Способ измерения толщины металлического покрытия на диэлектрической подложке и чувствительный элемент для его осуществления

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к способам и устройствам для измерения толщины нанесенного на диэлектрическую подложку покрытия из металла, и может бы гь использовано преимущественно в процессе производства полупроводниковых приборов и приборов на твердом теле. Целью изобретения является повышение точности и информативности измерений. Способ измерения толщины металлического покрытия заключается в том, что измеряемое покрытие помещают в область магнитного поля поверхностных электромагнитных волн определенной длины, измеряют время запаздывания фазы этих волн в отрезке замедляющей структуры и по совокупности измеренных значений судят об измеряемой и влияющих величинах. Чувствительный элемент для осуществления способа содержит диэлектрическую пластину, на противоположных поверхностях которой друг против друга нанесены два идентичных металлических покрытия в виде спирали. Повышение точности измерения достигается получением информации о влияющих величинах и введением коррекции на их значения. 2 с.и 2 з.п ф-лы, 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 В 15/02

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О

О (21) 4605962/28 (22) 15,11.88 (46)15. 03. 91.Бюл. %10 (71) Московский институт электронного машиностроения (72) А. М. Амельянец, В. Н. Гуничев, Ю. Н. Пчельников и Г. M. Федичкин (53) 531.717(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР йв 914936, кл. G 01 В 15/02, 1982.

Авторское свидетельство СССР

М 1421049, кл. G 01 B 15/02, 1986. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ

МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ И ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к способам и устройствам для измерения толщины нанесенного на диэлектрическую подложку покрытия из металла, и может

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к способам и устройствам для измерения толщины нанесенного на диэлектрическую подложку покрытия из металла или металлодиэлектрического материала с проводимостью металлического типа, и может быть использовано, преимущественно, в процессе производства полупроводниковых прибопов и приборов на твердом теле в микроэлектронной, радио- и электротехнической промышленности.

Цель изобретения — повышение точности измерений за счет учета влияния дополнительных параметров и повышение

„„5U„„1635001 А1 бы Гь использовано преимущественно в процессе производства полупроводниковых приборов и приборов на твердом теле.

Целью изобретения является повышение точности и информативности измерений, Способ измерения толщины металлического покрытия заключается в том, что измеряемое покрытие помещают в область магнитного поля поверхностных электромагнитных волн определенной длины, измеряют время запаздывания фазы этих волн в отрезке замедляющей структуры и по совокупности измеренных значений судят об измеряемой и влияющих величинах.

Чувствительный элемент для осуществления способа содержиг диэлектрическую пластину, на противоположных поверхностях которой друг против друга нанесены два идентичных металлических покрытия в виде спирали. Повышение точности измерения достигается получением информации о влияющих величинах и введением коррекции на йх значения. 2 с.и 2 з.п. ф-лы, 2 ил. информативности за счет определения этих параметров.

На фиг, 1 показаны структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа и конструкция предлагаемого чувствительного элемента; на фиг, 2 — вид А на фиг. 1.

Предлагаемый чувствительный элемент содержит пластину 1 из диэлектрического материала, на противоположные поверхности 2 и 3 которой друг против друга зеркально симметрично нанесены два идентичных металлических покрытия в виде спиралей 4 и 5. Форма спиралей 4 и 5 соответствует форме образующей измеряемого покрытия

1635001 (не показано): она может быть, например, круглой, прямоугольной и т.д. Количество витков спиралей 4 и 5 — не менее 5-6, так как для распространения поверхностной волны необходимо конструктивно четко Bblраженное периодическое изменение электромагнитных свойств замедляющей структуры.

В устройстве для осуществления способа периферийные концы 6 и 7 спиралей 4 и

5 симметричным радиочастотным кабелем 8 соединены с симметричным протовофазным выходом перестраиваемого по частоте генератора 9 гармонических высокочастотных электромагнитных колебаний. Центральные концы 10 и 11 спиралей 4 и 5 симметричным радиочастотным кабелем 12 соединены с симметричным дифференциальным входом измерителя 13 времени запаздывания фазы волны.

В качес " е измерителя 13 можно использовать, например, фазометр, соединенный опорным входом с выходом генератора 9 (соединение на чертеже не показано).

О времени Оэапаздывания фазы поверхностной волны в чувствительном элементе с его помощью судят по измеренному значению фазы р;

О =грю -О, (в), (1) где o> — круговая частота электромагнитных колебаний на выходе генератора 9;

0, — экспериментально определенная приборная константа, учитывающая изменение фазы сигнала в кабелях 8 и 12 и в плоскостях соединения кабелей 8 и 12 со спиралями 4 и 5.

Предлагаемый чувствительный элемент работает следующим образом.

Электромагнитные колебания с симметричного противофазного выхода генератора 9 через кабель 8 возбуждают в спиралях 4 и 5 противофазную поверхностную электромагнитную волну, которая после распространения от периферийных концов 6 и 7 к центральным концам 10 и 11 спиралей 4 и 5 преобразуется в электромагнитные колебания, поступающие по кабелю

12 на вход измерителя 13, Симметричный дифференциальный вход измерителя 13 выделяет соответствующую противофаэной волне противофазную составляющую входных колебаний, после чего измеритель 13 измеряет время запаздывания фазы противофазной поверхностной волны в спиралях

4 и 5.

Поле используемой поверхностной волны можно рассматривать как результат интерференции двух гибридных

55 поверхностных волн, распространяющихся одна по спирали 4, другая по спирали 5 и находящихся в определенных фазовых и энергетических соотношениях. Поскольку спирали 4 и 5 идентичны, расположены друг против друга (двухрядная замедляющая структура) и зеркально симметрично, в случае противофазной волны во внешних по отношению к пластине 1 областях пространства интерференция приводит к сложению магнитных и вычитанию электрических полей интерферирующих волн. Расстояние между спиралями 4 и 5 выбрано в 10-1000 раз меньше области сосредоточения поля поверхностной волны, равного А /2л, где

Л вЂ” длина поверхностной волны. При этом в рассматриваемых областях происходит практически полная взаимная компенсация электрических полей интерферирующих волн. Так что электрическое поле результирующей волны оказывается сосредоточенным в пластине 1, где электрические поля интерферирующих волн складываются, а магнитное поле — во внешних по отношению к пластине 1 областях пространства, примыкающих к поверхностям 2 и 3.

Измеряемое покрытие помещают в область магнитного поля поверхностной волны параллельно пластине 1 на расстоянии S от нее. Длину h основной поверхностной волны соответствующей установкой частоты колебаний на выходе генератора 9 выбирают превышающей 4лЗ, что необходимо для эффективного взаимодействия магнитного поля с покрытием. Глубину проникновения электромагнитного поля в материал покрытия на частоте этой волны выбирают превышающей толщину покрытия. В результате граничные условия для магнитного поля поверхностной волны оказываются зависящими от толщины Л покрытия, от расстояния S и от параметра N, характеризующего электромагнитные свойства материала покрытия. В качестве параметра N могут быть выбраны различные величины в зависимости от того, какую иэ них удобнее использовать в конкретном технологическом процессе, например удельная электрическая проводимость материала покрытия, концентрация определенной примеси в основном металле (примеси кремния в алюминии) и др, Изменение любой из величин Л, N, S вследствие соответствующего изменения граничных условий для магнитного поля сопровождается изменением фазовой скорости поверхностной волны, что приводит к изменению времени 0 . Кроме того, время О изменяется в зависимости от температуры Т подложки покрытия, находя1635001 щегося в тепловом контакте с пластиной 1.

Действительно, изменение тмпературы приводит к изменению геометрических размеров пластины 1 и диэлектрической проницаемости ее материала, с которым 5 взаимодействует электрическое поле поверхностной волны. Таким образом, время

Оэависит от величин Л, N, S, Т, На рабочем участке многомерной градуировочной характеристики эта зависимость по экспери- 10 ментальным данным имеет вид;

О (Л) = О, (Л<) (1 + а (Л1) (Л вЂ” h„)) (1 + p (Л1) х

x(N — Np) (1+ у(Л ) (S — S.)) (1+ д (Т вЂ” Т,)), (2) где Оо, hp,Np, Sp, Tp — номинальные эначе- 15 ния величин О,h, И, S. и Т соответственно; а, P, y и д — экспериментально определенные константы.

С изменением длины поверхностной волны, приводящим к изменению пространственного распределения магнитного поля, зависимость между величинами О,Л, N, S, Т изменяется, Это позволяет, используя дополнительные поверхностные волны различных длин, получить измерительную информацию о влияющих величинах N, S u T.

Для получения информации о параметре N длину дополнительной противофазной поверхностной волны выбирают отличной от Л1 и равной Л2 >4 <т, Я, что необходимо для эффективного взаимодействия покрытия с магнитным полем. Глубину проникновения электромагнитного поля в материал п< крл<т<<я на частоте этой волны также выбирают превышающей толщину покрытия, На волне длиной Л2 имеет место зависимость;

О (Л2) = Оо (Л ) (1 + а (Л2) (Л вЂ” ho)) (1 + p (Л2) Х

X(N — Nîp) (1 + ) (Л2) (S Sp)1 (1 + д (Т вЂ” То)). (3)

Для получения информации о расстоянии S длину Лз дополнительной поверхностной волны выбирают отличной от il> и Л2 и удовлетворяющей неравенству Лз > 4 KS, 45 поскольку здесь также требуется эффективное взаимодействие магнитного поля с покрытием. На волне длиной Лд имеет место зависимость:

О(Л) =OOСЪ)(1+a(Л)(A hp))(1+Р(Л)%0

x(N —,) (1+y P ) (S — S.)) (1+ a (T — T.)). (4) где значения коэффициентов а(Лз ) и /5 (Аэ ) из-за уменьшения глубины проникновения электромагнитного поля в материал покрытия могут быть близки к нулю.

Для получения информации о температуре Т взаимодействие поверхностной волны с покрытием не обязательно. Длину 4 дополнительной противофазной поверхностной волны целес0образно выбрать значительно меньшей, чем Л, Л2,, в диапазоне оТ минимально допустимых значений, составляющих 2 — 3 периода замедляющей структуры (шага намотки спиралей 4 и 5) до (n,1-1)л 5. При этом магнитное поле сильно концентрируется у поверхностей 2 и 3 и практически перестает взаимодействовать с покрытием. В результате время О зависит только от температуры Т, что упрощает обработку измерительной информации

О(). ) =Оо(Л)(1+д(Т вЂ” Т )) . (5)

Таким образом, измеряя значение времени О на противофазных поверхностных волнах дли«ои Л, Л, Лз и Л <, получают систему четырех уравнений (2)-(5) с четырьмя неизвестными Л, N. S u T. Решение этой системы дает значение толщины Ь покрытия, огкорректированное с учетом значений влияющих величин N, S и Т, а также значения перечисленных влияющих величин.

Если в технологическом процессе влияющая величина N, S или Т фиксирована, поверхностную волну для получения информации о ней не возбуждают, количество уравнений в системе соответственно сокращается, Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Измеряемое покрытие располагают против спиралей 4 и 5 параллельно пластине 1 на расстоянии S от нее. С помощью генератора 9 в спиралях последовательно во времени возбуждают противофазные поверхностные волны длиной Л<, Лр, Лз и i4, и посредством измерителя 13 измеряют соответствующие им значения времени Озапаздывания фазы поверхностной волны в спиралях 4 и 5. Затем, используя систему уравнений (2)-(5), по совокупности измеренных значений времени О рассчитывают значение толщины Л покрытия, откорректированное с учетом значений влияющих величин N, S и Т, а также значения перечисленных влияющих величин.

Возбуждение поверхностных волн в спиралях 4 и 5 люжно осуществлять и параллельно во времени. Для этого используют генераторы колебаний соответствующих частот, которые объединяют по выходу посредством сумматора сигнала, и измерители времени запаздывания фазы волны по числу возбуждаемых волн, объединяемых по входу посредством разветвителя сигнала с включеннь.ми на выходах полосовыми избирательными фильтрами на частоты возбуждаемых волн.

Предлагаем«-.е способ и чувствительный элемент предна»<а

10 щины металлического покрытия, нанесенного на диэлектрическую подложку, преимущественно, при производстве полупроводниковых приборов и приборов на твердом теле. Их применение позволит 5 повысить точность измерения толщины покрытия в результате коррекции погрешностей от влияющих величин, а также получить информацию об электромагнитных свойствах материала покрытия, температуре под- 10 ложки покрытия и расстоянии между чувствительным элементом и покрытием, необходимую для контроля технологического процесса нанесения покрытия.

Формула изобретения 15 . Способ измерения толщины металлического покрытия на диэлектрической подложке, заключающийся в том, что параллельно поверхности измеряемого покрытия размещают отрезок электродинами- 20 ческой замедляющей структуры с периодическим расположением ее элементов, возбуждают в нем поверхностную противофаэную электромагнитную волну и измеряют время запаздывания фазы волны 25 в отрезке замедляющей структуры, по которому определяют толщину металлического покрытия, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет учета влияния дополнительных пара- 30 метров и повышение информативности за счет определения этих параметров, в отрезке замедляющей структуры возбуждают дополнительные противофазные поверхностные электромагнитные волны по 35 числу учитываемых параметров, длину дополнительных волн выбиоают различной и отличной от длины основной волны. поверхностные волны возбуждают с частотами, обеспечивающими глубину проникновения электромагнитного поля большую, чем толщина покрытия, измеряют время запаздывания каждой иэ дополнительных волн, а толщину металлического покрытия определяют с учетом измеренных значений времени запаздывания.

2, Способ по и. 1, о тл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью учета изменений расстояния между покрытием и отрезком замедляющей структуры и/или электромагнитных свойств материала покрытия, длину дополнительной противофазной поверхностной волны выбирают из условия А >4 Svasc, где SMaKc — максимальное в диапазоне измерений значение расстояния между покрытием и отрезком замедляющей структуры, 3, Способ по пп.1 и 2,отл ичаю щийс я тем, что, с целью учета изменения температуры подложки, длину дополнительной противофазной поверхностной волны выбиpGIoT из условия 2 l2 (2 С л Ямакс, где Q период расположения элементов замедляющей структуры.

4. Чувствительный элемент для измерения толщины металлического покрытия на диэлектрической подложке, содержащий диэлектрическую пластину с двумя размещенными на ее противоположных сторонах металлическими покрытиями с пеоиоаическими разрывами в профиле, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, металлические покрытия выполнены в виде спирали.

1635001

В и

Риг.2

Составитель И, Рекунова

Редактор Л, Пчолинская Техред М,Моргентал Корректор А, Обручар

Заказ 747 Тираж 374 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101