Способ измерения толщины полупроводниковых и диэлектрических материалов

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения. Сущность данного способа заключается в том, что электромагнитное колебание (ЭМК) разделяют на зондирующее и опорное. Излучают зондирующие ЭМК в направлении исследуемого материала и принимают прошедшее через него ЭМК. Сравнивают его фазу с фазой опорного ЭМК посредством фазометра (Ф) и регистрируют его выходное напряжение. Изменяют частоту ЭМК до величины fi, при которой выходное напряжение Ф становится равным нулю. Вводят задержку опорного ЭМК на величину At и измеряют выходное напряжение и|Ф: Увеличивают частоту ЭМК до величины f2 и измеряют выходное напряжение и2Ф. Исключают задержку опорного ЭМК, измеряют выходное напряжение Ь зФ и по ф-ле вычисляют толщину б исследуемого материала. Цель достигается за счет возможности линейного преобразования приращений разности фаз в напряжение, погрешности которого Y и ли полностью исключаются из результата измерения, а также за счет исключения погрешности измерения частоты СВЧ колебаний. S сл

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСОУБЛИН

„„Я0„„1411650 A 1 (ц 4 G 01 N 22 02

KKANЯЯ. ) Я,1В

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

БИЛЛ К Р Т. .. .;i

К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

00 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4145390/24-09 (22) 09.07.86 (46) 23.07.88. Бюл. № 27 (72) В. И. Водотовка, Ю. А. Скрипник и Р. Л. Григорьян (53) 621.317.39 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

X 310209, кл. G 01 В 15/02, 1969.

Авторское свидетельство СССР № 901890, кл. G 01 N 22/00, 1979. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности измерения. Сущность данного способа заключается в том, что электромагнитное колебание (ЭМК) разделяют на зондирующее и опорное. Излучают зондирующие

ЭМК в направлении исследуемого материала и принимают прошедшее через него ЭМК.

Сравнивают его фазу с фазой опорного ЭМК посредством фазометра (Ф) и регистрируют его выходное напряжение. Изменяют частоту ЭМК до величины f, при которой выходное напряжение Ф становится равным нулю. Вводят задержку опорного ЭМК на величину At и измеряют выходное напряжение Ui&. Увеличивают частоту ЭМК до величины 4 и измеряют выходное напряжение ) ) Ф. Исключают задержку опорного

ЭМК, измеряют выходное напряжение ()зФ и по ф-ле вычисляют толщину о исследуемого материала. Цель достигается за счет возможности линейного преобразования приращений разности фаз в напряжение, погрешности которого у и AL! полностью исключаются из результата измерения, а также за счет исключения погрешности измерения частоты СВЧ колебаний.

Изобретение (ггн<)с:1; >! :и(!)i гсхникс, и может бь! гь >Iñil(>, <оь!!! > ",. я !! ЗМ(P i I H H 10,1 И(И Н Ы i>0.1(ll (>(>1;ОД!!111.(i!11,1 шэл(кгричсских матер(алов.

11<., iI I(H0(>p(TOн Hя I10HbI i(I(IIH(I (> I II()0,

Способ Изм pE .IIIl5(то, I!i(i(i(!i! !ii), Iупр(>н(I !(Новых и;(из, IcKTpHH((м с) 1(",>На. 1 он (>(3,li(((òH IHK>T следу!Ощим образом.

:). I (K T р 0 м )1 г и и т н hI (. K 0 Ä i с 0 )1 и и я (., Б 1 (l t (!—

ftI t!30на разделяют на зондирую!цис и <>ti()р 11(э)с. 30H. и РУк)1!(и(е KOлс() tl Ji it 51 IIII II(3H (3л51 K)T

)3срез излуча!ощу!О антенну на hOHTp01Hp (.(ый wt3TO(3H!KI Ito, 1 >,.i >1011 R, HcK 110 IHIoi(I Hill !

Опаданис Отраженных колебаний в излуающу!о антенну. Прошедшие мат риал зон1иру!Ощие колебания принимают приемной нтенной и с помощью фазомстра сравниают i(0 фазе с опорными колебаниями в (оперечном сечении, совпадающим с напавленисм распространения. Фиксируют наальнуIO разность фаз между зондирующи(и кос!сб(1!(иями, прошедшими контролируе.)ый материал, и опорными колебаниями. ! ри ране!гстпс электрических длин каналов (f t (f t P 0(1. Р;111 i I H H 3 0 и д и 13 У ю (ц и х и 0 и 0 Р н ь(х K 0, сбаний разность фаз СВЧ колебаний 011(сдсс!ястс5(задержкой зондирующих колеаний в диэлектрическом материале: с

Д (, =Z tll1VB — 1) с

С()cosa де f„- начальная частота СВЧ колебаний;

> и 6 — соответственно толщина и относи-! тельная диэлектрическая проницаемость контролируемого материала;

C< — скорость распространения СВЧ колебаний в свободном пространстве; а — угол наклона материала относительно направления распространения.

Измеряют выходное напряжение фазо>()етра, пропорциональное разности фаз, и из.Меняют частоту СВЧ ко;!сбаний до получения нулевого значения; у Я

К = S()(1 + =0

:„> cosa где S<> чувствительность преобразования ра:)ности фаз 11р<> в напряжение;

;:; = -- — относительная мультипликатив)1S йая погрешность преобразования;

Л(,1> — абсо I(oTH25(аддитивная !И>грешность преобразования.

Задерживают опорные ког!соания на время At м!гогим меныпс периода СВЧ колсбаI: пй (Л/ ((f., ). Измеряю г вь!Хо.(нос напряжениес фазометра, пропорциона, !ь:!Ос Ilpltращению разности фаз:

1(+ 7 )2(тl (((()!", со < + (-AUi = S,(1-+ q,12Р М+ М вЂ” AU., f< i !

».>n . . !(»; >()ii;. ! i1i 5l li > < f i il Н ;!.() <Р

1>с,:! I!11>(Е > I, ) С():, (.1) (! K(i,! \ (> If!! . !>

i !(! !(. .jf . — (, if!i!i f<>3! 0" f iif!i !.i <

:! С i! >; i! . .1>i !Ill>(1K)1 КИХ! II() li((>(!

>::,liiii11,(> . t., i l —: = 11, г(:I (f(f .IIK) Г ifi) 1, . < 111! >> 1», > i (!1< >(. I!it I i ð 51Æ >. I I !!i <1>(1 (<>>t< I p!i

10,, — — < . 1 .>,, 7,т- > ((f >J (:<>COSH и; + XU) — S!„1,,,12„- Ц,, . — !(Х

15 Б

Х вЂ” — — -- if!+.),1(AtJ + 1Ц 1,! l,, с. „., f дс 52,, > и AU> — — чувствительность и 110грешности преобразовар а 3 н О с т н ф а з А((. .

Исключают задержку опорных колебаний (kt = О) и измерякп полученное вь>ходное

II3i! p5IiK0lI HP.. фазометра: — b

25 (> — (1+ ) (!+AA(3 1(С +! . Si f(KK !), 6

<> с(>з <-(+ AU — ЛКк

ГДЕ :),,Х> 1: чувствитс.!ьность и погрешности !(рсобразования разIH "IJf фаз (<(>.

Задержку опорных колебаний Л! выбирают такой, чтобы приращение фазового сдвига от ее введения превышало бы пороговую чувствительность фазометра в 5 — 10 раз.

Аналогичны>м образом выбнp;IioT отноше40 нис двух частот СВЧ излучения, т. е. чтобы увеличение частоты li излучения на Л(вызывало бы соответствую!цсс приращение разности фаз и в 5 — 10 раз прсвышазo 110рог чувствительности фазометра. !1ри таком

45 выборе At H At можно считать, что результаты трех измерений (!..1, ((> и (>1) получены в пределах линейного участка характеристики преобразования разности фаз в напрякение относительно первоначального нуля ((,,= О) . Поэтому чувствительность преобра "30(3!fIIè5; IipH всех промежуточных измер(ни51х Ост;1с1ся носT05IHIIOH >)= )

-= +,), fi <>т!(осительные и абсолк>тные 110i;><. i:i;I0(3i: преобразования равны (< .= у, =; =,=у,Л(„= U

= — 1(> =- Л(>!).

55 l(0 результатам второго и первого измерений опре. ;15110T разностl напряжений: (.. (. >===Я(1+"(>(2лЛ(((;, 1) — Л(!.

Из псзм.1hT»T» Ti)CThoÃ<) нзмсpc IIII)t !r,.!

ТB IOT ЗН»ЧЕHHC р»З||ОСТ И ВТ()рпп) И I I(j »: r >

rI»xiÅÐÑÍÈé с, — (i — U;) = Ь" —,,>)2)тЛ,),t.

1,|,!сс Определяют о1ношенис напряжения третьсго измерения !(Ио.:>у >сино)!у разностш)му напряженик)

| > .- - — ); . з С,;со. а (). а — (.> + Ui д1

Из полученного выражения определяют толщи)!) контролируемого материала

C 3(cosa и — 1 (-lа — Ь + (-, Тс)ким образом, по результатам трех измерений (L i, U> и (lа), и известным величинам С, Л(. х и E определяют толщину диэлектрического материала без непосредственного измерения частоты СВЧ колебаний и ес приращения, а также погрешностей преобразования разности фаз в напряжение.

Время измерения существснно уменьшается за счет однозначного измерения толщины диэлектрического материала независимо от соотношения его тол!цины и длины волны зондирующих СВьI колебаний. Однозначность обеспечивается соответствующим выбором величины задержки Л/ и приращением частоты Л(.

Повышение точности измерения достигнуто благодаря возможности линейного преобразования приращений разности фаз в напряжение, погрешности которого 1(и Л>с> полностью искл!очаются из результата измерения, а также исключения погрешности измерения частоты СВЧ колебаний. Задержка

Л(имеет фиксированное значение и Hå зависит от тол(цины контролирусмогo материала.

з )(.„. I > ( » . . .,: :Я 11(i, I МП РОВО;1:|. >. > Ь:Я, >|»!ЭЛСК),>И(>В, З;1К, Ю«:) Юп»|ИСЯ Et ГОЛ!. rt! . «. !(! РОМEI! i!11T!IO(КО,|С<)1»il!C P»». t(X IßI(>T I! :. i« > |ОП((. (1> (>!1()Pil()(, ИЗЛуЧаЮт Зопди!", Ir >И||С ЭЛЕКтр<)М»Гнитныс колебания в н;>!1р»в,1снии исслсд<смого материала, принима oT lip()lll(|!с(чсРСЗ НЕГО ЭЛЕКтРОМаГНИГ!Ю; КОЗ!Сба!1:.!С, «Pr.Hнивак)т его фазу с фазой онори<Иго элс! f ромагнитного колебания посредством ф»зометра, регистрируют BI lxo;lliop. И» ря жеi! Ii( фазометра, изменяют частоту электр<)магнитного колебания, отли><аюи1и!)<з! Г(з)1. и ГО, с

ILc зью повышения точности. чс)с!О)) >,l(: ромагнитного колебания изме Iÿc! |: > Исл|, чины Ii, при которой вых<:» О,: t!Ip> .ж(!" |: фазометра становится р»в!|ым 1> л) «ввод (1 задержку опорного элсктром»!.ни » <)го ко лебания на величину 1(. измсряк)т i,. o:»I<)(20 напряжение фазомстр» I;, ) B(sill>!:,|г IioT t»(> от\ элсктромагliliTIIot ког|сбани я .E<> и<. . I i! чины 1, измеряк)т выходll(>(и;!пряже! Ис ф,ЗОМСTP» j, >, ИСК.ПО>ti»<>! .(<1 1(PÆÊX ОПОРного элсктромагнитно! О ).ол(F>:|пня, измеряк)т выходное напряжение ф» и)мс тр» (.11 и вычисляют толщину исследуем<н О материала 6 по формуле

С<)Л(cosa U б

VE — 1 Ui — U +((30 где С< — скорость р»спространсния электромагнитного колебания в свободном пространстве; а — угол наклона исследуемого материала относительно направления распрос! р»нс!шя зондирук)щих

35 элсктромагн IT!it ix колес)!)Иий: относительная диэлектрическая проницаемость исследуемого материала.

i, > Н Н Т(Н i f се(. К Р» it H

Род<»(тор - (. Боров« > (,, )r; I! I»cp(1C(>ppc>I>, i I lit.>Hit(f< :

Зава« 161)t, -!О T >f 1>;; >f! <>4 r (1<>анно«<)r

1!111111 ° 11! I ос<дар«та(«» «о ноч«>о(а (.«..Р tir>;;,;а.:,;;r>r>j)(r««r« tt r> н;>t»(t«t ! I I М< (>.««.,)1С ЗЗ, Рау«>(.н<>н it;Ir>..i. 4 З

I Ipr>tt >fir> 1(тн(нно-«о. i . Гi>t>r! . о . > о r! 1>(!tip>>HT>t(. . Г. Х rtri о« ).1, >. i 11 по(> т«>is>. Ч