SOMI XVIII Congreso de Instrumentación Materiales, Sensores y Peliculas Delgadas AGS1828

NUEVAS METODOLOGÍAS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE SUPERFICIES POR MEDIO DE UN SENSOR CAPACITIVO Guadarrama A., García A., Bruce N. Laboratorio de Sensores, Óptica Aplicada. Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, UNAM. Cd. universitaria, Coyoacán, México D.F. 04510. A. Postal 70-186 [email protected], [email protected] [email protected], [email protected]

RESUMEN En este trabajo se propone y estudian nuevas metodologías para la caracterización de películas dieléctricas sobre sustratos conductivos por medio de un sensor capacitivo. Se muestra que es posible medir la constante dieléctrica y el espesor de una película dieléctrica usando un electrodo corrugado y uno plano. Además se muestran resultados de simulaciones numéricas y resultados experimentales con diferentes materiales. También se demuestra la posibilidad de medir las variaciones de altura rms de superficies conductoras de rugosidad aleatoria con un electrodo plano y por medio de la medición de capacitancia como una función de la distancia, desde el electrodo plano hasta el punto más alto de la superficie rugosa. ABSTRACT In this work we propose and study novel methodologies to characterize dielectric films on conducting substrates with a capacitance sensor. We show that it is possible to measure both, the dielectric constant and thickness, of a dielectric film using a corrugated electrode and a flat electrode. Results from numerical simulations are also shown. Experimental results to corroborate the proposed methodology will be presented at the poster session . In addition, we demonstrate the possibility of measuring the rms variation height of randomly rough conducting surfaces with a flat electrode by measuring the capacitance as a function of distance from the electrode to the highest point on the rough surface. I. INTRODUCCIÓN Los sensores capacitivos se usan ampliamente en la industria y en experimentos de laboratorio para medir varios parámetros, tales como la medición de posición, velocidad y aceleración de objetos en movimiento, fuerza, presión, nivel de líquidos, propiedades dieléctricas y flujo de materiales por nombrar solamente algunos ejemplos, como se ilustra en la figura1. Usualmente, los sensores capacitivos se construyen de una forma en el que el parámetro a medir causa un cambio en el sensor de capacitancia. Una desventaja principal de los sensores capacitivos es su sensibilidad a la contaminación y a la condensación, las cuales pueden causar serios problemas de confiabilidad. En muchos de esos casos, el cambio en porcentaje de capacitancia es alto, sin embargo el valor absoluto de la capacitancia del sensor es pequeño. Usualmente, este tipo de cambio se puede medir con un medidor LCR de precisión. Pero, en el caso de un cambio en porcentaje muy pequeño, por ejemplo 100 ppm o aún menor, es difícil usar un medidor LCR ordinario, de esta forma se tiene que emplear un medidor de altísima sensibilidad para monitorearlo. Estos medidores de alta resolución se pueden utilizar en experimentos de laboratorio, pero en el uso industrial tenemos que utilizar en su lugar circuitos de interfase de alta sensibilidad.

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Figura 1. Diferentes tipos de sensores capacitivos. II. ANTECEDENTES Un problema que se encuentra a menudo en la investigación y en la industria es la caracterización de películas delgadas dieléctricas sobre sustratos conductores las cuales tienen muchas aplicaciones en la tecnología de recubrimientos y otras más, principalmente se requiere saber el espesor y la constante dieléctrica de la película. La rugosidad de la superficie puede ser también importante. Existen métodos capacitivos en donde se ha obtenido el espesor de un material dieléctrico conociendo su constante dieléctrica o viceversa. Pero no existe a la fecha ningún método capacitivo con el cual se puedan obtener ambos valores en una prueba de forma no destructiva. Por lo general la caracterización de películas se hace por métodos ópticos, como es la elipsometría. Si la película es rugosa o presenta rugosidad la elipsometría se vuelve menos confiable, además de que la elipsometría es relativamente sofisticada y requiere de equipo muy costoso. Existen otras técnicas pero son destructivas, ya que se requiere realizar un corte transversal para poder medir el espesor de la película. Con respecto a la determinación del espesor y la constante dieléctrica de películas sobre sustrato no conductor, en este proyecto se propone una técnica basada en la medición de la capacitancia de un arreglo de película-sustrato usando dos electrodos de geometría diferente, por ejemplo, uno plano y otro corrugado (figura 2).

Figura 2. Electrodos del sensor capacitivo propuesto Tenemos ya evidencia teórica que de la capacitancia con uno y otro electrodo se pueden derivar ambos parámetros para la película dieléctrica. En trabajos previos se ha desarrollado una

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aproximación basada en la teoría de perturbaciones para calcular la capacitancia entre dos electrodos corrugados que están en paralelo uno de otro y estos trabajos derivan el fundamento teórico a este proyecto. [1] III. MEDICIÓN DE ESPESOR Y CONSTANTE DIELÉCTRICA DE PELÍCULAS DELGADAS. Aquí tratamos solo el caso de películas dieléctricas delgadas sobre un conductor plano. Nuestro propósito en este trabajo es establecer una metodología apropiada para medir el espesor y la constante dieléctrica de la película dieléctrica por medio de capacitancias parásitas de una forma no destructiva. Primero consideremos la capacitancia Cf, entre un electrodo plano de área A, la cual se coloca en paralelo sobre un electrodo plano con un área mayor que A, y que esta cubierta con una película dieléctrica de espesor h y constante dieléctrica e. Ignorando los efectos de borde no es difícil mostrar que,

Cf =

A ε D − ε −1 h −1 0

(1)

Donde D es la distancia desde la superficie de la película delgada a la del electrodo de arriba y e0 es la permitividad dieléctrica del vacío. Esta fórmula es válida para D