Способ определения температурного коэффициента сопротивления тонких проводящих пленок с использованием четырехзондового метода измерений
METHOD OF DETERMINING THE TEMPERATURE COEFFICIENT OF RESISTANCE OF THIN CONDUCTING FILMS USING A FOUR-PROBE MEASUREMENT METHOD

Изобретение относится к области радиоэлектроники и измерительной техники и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных резисторов и для оперативного контроля температурного коэффициента сопротивления (ТКС) тонких проводящих пленок в процессе их изготовления.
Известен способ определения ТКС тонких проводящих пленок алюминия [1], осуществляемый устройством, состоящим из 4-зондов, источника питания зондов и приборов регистрации сопротивления измеряемых образцов, камеры тепла с контролем температуры по термометру.
Недостатком известного способа является длительный цикл проведения измерений и определения ТКС тонких пленок, связанный с необходимостью нагрева измеряемого образца в специальной камере (камере тепла), а также низкая точность измерения температуры образца (измеряется температура в камере, а не температура самой тонкой пленки).
Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому техническому решению является способ определения ТКС различных образцов в виде пластин на основе четырехзондового метода измерения поверхностного сопротивления [2]. Устройство для выполнения способа-прототипа состоит из компактного блока, четырехзондовой головки, подложкодержателя, нагревателя подложкодержателя и приборов регистрации температуры и поверхностного сопротивления. Устройство позволяет нагревать подложкодержатель в диапазоне от 20°C до 100°C с точностью 0.1°C.
Недостатками способа-прототипа являются недостоверное измерение поверхностного сопротивления пластин и тонких проводящих пленок при повышенных температурах (например, свыше 100°C), особенно если измеряемая тонкая проводящая пленка нанесена на нетеплопроводную подложку. При этом температура пленки может существенно отличаться от температуры подложкодержателя. Для выравнивания температуры поверхности пленки с температурой подложкодержателя необходим длительный период времени, что является недостатком данного способа. Другим недостатком данного способа является низкий, (до 100°C), верхний предел устанавливаемой температуры.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение точности измерения ТКС, снижение времени измерения ТКС и увеличение верхнего предела устанавливаемой температуры.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения ТКС тонких проводящих пленок, включающем операции четырехзондового измерения поверхностного сопротивления с помощью четырехзондовой головки, подложкодержателя, нагревателя подложкодержателя и приборов регистрации температуры и поверхностного сопротивления, в которых измеряют температуру поверхности пленки, согласно изобретению температуру поверхности тонкой проводящей пленки определяют визуально по моменту плавления и затвердевания кусочков металла, находящихся в месте расположения зондов, при этом начальной температурой, от которой проводят измерения поверхностного сопротивления, выбирают комнатную температуру. При этой начальной температуре поверхность подложкодержателя и поверхность пленки имеют одну и ту же температуру. В качестве металла используют, например, индий, олово, свинец, низкотемпературные сплавы на основе свинца, олова, висмута, кобальта.
Благодаря предложенному техническому решению по сравнению с прототипом получены следующие преимущества:
- измеряется температура поверхности пленки в местах нахождения зондов, а не температура подложкодержателя, что позволяет более точно определять ТКС пленок;
- температура поверхности пленки определяется визуально по моменту плавления и затвердевания кусочков металла, расположенных на поверхности пленки. В качестве кусочков металла могут применяться индий (температура плавления и затвердевания 156,7°C) олово (температура плавления и затвердевания 231°C), свинец (температура плавления и затвердевания 327°C). Использование кусочков металла для определения температуры поверхности пленки позволяет увеличить максимальную температуру нагрева пленки до 327°C и тем самым также повысить точность определения ТКС и дает возможность определять ТКС в более высокотемпературной области (327°C в предлагаемом техническом решении против 100°C в известном техническом решении);
- снижается время измерения ТКС, так как не требуется время на стабилизацию температуры подложкодержателя и выравнивание температуры подложкодержателя с температурой поверхности пленки (резистивной, проводящей, полупроводниковой). Кроме того в качестве расплавляемых кусочков металла могут быть использованы низкотемпературные сплавы на основе свинца, олова, висмута, кобальта.
Устройство для выполнения предложенного способа выполнено на основе установки для определения поверхностного сопротивления пленок ИУС-3 [3]. Вместо штатного подложкодержателя установка снабжена плоским нагревателем на основе пленок нихрома на керамической основании, позволяющим производить нагрев расположенной на основании подложки с исследуемой пленкой до температуры 327°C. Нагрев плоского нагревателя осуществляется от стандартного источника питания типа Б5-7.
На фигуре схематично показано устройство для определения ТКС пленок.
Здесь 1 - установка ИУС-3, 2 - зонды, 3 - подложка с исследуемой пленкой, 4 подложкодержатель со встроенным плоским нагревателем, 5 - источник питания плоского нагревателя типа Б5-7, 6 - кусочек металла (индий, олово, свинец).
t
0
0
0
0
t
Сопротивление резистивной пленки при изменении температуры определяется из следующей известной формулы R=R(1+α(t-t). Здесь α - ТКС резистивной пленки в диапазоне температур от начальной t до конечной t, R - начальное сопротивление тонкопленочного резистора, R - сопротивление тонкопленочного резистора при температуре t.
Отсюда ТКС резистивных пленок равен
Сопротивление тонкопленочного резистора через число квадратов резистивной пленки и поверхностное сопротивление равно
кв
0
Здесь R - поверхностное сопротивление резистивной пленки, Ом/квадрат, N-число квадратов резистивной пленки. Сопротивление резистивной пленки при начальной температуре t равно
при конечной температуре t равно
С учетом формул (2), (3) и (4) формула (1) для ТКС пленок преобразуется в следующую формулу:
Предлагаемый способ был опробован для определения ТКС резистивных пленок нитрида тантала. Пленки нитрида тантала были нанесены на керамические подложки из нитрида алюминия. Проводилось измерение поверхностного сопротивления пленки нитрида тантала при начальной - комнатной температуре. Далее подавалось напряжение на плоский нагреватель от источника питания и в момент расплавления предварительно помещенного на резистивную пленку кусочка индия (температура плавления 156,7°C) фиксировалось поверхностное сопротивление резистивной пленки, после чего напряжение на плоский нагреватель отключалось и в момент затвердевания также фиксировалось поверхностное сопротивление резистивной пленки. По формуле (5) определялся ТКС резистивной пленки. Время, необходимое для разогрева подложки с резистивной пленкой, например, до температуры расплавления кусочка индия, составляло не более 4 минут.
Источники информации
1. G.P. Panta, D.P. Subedi. Electrical Characterization of Aluminum (al) Thin Films Measured by Using Four-Point Probe Method. Kathmandu University Journal of Science Engineering and Technology. Vol. 8, No 11 December 2002, p.p. 31-36.
2. Полуавтоматическая установка четырехзондового измерения сопротивления и температурного коэффициента сопротивления (ТКС) RT-3000/RG-2000TCR. www.Dipal.ru>catalog/analiticheskoe-oborudovanie.
3. Измерение удельного поверхностного сопротивления.www.techmatch.ru>mabirs-1077.