КУЛОНОМЕТРИЧЕСКИЙ НАНОТОЛЩИНОМЕР
COULOMETRIC NANOCALIPER

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение при измерениях толщины тонкопленочных структур.
Известен способ экспресс-контроля тонкопленочных структур (см. Лебедева Т.С., Сеченов Д.А., Шпилевой П.Б., Якопов Г.В. Применение контролируемого анодного окисления для изготовления и экспресс-контроля СТП структур «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники». Таганрогский государственный радиотехнический университет, труды девятой международной научно-технической конференции, часть 1, Таганрог 2004, стр. 240-243), заключающийся в том, что на исследуемый образец, содержащий тонкопленочную структуру, воздействуют электрическим током в электролитической ячейке, образованной подложкой (анодом) и исследовательским зондом (катодом), содержащим платиновый электрод. Толщину покрытия определяют, анализируя зависимости скорости роста напряжения от времени при анодном окислении в режиме постоянного тока. При этом для различных металлов скорость окисления в электролите под действием электрического тока различна, что создает необходимость в тщательной калибровке перед каждым циклом измерений.
Недостатком известного способа является сложность процесса калибровки и дальнейшей интерпретации результата экспресс-контроля.
Целью изобретения является упрощение процессов калибровки кулонометрического нанотолщиномера и получения результата измерения толщины покрытия.
Указанная цель достигается тем, что в кулонометрическом нанотолщиномере, содержащем двухэлектродную электролитическую ячейку, подключенную к источнику тока высокой стабильности, источник электролита и прибор, регистрирующий изменения напряжения в цепи электродов электролитической ячейки, источник электролита оснащен узлом его прецизионного дозирования, а двухэлектродная электролитическая ячейка, состоящая из платинового катода и анода, представляющего собой слоистое металлическое покрытие исследуемого образца, содержит узел емкостной обратной связи, образованный металлическим покрытием исследуемого участка и платиновым катодом, данные от которого позволяют сформировать каплю оптимальной формы с помощью устройства приема и обработки информации, состоящего из персонального компьютера, плат ввода-вывода и соответствующего программного обеспечения, позволяющего также анализировать зависимость скорости роста напряжения от времени при анодном окислении в режиме постоянного тока для определения толщин и границ раздела слоистой структуры в нанометрах.
Сущность заявляемого изобретения иллюстрируется графическими материалами, где на фигуре 1 показано схематическое изображение кулонометрического нанотолщиномера.
Кулонометрический нанотолщиномер содержит микрокапиллярную двухэлектродную электролитическую ячейку с платиновым катодом 1, оснащенную узлом прецизионного дозирования электролита 2 с емкостной обратной связью для формирования капли оптимальной формы. Столик 3, оснащенный трехкоординатным микрометрическим приводом по координатам XYZ, показанным на фигуре 1, служит для прецизионного позиционирования исследуемой зоны образца 4 относительно ячейки 1. Микроскоп 5, оснащенный ПЗС камерой и фрейм-граббером (на фигуре 1 не показаны), т.е. устройством, которое позволяет отображать на экране компьютера видеосигнал от микроскопа, с тем чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии по этому изображению рассчитать алгоритм работы микрометрического привода столика 3. Видеокамера 6 служит для обозрения всего поля исследуемого образца 4 на экране компьютера, который на фигуре 1 не показан. Узел вакуумной фиксации 7 позволяет надежно зафиксировать образец 4 на трехкоординатной микрометрической подвижке 3.
Измерение толщины металлических покрытий с помощью кулонометрического нанотолщиномера производят следующим образом. Образец 4 фиксируют с помощью узла вакуумной фиксации 7, который закреплен на столике 3, а затем с помощью микрометрического привода столика 3 подводят исследуемый участок образца 4 под платиновый катод 1 двухэлектродной электролитической ячейки, вторым электродом (анодом) которой является металлическое покрытие исследуемого образца 4. С помощью узла прецизионного дозирования электролита 2, оснащенного емкостной обратной связью, формируем каплю электролита оптимальной формы, которая полностью перекрывает исследуемый участок, не задевая при этом соседние. Это осуществляется путем измерения емкости конденсатора, образованного металлическим покрытием исследуемого участка образца 4 и платиновым катодом 1, и последующего сравнения его с калибровочными значениями. Узел прецизионного дозирования электролита 2 на основании информации, полученной путем сравнения текущего значения емкости с калибровочным, добавляет или убавляет нужный объем электролита. Далее, между платиновым катодом 1 и исследуемым образцом 4, который выполняет функцию анода, подается разность потенциалов от источника тока высокой стабильности. Данные о значении разности потенциалов в реальном масштабе времени оцифровываются с помощью аналого-цифрового преобразователя, после чего вводятся в память компьютера, в котором с помощью соответствующего программного обеспечения анализируется зависимость скорости роста напряжения от времени при анодном окислении в режиме постоянного тока и преобразуется в значение толщины пленки в нанометрах.
Применение заявляемого изобретения позволит упростить процессы калибровки кулонометрического нанотолщиномера и получение результата измерения толщины покрытия, что значительно ускорит сам процесс получения результата измерения толщины нанопокрытия и повысит точность его оценки.