Спосіб in situ визначення електрофізичних параметрів та товщини плівок

Реферат: Винахід належить до матеріалознавства, а більш конкретно до контролю електропровідності плівок та їх товщини електричними методами і може бути застосований при виробництві плівкових напівпровідникових приладів. Визначення питомого опору плівок здійснюють за допомогою чотирьох рівновіддалених зондів, а товщини і-ї плівки dі за допомогою крайнього і п'ятого зондів встановлених поряд по величині опору Rі, і плівки та геометричних розмірах плівкового елемента. Перевага заявленого способу в тому, що вимірювання електропровідності та товщини плівок може бути здійснено одночасно і неперервно на одному пристрої. UA 103404 C2 (12) UA 103404 C2 UA 103404 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області матеріалознавства, зокрема до контролю електропровідності плівок та їх товщини електричними методами і може бути застосований при виробництві плівкових напівпровідникових приладів. Відомі in vivo та in situ способи визначення питомого опору плівкових матеріалів [1, 2]. Згідно з цими способами плівкові об'єкти розміщують в вимірювальний блок електрофізичного вимірювального приладу і вимірюють величину падіння напруги і струму за допомогою 4 рівновіддалених електродів. По їх відношенню та параметрам зразка визначається питомий опір плівки. Для вимірювання електропровідності нанометрових металевих плівок, нанесених на діелектричні підкладки, вирішувалася зворотне завдання за допомогою методу, заснованого на використанні частотної залежності коефіцієнта відбивання електромагнітного випромінювання від досліджуваної структури в НВЧ-діапазоні, при цьому товщина нанометрової плівки визначалася за допомогою атомно-силового мікроскопу. При цьому для вимірювання товщини нанометрових діелектричних плівок використовувався метод інтерферометри [2], в якому товщина обмеженої діелектричної плівки визначається за величиною фазового зсуву, що виникає на межі областей чиста підкладка і підкладка з нанесеною плівкою між електромагнітними хвилями оптичного діапазону, відбитими від підкладки і плівки. Показник заломлення нанометрових діелектричних плівок визначається по частотній залежності коефіцієнта пропускання досліджуваної структури у видимому діапазоні, яка характеризується наявністю інтерференційних максимумів, положення яких визначається товщиною і показником заломлення нанометрової плівки. Недоліками способів [1, 2] є те, що контроль електропровідності та товщини плівок здійснюється різними методами, як правило in vivo і не враховується зміна структури та питомої електропровідності плівок від їх товщини, особливо в області малих товщин на початкових стадіях їх росту. Товщина плівок d визначається по екстремумам відбивання (або пропускання) плівки. Згідно способу при досягненні інтерференційного екстремуму відбивання (або пропускання) здійснюють контроль товщини, а вимірюванням струму пропускання і падіння напруги між зовнішніми електродами визначають загальний питомий опір при даній товщині плівок і багатошарових структур. При оптичних інтерференційних методах контроль товщини має дискретний характер (здійснюється по екстремумах інтерференції), мінімальна товщина плівки обмежена першим екстремумом, або товщиною плівки рівною  /4 і товщина плівки є інтегральною характеристикою градієнтної структури. Дослідження фоточутливих плівкових матеріалів приводить до спотворень результатів дослідження електропровідності. Найбільш близький до запропонованого є спосіб in situ визначення електрофізичних параметрів та товщини плівок [3], який включає вимірювання попередньо нанесеними на підкладку рівновіддаленими чотирма зондами питомого опору плівки і визначення питомого опору для першого шару як 1 =AU/T, де А - константа, U - спад напруги між внутрішніми електродами, І - струм протікання. На поверхню підкладки попередньо наносять рівновіддалені срібні електроди, а контроль нанотовщин плівкових конденсатів здійснюється за допомогою атомно-силового мікроскопу (АМС). Згідно способу питомий опір наносимого шару визначається як  =AU/I, де А - константа, U - спад напруги між внутрішніми електродами, а І - струм протікання. Застосування способу [3] обмежене як правило режимом in vivo, необхідністю використання двох різних методик, причому визначення питомого опору плівок може здійснюватися в реальному режимі часу лише для одношарових плівок, оскільки контроль питомого опору і товщини багатошарових покрить ускладнюється при збільшенні числа шарів. Дослідження атомно-силовим мікроскопом (АСМ) потребують значний час, обмежені малими атомарними товщинами плівок і необхідністю використання дорогого обладнання. Задача винаходу полягає в збільшенні продуктивності, розширення діапазону контролю кількості і товщин плівок. Поставлена задача вирішується таким чином, що спосіб in situ визначення електрофізичних параметрів та товщини плівок, який включає вимірювання попередньо нанесеними на підкладку рівновіддаленими чотирма зондами питомого опору плівки і визначення питомого опору для першого шару як 1 =AU/I, де А - константа, U - спад напруги між внутрішніми електродами, І струм протікання, який відрізняється тим, що додатково наноситься ще один зонд і вимірювання питомого опору і товщини шарів плівок здійснюється попередньо нанесеними на підкладку п'ятьма зондами, а величина питомого опору послідуючих шарів визначається по закону суми обернених опорів 1 i 1 i 1 i  11( ) i 1 UA 103404 C2 де:  - сумарний усереднений питомий опір плівкової структури, i - питомий опір і-го шару 5 10 15 20 25 30 35 40 45 і визначення товщини і-ї плівки di здійснюють за допомогою крайнього і п'ятого зондів, встановлених поряд по величині опору R i , i , плівки та геометричних розмірах плівкового елементу по формулі  i di  d  B[11( i )] Ri де: d - загальна товщина плівки, B - константа, яка визначається геометричними розмірами плівкового елемента, R i - опір і-ої плівки. Запропонований спосіб визначення електропровідності плівок та їх товщини від відомого [3] відрізняється тим, що даний спосіб пасивний, дає можливість здійснювати одночасно неперервний контроль електрофізичних властивостей плівок і їх товщини, які залежать від типу основи, матеріалу плівки та її товщини і технології її нанесення. Також контролюються і зміни параметрів плівок при різного виду обробках (термічному та іонному відпалі та інше), що оптимізує технологічні умови виготовлення плівкових елементів. Результати вимірювань дозволять коректувати товщини та матеріали плівок та їх параметри в процесі технологічного нанесення нано- та мікроструктур. Спосіб визначення електрофізичних параметрів та товщини плівок пояснюється прикладами. Приклад 1. Виготовлено підкладку з лейко сапфіру з нанесених термічним напиленням 5 контактів міді. На неї проведено лазерне напилення плівки CuInSe2. Результати досліджень товщинних залежностей питомого опору плівок CuInSe 2 при температурах підкладки в процесі напилення 373К, 473 і 573К приведені на Фіг.1. Приклад 2. На поверхню слюди нанесено термічним напиленням 4 рівновіддалені контакти алюмінію і зміщений відносно 4-го електроду п'ятий. На даний елемент нанесено плівки CuInS 2. Результати досліджень конденсатів CuInS2 приведені при температурах підкладки в процесі напилення 373К, 473 і 573К приведено на Фіг.2. Перевага даного способу полягає в тому, що вимірювання електропровідності та товщини плівок може бути здійснено одночасно і неперервно на одному пристрої з використанням найчутливіших і найпрактичніших електрофізичних методик і може бути автоматизоване. Спосіб може бути використаний також при дослідженні контактних явищ і фотопровідності. Контроль нанотовщин плівок легко здійснюється при імпульсних методиках напилення по контролю кількості імпульсів. Спосіб може бути використаний при розробках технології багато плівкових елементів і для вибіркового аналізу плівкових матеріалів. Джерела інформації: 1. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. - М.: Высшая школа. - 1987г. - 240 стр. 2. Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, А.В. Абрамов, Али Бакуи, А.С. Боголюбов. Измерение параметров нанометровых пленок оптическими и радиоволновыми методами. - Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. - № 3, Т. 83. - 2010. - С. 44-50. 3. F. Song, J. W. Wells, К. Handrup, Z. S. Li, S. N. Bao, K. Schulte, M. Ahola-Tuomi, L. С Mayor, J. С Swarbrick, E. W. Perkins, L. Gammelgaard, Ph. Hofmann. Direct measurement of electrical conductance through a self-assembled molecular layer./ Nature Nanotechnology - V. 4. - 2009. - p. 373-376. - Прототип. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 Спосіб in situ визначення електрофізичних параметрів та товщини плівок, який включає вимірювання попередньо нанесеними на підкладку рівновіддаленими чотирма зондами питомого опору плівки і визначення питомого опору для першого шару як 1=AU/I, де A константа, U - спад напруги між внутрішніми електродами, I - струм протікання, який відрізняється тим, що додатково наносять ще один зонд і вимірювання питомого опору і товщини шарів плівок здійснюють попередньо нанесеними на підкладку п'ятьма зондами, а величина питомого опору наступних шарів визначається по закону суми обернених опорів: 1 i 1 i 1 i  11( ) , i 2 UA 103404 C2 5 де:  - сумарнийусереднений питомий опір плівкової структури, і - питомий опір і-го шару і визначення товщини і-ї плівки dі здійснюють за допомогою крайнього і п'ятого зондів, встановлених поряд по величині опору Rі, і, плівки та геометричних розмірах плівкового елемента за формулою:  i di  d  B[11( i )] , Ri де: d - загальна товщина плівки, B - константа, яка визначається геометричними розмірами плівкового елемента, R - опір і-ої плівки. 3 UA 103404 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4