Способ измерения электрофизических параметров структуры "нанометровая металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка"

Изобретение относится к области технологии тонких пленок и многослойных наноструктур и может быть использовано в микро- и наноэлектронике и оптике. Техническим результатом является расширение диапазона измеряемых толщин и класса исследуемых материалов путем увеличения диапазона изменения коэффициентов отражения и прохождения, а также увеличение чувствительности и возможность проведения измерений в узком частотном диапазоне. Поставленная задача достигается тем, что перед структурой типа «металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка» дополнительно размещают одномерный фотонный кристалл, состоящий из периодически чередующихся слоев с различными значениями диэлектрической проницаемости и с нарушенной периодичностью структуры, плоскости которых перпендикулярны направлению распространения электромагнитного излучения и параллельны плоскости измеряемой структуры «металлическая пленка - подложка». 4 ил.

 

Изобретение относится к области технологии тонких пленок и многослойных наноструктур, а точнее к области контроля толщины и электропроводности тонких металлических пленок, нанесенных на подложку из диэлектрического или полупроводникового материала, и может быть использовано в микро- и наноэлектронике и оптике.

Известен способ измерения толщины металлической пленки, включающий формирование ступенчатой структуры на поверхности пленки, высота которой равна толщине пленки, напыление на поверхность подложки со ступенькой слоя высокоотражающего металла и освещение пленки лучом лазера с известной длиной волны, отличающийся тем, что на измеряемой пленке формируют периодическую структуру из чередующихся непротравленных и протравленных на всю глубину пленки, вплоть до подложки, полос одинаковой ширины, затем после удаления фоторезиста напыляют на полученный рельеф вторичную отражающую пленку металла толщиной, достаточной для обеспечения непрозрачности этой вторичной пленки для зондирующего лазерного излучения, после чего облучают полученную рельефную структуру зондирующим лазерным пучком и в полученной отраженной дифракционной картине проводят измерение мощностей дифрагированных пучков нулевого и первого дифракционных порядков, после чего рассчитывают толщину исходной металлической пленки (см. патент РФ №2221989, МПК G01B 11/06).

Однако данный способ является разрушающим.

Известен СВЧ способ определения диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических покрытий на металле, который заключается в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического материала на металлической подложке и последующей регистрации изменения параметров преобразователя, характеризующих высокочастотное поле (см. патент РФ №2256168, МПК G01N 22/00; G01R 27/26).

Однако данный способ не позволяет измерять параметры проводящих материалов.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому является способ, включающий зондирование с помощью волноведущей системы измеряемой структуры волнами, модулированными по частоте. Изменяя частоту генератора и регистрируя значения частот, соответствующих экстремальным значениям отраженного от диэлектрического слоя сигнала, можно определить толщину слоя следующим образом: , где f₁ и f₂ - частоты, соответствующие двум соседним отраженным от слоя сигналам, ε - диэлектрическая проницаемость материала слоя, с - скорость света (см. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989, 208 с.).

Однако данный способ не позволяет проведение измерений толщины металлических покрытий, кроме того, реализация данного способа предполагает необходимость проведения измерений в широкой полосе частот.

Задача настоящего способа заключается в реализации неразрушающего контроля электрофизических параметров нанометровых слоев металла в структурах металл-полупроводник и металл-диэлектрик по спектрам отражения и прохождения электромагнитной волны.

Техническим результатом является расширение диапазона измеряемых толщин и класса исследуемых материалов путем увеличения диапазона изменения коэффициентов отражения и прохождения, а также увеличение чувствительности и возможность проведения измерений в узком частотном диапазоне.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения параметров структуры «металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка», включающем ее облучение излучением СВЧ-диапазона с помощью волноведущей системы, измерение частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона от измеряемой структуры в выбранном частотном диапазоне, согласно решению перед структурой типа «металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка» дополнительно размещают одномерный фотонный кристалл, состоящий из периодически чередующихся слоев с различными значениями диэлектрической проницаемости, плоскости которых перпендикулярны направлению распространения электромагнитного излучения и параллельны плоскости измеряемой структуры «металлическая пленка - подложка», изменяют толщину или диэлектрическую проницаемость одного из слоев для нарушения периодичности структуры, в качестве параметров выбирают электропроводность или толщину металлической пленки, которые определяют по частотной зависимости коэффициента отражения для структуры «фотонный кристалл - металлическая пленка - подложка» при известных параметрах подложки, при этом второй параметр (соответственно толщину или электропроводность) металлического слоя предварительно измеряют. Для определения искомых электрофизических параметров решают обратную задачу с использованием метода наименьших квадратов.

Оригинальность предлагаемого решения заключается в использовании одномерного фотонного кристалла с нарушением периодичности, обеспечивающего широкий диапазон изменения коэффициентов отражения и прохождения и возможность проведения измерений в узком частотном диапазоне.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено расположение измеряемой структуры и фотонного кристалла в волноводе, где Р_пад - мощность падающего на измеряемую структуру СВЧ-излучения, Р_отр - мощность отраженного от структуры СВЧ-излучения, Р_прош - мощность прошедшего через структуру СВЧ-излучения, T - коэффициент прохождения, R - коэффициент отражения, t_м - толщина металлической пленки, t_п - толщина полупроводниковой или диэлектрической подложки, 1 - фотонный кристалл, 2 - металлическая пленка, 3 - полупроводниковая или диэлектрическая подложка, на фиг.2 - экспериментальные (дискретные кривые) и расчетные (непрерывные кривые) зависимости квадратов модулей коэффициентов отражения электромагнитной волны от структуры фотонный кристалл-металлическая пленка - поликоровая подложка: толщина металлической пленки 4 нм, на фиг.3 - экспериментальные (дискретные кривые) и расчетные (непрерывные кривые) зависимости квадратов модулей коэффициентов отражения электромагнитной волны от структуры фотонный кристалл - металлическая пленка - поликоровая подложка: толщина металлической пленки 14.5 нм, на фиг.4 - экспериментальные (дискретные кривые) и расчетные (непрерывные кривые) зависимости квадратов модулей коэффициентов отражения электромагнитной волны от структуры фотонный кристалл - металлическая пленка - поликоровая подложка: толщина металлической пленки 28 нм.

Способ осуществляется следующим образом.

Облучают структуру излучением СВЧ-диапазона с помощью волноведущей системы, измеряют частотную зависимость коэффициента отражения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона от измеряемой структуры в выбранном частотном диапазоне, перед структурой типа «металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка» дополнительно размещают одномерный фотонный кристалл, состоящий из периодически чередующихся слоев с различными значениями диэлектрической проницаемости, плоскости которых перпендикулярны направлению распространения электромагнитного излучения и параллельны плоскости измеряемой структуры «металлическая пленка-подложка», изменяют толщину или диэлектрическую проницаемость одного из слоев фотонного кристалла для нарушения периодичности структуры, в качестве параметров выбирают электропроводность или толщину металлической пленки, которые определяют по частотной зависимости коэффициента отражения от структуры «металлическая пленка-подложка», перед которой размещен фотонный кристалл, при известных параметрах подложки, при этом второй параметр (соответственно толщину или электропроводность) металлического слоя предварительно измеряют.

Пример практической реализации способа.

Измеряемая структура толщиной t состоит из металлического слоя толщиной t_м с электропроводностью σ_м и подложки толщиной t_п с электропроводностью σ_п (фиг.1). Измеряемая структура помещается в прямоугольном волноводе и полностью заполняет его по поперечному сечению. Измеряются спектры отражения и прохождения электромагнитной волны в диапазоне частот 8-12 ГГц через диэлектрическую пластину с нанесенным на нее тонким (частично пропускающим излучение) металлическим слоем. Для увеличения диапазона изменения коэффициента отражения R и коэффициента прохождения Т с изменением частоты в выбранном диапазоне частот (8-12 ГГц) перед исследуемой структурой размещается одномерный фотонный кристалл, представляющий собой 11-слойную структуру, состоящую из чередующихся слоев поликора с ε=9.6 и толщиной 1 мм и пенопласта с ε=1.1 и толщиной 12 мм, при этом в фотонном кристалле имеется нарушение в виде уменьшенной толщины 6-го слоя (пенопласт) - d₆=4 мм. В этом случае вблизи частоты 10.2 ГГц в запрещенной зоне фотонного кристалла, в которой квадрат модуля коэффициента отражения достигает значений, близких к единице (|R|²≈1), наблюдается «окно» прозрачности (шириной менее 0.1 ГГц), в минимуме которого квадрат модуля коэффициента отражения достигает значений, близких к нулю (|R|²≈0).

Измерение толщины металлической пленки t_м по спектрам отражения R(ω) электромагнитного излучения, при использовании метода наименьших квадратов для обработки экспериментальных данных, для этого случая основано на решении уравнения

где S(t_м)=Σ(|R_эксп|²-|R(ω_эксп, t_м)|²)²,

R_эксп - экспериментальная и R(ω, t_м) - расчетная частотные зависимости коэффициента отражения электромагнитной волны.

Для расчета частотной зависимости коэффициента отражения R(ω, t_м) электромагнитной волны от структуры фотонный кристалл - металлическая пленка - подложка, изображенной на фиг.1 и состоящей из 11+2=13 слоев N=13, может быть использовано соотношение

в котором элементы T₁₃[2, 1] и Т₁₃[2, 2] матрицы передачи Т₁₃ 13-слойной структуры определяются из выражения:

где

.

В качестве начала отсчета выбираем поверхность фотонного кристалла, на который падает электромагнитная волна.

Измеренная R_эксп и рассчитанная R(ω, t_м) частотные зависимости коэффициента отражения электромагнитной волны позволяют построить функцию невязок, являющуюся функцией переменной t_м:

Решением уравнения (1) для функции S(t_м) в виде (3) является искомая толщина металлической пленки t_{м иск}.

Экспериментально измерялись параметры пленок хрома, нанесенных на поликоровые и стеклянные подложки толщиной 1 мм. Коэффициент отражения измерялся с помощью панорамного измерителя КСВН и ослабления Р2-61, в состав которого входит генератор качающей частоты в диапазоне частот 8-12 ГГц, направленные ответвители, измерители падающей, отраженной и прошедшей мощности СВЧ-сигнала, блок индикации с дисплеем.

На фиг.2, 3 и 4 представлены экспериментально измеренные зависимости (дискретные кривые) квадратов модулей коэффициента отражения |R_эксп|² электромагнитной волны от исследуемой структуры (фотонный кристалл - пленки хрома различной толщины на поликоровой подложке) от частоты зондирующего сигнала, а также зависимости |R_расч|² (непрерывные кривые), рассчитанные с использованием соотношения (2) при значениях толщины t_м=t_{м иск}, определяемых из решения уравнения (1).

Таким образом, использование фотонного кристалла, с одной стороны, обеспечивает изменение коэффициента отражения от значений, близких к нулю, до значений, близких к единице, в измеряемом диапазоне частот, чем достигается расширение диапазона измеряемых толщин и класса исследуемых материалов как диэлектриков, так и металлических пленок, с другой стороны, обеспечивается возможность проведения измерений в узком частотном диапазоне.

Способ измерения параметров структуры «металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка», включающий ее облучение излучением СВЧ-диапазона с помощью волноведущей системы, измерение частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона от измеряемой структуры в выбранном частотном диапазоне, отличающийся тем, что структура дополнительно содержит одномерный фотонный кристалл, состоящий из периодически чередующихся слоев с различными значениями диэлектрической проницаемости, плоскости которых перпендикулярны направлению распространения электромагнитного излучения и параллельны плоскости измеряемой структуры «металлическая пленка - подложка», изменяют толщину или диэлектрическую проницаемость одного из слоев для нарушения периодичности структуры, в качестве параметров выбирают электропроводность или толщину металлической пленки, которые определяют по частотной зависимости коэффициента отражения для структуры «фотонный кристалл - металлическая пленка - подложка» при известных параметрах подложки, при этом второй параметр, соответственно толщину или электропроводность металлического слоя предварительно измеряют.