Устройство для контроля качества поверхности изделий

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

Изобретение относится К области электронной техники, в частности К микроэлектронике, И может быть использовано для контроля качества поверхностей высокого класса обработки при изготовлении полупроводниковых приборов, жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ), фотошаблонов и другой продукции. Изобретение может быть также использовано в любых других областях, например оптике, машиностроении и др.Важнейшим показателем качества поверхности является наличие на ней различных топографических дефектов, т.е. микронеровностей. В настоящее время оценка качества поверхностей высокого класса обработки проводится главным образом на основании их оптических свойств. Среди приборов контроля качества таких поверхностей важное место занимает группа рефлектометрических устройств. В основу работы этих приборов положен принцип связи между шероховатостью поверхности и количеством отраженного от нее света. Всю данную группу устройств можно разделить на две больших подгруппы приборы контроля зеркальной составляющей отраженного потока и приборы контроля диффузной составляющей отраженного потока. В первом случае регистрируется зеркально отраженный контролируемой поверхностью свет, во втором - рассеянный. В обоих случаях регистрируемые компоненты зависят от шероховатости поверхности - чем выше шероховатость, тем больше количество рассеянного света и меньше количество зеркально отраженного 1.Важным недостатком данной группы приборов является невозможность контроля отдельных топографических дефектов контролируемой поверхности. Выходные данные контроля представляют собой некоторую интегральную характеристику, позволяющую в ряде случаев лишь косвенно оценить качество контролируемой поверхности. Причем, как правило, приборы контроля зеркальной составляющей не позволяют контролировать диффузную составляющую, и, наоборот, в то время как наиболее полная картина качества контролируемой поверхности представляет совокупность данных как по зеркальной составляющей отраженного света, так и по диффузной.Существуют приборы для контроля микронеровностей поверхности, называемые профилометрами и профилографами, основанные на контактном сканировании исследуемой поверхности иглой, соединенной с датчиком перемещения этой иглы 2. Изменения микрорельефа поверхности приводят к смещению положения сканирующей иглы, что отражается на самописце.Недостатками указанных устройств являются низкая информативность, поскольку устройства позволяют получить не достоверное изображение дефекта, а лишь его модель,т.к. сканирование осуществляется вдоль одного или нескольких заданных направлений в виде сетки. Изображение дефекта можно представить в виде своеобразной деформации получаемой сетки. Причем сканирование всей поверхности с небольшим шагом занимает очень много времени и приводит в негодность исследуемую поверхность вследствие привнесенной дефектности.Наиболее близким к изобретению его прототипом является устройство для контроля качества поверхности изделий, включающее точечный источник излучения оптического диапазона, держатель образцов и экран 3.Разрешение устройства по размерам дефектов в глубину, по оценкам 3, составляет величину порядка 6 нм, разрешение же по размерам дефектов в плане составляет величину порядка размера источника света. В качестве точечных источников света наиболее широко используются электродуговь 1 е лампы. В этом случае разрешающая возможность устройства определяется размером катодного пятна электрической дуги, что, например,для лампы типа ДКсШ-15 О составляет примерно 0,1 мм.Устройство работает следующим образом. Свет от точечного источника падает на контролируемую поверхность, отражается от нее и попадает на экран. Наличие дефектов на контролируемой поверхности приводит к локальному изменению угла отражения падающего света, что проявляется в изменении интенсивности освещения соответствующихэтим дефектам областей светотеневого изображения поверхности на экране. Оценка качества контролируемой поверхности проводится на основе анализа полученного изображения.Формирование светотеневого изображения контролируемой поверхности на экране устройства обеспечивается путем наложения двух компонент отраженного света - зеркальной и диффузной. Зеркальная компонента обеспечивает формирование яркого светотеневого изображения контролируемой поверхности с различными присущими ей топографическими дефектами. Диффузная компонента отраженного светового потока обусловлена рассеянием света на дефектах, размеры которых в плане меньше разрешающей возможности способа. Это приводит к наложению на основное изображение, обусловленного зеркальной компонентой, светотеневого фона, обусловленного диффузной компонентой. Диффузная компонента не позволяет получать изображения дефектов, поскольку отражение света происходит во всевозможных направлениях, хотя некоторые из них, обусловленные преимущественной ориентацией или расположением дефектов, являются доминирующими. Размеры светотеневого пятна, обусловленного диффузной компонентой, значительно превышают размеры светотеневого пятна, обусловленного зеркальной компонентой. Это приводит к формированию своеобразного ореола вокруг изображения, обусловленного зеркальной компонентой.Поскольку интенсивность зеркальной компоненты для поверхностей высокого класса обработки на два и более порядков выше интенсивности диффузной, наложение на нее последней практически не искажает ту часть светотеневого изображения, которое сформировано благодаря ее наличию. Оценить же степень дефектности контролируемой поверхности по диффузной компоненте не представляется возможным вследствие того, что освещенная область вокруг изображения контролируемой поверхности обусловлена как диффузной компонентой, обусловленной рассеянием света на дефектах непосредственно контролируемой поверхности, так и зеркальной компонентой, обусловленной отражением от закругленных краев (фаски). Поскольку интенсивность зеркальной компоненты, полученной отражением от фаски, также значительно превышает интенсивность диффузной компоненты, контроль параметров последней крайне затруднен или практически невозможен. Наличие же фаски является конструктивной особенностью практически любых деталей. Так, например, отсутствие фаски у пластин полупроводниковых материалов приводит к их микроскалыванию по краям, образованию крошки и пыли в процессе обработки пластин, в результате чего выход годных приборов резко падает. Размер фаски зависит от толщины пластин и может составлять величину до 0,5 мм.Поверхности различных изделий, в том числе и полупроводниковых пластин, содержат дефекты всевозможных размеров, поэтому параметры диффузной компоненты отраженного светового потока являются важнейшей характеристикой их качества. Полная оценка качества контролируемой поверхности может быть проведена на основании анализа параметров обеих компонент. Однако при использовании прототипа такая оценка может быть проведена лишь по ограниченному кругу параметров, поскольку выполняется на основе анализа изображения, обусловленного только зеркальной компонентой.Отсюда видно, что недостатком прототипа являются относительно узкие технические возможности, не позволяющие проводить оценку качества контролируемой поверхности по дефектам, размеры которых в плане составляют величину порядка 0,1 мм и менее. К таким дефектам относятся шероховатость, мелкие царапины, риски, микровыколы и другие несовершенства поверхности, являющиеся важным показателем качества контролируемых поверхностей. Они приводят к диффузному рассеянию света и не видны на экране устройства.Задачей заявляемого изобретения является расширение технических возможностей устройства за счет пространственного разделения оптических компонент, формирующих изображение контролируемой поверхности.Поставленная задача решается тем, что устройство для контроля качества поверхности изделий, включающее точечный источник оптического излучения, держатель образцов И экран, между источником Излучения И держателем образцов содержит подвижный трафарет, отверстие в котором обеспечивает освещение контролируемой поверхности, исключая краевую область, величина которой составляет О,5-5 мм.Сущность заявляемой конструкции заключается в выделении диффузной составляющей отраженного светового потока, что обеспечивает возможность ее контроля. Анализ качества контролируемой поверхности при использовании заявляемого устройства при этом может быть проведен не только на основании зеркальной компоненты отраженного света, но И на основании диффузной составляющей.Дополнение рассматриваемой конструкции подвижным трафаретом с отверстием,обеспечивающим освещение контролируемой поверхности, за исключением зоны ближе О,5-5 мм от ее края, позволяет выделить диффузную компоненту отраженного контролируемой поверхностью светового потока. Такое выделение становится возможным благодаря тому, что фаска контролируемой детали маскируется трафаретом, И не вносит вклад в формирование освещенной области (ореола) вокруг изображения контролируемой поверхности, обусловленного зеркальной компонентой. Оптические компоненты получаемого изображения разделяются - непосредственно изображение контролируемой поверхности сформировано только за счет зеркальной компоненты (диффузной компонентой можно в данном случае пренебречь), ореол - только за счет диффузной. Анализ диффузной компоненты позволяет получить дополнительную информацию о дефектах контролируемой поверхности, приводящих к рассеянию света. Таким образом, оценка качества контролируемой поверхности оказывается более полной. Оценка качества фаски при этом может быть проведена при удалении трафарета из оптической системы устройства либо путем его переноса параллельно самому себе в направлении Источника света,либо изменением размеров отверстия, либо иным способом. В любом из указанных вариантов для контроля качества фаски должно обеспечиваться ее освещение от Источника излучения рассматриваемого устройства.Заявляемая конструкция поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена схема устройства-прототипа, на фиг. 2 приведена схема заявляемого устройства, на фиг. 3 приведена топограмма поверхности полупроводниковой кремниевой пластины, полученная с помощью устройства - прототипа, на фиг. 4 приведена топограмма поверхности той же пластины,полученная с помощью заявляемой конструкции, на фиг. 5 приведена топограмма поверхности пластины с дефектами, приводящими к диффузному рассеянию света, полученная с помощью заявляемой конструкции.Как видно из фиг. 1 И фиг. 2, заявляемое устройство состоит из точечного Источника света, держателя образцов, экрана И подвижного трафарета И отличается от устройства прототипа наличием подвижного трафарета.Устройство работает следующим образом.Свет от точечного Источника сначала проходит через трафарет, отверстие в котором формирует световой поток необходимой формы И размера. Полученный таким образом усеченный световой поток направляется на контролируемую поверхность, освещая при этом только ее рабочую область, поскольку края поверхности оказываются замаскированными. Отраженный контролируемой поверхностью световой поток попадает на экран устройства. Зеркальная компонента отраженного света при этом формирует изображение рабочей области контролируемой поверхности, а диффузная компонента формирует ореол. Анализ ореола вокруг изображения, обусловленного зеркальной компонентой, позволяет судить о наличии дефектов контролируемой поверхности с размерами в плане менее размера Источника Излучения. Чем выще интенсивность светового ореола, тем выще дефектность контролируемой поверхности. Распределение интенсивности ореола позволяет судить о характеристиках дефектов. Удаление трафарета из оптической системы устрой 4ства или его перемещение вдоль оптической оси по направлению К источнику света позволяет демаскировать края И полностью освещать контролируемую поверхность. В этом случае может быть дана оценка качества фаски изделия.Сравнение топограмм одной и той же пластины, полученных на устройстве-прототипе и на заявляемом устройстве, приведенных на фиг. 3 и фиг. 4, показывает, что маскирование фаски приводит к исчезновению целого ряда светотеневых пятен в теневой области топограммы. Это свидетельствует о том, что использование трафарета позволяет экранировать зеркальную компоненту. Интенсивность освещения ореола и ее распределение по площади топограммы в этом случае целиком определяется параметрами диффузной компоненты.Размер маскируемой области определяется характеристикой края контролируемой поверхности. Так, например, для полупроводниковых пластин кремния рабочей областью поверхности считается область далее 3-5 мм от края пластины. Для краевой области характерно наличие множества дефектов, связанных с технологией изготовления пластин,контактом пластины с разнообразной технологической оснасткой и др. Поэтому при оценке качества рабочей поверхности эта область практически не учитывается. Радиус закругления (фаска) края пластин зависит от толщины пластины и может составлять величину до 0,5 мм (примечание согласно ЕТО.О 35.24 О.ТУ и др. размер фаски не лимитируется). В связи с этим минимальный размер затеняемой области составляет 0,5 мм, а максимальный - 5 мм.Испытания заявляемого устройства проводили следующим образом. В качестве точечного источника света использовали ксеноновую лампу ДКсШ-15 О, включенную с применением стандартного блока питания. Трафарет был изготовлен из непрозрачной черной матовой пленки и устанавливался на перемещаемой подставке. В качестве одного из вариантов трафарета использовали диафрагму фотообъектива. Ее использование позволяет легко и быстро менять размер отверстия и таким образом менять размер светового пучка. Дополнительным преимуществом использования диафрагмы является заметное улучщение условий контроля, т.к. свет электрической дуги падает только на контролируемую поверхность и не попадает в глаза оператору, проводящему контроль. Зрительное напряжение при этом снижается. Контролируемые изделия устанавливали на держатель таким образом, чтобы отраженный ими свет от точечного источника попадал на экран, выполненный из матовой белой пленки. Испытания проводили в темной комнате.В качестве контролируемых изделий использовали полупроводниковые кремниевые пластины диаметром 100 мм ЕТО.О 35.24 О ТУ. Испытания проводили на соответствие требованиям ТУ по наличию дефектов, приводящих к диффузному рассеянию света. К таким дефектам относятся матовый налет, пятна, потеки, разводы, Царапины, риски, выколки,сыпь и т.п. Оценку величины диффузной составляющей отраженного светового потока проводили визуально по наличию ореола на светотеневой картине, а также путем измерения относительной яркости изображения с помощью люксметра на расстоянии 4-5 см от края изображения, обусловленного зеркальной составляющей отраженного светового потока. Всего было проконтролировано 20 пластин. Результаты контроля приведены в табл. 1. В качестве методики сравнения использовали действующий технологический процесс контроля согласно ЕТО.О 35.24 О ТУ.Влияние размеров маскирования на параметры получаемого изображения приведено в табл. 2.На фиг. 5 приведена топограмма поверхности пластины Не 14. Использование заявляемого устройства для получения данной топограммы свидетельствует о том, что наблюдаемое распределение интенсивности ореола определяется наличием дефектов рабочей поверхности, а не фаски, как в случае, приведенном на фиг. 3 и фиг. 4. Характер распределения интенсивности ореола свидетельствует о преимущественной ориентации рисок вдоль направления полировки. Этот факт свидетельствует о необходимости проведения анализа изображения как по зеркальной, так и по диффузной компонентам.

МПК / Метки

МПК: H01L 21/66, G01N 21/88, G01B 11/30

Метки: изделий, контроля, качества, устройство, поверхности

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/8-8675-ustrojjstvo-dlya-kontrolya-kachestva-poverhnosti-izdelijj.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Устройство для контроля качества поверхности изделий</a>

Похожие патенты