PL152705B2

PL152705B2 - DEVICE FOR MEASURING THE DIELECTRIC THICKNESS OF THE ONE-SIDED METALLIC LAYER

Info

Publication number: PL152705B2
Application number: PL27997989A
Authority: PL
Inventors: Stanislaw Letowski; Wieslaw Kordalski; Stanislaw Zachara
Original assignee: Univ Gdanski
Priority date: 1989-06-12
Filing date: 1989-06-12
Publication date: 1991-01-31
Also published as: PL279979A2

Description

• RZECZPOSPOLITA POLSKA • REPUBLIC POLAND OPIS PATENTOWY PATENTU TYMCZASOWEGO PATENT DESCRIPTION OF THE TEMPORARY PATENT 152 705 Int CL⁵ G01B 7/08152 705 Int CL ⁵ G01B 7/08 Patent tymczasowy dodatkowy do patentu nr- Zgłoszono: 89 06 12 . (P. 279979) Pierwszeństwo -- Additional temporary patent to patent no. Reported: 89 06 12. (P. 279979) Priority - Zgłoszenie ogłoszono: 89 12 11 Application announced: 89 12 11 CZTELUR CZTELUR URZĄD OFFICE 0 G p ; $ & 0 G p; $ & PATENTOWY RP PATENT RP Opis patentowy opublikowano: 1991 05 31 Patent description published: 1991 05 31

Twórcy wynalazku: Stanisław Łętowski, Wiesław Kordalski, Stanisław ZacharaCreators of the invention: Stanisław Łętowski, Wiesław Kordalski, Stanisław Zachara

Uprawniony z patentu tymczasowego: Uniwersytet Gdański,Authorized by a provisional patent: University of Gdańsk,

Gdańsk (Polska)Gdansk (Poland)

URZĄDZENIE DO POMIARU GRUBOŚCI DIELEKTRYCZNEJ WARSTWY JEDNOSTRONNIE METALIZOWANEJDEVICE FOR MEASURING THE DIELECTRIC THICKNESS OF THE ONE-SIDED METALLIC LAYER

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru grubości warstwy dielektrycznej jednostronnie metalizowanej, znajdujące zastosowanie w metrologii technicznej.The subject of the invention is a device for measuring the thickness of a dielectric layer metallized on one side, applicable in technical metrology.

Znane są sposoby pomiaru grubości warstw z materiałów dielektrycznych polegające na pomiarze pojemności kondensatora, w którym warstwy te stanowią dielektryk, przy czym są one realizowane różnymi metodami. Przy pomiarze pojemności metodą rezonansową stosuje się porównanie dobroci obwodu rezonansowego stanowiącego zasadniczą część urządzenia, w którym pojemność pomiarowa jest pojemnością układu rezonansowego. Znane urządzenia składają się najczęściej z głowicy pomiarowej z czujnikiem oraz z elektronicznego układu obróbki sygnałów pomiarowych, jak również z czytnika i zasilacza. Znane urządzenia pomiarowe realizujące metodę rezonansową mają postać złożonej aparatury o charakterze wieloczłonowego agregatu o wysokiej precyzji , znacznym stopniu złożoności i znacznej związanej z tym awaryjności.There are known methods of measuring the thickness of layers of dielectric materials, which consist in measuring the capacitance of a capacitor in which these layers constitute a dielectric, and they are implemented by various methods. When measuring capacitance by the resonant method, a comparison of the goodness of the resonant circuit is used, which is the main part of the device in which the measuring capacitance is the capacitance of the resonant circuit. Known devices most often consist of a measuring head with a sensor and an electronic system for processing measurement signals, as well as a reader and a power supply. Known measuring devices implementing the resonance method have the form of complex apparatus of a high precision, multi-unit aggregate character, with a high degree of complexity and a significant related failure rate.

Wynalazek rozwiązuje zagadnienie opracowania nowego prostego urządzenia pomiarowego eliminującego opisane wady znanych układów pomiarowych.The invention solves the problem of developing a new simple measuring device which eliminates the described drawbacks of known measuring systems.

W urządzeniu według wynalazku stosuje się charakterystyczną głowicę zawierającą jako czujnik pomiarowy tranzystor połowy z bramką, którego krzemowa płytka typu p stanowi jedną płytkę kondensatora pomiarowego, a warstwa metalowa metalizowanej dielektrycznej warstwy drugą jego płytkę. Głowica jest zamocowana w rurowym wodziku i dociskana jest do warstwy mierzonej sprężyną. Urządzenie według wynalazku mierzy wzrost rezystywności tranzystora potowego z izolowaną bramką, będącego czujnikiem głowicy, spowodowanej zubożeniem kanału w nośniki i wynikającym ze zmian efektywnego natężenia pola elektrycznego w dielektryku warstwy, zależnego od zmian jej grubości. .In the device according to the invention, a characteristic head is used which comprises a half-gate transistor as the measuring sensor, the silicon p-type plate of which constitutes one plate of the measuring capacitor, and the metal layer of the metallized dielectric layer its other plate. The head is mounted in a tubular slider and pressed against the layer measured by the spring. The device of the invention measures the increase in resistivity of the head sensor with an insulated gate sweat transistor caused by the depletion of the channel in carriers and resulting from changes in the effective electric field strength in the dielectric of the layer depending on changes in its thickness. .

152 705152 705

Układ pomiarowy według wynalazku jest prosty w budowie i umożliwia bardzo dokładne pomiary, przy czym zakłócenia zewnętrzne nie wprowadzają błędów pomiaru. Dzięki niewielkiej liczbie elementów urządzenie jest łatwe do realizacji i pewne w działaniu, pozwalając na stosowanie niskich napięć i szybkie uzyskiwanie wyników w postaci cyfrowej.The measuring system according to the invention is simple in construction and enables very accurate measurements, while external disturbances do not introduce measurement errors. Thanks to a small number of components, the device is easy to implement and reliable in operation, allowing the use of low voltages and quick obtaining of digital results.

Wynalazek jest szczegółowo opisany na przykładzie jego„wykonania i przedstawiony na rysunku uwidaczniającym schemat urządzenia.The invention is described in detail by means of an embodiment thereof and shown in the drawing showing a schematic view of the device.

Urządzenie jest wyposażone w pomiarową głowicę ' 1, zamocowaną ' 'w rurowym wodziku.2 za pomocą dociskającej 'sprężyny 3. Głowica 1 zawiera' jako czujnik tranzystor połowy z' bramką. Krzemowa jego płytka typu p, której podłoże jest połączone termokompresyjnie z prostopadłym trzpieniem, stanowi jedną płytkę kondensatora pomiarowego. Na powierzchni zewnętrznej tej krzemowej płytki jest wytworzona znana struktura tranzystora polowego z izolowaną bramką, zawierająca źródło, dren i kanał zubożony typu n. Powierzchnia struktury, z wyjątkiem kontaktów źródła i drenu, jest.pokryta warstwą pasywującą. Do obszarów kontaktów jest dołączony biegun dodatni źródła. Głowica 1 dociskana przez sprężynę 3 jest.połączona elektrycznie ze znanym układem 4 obróbki elektronicznej sygnału, a ten z kolei z czytnikiem 5. Źródło zasilania 6 jest połączone z czytnikiem 5 (biegun dodatni) oraz jest uziemione (biegun ujemny). Dielektryczna warstwa 7 jest jednostronnie metalizowaną warstwą B stanowiącą drugą płytkę kondensatora pomiarowego, odpowiednio uziemioną.The device is equipped with a measuring head "1, fixed" in a tubular slider 2 by a pressing spring 3. The head 1 comprises a "gate-half transistor" as a sensor. Its p-type silicon plate, the base of which is thermocompressed connected to the perpendicular pin, constitutes one plate of the measuring capacitor. On the outer surface of this silicon wafer, the known I-Gate FET structure is formed, comprising the source, drain, and n-type depleted channel. The surface of the structure, except for the source and drain contacts, is covered with a passivating layer. The positive pole of the source is connected to the contact areas. The head 1, biased by the spring 3, is electrically connected to the known signal processing circuit 4, and this in turn to the reader 5. The power supply 6 is connected to the reader 5 (positive pole) and is grounded (negative pole). The dielectric layer 7 is one-sidedly metallized layer B constituting the second plate of the measuring capacitor, suitably earthed.

Sposób pomiaru grubości i zmian grubości dielektrycznej warstwy 7 jednostronnie metalizowanej warstwą B urządzeniem według wynalazku przebiega następująco. Metalowa warstwa 8 i płytka krzemowa typu p czujnika pomiarowego w głowicy 1 tworzą kondensator pomiarowy. Jednocześnie krzemowa płytka jest częścią tranzystora polowego z izolowaną bramką, działającego na zasadzie efektu polowego w przypowierzchniowej warstwie .półprzewodnika. Pojemność kondensatora jest uzależniona i zmienia się wraz ze zmianami grubości mierzonej dielektrycznej warstwy 7. Pole elektryczne stałe lub zmienne, wytworzone pomiędzy metalową warstwą 6 i powierzchnią półprzewodnika krzemowego płytki krzemowej typu p tranzystora polowego w głowicy, powoduje częściowe proporcjonalne do wartości pola zubożenie kanału w nośniki, a tym samym wzrost jego rezystywności. Zmiany grubości mierzonej dielektrycznej warstwy 7 wywołują zmiany efektywnego natężenia pola elektrycznego w dielektryku, a więc powodują również zmiany oporności kanału tranzystora polowego sondy głowicy 1. Stanowią one sygnały pomiarowe. Odpowiadające im sygnały elektryczne są przekazywane do układu 4, zmieniane na wartości odpowiadające rezystywności kanału, a więc na wartości stanowiące miary grubości dielektrycznej warstwy 7. Wartości te wyrażone cyfrowo są wyświetlane na „czytniku 5.The method of measuring the thickness and thickness changes of the dielectric layer 7 metallized on one side with the layer B with the device according to the invention is as follows. The metal layer 8 and the p-type silicon wafer of the measurement sensor in the head 1 form a measuring capacitor. At the same time, the silicon wafer is part of an insulated gate field effect transistor, operating on the basis of the field effect in the near-surface semiconductor layer. The capacitance of the capacitor depends and changes with changes in the thickness of the measured dielectric layer 7. The constant or variable electric field, created between the metal layer 6 and the silicon semiconductor surface of the p-type silicon wafer in the head, causes a partial depletion of the channel in carriers proportional to the field value and thus an increase in its resistivity. Changes in the thickness of the measured dielectric layer 7 cause changes in the effective electric field strength in the dielectric, and thus also cause changes in the channel resistance of the probe of the head probe FET 1. They constitute measurement signals. The corresponding electrical signals are transferred to the circuit 4, changed into values corresponding to the channel resistivity, and thus into values representing the thickness of the dielectric layer 7. These values expressed digitally are displayed on the "reader 5.

W przykładowym wykonaniu urządzenia jego zasilacz 6 z uziemionym biegunem ujemnym jest dołączony biegunem dodatnim do układu 4, stanowiąc źródło jego zasilania.In an exemplary embodiment of the device, its power supply 6 with a grounded negative pole is connected with the positive pole to the system 4, constituting its power source.

Claims

Patent claim

A device for measuring the thickness of dielectric layers metallized on one side, consisting of a measuring head with a sensor and an electronic system for processing measuring signals, a reader and a power supply, characterized in that the head (1) comprises a half-gate transistor as the measuring sensor, whose silicon p-type plate is one the plate of the measuring capacitor and the metal layer (8) of the metallized dielectric layer (7) another plate thereof, the head (1) being mounted in the tubular slider (2) and pressed against the layer (7) by a spring (3).

152 705