УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРИСТЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКИХ СЛОЕВ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR DEFINING POROUS CHARACTERISTICS OF THIN LAYERS (VERSIONS)

Изобретение относится к адсорбции в тонких пористых слоях и может быть использовано в микроэлектронике, катализе, биохимии.
Известно устройство и метод определения пористости тонких слоев, сформированных на подложке (патент США 6435008). Устройство содержит вакуумную камеру, в которую помещается подложка с тонким пористым слоем, и в вакуумной камере поддерживается определенное давление и температура. Поляризатор и анализатор эллипсометра закреплены на специальных оптических окнах этой вакуумной камеры. К вакуумной камере подключается система откачки и блок подачи летучих паров.
Это устройство работает следующим образом: вакуумная камера откачивается, а затем летучие пары вещества, например толуола, подаются в указанную камеру, и через определенный период времени при установившемся в вакуумной камере давлении летучих паров определяются оптические характеристики тонкого слоя с помощью эллипсометрических измерений. Эти оптические характеристики используются для определения количества паров, сконденсировавшихся в порах тонкого слоя. При измерении адсорбции давление паров в вакуумной камере изменяется дискретными шагами от 0 до давления Ро, при котором начинается конденсация летучих паров на плоской поверхности. При измерении десорбции давление паров в вакуумной камере изменяется дискретными шагами от давления Ро до 0. Зависимость количества сконденсировавшихся паров от давления этих паров в вакуумной камере представляет собой изотерму адсорбции (десорбции), и эта изотерма используется для вычисления пористых характеристик тонкого слоя.
Недостатки устройства. Это устройство требует наличия вакуумной камеры, системы откачки и контроля давления в камере. Необходимо также наличие откачиваемых источников летучих паров. Это усложняет конструкцию рассматриваемого устройства и, как следствие, уменьшает надежность устройства. Время, необходимое для измерений, складывается из времени заполнения камеры летучими парами, выдержки для установления давления при каждом шаге повышения (понижения) давления и времени эллипсометрических измерений. Общий цикл одного измерения в этом устройстве занимает 30 минут.
Известно устройство для измерения пористых характеристик тонких пористых слоев при атмосферном давлении (Bourgeois A., Brunet-Bruneau A., Fisson S., Rivori J. Adsorption and Desorption Isothermes Obtained by Ellipsometric Porosimetry to Probe Micropores in Ordered Mesoporous Silica Films. - Adsorption 11, 195-199, 2005). Это устройство содержит камеру, в которую помещается столик для подложки с тонким пористьм слоем, а в качестве летучих паров используются пары воды. Устройство содержит систему подачи в камеру двух потоков воздуха, один из которых насыщен парами воды. В этой системе баллон со сжатым сухим воздухом с редуктором соединен с двумя датчиками и регуляторами расхода сухого воздуха, причем один из них соединен с барботером с водой, где этот поток сухого воздуха насыщается парами воды. На входе в камеру этот поток влажного воздуха соединяется со вторым потоком сухого воздуха. С камерой через общую раму жестко связаны поляризатор и анализатор эллипсометра.
Устройство работает следующим образом: в камеру подается один поток сухого воздуха и один поток влажного воздуха, насыщенного парами воды. Эти потоки дискретным образом меняются в противофазе таким образом, чтобы влажность в камере изменялась от 0 до 100%. При измерении адсорбции поток сухого воздуха меняется от максимального потока до нуля, а поток влажного воздуха меняется от нуля до максимального потока. При измерении десорбции поток влажного воздуха меняется от максимального потока до нуля, а поток сухого воздуха меняется от нуля до максимального потока. После каждого изменения потоков и после установления определенной влажности в камере с помощью эллипсометрических измерений определяются оптические характеристики тонкого слоя. Эти оптические характеристики используются для определения количества паров воды, сконденсировавшихся в порах тонкого слоя. Отношение потока влажного воздуха к сумме потоков влажного и сухого воздуха задает относительную влажность, а зависимость количества паров воды, сконденсировавшихся в порах, от относительной влажности представляет собой изотерму адсорбции, которая используется для вычисления пористых характеристик тонкого слоя.
Недостатки устройства. Это устройство требует наличия специальной камеры, в которую помещается исследуемый образец. Когда образец представляет собой кремниевую шайбу диаметром 300 мм, то эта камера становится очень большой, и для заполнения такой камеры требуется значительный поток сухого и влажного воздуха и длительное время для стабилизации влажности в камере. Время, необходимое для измерений, складывается из времени изменения влажности в камере, выдержки для установления влажности при каждом шаге повышения (понижения) влажности и времени измерения. Общий цикл одного измерения занимает 20 минут.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности устройства за счет упрощения его конструкции и ускорение цикла измерения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения пористых характеристик тонких слоев, содержащем анализатор и поляризатор эллипсометра, блок подготовки парогазовой смеси, состоящий из двух датчиков и регуляторов расхода газа и барботера, причем один из датчиков и регуляторов расхода газа последовательно соединен с барботером для получения потока насыщенного парами летучей жидкости газа, а другой датчик и регулятор расхода газа подсоединен к ним параллельно, на вход блока подготовки парогазовой смеси через редуктор подсоединен баллон с чистым газом, в этом устройстве выполнено сопло, соединенное с выходом блока подготовки парогазовой смеси и размещенное в зоне эллипсометрических измерений, а поляризатор и анализатор эллипсометра, столик для крепления образцов и сопло закреплены на жесткой раме.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в устройстве для определения пористых характеристик тонких слоев, содержащем поляризатор и анализатор эллипсометра, столик для крепления образцов, блок подготовки парогазовой смеси, на вход которого через редуктор подсоединен баллон с чистым газом, и в нем выполнено сопло, соединенное с выходом блока подготовки парогазовой смеси и размещенное в зоне эллипсометрических измерений, сопло служит для подачи парогазовой смеси непосредственно в зону эллипсометрических измерений, причем поляризатор и анализатор эллипсометра, столик для крепления образцов и сопло закреплены на жесткой раме, а блок подготовки парогазовой смеси состоит из последовательно соединенных датчика и регулятора расхода газа и дозатора летучей жидкости.
На фигуре 1 представлена блок-схема устройства для определения пористых характеристик тонких слоев.
На фигуре 2 представлен первый вариант блока подготовки парогазовой смеси.
На фигуре 3 представлен второй вариант блока подготовки парогазовой смеси.
На фигуре 4 представлены изотермы адсорбции и десорбции паров изопропилового спирта в тонком пористом слое.
На фигуре 5 представлено распределение пор по размерам в анализируемом пористом слое, рассчитанное по изотермам на фигуре 4.
На фигуре 1 представлена блок-схема устройства для определения пористых характеристик тонких слоев, где 1, 2 - поляризатор и анализатор эллипсометра, 3 - блок подготовки парогазовой смеси, 4 - сопло для подачи парогазовой смеси в зону измерения, 5 - баллон с чистым газом, 6 - редуктор, 7 - образец, 8 - столик для установки образца, 9 - управляющий компьютер.
На фигуре 2 представлен первый вариант блока подготовки парогазовой смеси, где 10, 11 - датчики и регуляторы расхода газа, 12 - барботер с летучей жидкостью, в котором поток газа насыщается парами этой жидкости.
На фигуре 3 представлен второй вариант блока подготовки парогазовой смеси, где 11 - датчик и регулятор расхода газа, 13 - дозатор летучей жидкости.
На фигуре 4 представлены результаты измерений на макете устройства, где 14 - изотерма адсорбции, а 15 - изотерма десорбции паров изопропилового спирта в тонком пористом слое.
На фигуре 5 представлено распределение пор по размерам в анализируемом тонком пористом слое, рассчитанное по изотермам на фигуре 4, где 16 - распределение пор по изотерме адсорбции, 17 - распределение пор по изотерме десорбции.
В устройстве для определения пористых характеристик тонких слоев оптические элементы эллипсометра поляризатор 1 и анализатор 2, столик для образцов 8 и сопло для подачи парогазовой смеси 4 закреплены на единой поддерживающей раме. Измеряемый образец 7 помещен на столике 8 таким образом, чтобы лазерный луч эллипсометра, выходящий из поляризатора 1, после отражения от поверхности образца 7 попадал в анализатор эллипсометра 2. Сопло 4 расположено над образцом 7 таким образом, чтобы парогазовая смесь попадала прямо на область образца, от которой отражается лазерный луч. Баллон с чистым газом 5 через редуктор 6 соединен подводящей трубкой с блоком для подготовки парогазовой смеси 3, а выход блока 3 соединяется трубкой с соплом 4. Управляющий компьютер 9 соединен электрическими кабелями с оптическими элементами эллипсометра 1 и 2, а также с блоком подготовки парогазовой смеси 3.
На фигуре 2 представлен первый вариант блока подготовки парогазовой смеси 3. Входная трубка для подачи чистого газа разделяется на две трубки. Одна трубка соединена с входом датчика и регулятора расхода газа 10, а вторая трубка соединена с входом датчика и регулятора расхода газа 11. Выход датчика и регулятора расхода газа 10 соединен трубкой с выходом блока подготовки парогазовой смеси 3, а выход датчика и регулятора расхода газа 11 соединен с входом барботера 12 с летучей жидкостью. Выход барботера 12 соединен трубкой с выходом блока подготовки парогазовой смеси 3.
На фигуре 3 представлен второй вариант блока подготовки парогазовой смеси 3. Входная трубка соединена с входом датчика и регулятора расхода газа 11. Выход датчика и регулятора расхода газа 11 соединен трубкой с дозатором летучей жидкости 13, а выход дозатора летучей жидкости 13 соединен трубкой с выходом блока 3.
Первый вариант предлагаемого устройства работает следующим образом:
измеряемый образец 7 помещается на столик 8, затем оператор запускает рабочую программу на управляющем компьютере 9. Из баллона с чистым газом 5 через редуктор 6 и через блок подготовки парогазовой смеси 3 сквозь сопло 4 по команде управляющего компьютера 9 в зону измерений подается парогазовая смесь. Парциальное давление пара летучей жидкости в подаваемой смеси с помощью блока подготовки парогазовой смеси 3 под управлением компьютера 9 меняется от 0% до 100% от давления насыщенного пара при температуре образца. Парциальное давление пара меняется за счет изменения потока чистого газа через датчик и регулятор расхода газа 10 и потока насыщенного парами летучей жидкости газа, проходящего через датчик и регулятор расхода газа 11 и барботер 12 с летучей жидкостью. При этом в компьютере периодически записываются показания эллипсометра (эллипсометрические углы пси и дельта) вместе со значениями парциального давления паров. При адсорбции поток газа через датчик и регулятор расхода газа 11 и барботер 12 с летучей жидкостью меняется от нуля до максимального потока, а поток чистого газа через датчик и регулятор расхода газа 10 меняется от максимального потока до нуля. При десорбции поток газа через датчик и регулятор расхода газа 11 и барботер 12 меняется от максимального потока до нуля, а поток чистого газа через датчик и регулятор расхода газа 10 меняется от нуля до максимального потока. Парциальное давление паров летучей жидкости вычисляется как отношение потока газа через датчик и регулятор расхода газа 11 и барботер 12 к суммарному потоку газа, проходящему через датчики и регуляторы расхода газа 10 и 11. В качестве летучей жидкости могут использоваться как органические жидкости, например толуол, изопропиловый спирт, этиловый спирт, гептан и другие, так и неорганические, например вода.
После окончания измерений в компьютере формируется файл измерения адсорбции и файл измерения десорбции, в которых вместе со значениями относительного давления паров летучей жидкости записаны соответствующие эллипсометрические измерения (эллипсометрические углы пси и дельта). После получения файлов адсорбции и десорбции специальная программа вычисляет изотерму адсорбции - зависимость количества адсорбированного в порах тонкого слоя паров летучей жидкости от относительного давления паров этой летучей жидкости.
На фигуре 4 представлена изотерма адсорбции 14 и десорбции 15 паров изопропилового спирта в потоке аргона для образца с пористым слоем двуокиси кремния на кремнии, полученная на макете предлагаемого устройства.
Из полученной изотермы адсорбции стандартным методом получается распределение пор по размерам в тонком пористом слое.
На фигуре 5 представлены распределения пор по размерам для этого пористого слоя, полученные из адсорбции 16 и десорбции 17, представленных на фигуре 4.
Второй вариант предлагаемого устройства работает следующим образом: измеряемый образец 7 помещается на столик 8, затем оператор запускает рабочую программу на управляющем компьютере 9. Из баллона с чистым газом 5 через редуктор 6 и через блок подготовки парогазовой смеси 3 сквозь сопло 4 по команде управляющего компьютера 9 в зону измерений подается парогазовая смесь. Парциальное давление пара в подаваемой смеси с помощью блока подготовки парогазовой смеси 3 под управлением компьютера 9 меняется от 0% до 100% от давления насыщенного пара летучей жидкости при температуре образца. Парциальное давление пара меняется за счет изменения количества жидкости, вводимой в поток чистого газа, проходящего через датчик и регулятор расхода газа 11 и дозатор жидкости 13. При этом в компьютере периодически записываются показания эллипсометра (эллипсометрические углы пси и дельта) вместе со значениями парциального давления паров. При измерении адсорбции количество вводимой летучей жидкости меняется от нуля до максимального количества, которое определяется началом конденсации этой жидкости на поверхности измеряемого образца, а при измерении десорбции количество вводимой летучей жидкости меняется от максимального количества до нуля. Парциальное давление паров вычисляется как отношение текущего количества вводимой летучей жидкости к максимальному количеству этой жидкости, соответствующему началу конденсации на поверхности анализируемого тонкого слоя. После окончания измерений в компьютере формируется файл измерения адсорбции и файл измерения десорбции. После получения файлов адсорбции и десорбции специальная программа вычисляет изотерму адсорбции - зависимость количества пара, адсорбированного в порах тонкого слоя, от относительного давления пара.
Предлагаемое изобретение повышает надежность устройства за счет упрощения конструкции. Упрощение конструкции достигается тем, что в предлагаемом устройстве необходимое парциальное давление паров летучей жидкости поддерживается только в зоне эллипсометрических измерений, в результате чего исключается необходимость специальной камеры для помещения в нее измеряемого образца.
Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет значительно сократить время одного цикла измерений. В предлагаемом устройстве область измерений пористого слоя находится непосредственно в потоке парогазовой смеси, что позволяет исключить время на заполнение камеры, а измерения при этом проводятся с помощью быстродействующего статического эллипсометра, что позволяет провести полный цикл измерений за 10 секунд вместо 20 минут.