книги / Неразрушающий контроль параметров тонких проводящих пленок электромагнитными методами

В. В. ГАВРИЛИН

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ

КОНТРОЛЬ

ПАРАМЕТРОВ

тонких

ПРОВОДЯЩИХ

ПЛЕНОК

ЭЛЕКТРО­

МАГНИТНЫМИ

МЕТОДАМИ

31.22

Г124 УДК 621.317.799:620.179.142:69.058

Монография посвящена проблеме комплексного развития теории электромагнитных методов иеразрушающего контроля тонкопленочных проводящих структур на основе обобщения их свойств в электромагнит­ ных полях от И К- до ВЧ-диапазонов и с учетом их микроструктурных особенностей. Неоднородные пленки структуры представляются в виде импедансных поверхностей (модель импедансной поверхности), что по­ зволяет упростить граничные условия . при решении задач электродина­ мики, избавиться от необходимости расчета полей внутри пленок и по­ лучить простые аналитические выражения для вносимых параметров радиоволновых и вихретоковых измерительных преобразователей через па­ раметры пленок, на основе использования которых разрабатываются методы неразрушающего контроля тонкопленочных структур с отстрой­ кой от мешающих факторов.

Приводятся результаты опробования разработанных методов конт­ роля. Описываются принципы работы и блок-схемы созданных на их ос­ нове измерительных и контрольных приборов. Рассматриваются проб­ лемы их выпуска, внедрения и аттестации.

Табл. 13, ил. 105, библиогр. 264 назв.

Р е ц е н з е н т ы :

проф., д-р техн. наук И. Г. Матис

канд. техн. наук В. С. Фастрицкий

г2202030000-045 е6 9| М811(11 )-91

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие отечественного машино- и приборостроения свя­ зано с ускоренной разработкой и внедрением новых технологий, методов и средств неразрушающего контроля качества, что должно обеспечить повышение эффективности производства, увеличение надежности и конкурентоспособности продукции на мировом рынке.

В космической технике, микроэлектронике, электронной и СВЧтехнике, оптике, радиотехнике, при изготовлении зеркальных по­ верхностей широко используются тонкие проводящие, в основном металлические, островковые, пористые, сеточные и другие покры­ тия и пленки, причем их параметры могут изменяться в широком

покрытия наносятся на полимерные пленки и изделия, на ткани, бумагу, на стекло при изготовлении зеркал, полупроводники и диэлектрики при изготовлении полупроводниковых приборов и приборов микроэлектроники [160, 177]. Вакуумное нанесение тон­ ких алюминиевых пленок (толщиной менее 0,5 мкм) является ос­ новой современной зеркальной промышленности и конденсаторостроения [146, 149, 258].

Качество изделий на основе тонкопленочных структур непо­ средственно зависит от обеспечения заданных параметров пленок, что, в свою очередь, тесно связано с необходимостью использова­ ния эффективных методов контроля параметров таких структур в процессе производства.

Основные требования, предъявляемые к этим методам и прибо­ рам: оперативность, бесконтактный контроль без разрушения, точ­ ность, надежность, отстройка от влияния зазора (относительная дистанционность). Всем этим требованиям отвечают электромаг­ нитные и радиоволновые методы контроля, однако до сих пор как

пускаются приборы для неразрушающего контроля параметров тонких проводящих пленок сложной структуры. Отдельные приборы [12, 18, 135, 159, 173, 181 и др.], выполненные на уровне макетов, не отвечают перечисленным выше требованиям. Ориентировочная потребность в приборах для измерения параметров тонких метал­ лических покрытий (толщиной до 1 мкм) на диэлектриках состав­ ляет по стране около 500 шт. в год.

Таким образом, вопрос обеспечения народного хозяйства на­ дежными приборами неразрушающего контроля параметров тон­ копленочных проводящих структур весьма актуален. Его реше­ ние связано с необходимостью решения проблемы комплексного развития теории электромагнитных методов неразрушающего конт­ роля тонкопленочных проводящих структур на основе обобщения

разработкой теории проектирования радиоволиовых, вихретоко­ вых и емкостных средств неразрушающего контроля таких струк­ тур, созданием и освоением промышленного выпуска приборов.

Развитие иеразрушающих электромагнитных методов контроля параметров многослойных проводящих изделий в СССР начато В. Г. Герасимовым [92, 93], В. С. Соболевым, Ю. М. Шкарлетом [172, 194, 195] и А. Л. Дорофеевым [111—113]. Начало многопа­ раметрическому контролю было положено Н. Н. Зацепиным [121] и продолжено затем В. В. Сухоруковым [175, 186], Ю. К. Федосенко [185, 186], А. Д. Покровским [153]. В. В. Клюевым [129, 130, 163, 234] были разработаны принципы построения приборов неразрушающего контроля изделий в процессе производства, ко­ торые были затем развиты Т. Я. Гораздовским [96, 97]. В. Е. Шатерников [191] развил теорию вихретокового контроля примени­ тельно к изделиям сложной формы. В. А. Сандовский продолжил работы В. С. Соболева, 10. М. Шкарлета по развитию теории на­ кладных преобразователей [117]. За рубежом в области создания приборов неразрушающего контроля в течение многих лет ус­ пешно работает Ф. Ферстер.

Автоматизацией вихретокового контроля занимаются В. Е. Шатерников, С. Ф. Лазарев [192, 193], В. В. Сухоруков, Ю. К. Федосенко [186] и др.

Радиоволновые методы контроля многослойных структур ис­ следовали Л. М. Бреховских [13], Л. Г. Дубицкий, В. А. Павельев, В. Н. Рудаков [114], Д. И. Биленко [8], Ю. К. Григулис [75,

100, 101].

Теория вихретокового электромагнитного контроля слоистых изделий развивается в двух направлениях: реализация многопа­ раметрического автоматизированного контроля с использованием ЭВМ [14, 161, 185, 186, 192, 193]; конструирование однопарамет-

рических приборов для контроля конкретного технологического параметра в производственных условиях [144, 163]. Первое на­ правление связано с созданием сложного дорогостоящего уни­ версального оборудования в основном для научных исследований в лабораторных условиях, хотя в последнее время успешно про­ водятся работы по применению этих устройств в технологических автоматизированных линиях [186, 192, 193]. Во втором случае ряд приборов неразрушающего контроля доводится до серийного производства [144, 163].

Теория радиоволиового контроля в основном развивается в направлении создания новых типов радиоволновых преобразова­ телей [3, 8, 75, 76, 114, 115, 131, 202, 233] для контроля парамет­ ров конкретных структур.

Вопросы контроля тонких металлических сплошных слоев с плоскопараллельиыми границами вихретоковыми методами были впервые затронуты в работах В. Г. Герасимова и Ю. М. Шкарлета [93, 159, 172] как один из возможных случаев контроля про­ водящих слоев проходными и накладными вихретоковыми преоб­ разователями. Однако развитая авторами теория пригодна лишь для однородных металлических плоскопараллельных слоев и не может быть распространена на тонкие проводящие пленки, имею­ щие неопределенные границы раздела (островковые, сеточные, по­ ристые и другие неоднородные структуры), а тем более на тонко­ пленочные многослойные структуры [176, 177].

Радиоволновые методы контроля параметров тонких проводя­ щих пленок на основе использования волноводных и резонаторных устройств [18, 118, 122, 123, 126, 132, 173, 181, 189, 210, 219] не нашли применения в промышленности из-за необходимости изго­ товления для измерения образцов специальной формы, что свя­ зано с разрушением изделий. Кроме того, авторы данных работ не рассматривали вопросы отстройки от мешающих факторов (влия­ ние зазора), что весьма существенно при использовании приборов.

В течение долгих лет ведутся исследования в области опти­ ческих методов контроля параметров (толщины и оптических по­ стоянных) тонких проводящих пленок [15, 119, 147, 166, 182, 197, 200, 208, 237, 264]. Однако эти методы нашли применение только в лабораторных исследованиях, так как обладают низкой опера­ тивностью и также требуют приготовления образцов специальной формы на специальной подложке, причем имеют низкую чувстви­ тельность и большую погрешность при контроле параметров по­ глощающих металлических пленок.

Интересны исследования по созданию эллипсометрических ме­ тодов и приборов для измерения параметров тонких проводящих пленок как в оптическом [5], так и в радиоволновом диапазонах [135, 165]. Хотя используемое авторами оборудование пока не­ пригодно для промышленного внедрения и методы не обладают не­ обходимой оперативностью, высокая их точность открывает воз­

Причинами отсутствия как в нашей стране, так и за рубежом серийно выпускаемых приборов неразрушающего контроля пара­ метров тонких проводящих пленок при всей их перспективности [137, 177] являются особенности строения пленок, недостаточное внимание разработчиков к вопросам электрофизических свойств тонких пленок в электромагнитном поле. Работы по исследованию особенностей электрической проводимости тонких пленок [6, 11, 110, 150, 180, 190, 227, 241, 262] и теория методов неразрушаю­ щего контроля [4, 107, 137, 139] существуют как бы отдельно, не связаны между собой.

Создание электромагнитных методов и приборов для контроля параметров тонкопленочных проводящих структур сопряжено с необходимостью решения задач взаимодействия электромагнитных полей с тонкими проводящими пленками, имеющими в большин­ стве случаев неоднородную структуру (островковая, сеточная, по­ ристая и т. д.), что приводит к неоднозначности распространения полей в пленке, к невозможности корректного определения гра­ ничных условий на поверхности пленок (из-за неопределенности самой поверхности) и точного решения задач электродинамики классическими методами. Даже такое понятие, как толщина, яв­ ляется для тонкой пленки неопределенным и зависит от метода ее измерения: весовая, геометрическая, оптическая, электрическая толщины могут сильно различаться.

Настоящая работа посвящена комплексному развитию теории электромагнитных методов неразрушающего контроля тонкопле­ ночных проводящих структур на основе обобщения их электро­ физических свойств в электромагнитных полях с учетом особен­ ностей микроструктуры, с последующей разработкой основ теории проектирования радиоволновых, вихретоковых и емкостных средств неразрушающего контроля таких структур, созданием, освоением промышленного выпуска и широким внедрением в народное хо­ зяйство.

Из теоретической частя работы (главы 1—4) наибольший ин­ терес для специалистов в области физических методов неразру­ шающего контроля и лиц, занимающихся изучением особенно­ стей свойств тонких проводящих пленок, могут представлять:

1. Исследование особенностей взаимодействия электромагнит­ ных полей с тонкими проводящими пленками. Введение вместо неопределенных для тонкой дискретной пленки параметров «тол­ щина» и «удельная электрическая проводимость» параметра «импеданс квадрата поверхности», который однозначно характе­ ризует поведение пленок в электромагнитных полях. Изучение за­ висимостей составляющих импеданса квадрата поверхности от частоты электромагнитного поля для пленок с различной струк­ турой. Граничные условия для составляющих электромагнитного

поля при переходе через пленку, представляемую в виде комплек­ сной импедансной поверхности, которые позволили исключить не­ обходимость рассмотрения электромагнитных полей внутри пле­ нок со сложной микроструктурой.

2. Исследование зависимости импеданса квадрата поверхности тонких проводящих пленок от их структуры, подтверждающее аномальную температурную зависимость сопротивления квад­ рата поверхности тонких дискретных пленок, зависимость сопро­ тивления квадрата поверхности пленок от частоты проходящего тока.

3. Новые методы расчета взаимодействия однородных (плоская волна, соленоид, резонатор) и неоднородных (вихретоковые на­ кладной и проходной преобразователи) электромагнитных полей с проводящими тонкопленочными многослойными структурами.

4. Исследование возможности использования ИК- и емкост­ ных методов для контроля параметров тонких резистивных пленок.

5. Метод расчета параметров дифференциального вихретоко­ вого накладного преобразователя при контроле тонких проводя­ щих пленок и вихретокового параметрического преобразователя при контроле тонких проводящих дисков на основе модели им­ педансной поверхности.

Для специалистов, занимающихся разработкой электромагнит­ ных и радиоволновых методов неразрушающего контроля, могут представить интерес описанные в главах 3 и 4 новые методы контроля тонкопленочных проводящих структур с отстройкой от мешающих факторов:

1. Методы контроля толщины и сопротивления квадрата по­ верхности проводящих пленок и покрытий накладными параметри­ ческими вихретоковыми преобразователями с одной и двумя об­ мотками с отстройкой от влияния зазора на результаты измере­ ний.

2.Метод контроля проводимости квадрата поверхности тонких металлических пленок и покрытий на диэлектрических подложках дифференциальным четырехобмоточным несимметричным макладным преобразователем с отстройкой от влияния зазора на резуль­ таты измерений.

3.Дистанционные радиоволновые методы контроля тонкопле­ ночных резистивных структур с использованием приближения пло­ ской волны на основе рупорных излучателя и приемника с от­ стройкой от влияния поперечных перемещений образцов в рабо­ чем зазоре на результаты измерений, которые дают возможность контролировать параметры движущихся рулонных материалов в

процессе производства.

4. Метод контроля сопротивления квадрата поверхности высо­ коомных тонких резистивных покрытий на диэлектрических плен­ ках на основе использования специальных открытых резонаторных

1. ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТОНКИХ ПЛЕНОК.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НЕРАЗРУШАЮЩИХ МЕТОДОВ ИХ КОНТРОЛЯ

Контроль параметров тонких проводящих пленок српряжен с трудностями [11, 177, 232, 243], которые обусловлены осо­ бенностями структуры и электрической проводимости тонких пле­ нок [228]. Измерение параметров таких пленок сильно зависит не только от их структуры [6, 223], но и от способа определения параметра. Например, даже такое простое понятие, как толщина пленки, может быть определено по-разному: весовая толщина, оп­ тическая, электрическая толщина, которые совпадают только для сплошной однородной пленки с плоскопараллельными поверхно­ стями [11, 21, 254, 261]. В случае реальных пленок все эти ве­ личины сильно различаются [4, 11]. Для островковых пленок, на­ пример, весовая толщина характеризует только степень заполне­ ния подложки [122], оптическая толщина сильно зависит от раз­ меров и материала островков [198, 244], электрическая опреде­ ляется главным образом межостровковыми промежутками [256].

Кроме того, электрофизические свойства проводящих пленок характеризует множество других параметров: удельная электри­ ческая проводимость, подвижность и концентрация носителей за­ ряда, строение и чистота подложки, наличие примесей, ловушек, структура пленки и т. д. [177, 257]. Эти величины находятся в сложных, чаще всего неопределенных взаимозависимостях [243] и существенно влияют на электрическую проводимость и измеря­ емую-'толщину пленок, определяют аномальные эффекты в них [1, 8, 177, 260].

В настоящей главе рассматриваются особенности контроля про­ водящих пленок неразрушающими электромагнитными методами с учетом их структурных особенностей и специфики поведения в электромагнитных полях.