Контроль толщины тонких металлических пленок с использованием волн Лэмба

(1)

Наука ЮУрГУ: материалы 68-й научной конференции Секции естественных наук

112 УДК 534.2:535.4 + 621.38-022.532

КОНТРОЛЬ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЛН ЛЭМБА

Х.Б. Толипов, Д.Г. Клещев Описана экспериментальная установка, позволяющая опреде- лять толщину тонких металлических пленок. Предложенный ме- тод основан на зависимости фазовой скорости распространяю- щихся вдоль пленки гармонических антисимметричных волн Лэмба от ее толщины. Точность измерения составила 8 % и прак- тически не зависела от толщины пленки.

Ключевые слова: тонкие пленки, волновое поле, упругие вол- ны Лэмба, пьезодатчики.

Задача определения толщины тонких металлических пленок является одной из актуальных проблем микро-, наноэлектроники. Известные мето- ды контроля толщины пленок, такие как микровзвешивание, измерение электросопротивления, растровая и трансмиссионная электронная микро- скопия, и др. [1, 2], не обеспечивают требуемой точности измерения и ха- рактеризуются высокими трудозатратами.

Широко используемые акустические методы, основанные на возбужде- нии объемных волн, например, эхо-импульсный способ [3], применяются, в основном, для контроля массивных изделий, толщина которых значи- тельно больше длины акустической волны.

Оценим возможность применения этого метода для измерения толщи- ны тонких изделий. Длина волны, определяемая по формуле: λ = vt /f (где vt – скорость сдвиговой волны; f – частота колебаний), при максимальной частоте волн, возбуждаемых серийно выпускающимися пьезодатчиками (fmax = 10 МГц) и скорости сдвиговой волны в металлах –  3000 м/с, со- ставляет  0,3 мм. Эта величина и является нижним пределом толщины пленок, которые можно измерить этим методом. Отметим также, что при приближении толщины пленки к этому пределу резко возрастает погреш- ность измерения.

В настоящей работе разработана методика и описана несложная лабо- раторная установка для измерения толщины тонких металлических пленок нанометрового размера, использующая стандартные приборы и позволяю- щая быстро и с достаточной точностью проводить операции.

Для решения поставленной задачи были использованы акустические антисимметричные волны Лэмба [4], скорость распространения которых вдоль пленки зависит от ее толщины (рис. 1). Общеизвестно, что скорость распространения волны определяется временем ее прохождения между двумя пьезодатчиками, расположенными на определенном расстоянии

(2)

113 друг от друга (база из-

мерения). Нами уста- новлено, что вследствие явления дисперсии, им- пульсный метод измере- ния скорости дает боль- шую погрешность. Это связано с тем, что им- пульс волны, представ- ляющий собой, по сути, волновой пакет, по ходу движения существенно изменяется по форме, что приводит к неопре- деленности измерения времени между исход- ным и пришедшим им-

пульсами. Для исключения этой неопределенности был использован не- прерывный режим возбуждения гармонических акустических волн строго определенной частоты, позволяющий непосредственно определять фазо- вую скорость волны [5].

Лабораторная установка состоит из генератора стандартных сигналов ГСС Г4–18А, высоковольтного усилителя, излучающего и приемного пье- зодатчиков марки П-121 и двухлучевого осциллографа TDS-2202 (рис. 2).

0 0,4 0,8 1,0 kt d

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

v/vt

a

Рис. 1. Зависимость относительной скорости b ультразвуковой антисимметричной волны Лэмба

от толщины металлических пленок

5

2 a

1

3 4

b

6

Рис. 2. Блок-схема лабораторной установки:

1 – генератор стандартных сигналов Г4 – 18А,

2 – высоковольтный усилитель, 3, 4 – излучатель и приемник ультразвуковых волн, 5 – осциллограф TDS-2202C, 6 – алюминиевая пленка. Расстояние между датчиками – 50 мм

(3)

114

Монохроматическая волна с фиксированной частотой, возбуждается излучающим пьезодатчиком 3, распространяется по тонкой пленке, затем фиксируется приемным пьезодатчиком 4. Сигналы от этих пьезодатчиков поступают на различные входы двухлучевого осциллографа, на котором определяется время прохождения волны.

На рис. 3 приведена осциллограмма, полученная при прохождении вол- ны Лэмба вдоль алюминиевой пленки толщиной 53 мкм. Частота колеба- ний волны составила 1,8 МГц, а база измерения имела длину 50 мм.

Ошибка в определении скорости v составляет 4 %. Для определения по- грешности толщины, дисперсионную зависимость скорости от толщины аппроксимируем в виде:

v = 1- exp (-0,5 kt d), (1) где kt = ω/vt – волновое число, ω – круговая частота, vt – скорость сдвиго- вой волны, d – толщина пленки.

Тогда относительная погрешность принимает вид:

 







 



 



 





  ^

t t

d k 5 , 0

v 1 v ln v 5 , 0 v e d

d ^t

. (2)

О₁ t О₂

Рис. 3. Осциллограмма сигналов от двух пьезодатчиков. Развертка 100 нс/дел., время между импульсами 1 и 2 составляет  t = 3,5 мкс

(4)

115

Точность измерения толщины измерения пленки при этих параметрах составляет 8 %. Согласно (2), основной вклад в погрешность измерения толщины вносит неточность в измерении скорости. Также на точность из- мерения влияет также измеряемая толщина, связанная с нелинейным ха- рактером изменения со скоростью волны в пленке (рис. 1, точки a, b). Бу- дем считать, что погрешность изменения частоты генератора пренебрежи- мо мала. Тогда поднять точность определения скорости можно увеличени- ем базы измерения, что ведет к росту длительности прохождения, и соот- ветственно с более точным измерением времени. Если при уменьшении толщины увеличивать частоту, так, чтобы произведение k_t d= ωd/v_t остава- лось неизменным, относительная погрешность измерения практически не будет зависеть от толщины.

Таким образом, разработана и испытана специализированная установка для определения толщины тонких металлических пленок. Метод основан на использовании зависимости скорости гармонических антисимметрич- ных акустических волн Лэмба от толщины.

Библиографический список

1. Готра, З.Ю. Контроль технологии гибридных интегральных схем / З.Ю. Готра. – Львов, 1981.

2. Технология тонких пленок. Справочник / под ред. Л. Майсенла, Р. Гленга. – В 2 т. – М., 1977.

3. Королев, М.В. Эхо-импульсные толщиномеры / М.В. Королев. – М.: Ма- шиностроение, 1980.

4. Викторов, И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэ- лея и Лэмба в технике / И.А. Викторов. – М.: Наука, 1966.

5. Толипов, Х.Б. Ультразвуковой способ измерения толщины тонких пленок / Х.Б. Толипов, Д.Г. Клещев. – Заявка № 2016100979 от 13.01.2016.

К содержанию