RU166138U1 - Устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок - Google Patents
Устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок Download PDFInfo
- Publication number
- RU166138U1 RU166138U1 RU2016110171/28U RU2016110171U RU166138U1 RU 166138 U1 RU166138 U1 RU 166138U1 RU 2016110171/28 U RU2016110171/28 U RU 2016110171/28U RU 2016110171 U RU2016110171 U RU 2016110171U RU 166138 U1 RU166138 U1 RU 166138U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- probe
- probes
- current
- distance
- meter
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок, содержащее зондовую головку с расположением зондов на прямой линии, источник тока и измеритель тока, измеритель напряжения, подключенный к одной паре зондов, отличающееся тем, что зондовая головка содержит три зонда, причем расстояние sмежду средним зондом и первым внешним зондом, по крайней мере, в два раза меньше расстояния sмежду средним зондом и вторым внешним зондом, измеритель напряжения подключен к среднему зонду и ко второму внешнему зонду с большим расстоянием между ними, при этом последовательно соединенные источник тока и измеритель тока подключены к первому внешнему зонду и, по крайней мере, к одному электрическому контакту, расположенному на поверхности металлической пленки около ее внешнего контура.
Description
Полезная модель относится к исследованию электрических или магнитных свойств материалов, в частности, к устройствам для измерения поверхностного сопротивления тонких металлических пленок.
Известно устройство для измерения удельного сопротивления электропроводящих слоев, основанное на использовании так называемого четырехзондового метода (см., например, 1) Батавин В.В. и др. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. - М: Радио и связь, 1985, с. 5; 2) US №3735254, (Int. Cl. G01R 27/14), опубл. 22.05.1973); 3) US №5691648, (Int. Cl.6 G01R 27/14), опубл. 25.11.1997; 4) US №5914611, (Int. Cl.6 G01R 27/14), опубл. 22.01.1999). Устройство содержит источник тока, измерители тока и напряжения и четырехзондовую головку, в которой к одной паре зондов подключены последовательно соединенные источник и измеритель тока I, а к другой паре зондов подключен измеритель напряжения V. При условии, что толщина пластины d, по крайней мере, в два раза меньше расстояния s между зондами четырехзондовой головки при известной толщине пластины, может быть найдено удельное объемное сопротивление ρ материала пластины по формуле:
Недостатком этого устройства является малая величина напряжения V, составляющая единицы микровольт, при измерении удельного сопротивления тонких металлических пленок, и обусловленная этим повышенная сложность устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является устройство для контроля толщины и удельного сопротивления электропроводящих изделий (см. патент RU №2204114, (МПК G01N 27/02, G01B 7/06), опубл. 10.05.2003). Это устройство содержит зондовую головку, источник тока, соединенный с одной из пар зондов, измеритель тока, два измерителя напряжения. Зондовая головка содержит не менее шести зондов: "а", "б", "в", "г", "д", "е". Между тремя зондами "а", "б", "в" расстояние s1, по крайней мере, в 10 раз меньше, чем расстояние s2 между зондами "в", "г", "д", "е". Пара зондов "б" и "в" с малым расстоянием s, подключена к первому измерителю напряжения. Пара зондов "г" и "д" с большим расстоянием s2 подключена ко второму измерителю напряжения. Последовательно соединенные источник тока и измеритель тока подключены к крайним токовым зондам "а" и "е". Это устройство реализует комбинацию двух вариантов четырехзондового метода, а именно: при соприкосновении головки с измеряемым изделием и при пропускании тока I через зонды "а" и "в" на зондах "б-в" измеряется падение напряжения Vl, причем если 3,3s1≤d (где d - толщина контролируемого изделия), то с точностью до 2,3% можно получить:
Из формул (2) и (3) может быть найдена толщина изделия:
Формулы (2) и (4) получены для условия, когда все зонды находятся на одной линии, расстояния S, между тремя зондами "а", "б", "в" одинаковы и расстояния s2 между четырьмя зондами "в", "г", "д", "е" также одинаковы.
Однако условие 3,3s1≤d невозможно выполнить и, следовательно, формулы (2) и (4) нельзя использовать, когда удельное сопротивление измеряется с помощью данного устройства на тонких металлических пленках с толщиной менее 1 мкм. Несмотря на то, что при переходе к тонким металлическим пленкам уменьшение толщины электропроводящего слоя в 103 раз (по сравнению с прототипом) позволяет уменьшить ток I в 103 раз (до значений 50÷100 мА), плотность тока j и плотность рассеиваемой мощности р в области токовых зондов достигает больших значений. Оценка этих величин по формулам:
дает следующие значения: j=1,99·105 А·см-2, и р=1,07·105 Вт·см-3, для пленки алюминия с толщиной d=0,4 мкм=4·10-5 см и ρ=2,7·10-6 Ом·см при токе зонда I=0,05 А и радиусе зонда r=10 мкм=1·10-3 см. Такие высокие значения плотности тока j и плотности рассеиваемой мощности р в области токовых зондов приводят к изменениям кристаллической структуры и удельного сопротивления металла, которые обусловлены его локальной термообработкой во время измерения, и, соответственно, к более высоким значениям измеренного значения удельного сопротивления металла. Кроме этого к недостатку прототипа следует отнести повышенную сложность зондовой головки и устройства в целом, которые ограничивают его эксплуатационные возможности.
Заявляемая полезная модель решает техническую задачу упрощения устройства и снижения тепловой нагрузки в контролируемой области металлической пленки.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемое устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок, содержащее зондовую головку с расположением зондов на прямой линии, источник тока и измеритель тока, измеритель напряжения, подключенный к одной паре зондов, зондовая головка содержит три зонда, причем расстояние s1 между средним зондом и первым внешним зондом, по крайней мере, в два раза меньше расстояния s2 между средним зондом и вторым внешним зондом, измеритель напряжения подключен к среднему зонду и ко второму внешнему зонду с большим расстоянием между ними, при этом последовательно соединенные источник тока и измеритель тока подключены к первому внешнему зонду и, по крайней мере, к одному электрическому контакту, рассположенному на поверхности металлической пленки около ее внешнего контура.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано заявляемое устройство, содержащее зондовую головку с тремя зондами, расположенными на прямой линии, на фиг 2 представлены графики зависимостей плотности тока j и плотности рассеиваемой мощности p от расстояния r до токового зонда (графики рассчитаны по формулам (5) для пленки алюминия с толщиной 0,4 мкм при токе зонда 0,05 А).
Устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок, содержит зондовую головку с тремя зондами 1, 2 и 3, расположенными на прямой линии, источник тока, измеритель тока и измеритель напряжения, при этом расстояние s, между средним зондом 2 и первым внешним зондом 1, по крайней мере, в два раза меньше расстояния s2 между средним зондом и вторым внешним зондом 3 (2s1≤s2), измеритель напряжения подключен к среднему зонду 2 и ко второму внешнему зонду 3, последовательно соединенные источник тока и измеритель тока подключены к первому внешнему зонду 1 и, по крайней мере, к одному электрическому контакту 5, рассположенному на поверхности металлической пленки около ее внешнего контура. В конкретном примере выполнения токовые контакты 5 выполнены в виде навесок индия с размерами 3×3×0,5 мм3, присоединенных к поверхности пленки алюминия вблизи вершин прямоугольной области этой пленки путем незначительного давления на навески индия при комнатной температуре (фиг. 1).
Устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок работает следующим образом. При соприкосновении зондов 1, 2 и 3 головки с поверхностью металлической пленки 6 и при пропускании тока I1, через зонд 1 и токовый контакт 5 на зондах 2 и 3 измеряют падение напряжения V23. Удельное поверхностное сопротивление ρs металлической пленки рассчитывают по формуле:
Формула (6) получена следующим образом. Если d«s1 и d«s2, то можно пренебречь падением напряжения по толщине металлического слоя 6 вблизи токового контакта 1 и считать, что распределение тока и потенциала в слое двухмерное. Поэтому, учитывая цилиндрическую симметрию распределения потенциала φ(r), для определения потенциалов φ12 и φ13 в точках 2 и 3, а затем и разности потенциалов V23=φ12-φ13 в точках 2 и 3 достаточно решить в цилиндрической системе координат уравнение Лапласа, в котором оставлен лишь член, зависящий от расстояния r до токового контакта:
Решение уравнения (7) имеет вид (см. Павлов Л.П. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1975, с. 17):
где C2 - постоянная интегрирования. По формуле (8), потенциалы φ12, φ13 и φ14 электрического поля, создаваемого в точках 2, 3 и 4 током (+I1,), втекающим в слой через контакт 1, соответственно равны:
Будем считать, что расстояние (s1+s2+s3) от точечного контакта 1 до точки 4 много больше расстояний s1 и (s1+s2), и что потенциал в точке 4 равен нулю: φ14=0. Подстановка этого условия в равенство (10) дает выражение для постоянной интегрирования С2:
Подстановка выражения (11) в равенства (9) приводит к выражениям для потенциалов φ12 и φ13 в точках 2 и 3:
Используя выражения (12), получим разность потенциалов V23=φ12-φ13 точках 2 и З:
В формуле (13) (ρ/d) есть удельное поверхностное сопротивление ρs материала проводящего слоя: ρs=ρ/d. С учетом этого из формулы (13) имеем выражение (6) для расчета поверхностного сопротивления материала проводящего слоя.
Реализация полезной модели может быть проиллюстрирована следующим примером. При помощи зондовой головки с расстоянием между зондами 1 и 2 s1=0,8 мм и расстоянием между зондами 2 и 3 s2=1,725 мм были измерены поверхностное ρs и удельное ρ сопротивления тонкой пленки алюминия толщиной 0,4 мкм. Значение расстояния sl=0,8 мм между зондами 1 и 2 было выбрано на основе рассчитанных зависимостей плотности тока j и плотности рассеиваемой мощности p от расстояния r (s1) до токового зонда 1 (графики этих зависимостей, представленные на фиг. 2, были рассчитаны по формулам (5) для пленки алюминия толщиной 0,4 мкм при токе зонда 0,05 А). Из фиг. 2 видно, что при s1≥0,6 мм графики этих зависимостей выходят на пологие участки со значениями плотности тока j в интервале (33,2÷19,9) А/мм2 при s1=(0,6÷1) мм, что соответствует сниженному выделению тепла в контролируемой области металлической пленки между зондами 2 и 3. Этому способствует условие (2s1≤s2), так как реализация этого условия расширяет контролируемую область металлической пленки, что приводит к увеличению площади, через которую тепло отводится в подложку, и, соответственно, к снижению температуры металлической пленки между зондами 2 и 3. Пленка алюминия была осаждена на стеклянную подложку методом термовакуумного испарения. Размеры подложки составляли 24×20×1.5 мм2, а размеры квадратной области металлической пленки 20×20 мм2. Для обеспечения более высокой проводимости пленки алюминия подложка подвергалась физическому обезжириванию в этиловом спирте и ацетоне, отжигу на воздухе при 180°С в течение 40 мин, ионной очистке в вакуумной камере при давлении остаточного газа (2÷1)·10-1 мм рт.ст. и температуре спая термопары, равной (240ч250)°С, в течение 15 мин. При этой температуре после окончания ионной очистки подложка отжигалась в вакууме при давлении остаточного газа (2÷3)·10-5 мм рт.ст. в течение 30 мин. Термовакуумное испарение алюминия выполнялось из вольфрамового испарителя с высокой скоростью осаждения пленки 40 при температуре подложки 150°С. После осаждения тонкой пленки алюминия на ее поверхности вблизи вершин квадратной области этой пленки были изготовлены распределенные токовые контакты в виде навесок индия с размерами 3×3×0,5 мм3. Для измерения поверхностного сопротивления тонкой металлической пленки использовалась трехзондовая головка, содержащая три подпружиненных зонда из вольфрамовой проволоки диаметром 0,5 мм, установленных вдоль прямой линии. Зонды устанавливались на поверхность металлической пленки на осевую линию, параллельную стороне квадрата, на одинаковых расстояниях от двух других его сторон, перпендикулярных указанной осевой линии. Затем выполнялись последовательно измерения токов и напряжений, при этом значение тока изменяли в интервале (0,02÷0,06) А. При этом внешние проводники от измерителя напряжения были подключены к зондам 2 и 3, а проводники от последовательно соединенных источника тока и измерителя тока были подключены к зонду 1 и к параллельно соединенным индиевым контактам 5. После этого измерялись толщина d металлической пленки с помощью микроинтерферометра Линника МИИ-4, а также расстояния s1 и s2 с помощью микроскопа «Биолам» путем измерения расстояний между центрами контактных площадок, которые видны на поверхности металлического слоя после контактирования зондов 1, 2 и 3 с этим слоем.. Результаты измерения тока I1 и напряжения V23 и расчета удельного поверхностного ρs (по формуле (6)) и удельного объемного ρ (по формуле: ρ=ρsd) сопротивлений приведены в таблице 1.
Из данных таблицы следует, что при изменении тока I1 в интервале (0,02÷0,06) А относительные отклонения удельного поверхностного сопротивления ρs пленки алюминия от его среднего значенияимеют место как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения ρs и не превышают 3,5%. Это свидетельствует о том, что эти отклонения обусловлены не увеличеним тока I1 и связанного с этим увеличением нагрева пленки алюминия в контролируемой области между зондами 2 и 3, а погрешностями измерения тока I1 и напряжения V23. Полученные значения удельного сопротивления алюминия не противоречат табличным данным (см., например, Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. академика Кикоина И.К. М.: Атомиздат. 1976. С. 305.
Claims (1)
- Устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок, содержащее зондовую головку с расположением зондов на прямой линии, источник тока и измеритель тока, измеритель напряжения, подключенный к одной паре зондов, отличающееся тем, что зондовая головка содержит три зонда, причем расстояние s1 между средним зондом и первым внешним зондом, по крайней мере, в два раза меньше расстояния s2 между средним зондом и вторым внешним зондом, измеритель напряжения подключен к среднему зонду и ко второму внешнему зонду с большим расстоянием между ними, при этом последовательно соединенные источник тока и измеритель тока подключены к первому внешнему зонду и, по крайней мере, к одному электрическому контакту, расположенному на поверхности металлической пленки около ее внешнего контура.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016110171/28U RU166138U1 (ru) | 2016-03-21 | 2016-03-21 | Устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016110171/28U RU166138U1 (ru) | 2016-03-21 | 2016-03-21 | Устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU166138U1 true RU166138U1 (ru) | 2016-11-20 |
Family
ID=57792816
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016110171/28U RU166138U1 (ru) | 2016-03-21 | 2016-03-21 | Устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU166138U1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU173990U1 (ru) * | 2017-05-12 | 2017-09-25 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Устройство с четырехзондовой головкой |
RU2734061C1 (ru) * | 2019-08-13 | 2020-10-12 | Владимир Владимирович Малеронок | Способ измерения полного электрического сопротивления упрочненного слоя изделий из металлов с применением сигналов высокой частоты |
-
2016
- 2016-03-21 RU RU2016110171/28U patent/RU166138U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU173990U1 (ru) * | 2017-05-12 | 2017-09-25 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Устройство с четырехзондовой головкой |
RU2734061C1 (ru) * | 2019-08-13 | 2020-10-12 | Владимир Владимирович Малеронок | Способ измерения полного электрического сопротивления упрочненного слоя изделий из металлов с применением сигналов высокой частоты |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2011185697A (ja) | 熱電材料評価装置及び熱電特性評価方法 | |
CN106768493B (zh) | 一种串联供电的薄膜热阻式热流传感器 | |
RU166138U1 (ru) | Устройство для контроля поверхностного сопротивления металлических пленок | |
Yilmaz | The geometric resistivity correction factor for several geometrical samples | |
JP7071723B2 (ja) | 複素誘電率測定用回路、複素誘電率測定装置及び複素誘電率の測定方法 | |
CN104034752A (zh) | 一种测量薄膜纵向热导率的装置及方法 | |
JP7442609B2 (ja) | 熱検出器の計測値を正規化する方法 | |
CN102243274B (zh) | 一种测算Pb-Sn-Al层状复合材料界面电阻率的方法 | |
WO2015025586A1 (ja) | 熱物性測定方法及び熱物性測定装置 | |
CN106370932B (zh) | 基于伪测量值法的薄层硅片电阻率检测方法及*** | |
JP2010217134A (ja) | 多点電圧・電流プローブ法による2次元、および3次元異方性物質の主軸電気抵抗率測定方法およびその測定装置 | |
Moroń | Investigations of van der Pauw method applied for measuring electrical conductivity of electrolyte solutions: Measurement of electrolytic conductivity | |
CN104425303B (zh) | 测量导电层厚度的方法 | |
CN110196115A (zh) | 一种利用磁隧道结磁电阻测量温度的方法 | |
CN110220608A (zh) | 一种利用磁隧道结参考层矫顽场测量温度的方法 | |
CN109613054A (zh) | 一种直接通电纵向导热系数测试方法 | |
CN109945993B (zh) | 一种具有负极共用特征的自标定薄膜热电偶阵列 | |
Kleiza et al. | The extension of the van der Pauw method to anisotropic media | |
TW202232116A (zh) | 測試樣品特性之焦耳(joule)加熱誘發的調變之微四點(micro-four-point)計量 | |
KR20160064271A (ko) | 열전박막의 수평 및 수직방향 제백계수 측정 센서 유닛 | |
Nikolov et al. | Virtual System for Sheet Resistance Measurement of Inkjet Printed Conductive Layers | |
He et al. | Influence of finite size probes on the measurement of electrical resistivity using the four-probe technique | |
CN114137020B (zh) | 一种多层薄膜材料热导率在线测量装置与测量方法 | |
JP2019024044A (ja) | 熱電物性測定装置及び熱電物性測定方法 | |
JP2001004678A (ja) | 抵抗膜の比抵抗値測定方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20180322 |