УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ НАПЫЛЯЕМЫХ НА ПОДЛОЖКУ ПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для измерения толщины напыляемых пленок с помощью резистивного ″свидетеля″ и может использоваться для контроля толщины, а также скорости напыления проводящих пленок.
Из известных в настоящее время устройств для измерения толщины напыляемых на подложку проводящих пленок наибольшее распространение на практике нашли устройства с использованием кварцевых и резистивных датчиков.
Принцип действия устройства с применением кварцевого датчика основан на зависимости частоты сигнала, генерируемого кварцевым элементом, от изменения его массы при напылении на его поверхность пленки. С увеличением массы кварцевого элемента его резонансная частота падает. По изменению резонансной частоты, фиксируемой частотомером, определяют толщину напыленной пленки. Устройство для измерения толщины пленки с кварцевым датчиком содержит размещенный в вакуумной камере кварцевый элемент, помещенный в кожух с отверстием для пропускания потока частиц напыляемого вещества и систему охлаждения, которая предотвращает нагрев кварцевого элемента в процессе напыления. Это позволяет избежать погрешности измерения толщины напыляемой пленки, связанной с неконтролируемым изменением частоты кварцевого элемента при нестабильности его температуры. Кварцевый датчик включают в контур генератора частоты.
Недостатки подобного устройства связаны с необходимостью охлаждения кварцевого датчика, размещаемого внутри вакуумной камеры, что усложняет конструкцию напылительного устройства, а также с необходимостью периодического демонтажа датчиков и удаления с кварцевого элемента напыленной пленки. Если не проводить периодическую чистку кварцевого элемента, резко возрастает погрешность измерения (см., например. Кварцевый измеритель толщины пленки КИТ-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. В/о ″Машприборинторг″, М., 1969 г.; Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Книга 6. В.Е.Минайчев ″Нанесение пленок в вакууме″. М. ″Высшая школа″, 1989 г., стр.58-59).
Известны устройства для измерения толщины проводящих пленок с использование резистивного ″свидетеля″, которые не требуют охлаждения. Обычно ″свидетель″ представляет собой подложку из изоляционного материала с контактными площадками, которые соединяются с внешним измерительным прибором, содержащим, как правило, мостовую схему измерения сопротивления. ″Свидетель″ устанавливают в вакуумную напылительную камеру в потоке распыляемого вещества как можно ближе к запыляемой подложке, как правило, сбоку от нее, чтобы не заслонять подложку от потока и при этом обеспечить по возможности одинаковые условия напыления. В процессе напыления по мере утолщения пленки сопротивление ″свидетеля″ падает. Изменение сопротивления между контактными площадками ″свидетеля″ может быть пересчитано в скорость напыления или в толщину образовавшейся на ″свидетеле″ пленки. При это считается, что сопротивление пленок, нанесенных на рабочую подложку и ″свидетель″, одинаково. Обычно путем последовательных напылений снимается градуировочная кривая зависимости толщины пленки, напыленной на ″свидетель″, от сопротивления между его контактными площадками, по которой и определяют толщину получаемой при последующих
напылениях пленки (см., например. Технологию полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Книга 6. В.ЕМинайчев. Нанесение пленок в вакууме, М., ″Высшая школа″, 1989 г., стр.56-57).
Это устройство, как наиболее близкое к предлагаемому устройству по конструкции и принципу действия, принято за прототип.
Основной недостаток такого устройства состоит в том, что для сохранения приемлемой точности измерения резистивный ″свидетель″, как и кварцевый элемент, необходимо периодически извлекать из вакуумированного корпуса для очистки от напыленного слоя, либо замены на новый ″свидетель″. Очевидно, что демонтаж ″свидетеля″ из вакуумированного корпуса, его очистка или замена на новый ″свидетель″ с последующей установкой в вакуумированный корпус приводят к значительным трудозатратам и усложнению процесса измерения толщины напыляемых пленок.
Настоящее предложение позволяет снизить трудозатраты, связанные с проведением измерений толщины напыляемых проводящих пленок.
Для этого в известном устройстве для измерения толщины напыляемых на подложку проводящих пленок, включающем размещенный в потоке испаряемого вещества резистивный ″свидетель″, подключенный ко входу измерителя сопротивления, резистивный ″свидетель″ выполнен в виде проволоки, а устройство дополнительно содержит источник нагрева проволоки до температуры испарения напыляемого вещества, выполненный с возможностью его подключения к проволоке по окончании процесса напыления.
Для повышения точности измерения проволочный ″свидетель″ установлен непосредственно перед запыляемой подложкой.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 схематически представлено предлагаемое устройство с вакуумной установкой напыления; на фиг.2 - зависимость сопротивления проволоки от толщины напыленной пленки индия.
1
n
n
n
n
Заявляемое устройство содержит резистивный ″свидетель″ в виде проволоки 1, размещенной в вакуумной камере 2 и соединенной через вакуумноплотную изоляцию и переключатель 3 с измерителем сопротивления 4, находящимся вне вакуумной камеры 2. Рабочие подложки 5...5 закреплены на подвижном держателе 6, под которым установлен экран 7 с окном для пропускания к подложке потока паров напыляемого вещества. Напротив окна в экране 7 устанавливают запыляемую подложку 5. Проволочный ″свидетель″ 1 размещен непосредственно перед запыляемой подложкой 5. Источник нагрева 8 проволоки 1 до температуры испарения напыляемого вещества размещен вне вакуумной камеры 2 и через переключатель 3 и вакуумноплотную изоляцию может подключаться к проволочному ″свидетелю″ 1. Напыляемое вещество размещают в лодочке испарителя 9 внутри вакуумной камеры 2. Между испарителем 9 и окном в экране 7 установлена заслонка 10. Выводы переключателя 3 защищены от потока напыляемого вещества экранами (на чертеже не показаны). Предлагаемое устройство работает следующим образом. После включения испарителя напыляемое вещество, размещенное в лодочке испарителя 9, закипает и начинает испаряться. Поток напыляемого вещества оседает на проволоке 1 и создает дополнительный проводящий слой на ее поверхности, в результате чего по мере распыления материала сопротивление проволоки 1 падает, и тем быстрее, чем больше скорость испарения. Регулировкой мощности нагрева испарителя добиваются требуемой скорости испарения. По достижении требуемой скорости испарения заслонка 10 отодвигается, открывая для потока паров испаряемого вещества проволоку 1 и запыляемую положку 5. Толщина напыляемой пленки приблизительно пропорциональна изменению сопротивления проволоки 1 (см. фиг.2). Проволока 1 с помощью переключателя 3 подключается к измерителю сопротивления 4. Очевидно, что чем тоньше проволока 1, и чем выше ее собственное
сопротивление R, тем заметнее изменение сопротивления ΔR с увеличением толщины напиленного слоя.
По достижении определенного значения сопротивления проволоки 1, соответствующего заданной толщине напыляемой пленки (см. фиг.2) заслонка 10 закрывается, испаритель 9 выключается, и процесс напыления заканчивается. После этого с помощью переключателя 3 проволока 1 отключается от измерителя сопротивления 4 и подсоединяется к источнику нагрева 8. Нагреваясь до температуры испарения, напыленная на проволоку 1 пленка испаряется до полного очищения проволоки 1, после чего с помощью переключателя 3 проволока 1 отключается от источника нагрева 8 и подключается к измерителю сопротивления 4. После этого, разместив свободную подложку на место запыленной, можно начинать следующий цикл напыления пленки.
Проволоку 1 необязательно очищать испарением после каждого напыления. Периодичность очистки зависит от толщины напыляемой за один цикл пленки и определяется для каждого напыляемого материала, исходя из сохранения линейной зависимости сопротивления проволоки 1 от толщины напыленной пленки.
Таким образом, периодически очищая проволоку 1, можно напылить без развакуумирования системы любую заданную толщину пленки, вплоть до 50 мкм и более.
Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является возможность расположения ″свидетеля″ непосредственно перед запыляемой подложкой, так что ″свидетель″ и подложка находятся практически в одинаковом потоке напыляемого вещества. Такое расположение возможно за счет выполнения ″свидетеля″ в виде
проволоки, которая не препятствует из-за своей очень малой толщины прохождению паров напыляемого вещества к запыляемой подложке.
В результате обеспечивается более точное измерение толщины напыляемой пленки за счет устранения погрешности, возникающей в известных устройствах из-за расположения ″свидетеля″ в периферийной части потока напыляемого вещества, которая в той или иной мере отличается по плотности и равномерности от прямого потока, идущего на подложку.
Был изготовлен экспериментальный образец предлагаемого устройства и опробован при напылении слоев индия в вакуумной установке УВН-71ПЗ.
n
Проволочный ″свидетель″ 1 изготавливался из нихромовой проволоки диаметром 0,2 мм и длиной 20 см, полное сопротивление которой составило 10 Ом. В качестве измерителя сопротивления 4 использовался омметр типа В7-38. Подвижный держатель 6 выполнялся в виде вращающегося диска, на котором закреплялись подложки 5 для напыления на них слоя индия толщиной 5 мкм. В качестве источника нагрева 7 проволоки 1 до температуры испарения напыляемого вещества (индия) использовалась вторичная обмотка понижающего трансформатора с напряжением 10 В, 50 Гц, 50 Вт. Перед началом напыления проволока 1 подключалась к омметру 4. Когда величина сопротивления на омметре 4 достигала 8 Ом, напыление прекращалось, так как это значение соответствовало заданной толщине напыляемой пленки индия 5 мкм (см. фиг.2) независимо от мощности нагрева. Затем проволока 1 подключалась к источнику нагрева 7 для очистки путем испарения напыленного индия. При этом ее сопротивление контролировалось периодическим подключением к омметру 4. По достижении проволокой 1 исходного
сопротивления 10 Ом процесс очистки прекращался, свободная подложка 5п устанавливалась перед окном путем вращения держателя 6, и процесс напыления возобновлялся без развакуумирования до тех пор, пока в лодочке испарителя 9 оставался напыляемый материал (индий).