CC BY
34
УДК 321.317.7
А.П. Белов, А.А. Васечко, Е.Д. Губенков, И.А. Матвеева, М.Д. Тютьманов
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗОНДОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ МИКРОРАСПРЕДЕЛЕНИЙ ЗАРЯДА
Для измерения поверхностных распределений заряда (потенциала) используются микрозонды пролётного типа, входящие в состав измерительных информационных систем. Разработаны программы для определения метрологических характеристик измерительных зондовых систем сложной конфигурации: чувствительности, контрастно-частотных характеристик, разрешающей способности.
Бесконтактное измерение заряда (потенциала), зондовая система, метрологические характеристики
A.P. Belov, A.A. Vasechko, E.D. Gubenkov, I.A. Matveeva, M.D. Tjutmanov
THE METROLOGICAL CHARACTERISTICS OF THE NONCONTACT PROBE FOR SURFACE CHARGE MICRODISTRIBUTION MEASUREMENT
In the measuring information system microprobes of complicated configuration are used for high rapid automatic scanning across an all charge surface of a research layer. The programs for metrological characteristic calculation: the sensitivity, the spatial transformation charge coefficient and the resolution have been created.
Noncontact measurement of charge (potential) distribution, probe system, metrological characteristics
Для измерения и контроля плотности заряда (потенциала) на поверхности диэлектрических и полупроводниковых слоев и пленок, а также для исследования электризации и релаксации зарядов, определения однородности электрофизических свойств названных материалов необходимо разрабатывать и создавать прецизионную аппаратуру.
Сопоставление зондовых систем вибрирующего, пролетного, параметрического типов показало [1], что наибольшие преимущества по оперативности измерения распределений заряда (потенциала) при высокой разрешающей способности и чувствительности имеют зонды пролетного типа. Это объясняется тем, что чувствительность таких зондов прямо пропорциональна скорости относительного перемещения зонда и исследуемого слоя. Увеличение скорости одновременно ведет к сокращению времени измерений. Предельная скорость ограничена конструктивными особенностями сканирующих систем и надежностью работы механических узлов [1]. В измерительных информационных системах использование зондов пролётного типа позволяет вести обработку большого объёма результатов измерений в режиме реального времени и решать обратную задачу определения восстановления исследуемого распределения заряда (потенциала) по отклику измерительной системы.
На стадии разработки аппаратуры возникает необходимость в анализе метрологических характеристик зондовых систем, а также в синтезе зондовых систем с заданными мет 28
Рис. 1. Зондовые системы для измерения распределения поверхностного заряда:
а - торец измерительного электрода расположен в плоскости экранирующего электрода (£ = о); б - измерительный электрод «утоплен» в экране; в - измерительный
электрод выступает из экрана; г - измерительный электрод выполнен в виде конуса; д - зонд с зазором между измерительным электродом и экраном
А/А0 1,0
0,5
, а 6 Е г Д //
0 л 2л cob
Рис. 2. Контрастно-частотная характеристика зондовых систем A/A0 в плоскости раскрыва зонда; z = о; ь = 4 мкм: а - торец измерительного электрода расположен в плоскости экранирующего электрода; д^ / ь = о; б - измерительный электрод «утоплен» в экране; д^/ь = -2,о; в -- измерительный электрод выступает из экрана; д^/ь = 2,0; г - измерительный электрод выполнен в виде конуса; д - зонд с зазором между измерительным электродом и экраном; Ь - a = 1 мкм
рологическими характеристиками, на стадии обработки результатов измерений - в решении обратной задачи. Разработка и создание программного комплекса, предназначенного для решения названных задач, является актуальной проблемой.
Разработка соответствующих алгоритмов и программ проводится в рамках предложенных математических моделей преобразования поверхностных зарядов и потенциалов в электрический сигнал в неоднородной диэлектрической среде с потерями и без потерь[1].
Предлагаются алгоритмы и программы для анализа чувствительности и контрастно-частотных характеристик зондовых систем, а также их разрешающей способности.
Для измерения заряда или потенциала нередко применяются зонды с измерительным электродом в виде конуса в экране и без него, зонды с утопленным или выступающим из экрана измерительным электродом, зонды с зазором между измерительным электродом и экраном, величина которого сравнима с радиусом измерительного электрода (рис. 1).
В [1] построены уточненные расчётные модели зондовых систем сложной конфигурации. Полученные выражения для определения чувствительности и контрастно-частотных характеристик зондовых систем позволили разработать алгоритм и программу расчёта названных характеристик.
Входными параметрами для плоскопараллельных и осесимметричных зондовых систем являются: Ь - поперечный размер или Я - радиус измерительного электрода зонда соответственно; а - ширина зазора между измерительным электродом зонда и экранирующим электродом; - величина, определяющая степень выдвижения измерительного электрода из экрана или его «утопления » в экране;
- расстояние между экраном и заряженным слоем; к - толщина слоя; £ - относительная диэлектрическая проницаемость слоя.
Отношение А^ /Ь или / Я изменяется в пределах 0,5 ^ 2.
Выходными параметрами для плоскопараллельных и осесимметричных зондовых систем являются: А0/ - отношение коэффициента пространственного преобразования
постоянной составляющей зарядного рельефа к площади зонда (S3 = 2b или S3 =nR2) в плоскости раскрыва зонда (Z = 0); A/A - контрастно-частотная характеристика зондовой системы, или модуль отношения коэффициента пространственного преобразования синусоидальной составляющей зарядного рельефа к коэффициенту пространственного преобразования постоянной составляющей зарядного рельефа в плоскости раскрыва зонда (Z = 0); K 0/ S 3 - отношение коэффициента пространственного преобразования постоянной составляющей зарядного рельефа к площади зонда (S3 = 2b или S3 = nR2) на поверхности заряженного слоя (z = Zi); K/K0 - контрастно-частотная характеристика зондовой системы, или модуль отношения коэффициента пространственного преобразования синусоидальной составляющей зарядного рельефа к коэффициенту пространственного преобразования постоянной составляющей зарядного рельефа на поверхности заряженного слоя (Z = Z1)-
На рис. 2 приведены результаты расчёта контрастно-частотных характеристик плоскопараллельных зондовых систем сложной конфигурации в плоскости раскрыва зонда.
Первые два параметра a0/ s3 и A / a0 целесообразно использовать для сравнения зондовых систем, обладающих одинаковыми свойствами по координате Z .
Для оценки разрешающей способности определяется коэффициент разрешения:
Y= max_шш_ (1)
Y Ч, + Ч, ' ( )
max min
где Чн max и Чн min - максимальное и минимальное значения отклика измерительной зондовой
системы на тестовое распределение заряда (потениала). В качестве тестовых распределений выбраны одномерные синусоидальное и П-образное распределения заряда и двумерное распределение заряда типа «шахматная доска» на поверхности диэлектрического или высо-коомного полупроводникового слоя.
Входными параметрами в программе определения коэффициента разрешения являются: R - радиус измерительного электрода зонда; Z - расстояние между экраном и заряженным слоем; h - толщина слоя; £1, £2 - относительная диэлектрическая проницаемость в зазоре между измерительным электродом и слоем и слоя соответственно; T - период синусоидального, П-образного распределений заряда и двумерного распределения заряда типа «шахматная доска».
Для двумерного распределения заряда период T по обеим координатам один и тот же. Выходными параметрами являются: у~ - коэффициент разрешения для одномерного синусоидального тестового распределения заряда; уп - коэффициент разрешения для одномерного П-образного тестового распределения заряда; у, - коэффициент разрешения для двумерного тестового распределения заряда - «шахматная доска».
ЛИТЕРАТУРА
1. Грищенко В. Л. Измерение поверхностных зарядов и потенциала / В. Л. Грищенко, И.А. Матвеева. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. 282 с.
Белов Александр Павлович -
студент факультета электронной техники и приборостроения Саратовского государственного технического университета
Васечко Алексей Анатольевич -
студент факультета электронной техники и приборостроения Саратовского государственного технического университета 30
Губенков Евгений Дмитриевич -
студент факультета электронной техники и приборостроения Саратовского государственного технического университета
Матвеева Ирина Александровна -
доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» Саратовского государственного технического университета
Тютьманов Максим Дмитриевич -
студент факультета электронной техники и приборостроения Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 25.09.09, принята к опубликованию 25.11.09
