СВЧ-МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК НАНОМЕТРОВОЙ ТОЛЩИНЫ В МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ

February 9, 2013 by admin Комментировать »

Аннотация – Предложена и экспериментально реализована методика измерения электропроводности металлических пленок в слоистых структурах в диапазоне толщин от единиц до тысяч нанометров по спектрам отражения электромагнитного излучения.

I.                                       Введение

Рис. 1. Расположение измеряемой структуры в волноводе. Рпад, Pomp U Рпрош ~ паддющая, отраженная и прошедшая СВЧ мощности.

При отработке технологии создания слоистых структур на основе нанометровых металлических пленок, используемых в микро-, акусто- и оптоэлектронике, важно точно измерить толщину слоя металла и его электропроводность по завершении технологического цикла. Для определения толщины и электропроводности нанометровых металлических пленок в слоистых структурах можно использовать результаты измерений спектров отражения и прохождения взаимодействующего с ними микроволнового излучения при условии, что известно их теоретическое описание [1-2]. Нахождение электрофизических параметров слоистых структур по спектрам отражения и прохождения электромагнитной волны связано с необходимостью решать обратную задачу. Высокая точность измерений достигается при условии, что известно теоретическое описание спектров отражения и прохождения, хорошо согласующееся с экспериментом, и эти спектры характеризуются высокой чувствительностью к изменению величин искомых параметров [2].

В настоящей работе приведены результаты исследования возможности реализации методики измерения толщины и электропроводности металлических пленок, входящих в состав в слоистых структур, в диапазоне толщин от единиц до тысяч нанометров по спектрам отражения электромагнитного излучения.

II.                               Основная часть

Будем считать, что измеряемая структура толщиной t состоит из металлического слоя толщиной с

электропроводностью и подложки толщиной с

электропроводностью (рис. 1).

Коэффициенты прохождения R и отражения Т электромагнитной волны, взаимодействующей с полупроводниковой пластиной (подложкой) с нанесенным на нее металлическим слоем, определяются как электропроводностью и толщиной металлического слоя, так и электропроводностью, толщиной и диэлектрической проницаемостью подложки.

Для увеличения диапазона изменения величин R и Г с изменением частоты в выбранном диапазоне частот (8-12 ГГц) перед исследуемой структурой размещался «четвертьволновый» (толщиной /д) слой диэлектрика (рис. 1).

Для расчета частотной зависимости коэффициентов отражения         и             прохождения

структуры, состоящей из трех слоев {Ν = Ъ), могут быть использованы выражения [2]:

Усанов д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С. Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского ул. Астраханская, д.83, г. Саратов, 410012, Россия тел.: (+7) 8452 514563, e-mail: UsanovDA@lnfo.sgu.ru

в которых элементы Тз[1Д], Тз[1,2], Тз[2Д] и Тз[2,2 матрицы передачи Т3 трехслойной структуры определяются из соотношения:

Fig. 1. Arrangement of being measured structure inside waveguide

Рассчитанные с использованием соотношений (1) и (2) частотные зависимости коэффициентов отражения         электромагнитной волны от трехслой

ной структуры, носят ярко выраженный немонотонный характер. Имеется область резонансного отражения, которая определяется параметрами слоя диэлектрика и толщиной металлического слоя.

Расчеты показывают, что характерной особенностью отражения при отсутствии металлического слоя или при малой (менее 40 нм) его толщине является возможность реализации, так называемого, полуволнового резонанса. В этом случае слоистая структура эквивалентна разомкнутому отрезку линии передачи.

При толщинах металлического слоя более 60 нм реализуются условия для возникновения, так называемого, четвертьволнового резонанса. В этом случае слоистая структура с нанесенным металлическим слоем эквивалентна короткозамкнутому отрезку линии передачи.

Использование частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитного излучения от измеряемой структуры при известных параметрах подложки при известной толщине металлической пленки, определяемой независимым методом, позволяет из решения уравнения (1) с учетом выражения (2) определить электропроводность металлического слоя. Для определения электропроводности металлической пленки по спектру отражения электромагнитного излучения, обладающему резко выраженной частотной зависимостью, может быть использован метод наименьших квадратов.

Экспериментально измерялись параметры титановых, нихромовых и ванадиевых плёнок, нанесенных на кремниевые подложки толщиной 500 мкм и пленок хрома на керамических и стеклянных подложках (рис. 2). В качестве диэлектрической вставки, помещаемой перед измеряемой пластиной, использовалась керамическая пластина с Бд=100 и толщиной

3  мм.

Рис. 2. Экспериментальные (дискретные кривые) и расчетные (непрерывные кривые) зависимости квадратов модулей коэффициентов отражения электромагнитной волны от трехслойной структуры при различных значениях толщины (нм) и электропроводности (Ом’^м’^) металлического (хром) слоя:

Fig. 2 Experimental (points) and calculated (solid curves) dependences ofthe magnitude ofthe reflectance at the different values of thickness (nm) and conductivity (П^т’ ^) of metal(Cr) layer:

Измеренная частотная зависимость квадрата модуля коэффициента отражения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона была использована для определения электропроводности металлической пленки (хром) на подложке (поликор) методом наименьших квадратов. На рис. 2 представлены также зависимости (непрерывные кривые), рассчитанные с использованием соотношения (1) при определенных по описанной выше методике значениях электропроводности.

III.                                   Заключение

Предложена и экспериментально реализована методика измерения толщины и электропроводности нанометровых металлических пленок в слоистых структурах с использованием частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитной волны ОТ исследуемой структуры.

Проведенные исследования показали, что измеренные значения электропроводности металлических (хром) пленок, нанесенных на керамическую подложку, и алюминиевых пленок на полупроводниковых подложках в несколько раз меньше электропроводности объемных материалов, при этом существенное уменьшение электропроводности металлических пленок наблюдается при толщинах, меньших 20 нм.

Работа поддержана в рамках программы МОН РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» коды проектов: 2.8.06 и 2.9.06, грантом 05-08-17924 а РФФИ, ГК № 02.435.11.7012, ГК № 02.444.11.7318.

IV.                           Список литературы

[1]  р. Grosse Freie elektronen in festkorpern. Berlin: Springer- Verlag, 1979.

[2]  У санов Ц. A., Скрипаль A. В., Абрамов A. В., Боголюбов А. С. Измерения толщины нанометровых слоев металла и электропроводности полупроводника в структурах металл-полупроводник по спектрам отражения и прохождения электромагнитного излучения. ЖТФ. 2006. Т. 76, вып. 5, вып. 112-117.

MICROWAVE METHOD FOR MEASURING CONDUCTIVITY OF NANOMETER METAL FILMS IN MULTILAYER STRUCTURES

Usanov D., Skripal A., Abramov A., Bogolubov A.

The Saratov State University by N. G. Chernyshevsky Astrahanskaya Str, Saratov, 410026, Russia Ph.: (+7) 8452 514563. E-mail: usanovda@info.sgu.ru

Abstract – The method for measuring conductivity of nanometer metal films in multilayer structures in thicknesses range from units till thousands nanometers from electromagnetic wave reflectance spectra is presented.

I.                                         Introduction

It is possible to use the results of measurements of microwave reflection and transmission spectrums for determination of the thickness of metal films in sandwich structures, if their theoretical description is known 0-0. High accuracy of measurements is reached, if reflection and transmission spectrums have high sensitivity to the change of an sought parameter 0. In this work the results of investigations of the possibility to solve such task are represented.

II.                                        Main Part

To increase the turn-down R and T in the selected frequency band (8-12 GHz) the «quarter-wave» dielectric layer was placed in front ofthe structure under investigation (Fig. 1). In the experiment we measured parameters titanium, nichrome and vanadium films applied to silicon substrates with thickness 500 цт, and chrome films applied to ceramic and glass substrates. As the dielectric layer placed in front of the measured structure we use the ceramic plate with = 100 and thickness of 3 mm.

III.                                       Conclusion

The method for measurements of the thickness of nanometer metal films in sandwich structures using the frequency dependence of the reflectance of electromagnetic wave from the structure under investigation had been proposed and experimentally implemented. The performed investigations have shown that measured conductivities of metal films applied to ceramic substrate are several times less than that of bulk material.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты