УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

Полезная модель относится к исследованию электрических или магнитных свойств материалов, в частности, к устройствам для измерения поверхностного сопротивления тонких металлических пленок.
6
6
Известно устройство для измерения удельного сопротивления электропроводящих слоев, основанное на использовании так называемого четырехзондового метода (см., например, 1) Батавин В.В. и др. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. - М: Радио и связь, 1985, с. 5; 2) US №3735254, (Int. Cl. G01R 27/14), опубл. 22.05.1973); 3) US №5691648, (Int. Cl. G01R 27/14), опубл. 25.11.1997; 4) US №5914611, (Int. Cl. G01R 27/14), опубл. 22.01.1999). Устройство содержит источник тока, измерители тока и напряжения и четырехзондовую головку, в которой к одной паре зондов подключены последовательно соединенные источник и измеритель тока I, а к другой паре зондов подключен измеритель напряжения V. При условии, что толщина пластины d, по крайней мере, в два раза меньше расстояния s между зондами четырехзондовой головки при известной толщине пластины, может быть найдено удельное объемное сопротивление ρ материала пластины по формуле:
Недостатком этого устройства является малая величина напряжения V, составляющая единицы микровольт, при измерении удельного сопротивления тонких металлических пленок, и обусловленная этим повышенная сложность устройства.
1
2
2
l
1
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является устройство для контроля толщины и удельного сопротивления электропроводящих изделий (см. патент RU №2204114, (МПК G01N 27/02, G01B 7/06), опубл. 10.05.2003). Это устройство содержит зондовую головку, источник тока, соединенный с одной из пар зондов, измеритель тока, два измерителя напряжения. Зондовая головка содержит не менее шести зондов: "а", "б", "в", "г", "д", "е". Между тремя зондами "а", "б", "в" расстояние s, по крайней мере, в 10 раз меньше, чем расстояние s между зондами "в", "г", "д", "е". Пара зондов "б" и "в" с малым расстоянием s, подключена к первому измерителю напряжения. Пара зондов "г" и "д" с большим расстоянием s подключена ко второму измерителю напряжения. Последовательно соединенные источник тока и измеритель тока подключены к крайним токовым зондам "а" и "е". Это устройство реализует комбинацию двух вариантов четырехзондового метода, а именно: при соприкосновении головки с измеряемым изделием и при пропускании тока I через зонды "а" и "в" на зондах "б-в" измеряется падение напряжения V, причем если 3,3s≤d (где d - толщина контролируемого изделия), то с точностью до 2,3% можно получить:
2
2
на зондах "г-д" измеряется падение напряжения V, причем если s≥2d, то имеет место равенство:
Из формул (2) и (3) может быть найдена толщина изделия:
2
Формулы (2) и (4) получены для условия, когда все зонды находятся на одной линии, расстояния S, между тремя зондами "а", "б", "в" одинаковы и расстояния s между четырьмя зондами "в", "г", "д", "е" также одинаковы.
1
3
3
Однако условие 3,3s≤d невозможно выполнить и, следовательно, формулы (2) и (4) нельзя использовать, когда удельное сопротивление измеряется с помощью данного устройства на тонких металлических пленках с толщиной менее 1 мкм. Несмотря на то, что при переходе к тонким металлическим пленкам уменьшение толщины электропроводящего слоя в 10 раз (по сравнению с прототипом) позволяет уменьшить ток I в 10 раз (до значений 50÷100 мА), плотность тока j и плотность рассеиваемой мощности р в области токовых зондов достигает больших значений. Оценка этих величин по формулам:
5
-2
5
-3
-5
-6
-3
дает следующие значения: j=1,99·10 А·см, и р=1,07·10 Вт·см, для пленки алюминия с толщиной d=0,4 мкм=4·10 см и ρ=2,7·10 Ом·см при токе зонда I=0,05 А и радиусе зонда r=10 мкм=1·10 см. Такие высокие значения плотности тока j и плотности рассеиваемой мощности р в области токовых зондов приводят к изменениям кристаллической структуры и удельного сопротивления металла, которые обусловлены его локальной термообработкой во время измерения, и, соответственно, к более высоким значениям измеренного значения удельного сопротивления металла. Кроме этого к недостатку прототипа следует отнести повышенную сложность зондовой головки и устройства в целом, которые ограничивают его эксплуатационные возможности.
Заявляемая полезная модель решает техническую задачу упрощения устройства и снижения тепловой нагрузки в контролируемой области металлической пленки.
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемое устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок, содержащее зондовую головку с расположением зондов на прямой линии, источник тока и измеритель тока, измеритель напряжения, подключенный к одной паре зондов, зондовая головка содержит три зонда, причем расстояние s между средним зондом и первым внешним зондом, по крайней мере, в два раза меньше расстояния s между средним зондом и вторым внешним зондом, измеритель напряжения подключен к среднему зонду и ко второму внешнему зонду с большим расстоянием между ними, при этом последовательно соединенные источник тока и измеритель тока подключены к первому внешнему зонду и, по крайней мере, к одному электрическому контакту, рассположенному на поверхности металлической пленки около ее внешнего контура.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано заявляемое устройство, содержащее зондовую головку с тремя зондами, расположенными на прямой линии, на фиг 2 представлены графики зависимостей плотности тока j и плотности рассеиваемой мощности p от расстояния r до токового зонда (графики рассчитаны по формулам (5) для пленки алюминия с толщиной 0,4 мкм при токе зонда 0,05 А).
2
1≤
2
3
Устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок, содержит зондовую головку с тремя зондами 1, 2 и 3, расположенными на прямой линии, источник тока, измеритель тока и измеритель напряжения, при этом расстояние s, между средним зондом 2 и первым внешним зондом 1, по крайней мере, в два раза меньше расстояния s между средним зондом и вторым внешним зондом 3 (2ss), измеритель напряжения подключен к среднему зонду 2 и ко второму внешнему зонду 3, последовательно соединенные источник тока и измеритель тока подключены к первому внешнему зонду 1 и, по крайней мере, к одному электрическому контакту 5, рассположенному на поверхности металлической пленки около ее внешнего контура. В конкретном примере выполнения токовые контакты 5 выполнены в виде навесок индия с размерами 3×3×0,5 мм, присоединенных к поверхности пленки алюминия вблизи вершин прямоугольной области этой пленки путем незначительного давления на навески индия при комнатной температуре (фиг. 1).
1
23
s
Устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок работает следующим образом. При соприкосновении зондов 1, 2 и 3 головки с поверхностью металлической пленки 6 и при пропускании тока I, через зонд 1 и токовый контакт 5 на зондах 2 и 3 измеряют падение напряжения V. Удельное поверхностное сопротивление ρ металлической пленки рассчитывают по формуле:
1
2
12
13
23
12
13
Формула (6) получена следующим образом. Если d«s и d«s, то можно пренебречь падением напряжения по толщине металлического слоя 6 вблизи токового контакта 1 и считать, что распределение тока и потенциала в слое двухмерное. Поэтому, учитывая цилиндрическую симметрию распределения потенциала φ(r), для определения потенциалов φ и φ в точках 2 и 3, а затем и разности потенциалов V=φ-φ в точках 2 и 3 достаточно решить в цилиндрической системе координат уравнение Лапласа, в котором оставлен лишь член, зависящий от расстояния r до токового контакта:
Решение уравнения (7) имеет вид (см. Павлов Л.П. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1975, с. 17):
2
12
13
14
1
где C - постоянная интегрирования. По формуле (8), потенциалы φ, φ и φ электрического поля, создаваемого в точках 2, 3 и 4 током (+I,), втекающим в слой через контакт 1, соответственно равны:
1
2
3
1
1
2
14
2
Будем считать, что расстояние (s+s+s) от точечного контакта 1 до точки 4 много больше расстояний s и (s+s), и что потенциал в точке 4 равен нулю: φ=0. Подстановка этого условия в равенство (10) дает выражение для постоянной интегрирования С:
12
13
Подстановка выражения (11) в равенства (9) приводит к выражениям для потенциалов φ и φ в точках 2 и 3:
23
12
13
Используя выражения (12), получим разность потенциалов V=φ-φ точках 2 и З:
s
s
В формуле (13) (ρ/d) есть удельное поверхностное сопротивление ρ материала проводящего слоя: ρ=ρ/d. С учетом этого из формулы (13) имеем выражение (6) для расчета поверхностного сопротивления материала проводящего слоя.
1
2
s
l
1
1
1
1
2
1
2
1
23
s
s
2
2
2
-1
-5
3
Реализация полезной модели может быть проиллюстрирована следующим примером. При помощи зондовой головки с расстоянием между зондами 1 и 2 s=0,8 мм и расстоянием между зондами 2 и 3 s=1,725 мм были измерены поверхностное ρ и удельное ρ сопротивления тонкой пленки алюминия толщиной 0,4 мкм. Значение расстояния s=0,8 мм между зондами 1 и 2 было выбрано на основе рассчитанных зависимостей плотности тока j и плотности рассеиваемой мощности p от расстояния r (s) до токового зонда 1 (графики этих зависимостей, представленные на фиг. 2, были рассчитаны по формулам (5) для пленки алюминия толщиной 0,4 мкм при токе зонда 0,05 А). Из фиг. 2 видно, что при s≥0,6 мм графики этих зависимостей выходят на пологие участки со значениями плотности тока j в интервале (33,2÷19,9) А/мм при s=(0,6÷1) мм, что соответствует сниженному выделению тепла в контролируемой области металлической пленки между зондами 2 и 3. Этому способствует условие (2s≤s), так как реализация этого условия расширяет контролируемую область металлической пленки, что приводит к увеличению площади, через которую тепло отводится в подложку, и, соответственно, к снижению температуры металлической пленки между зондами 2 и 3. Пленка алюминия была осаждена на стеклянную подложку методом термовакуумного испарения. Размеры подложки составляли 24×20×1.5 мм, а размеры квадратной области металлической пленки 20×20 мм. Для обеспечения более высокой проводимости пленки алюминия подложка подвергалась физическому обезжириванию в этиловом спирте и ацетоне, отжигу на воздухе при 180°С в течение 40 мин, ионной очистке в вакуумной камере при давлении остаточного газа (2÷1)·10 мм рт.ст. и температуре спая термопары, равной (240ч250)°С, в течение 15 мин. При этой температуре после окончания ионной очистки подложка отжигалась в вакууме при давлении остаточного газа (2÷3)·10 мм рт.ст. в течение 30 мин. Термовакуумное испарение алюминия выполнялось из вольфрамового испарителя с высокой скоростью осаждения пленки 40  при температуре подложки 150°С. После осаждения тонкой пленки алюминия на ее поверхности вблизи вершин квадратной области этой пленки были изготовлены распределенные токовые контакты в виде навесок индия с размерами 3×3×0,5 мм. Для измерения поверхностного сопротивления тонкой металлической пленки использовалась трехзондовая головка, содержащая три подпружиненных зонда из вольфрамовой проволоки диаметром 0,5 мм, установленных вдоль прямой линии. Зонды устанавливались на поверхность металлической пленки на осевую линию, параллельную стороне квадрата, на одинаковых расстояниях от двух других его сторон, перпендикулярных указанной осевой линии. Затем выполнялись последовательно измерения токов и напряжений, при этом значение тока изменяли в интервале (0,02÷0,06) А. При этом внешние проводники от измерителя напряжения были подключены к зондам 2 и 3, а проводники от последовательно соединенных источника тока и измерителя тока были подключены к зонду 1 и к параллельно соединенным индиевым контактам 5. После этого измерялись толщина d металлической пленки с помощью микроинтерферометра Линника МИИ-4, а также расстояния s и s с помощью микроскопа «Биолам» путем измерения расстояний между центрами контактных площадок, которые видны на поверхности металлического слоя после контактирования зондов 1, 2 и 3 с этим слоем.. Результаты измерения тока I и напряжения V и расчета удельного поверхностного ρ (по формуле (6)) и удельного объемного ρ (по формуле: ρ=ρd) сопротивлений приведены в таблице 1.
1
s
s
1
1
23
Из данных таблицы следует, что при изменении тока I в интервале (0,02÷0,06) А относительные отклонения удельного поверхностного сопротивления ρпленки алюминия от его среднего значенияимеют место как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения ρ и не превышают 3,5%. Это свидетельствует о том, что эти отклонения обусловлены не увеличеним тока I и связанного с этим увеличением нагрева пленки алюминия в контролируемой области между зондами 2 и 3, а погрешностями измерения тока I и напряжения V. Полученные значения удельного сопротивления алюминия не противоречат табличным данным (см., например, Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. академика Кикоина И.К. М.: Атомиздат. 1976. С. 305.