ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО И ПОВЕРХНОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЧЕТЫРЕХЗОНДОВЫМ МЕТОДОМ. Техподдержкаособенности измерения удельного и поверхностного
 Скачать 4.99 Mb.
|
ТЕХПОДДЕРЖКА ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО И ПОВЕРХНОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЧЕТЫРЕХЗОНДОВЫМ МЕТОДОМ Текст: Игорь Васильев При производстве изделий микроэлектроники качество материалов играет критическую роль. Одним из способов оценки качества пластин или созданных функциональных слоев является измерение удельного и поверхностного сопротивления четырехзондовым методом. Эти электрофизические параметры позволяют осуществить входной контроль материалов, выявить недостатки технологического процесса, а также спрогнозировать процент разброса характеристик конечных изделий. В данной статье приведен обзор современных методов измерения удельного и поверхностного сопротивления, описаны преимущества и недостатки каждого из них, а также возможные способы устранения этих недостатков. В качестве готового решения представлены ручные и автоматические программно-аппаратные комплексы, которые способны решать различные задачи производства при измерении электрофизических параметров. ВЕКТОРвысоких технологий №2 (47) 2020 7 Основные определения Удельное электрическое сопротивление является фун- даментальным параметром, который определяет спо- собность материала препятствовать протеканию через него электрического тока. В отличие от широко извест- ного электрического сопротивления, которое зависит от формы и площади поперечного сечения, удельное сопротивление не зависит от геометрических размеров, а характеризует исключительно электропроводящие свойства материала. Ниже приведен закон Ома в классическом и диффе- ренциальном видах: = U I R ∫ (1) = E j ρ ∫ (2) где I – сила тока, U – напряжение, R – электрическое сопротивление, j → – вектор плотности тока, E → – вектор напряженности электрического поля, ρ – удельное электрическое сопротивление. Вторая формула применима для бесконечно мало- го объема, а потому наиболее удобна, когда мы иссле- дуем новые материалы (в том числе анизотропные), такие как графен, углеродные нанотрубки и т.д. Как видно, единственным параметром, который отвечает за свойства самого материала, здесь является удель- ное электрическое сопротивление. В случае работы с тонкими слоями в полупроводниковом производ- стве также вводится понятие поверхностного сопро- тивления, связь которого с удельным сопротивлени- ем рассмотрена ниже. Электрическое сопротивление однородного образ- ца, представленного на РИС 1, определяется следую- щим образом: = = ρl ρl R S wd ∫ , (3) где S – площадь поперечного сечения, d – толщина ма- териала, w – ширина, l – длина. Если мы возьмем квадрат поверхности материала, то есть l=w, то из выражения (3) получим соотношения для поверхностного сопротивления: = ρ R d ∫ , (4) где R – поверхностное сопротивление [Ом/ ] (Ом на квадрат). Другими словами, поверхностное сопротивление представляет собой сопротивление квадратного участка поверхности материала толщиной d. Причем оно не зави- сит от величины сторон этого квадрата. Понятие поверх- ностного сопротивления также применимо и для неодно- родно легированных слоев. С помощью данного параметра можно определить исходное качество материала, выявить проблемы технологического процесса при проведении межоперационного контроля отдельных слоев, а также осуществить выходной контроль качества материала. Методы измерения На сегодняшний день существуют два основных метода измерения поверхностного сопротивления: ▪ ▪ четырехзондовый метод Кельвина; ▪ ▪ бесконтактный вихретоковый метод. Вихретоковый метод предполагает взаимодействие образца с электромагнитным полем, которое формирует- ся генератором (как правило, это индуктивная катушка). Возбуждаемые в образце вихревые токи в свою очередь создают электромагнитное поле, которое действует на ин- дуктивную катушку, изменяя ее полное электрическое сопротивление ( РИС 2). Таким образом можно определить поверхностное сопротивление образцов. Преимуществами данного метода являются отсутствие контакта с исследу- емым образцом, высокая пропускная способность и высо- кое разрешение. В качестве недостатков можно отметить невысокую точность измерений (погрешность 10 %) и малый диапазон измерения сопротивления – этот метод преимущественно используется для проводящих образцов. l d w 1 Образец с линейными размерами d, l и w Индукционная катушка Вторичное магнитное поле Магнитное поле катушки Вихревые токи Образец 2 Схематичное изображение принципа работы вихретокового метода ТЕХПОДДЕРЖКА 1▪ Особенности измерения удельного и поверхностного сопротивления четырехзондовым методом 8 связано с необходимостью создания надежного электрического контакта при наличии естествен- ного слоя окисла. При проведении тестирования более мягких материалов, например ITO, желательно использовать иглы с большим радиусом закругления (500 мкм) и меньшим усилием прижатия (25 г). ▪ ▪ Для уменьшения нагрева образца рекомендуется использовать импульсный режим измерения и такой уровень измерительного тока, который не позволит существенно разогреть образец за время измере- ния. На практике выбор величины тока обусловлен чувствительностью измерителя напряжения либо точностью источника тока. Как правило, большинство измерителей способны точно регистрировать сигналы порядка мВ. Поэтому для материалов, поверхностное сопротивление которых лежит в диапазоне от единиц Ом/ до сотен кОм/ , существует эмпирическое пра- вило устанавливать измерительный ток такой величи- ны, которая создаст падение напряжения на внутрен- них иглах от 7 до 15 мВ. Однако в случае проводящих материалов (мОм/ и менее) достичь указанного падения напряжения можно только при использова- нии довольно большого тока, что провоцирует нагрев образца. При измерении же высокорезистивных материалов (МОм/ и более) напряжение в несколько мВ требует протекания тока величиной порядка нА, который может быть искажен внешними электро- магнитными наводками. Оба пограничных варианта решаются по-разному в зависимости от тестируемого материала. Однако обобщенное правило для любого случая – это выбирать ток, который одновременно обеспечит наибольшее падение напряжения между иглами и не создаст значительного разогрева образца. ▪ ▪ Для тонкого образца формула для расчета поверх- ностного сопротивления в общем случае выглядит следующим образом: = ρ R d 2 = V 23 π R ln I 14 ∫ , (5) где V 23 – напряжение между иглами 2 и 3, l 14 – измеритель- ный ток. Поэтому оборудование, построенное на данном принципе, применяется в основном для in-line контроля при больших объемах производства. Четырехзондовый метод Кельвина предполагает ис- пользование специальной измерительной головы с четырь- мя иглами ( РИС 3). Через крайние иглы (1 и 4) течет изме- рительный ток, через иглы 2 и 3 выполняется измерение напряжения с образца. Все иглы расположены на одина- ковом расстоянии друг от друга. Данный метод позволяет значительно расширить диапазон измерения в область малых значений сопротивления за счет использования четырехпроводной схемы подключения и отсутствия падения напряжения на измерительных кабелях. Кроме того, он также может применяться для диэлектрических материалов с высоким значением сопротивления ( МОм). Точность измерений данным методом может быть лучше ±1 %, а воспроизводимость ±0,1 %. К основным недостаткам данного метода относятся: ▪ ▪ наличие непосредственного контакта с образцом: иглы измерительной головы могут оставлять ца- рапины или проколы измеряемого слоя; ▪ ▪ нагрев образца вследствие протекания измери- тельного тока; ▪ ▪ изменение расстояния между иглами измеритель- ной головы вследствие её износа; ▪ ▪ термо-ЭДС из-за неидеальности контактов и не- однородности образца. Эти недостатки могут быть устранены с помощью некоторых методик, которые мы рассмотрим отдельно более подробно: ▪ ▪ Повреждение образца можно минимизировать путем подбора механических параметров изме- рительной головы, таких как радиус закругления и усилие прижатия игл. К примеру, при измерении параметров кремниевых пластин оптимальным вариантом будет использование диаметра закру- гления игл 40 мкм, а усилия прижатия 200 г. Это 4 Фотографии следов от игл измерительной головы после контактирования с образцом: а) следы от острых игл; б) следы от затупленных игл; в) следы от игл при наличии латерального сдвига во время контактирования а б в 1 2 3 4 V I Образец 3 Расположение игл на образце в четырехзондовом методе ВЕКТОРвысоких технологий №2 (47) 2020 9 ВЕКТОРвысоких технологий №2 (47) 2020 головы на образце: поправочный коэффициент непо- средственно рассчитывается с помощью двух схем измерения, представленных на РИС 5. ▪ ▪ процедуру измерения расстояния между иглами можно исключить, так как отклонения в располо- жении игл некритичны, как в традиционном методе измерения. Таким образом можно нивелировать негативное влия- ние износа измерительной головы. Как известно, термо-ЭДС (V TEMF ) возникает при контак- те двух разнородных материалов, которые имеют разную температуру. Данное явление часто наблюдается при контакте измерительной головы и исследуемого образ- ца. Более того, сам измеритель напряжения может иметь некоторое смещение относительно нуля (V of ). Оба этих эффекта приводят к появлению ошибки при измерениях. Чтобы ее исключить, в каждой точке на образце проводят два измерения с противоположными направлениями тока: сначала измеряют сопротивления при протекании тока от первой иглы к четвертой, а затем от четвертой к первой. Полученные два значения поверхностного сопротивления используются для нахождения среднего значения, которое исключает термо-ЭДС и смещение измерителя напряже- ния, поскольку обе эти величины не изменяются при смене направления тока. В итоге среднее значение поверхностно- го сопротивления рассчитывается по формуле: ∫ (6) Более подробно данную методику демонстрирует РИС 6. Поверхностное сопротивление эпитаксиальных, легиро- ванных, диффузионных или осажденных пленок позволяет определить качество технологического процесса. Однород- ность характеристик слоя на поверхности подложки по- казывает расхождение параметров конечных кристаллов, В данной формуле нет параметра, отвечающего за рас- стояние между иглами, – он сокращается, если этот пара- метр одинаков для всех игл. Поэтому если в ходе эксплу- атации измерительной головы расстояние между иглами со временем изменяется, то это значительно влияет на результат измерения. Более того, ни один изготовитель измерительных голов не может обеспечить одинаковое расстояние между иглами с учетом того, что они являются подпружиненными, из-за чего фактическое расстояние в момент контактирования может меняться. В этом случае согласно ГОСТу 24392-80 и ASTM F84-99 необходимо про- вести замер реального расстояния между иглами в момент контакта. Для этого осуществляется серия контактов с образцом и проводятся замеры фактического расстояния между иглами по следам игл на поверхности образца. По- лученная информация позволяет рассчитать эффективное значение межзондового расстояния и увеличить точность измерения. Такого рода измерения необходимо проводить время от времени, чтобы понимать текущее состояние измерительной головы. Более того, сама система переме- щения головы должна обеспечивать строго перпендикуляр- ное расположение игл на образце, исключая латеральное перемещение по образцу и его царапание, как показано на РИС 4в. Для получения более достоверных результатов при измерении распределения поверхностного сопротивления по поверхности пластины часто прибегают к использова- нию одной из разновидностей четырехзондового мето- да – метода самокомпенсации геометрических эффектов (ASTM F1529). Этот метод имеет следующие преимуще- ства: ▪ ▪ снижение влияния краевых эффектов до 0,1 % по сравнению с измерениями в центре; ▪ ▪ не требуется информация о диаметре образца и точных координатах размещения измерительной 1 2 3 4 V A I I 1 2 3 4 V B I I 5 а) традиционная схема измерения б) дополнительная схема измерения для компенсации геометрических эффектов V TEMF V of V 2 V 3 l 14 V TEMF V of V 2 V 3 –l 14 Образец Образец 6 Исключение термо-ЭДС и смещения измерителя напряжения при смене направления тока ТЕХПОДДЕРЖКА 1▪ Особенности измерения удельного и поверхностного сопротивления четырехзондовым методом 10 и радиус закругления игл могут быть подобраны под конкретные исследуемые материалы. В качестве игл используются надежные подпружиненные пробники от немецкой компании Ingun. Технология монтажа пробников предусматривает их установку в поса- дочную гильзу, исключающую люфт и латеральное перемещение иглы во время контакта. Такие измери- тельные головы также успешно применяются в автома- тических установках. В качестве преемника установки ИУС-3 ООО «Остек-Электро» успешно поставляет собствен- ную разработку ИУС-7 ( РИС 9). Установка содержит вы- сокоточный источник-измеритель Keithley серии 2400 с базовой погрешностью 0,012 % (внесен в Госреестр СИ), ручное контактирующее устройство с возмож- ностью плавной регулировки усилия прижатия и бы- строй замены измерительной головы, персональный компьютер с программным обеспечением «Кристалл» ( РИС 10). Программное обеспечение позволяет учесть взятых в разных местах на пластине. Именно поэтому очень важно иметь возможность строить карты рас- пределения поверхностного сопротивления по всей поверхности образца. Традиционный четырехзондо- вый метод и метод самокомпенсации геометрических эффектов успешно справляются с этой задачей и явля- ются наиболее распространенными способами, кото- рые реализованы на сегодняшний день во множестве различных установок от разных производителей. Ниже мы рассмотрим основные типы установок и важные особенности, которые позволяют провести корректные и точные измерения электрофизических параметров образцов. Измерительные комплексы В советское время наиболее популярным был прибор ИУС-3 ( РИС 7а). Данный прибор включает в себя че- тырехзондовую голову, способную плавно опускаться за счет своей тяжести. Встроенный источник-измери- тель проводит измерение поверхностного сопротив- ления, которое может быть использовано для расчета удельного сопротивления в случае однородного об- разца. Основным недостатком такой системы являет- ся измерительная голова, которая в силу отсутствия на тот момент технологии подпружиненных пробников была реализована на плоских пружинах ( РИС 7б). Из- за этого головы быстро приходили в негодность, и на данный момент такие системы требуют замены в связи с отсутствием производства расходных элементов. Однако современные технологии позволили создать более конкурентное решение, способное выполнять порядка миллиона контактирований с воспроизводи- мостью 20 мкм. На сегодняшний день компания Остек- Электро освоила производство измерительных голов для измерения поверхностного и удельного сопротив- ления четырехзондовым методом ( РИС 8). Благодаря собственному производству такие параметры голо- вы, как усилие прижатия, расстояние между иглами 7 а) внешний вид установки ИУС-3; б) конструкция измерительной головы а б Плоские пружины Иглы 8 Измерительные головы производства ООО «Остек-Электро» ВЕКТОРвысоких технологий №2 (47) 2020 11 При необходимости установка может быть оснащена термостабилизированным столом. Данный программ- но-аппаратный комплекс полностью закрывает вопрос проведения измерений в ручном режиме. Как уже было сказано ранее, для оценки качества технологического процесса необходимо получить распределение удельного и поверхностного сопро- тивления на всей поверхности образца. В этом случае требуются автоматические установки, способные пере- мещать измерительную голову либо стол и проводить измерения по заранее созданному рецепту без участия оператора. Установка SF-P1500 ( РИС 11), разработан- конкретные размеры образца и рассчитать необходи- мые поправочные коэффициенты согласно стандарту ASTM F84-99. Функция автоматического протоколи- рования сохраняет измеренные данные с привязкой к месту измерения на образце и выводит всю необхо- димую статистику в отчете. Автоматическая подстрой- ка тока исключает инжекцию неосновных носителей заряда в образец и нагрев образца во время измерения. 10 Графический интерфейс пользователя программного обеспечения «Кристалл» 9 Внешний вид установки ИУС-7 Экранирующая камера для защиты от света и электромаг- нитного шума Термостолик с температурным диапазоном от -60 до +200°С Тумблеры подачи вакуума на отдельные секции столика Погрешность изменений ±1 % Измерительные приборы внесены в Госреестр средств измерений. Соответствие стандарту ASTM F84-99 Встроенный промышленный компьютер для управления станцией Джойстик для проведения измерений в ручном режиме Программное обеспечение на русском языке Построение 2D и 3D-диаграммы распределения измеренных параметров Малошумящие провода для обеспечения точных измерений малого напряжения 11 Автоматическая установка для измерения удельного и поверхностного сопротивления SF-P1500 ТЕХПОДДЕРЖКА 1▪ Особенности измерения удельного и поверхностного сопротивления четырехзондовым методом 12 туру стола и т. д. Затем установка в автоматическом режиме производит измерения согласно рецепту и рассчитывает удельное и поверхностное сопротив- ление в соответствии со стандартами ASTM и SEMI. Полученные данные подвергаются статистической обработке. Результат измерений представляется в виде таблицы или как 3D/2D-диаграмма ( РИС 12). Помимо измерения удельного и поверхностного сопротивления установка SF-P1500 имеет опцию встроенного термостатирующего стола. Температур- ный диапазон может быть подобран в зависимости от решаемой задачи. С помощью этой опции удается замерить не только удельное и поверхностное сопро- тивление, но и температурный коэффициент сопро- тивления (ТКС), который позволяет получить допол- нительную информацию об образце при различных температурах. С точки зрения метрологии как ручные, так и полуавтоматические установки являются ком- плексным средством измерения, которое состоит из источника-измерителя, соединительных кабелей и измерительной головы. Поэтому даже если источ- ник-измеритель внесен в Госреестр СИ, необходимо непосредственно убедиться, что результаты измере- ний не искажаются наводками в кабелях или непра- вильным расположением игл на образце. Это возмож- но с помощью использования стандартных образцов. Желательно, чтобы стандартный образец как можно больше соответствовал по характеристикам реаль- ным образцам, на которых проводятся измерения. По результатам аттестации на каждый образец выда- ется сертификат, который подтверждает его электро- физические параметры в течении определенного срока. После этого срока образец должен пройти периодическую аттестацию. ООО «Остек-Электро» совместно с российскими предприятиями изготавли- вает и проводит аттестацию стандартных образцов для установок по измерению удельного и поверх- ностного сопротивления. При наличии такого образ- ца можно соотнести результаты измерения на уста- новке с аттестационными данными и сделать выводы относительно правильности измерений. Более того, при использовании термостабилизирующего стола возникает дополнительный источник погрешности, связанный с температурой самого образца: так как образец обладает толщиной, то верхний его слой всегда будет иметь отличную от стола температуру. В этом случае используется специальный резистор, изготовленный на теплопроводящей подложке, ими- тирующей подложку исследуемого образца ( РИС 13). Его аттестация проходит в камере тепла-холода, где исключается наличие неравномерного нагрева. После этого терморезистор располагается непо- средственно на столе и производятся измерения ТКС с помощью установки. Сопоставив полученные ре- зультаты измерения ТКС в камере тепла-холода и на ная ООО «Остек-Электро» совместно с тайваньской компанией Pomme Technologies, способна проводить измерения распределения поверхностного и удельно- го сопротивления в том числе методом самокомпен- сации геометрических эффектов. Образец располагается на столе c вакуумным прижимом. Перемещение измерительной головы по поверхности образца осуществляется с помощью прецизионных приводов. Важным здесь является надежный и воспроизводимый контакт с образцом, так как это напрямую связано с точностью изме- рений: прохождение игл сквозь исследуемый слой вследствие чрезмерного прижатия может привести к получению ошибочных измерений и повреждению самого образца. Кроме высокоточного перемещения требуется также изолировать образец от внешних вибраций. Для этих целей используется специальное виброизоляционное основание на воздушных поду- шках. Фотопроводимость и фотоэффект могут значи- тельно влиять на результаты измерений при рабо- те с высокорезистивными полупроводниковыми слоями. Чтобы исключить влияние этих эффектов, образец располагается внутри камеры, которая ослабляет воздействие света и внешних электро- магнитных полей. Кроме того, все измерительные кабели экранированы и расположены отдельно от кабелей питания. В программном обеспечении с русскоязычным интерфейсом оператор создает тестовый рецепт, в котором указывает необходимое количество точек на образце, величину измерительного тока, темпера- 12 Пример отчета о результатах измерений в формате Excel с итоговой статистикой Измеренные параметры № точки Поверхностное сопротивление, Ом/ Сопротивление растекания, Ом Удельное сопротивление, Ом*см 1 47,1257 10,5481 0,4713 2 48,2961 10,8101 0,483 3 47,5871 10,6514 0,4759 4 47,2103 10,5671 0,4721 5 46,4964 10,4073 0,465 Параметры пластины Тип пластины Круглая Диаметр пластины, мм 50 Толщина пластины, мкм 100 Расстояние между иглами, мм 1,5875 Измерительный ток, мА 1 Статистика распределения поверхностного сопротивления по пластине Среднее значение, Ом/ 47,3431 Стандартная ошибка, Ом/ 0,295754 Медиана, Ом/ 47,2103 Стандартное отклонение, Ом/ 0,661325 Дисперсия, (Ом/ ) 2 0,4373513039 1 5 3 4 2 Оператор: Иван Дата: 27.04.2020 Время: 14:44 ВЕКТОРвысоких технологий №2 (47) 2020 13 демонстрационном зале, что позволяет увидеть и провести замеры на реаль- ных образцах. Высококвалифициро- ванные инженеры помогут подобрать необходимые опции или разработать необходимые узлы непосредственно под конкретные требования. Именно такой подход позволит безошибоч- но найти лучшее решение, особенно для нестандартных задач. термостатирующем столе, можно оценить влияние градиента температуры по толщине образца и точ- ность установки температуры стола на результаты измерения. Выводы Несмотря на кажущуюся простоту четырехзондового метода измерения удельного и поверхностного со- противлений возникает множество трудностей при его реализации на практике. Мы рассмотрели основ- ные моменты, на которые стоит обратить внимание при выборе оборудования, а также способы оценки погрешности результатов измерения. Однако при работе с определенными материалами могут возни- кать дополнительные нежелательные затруднения. В этом случае перед выбором конкретной установки рекомендуется провести реальные измерения, на ос- новании которых подобрать обеспечивающую до- стоверные измерения конфигурацию. Такой подход позволит сэкономить и деньги, и время. ООО «Остек-Электро» обладает много- летним опытом в поставке программ- но-аппаратных комплексов для из- мерения удельного и поверхностного сопротивлений: начиная от собствен- ной разработки и сборки измеритель- ных голов и заканчивая написанием программного обеспечения для авто- матических установок. Компания име- ет необходимое оборудование в своем 13 Терморезистор для оценки погрешности измерения ТКС ТЕХПОДДЕРЖКА 1▪ Особенности измерения удельного и поверхностного сопротивления четырехзондовым методом 14 |