Анотація – Запропонована і експериментально реалізована методика вимірювання електропровідності металевих плівок в шаруватих структурах в діапазоні товщини від одиниць до тисяч нанометрів за спектрами відображення електромагнітного випромінювання

I                                       Введення

Рис 1 Розташування вимірюваної структури в хвилеводі Рпад, Pomp U Рпрош ~ паддющая, відображена і минула НВЧ потужності

При відпрацюванні технології створення шаруватих структур на основі нанометрових металевих плівок, використовуваних в мікро-, акусто-і оптоелектроніці, важливо точно виміряти товщину шару металу і його електропровідність по завершенні технологічного циклу Для визначення товщини і електропровідності нанометрових металевих плівок в шаруватих структурах можна використовувати результати вимірювань спектрів відбиття і проходження взаємодіє з ними мікрохвильового випромінювання за умови, що відомо їх теоретичний опис [1-2] Знаходження електрофізичних параметрів шаруватих структур за спектрами відбиття і проходження електромагнітної хвилі повязано з необхідністю вирішувати зворотну задачу Висока точність вимірювань досягається за умови, що відомо теоретичний опис спектрів відбиття і проходження, добре узгоджується з експериментом, і ці спектри характеризуються високою чутливістю до зміни величин шуканих параметрів [2]

У даний роботі наведені результати дослідження можливості реалізації методики вимірювання товщини і електропровідності металевих плівок, що входять до складу в шаруватих структур, в діапазоні товщини від одиниць до тисяч нанометрів за спектрами відображення електромагнітного випромінювання

II                               Основна частина

Будемо вважати, що вимірювана структура товщиною t складається з металевого шару завтовшки з

електропровідністю і підкладки товщиною з

електропровідністю (рис 1)

Коефіцієнти проходження R та відображення Т електромагнітної хвилі, що взаємодіє з напівпровідникової пластиною (підкладкою) з нанесеним на неї металевим шаром, визначаються як електропровідністю і товщиною металевого шару, так і електропровідністю, товщиною і діелектричної проникністю підкладки

Для збільшення діапазону зміни величин R і Г з зміною частоти в обраному діапазоні частот (8-12 ГГц) перед досліджуваної структурою розміщувався «четвертьволновий» (товщиною / д) шар діелектрика (рис 1)

Для розрахунку частотної залежності коефіцієнтів відбиття і проходження

структури, що складається з трьох шарів {Ν = ред), можуть бути використані висловлювання [2]:

Усанов д А, Скрипаль А В, Абрамов А В, Боголюбов А С Саратовський державний університет ім Н Г Чернишевського вул Астраханська, д83, м Саратов, 410012, Росія тел: (+7) 8452 514563, e-mail: UsanovDA@lnfosguru

в яких елементи Тз [1Д], Тз [1,2], Тз [2Д] і Тз [2,2 матриці передачі Т3 тришарової структури визначаються зі співвідношення:

Fig 1 Arrangement of being measured structure inside waveguide

Розраховані з використанням співвідношень (1) і (2) частотні залежності коефіцієнтів відбиття електромагнітної хвилі від трехслой

ної структури, носять яскраво виражений немонотонний характер Мається область резонансного віддзеркалення, яка визначається параметрами шару діелектрика і товщиною металевого шару

Розрахунки показують, що характерною особливістю відображення при відсутності металевого шару або при малій (менше 40 нм) його товщині є можливість реалізації, так званого, півхвильового резонансу У цьому випадку шарувата структура еквівалентна розімкненим відрізку лінії передачі

При товщинах металевого шару більше 60 нм реалізуються умови для виникнення, так званого, четвертьволнового резонансу У цьому випадку шарувата структура з нанесеним металевим шаром еквівалентна короткозамкненими відрізку лінії передачі

Використання частотної залежності коефіцієнта відбиття електромагнітного випромінювання від вимірюваної структури при відомих параметрах підкладки при відомій товщині металевої плівки, яка визначається незалежним методом, дозволяє з рішення рівняння (1) з урахуванням виразу (2) визначити електропровідність металевого шару Для визначення електропровідності металевої плівки по спектру відбиття електромагнітного випромінювання, що володіє різко вираженою частотною залежністю, може бути використаний метод найменших квадратів

Експериментально вимірювалися параметри титанових, ніхромових і ванадієвих плівок, нанесених на кремнієві підкладки товщиною 500 мкм і плівок хрому на керамічних і скляних підкладках (рис 2) В якості діелектричної вставки, що поміщається перед вимірюваної пластиною, використовувалася керамічна пластина з Бд = 100 і товщиною

3 мм

Рис 2 Експериментальні (дискретні криві) та розрахункові (безперервні криві) залежності квадратів модулів коефіцієнтів відбиття електромагнітної хвилі від тришарової структури при різних значеннях товщини (нм) і електропровідності (Ом ^ м ^) металевого (хром) шару:

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:

Виміряна частотна залежність квадрата модуля коефіцієнта відображення електромагнітного випромінювання НВЧ-діапазону була використана для визначення електропровідності металевої плівки (хром) на підкладці (Поликор) методом найменших квадратів На рис 2 представлені також залежності (безперервні криві), розраховані з використанням співвідношення (1) за певних за описаною вище методикою значеннях електропровідності

III                                   Висновок

Запропонована і експериментально реалізована методика вимірювання товщини і електропровідності нанометрових металевих плівок в шаруватих структурах з використанням частотної залежності коефіцієнта відбиття електромагнітної хвилі ВІД досліджуваної структури

Проведені дослідження показали, що виміряні значення електропровідності металевих (хром) плівок, нанесених на керамічну підкладку, і алюмінієвих плівок на напівпровідникових підкладках в кілька разів менше електропровідності обємних матеріалів, при цьому істотне зменшення електропровідності металевих плівок спостерігається при товщинах, менших 20 нм

Робота підтримана в рамках програми МОН РФ «Розвиток наукового потенціалу вищої школи» коди проектів: 2806 і 2906, грантом 05-08-17924 а РФФД, ГК № 02435117012, ГК № 02444117318

IV                           Список літератури

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

[2] У санів Ц A, Скрипаль A В, Абрамов A В, Боголюбов А С Вимірювання товщини нанометрових шарів металу і електропровідності напівпровідника в структурах метал-напівпровідник за спектрами відображення та проходження електромагнітного випромінювання ЖТФ 2006 Т 76, вип 5, вип 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@infosguru

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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р