной индукции В, а не из абсолютного изменения R 6н, размеры вихретокового преобразователя 3 и

его расстояние до измеряемого слоя определяют только локальность контроля параметра.

При измерении структуры диэлектрик — полупроводник — проводник меняются условия отражения магнитоплазменных волн от границы полупроводник — проводник (имеют место четвертьволновые резонансы магнитоплазменных волн) и толщина полупроводникового слоя определяется по выражению

d=(dB, /4nf) . (7)

В таблице представлены данные измеренных толщин полупроводниковых слоев структур диэлектрик — полупроводник — диэлектрик с концентрацией электронов полупроводящего слоя и=

=2 10 м в зависимости от В,, при з -з которых наблюдаются минимальные значения R „ преобразователя 3, питаемого частотой f=20 МГц (полупроводник типа проводимости InSbn).

Преобразователь имел десять витков провода ПЭЛ диаметром 0 33 мм, регулируемым электромагнитом служил лабораторный электромагнит типа ФЛ с источником питания и управления

V5802. В качестве измерителя импеданса использовался прибор ВМ538 фирмы

"Тесла", а в качестве регистрирующего устройства — графопостроитель Н306.

Таким образом, способ измерения толщины слоев позволяет существенно

1383195

Составитель И.Рекунова

Редактор Н.Тупица Техред А.Кравчук Корректор И.Эрдейи

Заказ 1288/40 .Тираж 847 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое пведприятие, r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4 увеличить диапазон измеряемых полупроводниковых слоев (при практически достижимых магнитных полях) и исключить влияние размеров и положения преобразователя на точность изме.рений.

Формула и з о б р е т е н и я

Способ, измерения толщины слоев многослойных изделйй, заключающийся в том, что в изделии с помощью вихретокового преобразователя возбуждают высокочастотные вихревые токи, изме- ряют активную составляющую вносимого в преобразователь сопротивления при заданной частоте питания преобразователя и определяют с ее учетом толщину слоя, о тличающийся тем, что, с целью повышения 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 этого поля, а толщину слоя определяют по величине индукции поля в момент достижения активной составляющей вносимого в преобразователь сопротивления экстремального значения.