УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПЛАСТИН И ТОЛЩИН НАНОМЕТРОВЫХ ПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК

Полезная модель относится к измерительной технике и служит для измерения диэлектрической проницаемости и толщин нанометровых проводящих пленок, нанесенных на подложку из диэлектрического материала.
Известно устройство, реализующее способ измерения электрофизических параметров структуры «нанометровая металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка» (см. патент РФ №2349904 МПК G01N 22/00), заключающийся в облучении структуры излучением СВЧ-диапазона с помощью волноведущей системы, измерении частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона от измеряемой структуры. Перед структурой размещают одномерный фотонный кристалл, изменяют толщину или диэлектрическую проницаемость одного из слоев для нарушения периодичности структуры. Электропроводность или толщину металлической пленки определяют по частотной зависимости коэффициента отражения структуры «фотонный кристалл-металлическая пленка-подложка» при известных параметрах подложки.
Однако недостатками устройства являются отсутствие возможности проведения локальных измерений вследствие усреднения результатов измерений по поперечному сечению волноведущей системы, а также отсутствие регулирующего элемента, обеспечивающего повышение чувствительности к измеряемым параметрам исследуемых структур.
Известно устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов на СВЧ. В ближнеполевом СВЧ-микроскопе, предложенном авторами (M. Golosovsky, D. Davidov. Novel millimeter-wave neareld resistivity microscope. - Appl. Phys. Lett. 1996. - т.68 V.11 - P.1579-1581), в качестве зонда использовался отрезок волновода с установленной на его конце резонансной диафрагмой, перекрывающей его поперечное сечение. Отверстие в диафрагме, выполненной из тонкой металлической пластины, представляло собой узкую щель шириной 0.1 мм и длиной 1.5 мм.
Однако данное устройство не позволяет проводить измерения параметров диэлектрических и проводящих образцов с высокой степенью локальности, усредняя результаты измерений по всей площади отверстия диафрагмы, а также отсутствие регулирующего элемента, обеспечивающего повышение чувствительности к измеряемым параметрам исследуемых структур.
Наиболее близким по конструктивному исполнению к предлагаемому решению является датчик для измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов (см. авторское свидетельство СССР №1821712, G01N 27/02, H01L 21/66), содержащий цилиндрический резонатор с первым и вторым элементами связи для ввода и вывода энергии из резонатора и измерительное отверстие. Датчик дополнительно содержит регулируемый рамочный элемент связи, вывод которого расположен в измерительном отверстии в боковой стенке резонатора, являющейся площадкой, на которую помещается исследуемый образец.
Однако недостатками прототипа являются наличие контакта между площадкой с измерительным отверстием и исследуемым образцом, усреднение результатов измерений по всей площади измерительного отверстия, невозможность проведения измерений параметров диэлектрических образцов.
Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение возможности определения диэлектрической проницаемости исследуемых образцов и толщин проводящих нанометровых пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку с высокой чувствительностью к изменению измеряемых параметров исследуемых образцов, обеспечение бесконтактности измерений и повышение локальности измерений.
Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей, связанных с решением задачи определения диэлектрической проницаемости образцов и толщин проводящих нанометровых пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку, обеспечение высокой чувствительности устройства к изменению измеряемых параметров исследуемых образцов, обеспечение бесконтактности и повышение локальности измерений.
2
3
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для определения диэлектрической проницаемости пластин и толщин нанометровых проводящих пленок, содержащее волноведущую систему, соединенную с цилиндрическим резонатором, в отверстии корпуса которого размещен элемент связи, согласно решению элемент связи является измерительным и изготовлен в виде регулируемой четвертьволновой рамки, один конец которой соединен с корпусом цилиндрического резонатора, а другой - выполнен в виде острия с радиусом менее 0.5 мкм, помещенного в диэлектрическую вставку, размещенную в отверстии корпуса цилиндрического резонатора, и выступающего за внешние границы резонатора на величину много меньшую длины электромагнитной волны основного типа цилиндрического резонатора; устройство содержит дополнительный элемент связи, предназначенный для ввода/вывода электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, выполненный в виде двух соединенных между собой одним концом металлических четвертьволновых рамок, помещенных в диэлектрическую вставку, расположенную в отверстии между волноведущей системой и корпусом цилиндрического резонатора, причем первая рамка выполнена с возможностью поворота ее плоскости и находится во внутренней полости цилиндрического резонатора, а вторая - в волноведущей системе, другие концы рамок соединены с корпусом цилиндрического резонатора и волноведущей системой соответственно; в волноведущей системе размещен одномерный волноводный СВЧ фотонный кристалл, состоящий из одиннадцати слоев, нечетные слои выполнены из поликора AlO, ε=9,6, четные - из фторопласта ε=2,1, длина нечетных отрезков составляет 1 мм, длина всех четных отрезков, кроме центрального - шестого, одинакова и выбрана из диапазона от 7 мм до 14 мм, длина шестого слоя выбрана из диапазона от 3 мм до 4 мм.
2
3
1. Высокая чувствительность устройства к изменению измеряемых параметров исследуемых образцов обеспечивается использованием перестраиваемого резонатора в виде одномерного волноводного фотонного кристалла, состоящего из одиннадцати слоев. Нечетные слои были выполнены из поликора (AlO, ε=9,6), четные - из фторопласта (ε=2,1). Длина нечетных отрезков - 1 мм, четных отрезков варьировалась в диапазоне от 7 мм до 14 мм. Нарушение периодичности создавалось посредством изменения длины шестого, центрального, слоя, длина нарушенного шестого слоя (фторопласт) варьировалась в диапазоне от 3 мм до 4 мм. Угол поворота «регулируемого» элемента связи а при измерении исследуемых образцов с различной диэлектрической проницаемостью равен 178°, при измерении исследуемых образцов с различной толщиной нанометровых проводящих пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку - 104°. Данная конструкция позволяет добиться «совмещения» резонанса частотной зависимости коэффициента отражения СВЧ-излучения от поверхности исследуемого образца для отдельно взятой волноводной системы, содержащей одномерный волноводный фотонный с нарушенным центральным слоем, и резонанса частотной зависимости коэффициента отражения СВЧ-излучения от поверхности исследуемого образца для устройства без волноводного фотонного.
2. Исследуемые образцы располагаются на расстоянии равном 18 мкм от острия зонда.
3. Отсутствие контакта между острием зонда и поверхностью исследуемого образца позволяет изготовить острие зонда с радиусом закругления менее 0.5 мкм, и, следовательно, повысить локальность измерений.
Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 представлен зонд ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе цилиндрического СВЧ-резонатора с рамочным элементом связи и одномерным фотонным кристаллом; вставка A - рамочный элемент связи; вставка B - цилиндрический СВЧ-резонатор с рамочным элементом связи и измеряемым образцом 10. На фиг.2 приведены частотные зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцами с различной диэлектрической проницаемостью. На фиг.3 приведены частотные зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемыми образцами с различной толщиной нанометрового металлического слоя Cr. Позициями на чертежах обозначены:
1 - корпус цилиндрического резонатора
2 - отрезок волновода сечением 23 мм × 10 мм
3 - мембрана толщиной 0,5 мм
4 - рамочный элемент, выполненный из медной проволоки диаметром в сечении 0,6 мм и предназначенный для связи цилиндрического резонатора и волновода
5 - пластина пенопласта
6 - - второй рамочный элемент, который проходит сквозь отверстие в резонаторе и его конечная часть выступает в роли иглы зонда и расположенный под углом 120° к первому рамочному элементу 4
7 - цилиндрическая фторопластовая втулка
8 - крышки
9 - отрезок волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности
10 - измеряемый образец
11 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом «воздух», т.е. соответствует отсутствию измеряемого образца (ε=1)
12 - Частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом фторопласта (ε=2,0)
13 - Частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом гетинакса (ε=2,5)
14 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом текстолита (ε=3,4)
15 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом поликора (ε=9,6)
16 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом кремния (ε=11,7)
17 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте f=10,2411 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда
18 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте f=10,2398 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда
19 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте f=10,2384 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда
20 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (диэлектрическая пластина без металлизации)
21 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=3 нм)
22 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=7 нм)
23 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=9 нм)
24 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=13 нм)
25 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=30 нм)
26 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки (d=180 нм)
27 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте f=10,77908 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от толщины нанометрового металлического слоя на поликоровых пластинах, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда
28 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте f=10,77895 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от толщины нанометрового металлического слоя на поликоровых пластинах, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда
29 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте f=10,77850 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от толщины нанометрового металлического слоя на поликоровых пластинах, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда
Пример практической реализации устройства
Общий вид зонда ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе цилиндрического СВЧ-резонатора с рамочным элементом связи и одномерным фотонным кристаллом представлен на фиг.1. В корпус цилиндрического резонатора 1 впаян отрезок волновода 2 сечением 23×10 мм таким образом, чтобы между полостью волновода и внутренней стенкой корпуса резонатора оставалась мембрана 3 толщиной 0,5 мм. В мембране 3 изготовлено отверстие диаметром 6 мм, через которое проходит рамочный элемент 4, выполненный из медной проволоки диаметром в сечении 0,6 мм и предназначенный для связи цилиндрического резонатора и волновода. Со стороны волновода рамка закреплена в пластине пенопласта 5. Размеры рамки выбраны для оптимальной передачи электромагнитных волн в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц. Под углом 120° к первому рамочному элементу 4 относительно центра окружности цилиндрического резонатора расположен второй рамочный элемент 6, который проходит сквозь отверстие в резонаторе и его конечная часть выступает в роли иглы зонда. Конец зонда выполнялся заостренным с постепенно уменьшающимся диаметром до величины 0,5 мкм. Второй рамочный элемент 6 также изготовлен из медной проволоки диаметром в сечении 0,6 мм. Закрепляется он в цилиндрической фторопластовой втулке 7, которая позволяет изменять положение рамочного элемента путем изменения угла α, плоскости рамки вокруг оси иглы зонда. Корпус цилиндрического резонатора (диаметр цилиндра 65,1 мм, высота - 18.3 мм) с двух сторон закрывается крышками 8.
2
3
Зонд на основе цилиндрического резонатора с рамочным элементом связи был соединен с отрезком волноводного фотонного кристалла 9 с нарушением периодичности (см. фиг.1). Использовался одномерный волноводный фотонный кристалл, состоящий из одиннадцати слоев, в диапазоне частот 8-12 ГГц. Нечетные слои были выполнены из поликора (AlO, ε=9,6), четные - из фторопласта (ε=2,1). Длина нечетных отрезков -1 мм, четных отрезков варьировалась в диапазоне от 7 мм до 14 мм. Нарушение периодичности создавалось посредством изменения длины шестого, центрального, слоя, длина нарушенного шестого слоя (фторопласт) варьировалась в диапазоне от 3 мм до 4 мм.
Высокочастотные характеристики исследуемого зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности, исследовались с помощью векторного анализатора цепей Agilent PNA-L Network Analyzer N5230A, который подключался через отрезок волновода.
На фиг.2 представлены результаты измерений частотных зависимостей коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемыми образцами с различной диэлектрической проницаемостью при угле поворота рамки измерительного зонда α=178°.
На вставке фиг.2 представлены зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренные на различных фиксированных частотах в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда.
11
11
-4
При выборе частоты измерений, соответствующей минимуму коэффициента отражения в отсутствии измеряемого образца, диапазон изменений коэффициента отражения при изменении величины диэлектрической проницаемости максимален и составляет ~39,6 дБ. Измеренная чувствительность ∂S/∂ε монотонно убывает с ростом величины ε в диапазоне значений от 1 до 11,7. В диапазоне значений ε=1÷2 величина ∂S/∂ε составляет `29,7 дБ/ε, а разрешающая способность Δε/ε достигает значения ~10.
Исследуемая резонансная система также может быть использована для измерения образцов в виде диэлектрических (поликоровых) пластин с нанесенными нанометровыми металлическими слоями различной толщины.
Изменение коэффициента отражения СВЧ-волны от измерительного зонда при приближении к острию зонда исследуемого образца происходит вследствие изменения входного импеданса зонда, величина которого определяется электрофизическими характеристиками исследуемых образцов, существенно разнящимися для диэлектриков с различными значениями диэлектрической проницаемости и структур с тонкими металлическими слоями. Однако возможна ситуация, при которой для выбранных параметров резонансной системы увеличение одного контролируемого параметра, например, диэлектрической проницаемости образцов без проводящих включений приводит к монотонному изменению в выбранном диапазоне частот коэффициента отражения СВЧ-волны от измерительного зонда, а изменение толщины проводящего слоя в структурах металл-диэлектрик приводит к немонотонному изменению коэффициента отражения СВЧ-волны от измерительного зонда.
Для обеспечения монотонного изменения и повышения чувствительности коэффициента отражения СВЧ-волны к изменению толщины нанометрового металлического слоя, в структуре металл-диэлектрик была проведена настройка резонансной системы выбором угла поворота а рамки измерительного зонда и соответствующим изменением параметров фотонного кристалла.
В качестве угла поворота рамки измерительного зонда был выбран угол α=104°, при котором для фиксированного зазора, равного 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом в виде поликоровой пластины без металлического слоя достигалась минимальная величина коэффициента отражения, равная -46,6 дБ. При этом резонансная частота, соответствующая минимуму коэффициента отражения, составляла 10,779 ГГц.
На фиг.3 представлены результаты измерений частотных зависимостей коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемыми образцами с различной толщиной нанометрового металлического слоя (Cr) в структуре металл-диэлектрик при угле поворота рамки измерительного зонда α=104°.
Толщины нанесенных нанометровых металлических слоев были измерены на атомно-силовом микроскопе AFM5600 Agilent Technologies.
Как следует из представленных результатов увеличение толщины нанометрового металлического слоя (Cr) от 1 нм до 180 нм приводит к изменению величины коэффициента отражения в минимуме резонансной кривой от -46,6 дБ до -39,1 дБ.
На вставке фиг.3 представлены зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренные на различных фиксированных частотах в окрестности минимума коэффициента отражения, от толщины нанометрового металлического слоя на поликоровых пластинах, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда.
11
11
11
-3
При выборе частоты измерений, соответствующей минимуму коэффициента отражения для фиксированного зазора, равного 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом в виде поликоровой пластины без металлического слоя, диапазон изменений коэффициента отражения максимален и составляет ~16,5 дБ. Измеренная чувствительность ∂S/∂d монотонно убывает с ростом толщины металлического слоя (Cr) d в диапазоне значений от 1 нм до 180 нм. При этом в диапазоне значений d от 1 до 3 нм величина ∂S/∂d составляет `4,0 дБ/нм, а разрешающая способность Δd/d достигает значения ~10. При измерении пленок TaAlN, нанесенных на поликоровую подложку, чувствительность ∂S/∂d составляет 1,35 дБ/нм в диапазоне значений d от 1 нм до 20 нм.
Установленные закономерности позволяют реализовать возможность контроля толщин нанометровых металлических слоев, нанесенных на диэлектрические пластины, с высоким пространственным разрешением с использованием ближнеполевого зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности, по измеренной величине отраженного сигнала при размещении исследуемой структуры металл-диэлектрик на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда.