Устройство для контроля качества поверхности изделий

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(72) Авторы Сенько Сергей Федорович Сякерский Валентин Степанович Белоус Анатолий Иванович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(57) 1. Устройство для контроля качества поверхности изделий, включающее точечный источник оптического излучения, держатель образцов и экран, отличающееся тем, что дополнительно содержит расположенную между источником излучения и держателем образцов координатную сетку. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве координатной сетки используют фотошаблон топологических структур полупроводниковых приборов. Полезная модель относится к области электронной техники, в частности к микроэлектронике, и может быть использована для контроля качества поверхностей полупроводниковых пластин, а также других материалов, используемых в оптике, машиностроении и др. Геометрическое совершенство поверхности полупроводниковых пластин оказывает огромное влияние на выход и качество изготавливаемых на них приборов. Однако абсолютно плоских поверхностей не существует, поэтому можно утверждать, что в действительности любая плоская поверхность имеет объемную, топографическую природу. Положение любой точки, принадлежащей этой поверхности, однозначно характеризуется тремя координатами ,и . Среди них наибольший интерес представляет координата ,отражающая отклонение высоты поверхности от некоторого значения, соответствующего идеальной плоскости, в точке с координатами на этой плоскостиии характеризующая качество обработки контролируемой поверхности. Качество контролируемой поверхности при этом можно выразить как функцию(, ). Однако такая оценка в подавляющем большинстве случаев невозможна в связи с необходимостью обработки невероятно большого количества информации. Поэтому на практике для оценки качества контролируемой поверхности обычно используют зависимость(,) или(, ), т.е. профиль поверхности вдоль некоторого выбранного направленияили . Существуют приборы для контроля микронеровностей поверхности, называемые профилометрами и профилографами, основанные на контактном сканировании исследуемой поверхности иглой, соединенной с датчиком перемещения этой иглы 1. Изменения микрорельефа поверхности приводят к смещению положения сканирующей иглы, что фиксируется самописцем в виде зависимости(,) или(, ). Количественная оценка качества контролируемой поверхности проводится в этом случае на основании статистических характеристик. При обработке профиля в качестве линии отсчета принимают так называемую среднюю линию, которая делит профиль таким образом, что площади фигур по обеим сторонам от этой линии равны между собой. В качестве основного параметра принимают среднее арифметическое отклонение высоты неровностей от средней линии профиля - . Математически эта величина может быть выражена в виде 1,(1)1 где - количество измеряемых точек, - отклонение высоты поверхности в точкеот средней линии, - средняя линия профиля. Другим важным параметром является среднеквадратичное отклонениевеличины ,от средней линии профиля При использовании профилометрии предполагается, что контролируемая поверхность достаточно однородна по всей площади и не содержит дефектов. Поэтому для оценки ее 2 54802009.08.30 качества анализируют профиль на небольшой, так называемой базовой, длине. При записи профиля поверхностей с разными параметрами пользуются различными базовыми длинами. Как правило, эти длины не превышают нескольких миллиметров 1, 2. Требования к качеству поверхностей, используемых в микроэлектронике, не ограничиваются только классом их обработки, который обычно соответствует максимально достижимому. На первый план здесь выступают требования по наличию различных дефектов,среди которых доминирующими являются топографические. Такие дефекты поверхностей, как правило, имеют относительно большие размеры в плане и малые в высоту. Поэтому при контроле поверхностей с помощью профилометров и профилографов они обычно остаются незамеченными, т.к. базовые длины составляют величину менее размеров самого дефекта. Наличие неоднородностей или дефектов контролируемой поверхности требует ее сканирования с относительно малым шагом и большими базовыми длинами, что занимает чрезвычайно много времени и приводит исследуемую поверхность в негодность вследствие ее царапания алмазным щупом устройства, т.е. фактически контроль становится разрушающим. Кроме того, получаемая о дефектах информация слишком ограниченная и в большинстве случаев не позволяет судить о причинах их возникновения. Таким образом, профилометры и профилографы не позволяют контролировать отдельные дефекты поверхностей и получать их количественные характеристики. Наиболее близким к заявляемой полезной модели, ее прототипом является устройство для контроля качества поверхности изделий, включающее точечный источник излучения оптического диапазона, держатель образцов и экран 3. Свет от точечного источника падает на контролируемую поверхность, отражается от нее и попадает на экран. Наличие дефектов поверхности приводит к локальному изменению угла отражения падающего света, что проявляется в изменении интенсивности освещения соответствующих этим дефектам областей светотеневого изображения контролируемой поверхности на экране. Анализ качества контролируемой поверхности проводят визуально по характеру распределения интенсивности светотеневого изображения, на основании чего судят о наличии тех или иных топографических дефектов. На основании анализа получаемой светотеневой картины путем наблюдения можно определить вид дефектов, их количество, занимаемую площадь, а также получить иную информацию, касающуюся размеров дефектов в плане, т.е. в координатахи . Однако этой информации недостаточно для адекватной оценки качества контролируемой поверхности. Неизмеримо более важным параметром, как показано выше, является размер дефектов в направлении, перпендикулярном плоскости контролируемой поверхности, т.е. вдоль координаты . Прототип технически не обеспечивает проведение такой количественной оценки дефектности контролируемой поверхности. Задачей заявляемой полезной модели является расширение технических возможностей устройства за счет получения количественных характеристик контролируемой поверхности. Поставленная задача решается тем, что устройство для контроля качества поверхности изделий, включающее точечный источник оптического излучения, держатель образцов и экран, дополнительно содержит расположенную между источником излучения и держателем образцов координатную сетку, а также тем, что в качестве координатной сетки используют фотошаблон топологических структур полупроводниковых приборов. Сущность заявляемого технического решения заключается в формировании на контролируемой поверхности светотеневой координатной сетки, искажение изображения которой на экране устройства позволяет точно определить ход отраженных контролируемой поверхностью лучей по теням линий этой сетки, что обеспечивает возможность проведения необходимых измерений и расчетов для получения количественных характеристик наблюдаемых дефектов. 3 54802009.08.30 Дополнение конструкции устройства координатной сеткой позволяет разделить изображение контролируемой поверхности на элементы, размер которых соответствует проецируемому размеру ячейки координатной сетки. На основании полученной зависимости величины отклонения хода лучей на дефектном участке по отношению к идеальной плоскости это позволяет рассчитать координаты , , ивыбранных точек контролируемой поверхности по формулам,(3),(4)1(6)4,21 где- порядковый номер элемента по оси- порядковый номер элемента по оси- текущее значение номера элемента- проецируемый размер ячейки координатной сетки в направлении- проецируемый размер ячейки координатной сетки в направлении- величина смещения изображения -го элемента вдоль направления- величина смещения изображения -го элемента вдоль направления 0 - точка отсчета координаты- расстояние от контролируемой поверхности до экрана. Размер ячейки координатной сеткиивыбирают из условия получения необходимой точности контроля. Уменьшение размера ячейки приводит к увеличению количества измерений и повышению точности контроля. Максимальное значениеисоответствует минимальной точности, служит для быстрой количественной оценки размеров неровностей поверхности и определяется возможностью образования смещения изображения координатной сетки. Заявляемое устройство поясняется фиг. 1-4, где на фиг. 1 приведена оптическая схема устройства, на фиг. 2 приведены светотеневые картины поверхности полупроводниковой пластины, полученные с помощью прототипа (а) и заявляемого устройства (б), на фиг. 3 приведены светотеневые картины поверхности эпитаксиальной структуры, полученные с помощью прототипа (а) и заявляемого устройства (б), на фиг. 4 приведена светотеневая картина выделенного на фиг. 3 б дефектного фрагмента, поясняющая измерение хода отраженных лучей на дефектном участке. Заявляемое устройство (фиг. 1) состоит из точечного источника света 1, координатной сетки 2, держателя образцов 3 и экрана 4. В качестве координатной сетки 2 может быть использован фотошаблон формируемых полупроводниковых структур. Устройство работает следующим образом. Свет от точечного источника 1 проходит через координатную сетку или фотошаблон 2 и освещает контролируемую поверхность 5 (фиг. 1). На контролируемой поверхности формируется светотеневое изображение координатной сетки. Отраженный контролируемой поверхностью свет направляется на экран 4. На нем формируется светотеневое изображение 6 контролируемой поверхности с присущими ей топографическими дефектами и искаженное на топографических дефектах изображение координатной сетки. Изображение линий координатной сетки позволяет точно определить ход отраженных лучей. Измерение смещения хода лучей позволяет рассчитать искомые размеры наблюдаемых дефектов в координатах , , и . Фиг. 2 иллюстрирует изменение характера изображения контролируемой поверхности после проецирования на нее светотени топологической структуры. Искажение изображе 4 54802009.08.30 ния топологической структуры позволяет оценить относительные размеры неровностей поверхности даже без проведения расчетов - с увеличением размеров неровностей величина смещения изображения возрастает. При фиксированных положениях источника света, контролируемой поверхности и экрана возможна оценка относительных размеров неровностей в первом приближении при непосредственном измерении смещения изображения с помощью простых приспособлений, например линейки. На основании изображения, полученного с помощью прототипа, такие измерения и оценки невозможны. Испытания заявляемого устройства проводили следующим образом. В качестве точечного источника света использовали ксеноновую лампу ДКсШ-150,включенную с применением стандартного блока питания 4. В качестве контролируемого изделия использовали полупроводниковую пластину кремния с эпитаксиальным слоем. Пластину устанавливали на держатель образцов таким образом, чтобы отраженный ею свет от точечного источника попадал на экран, выполненный из матовой белой пленки. В качестве координатной сетки использовали фотошаблон одного из слоев полупроводниковой структуры, которую впоследствии планировалось изготовить на этой пластине. Свет от лампы направляли через фотошаблон на контролируемую поверхность, а отраженный пучок - на белый экран. Фотошаблон располагали в непосредственной близости от контролируемой поверхности параллельно ей. Размер светотеневой проекции модуля полупроводниковой структуры (ячейки координатной сетки) составил 5,04,4 мм. Расстояние от источника света до контролируемой поверхности и от контролируемой поверхности до экрана было выбрано равным 1 м. Линии координатной сетки по отношению к наблюдаемым дефектам располагали так, что их смещение на экране было максимальным. Для простоты и удобства сравнения количественный контроль проводили по наиболее простым дефектам - ямкам. Светотеневое изображение исходной пластины (соответствует прототипу), пластины со спроецированным на нее изображением топологической структуры и увеличенное изображение дефектного участка со схемой измерения смещения изображения приведены на фиг. 3 а, б и фиг. 4, соответственно. Результаты измерения смещения изображения и расчета профиля выделенного дефекта по формулам (3) и (5) приведены в таблице. Номер измеряемого элемента 0 1 2 3 4 5(модуля) Координата , мм 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 Величина смещения изображения 0,00 0,38 0,54-0,48 0,00 мкм Прототип получение количественной оценки невозможно Из таблицы видно, что использование заявляемого устройства позволяет получить количественные характеристики наблюдаемых дефектов в виде стандартной зависимости(,) с шагом дискретизации, равным размеру ячейки координатной сетки. Несложно заметить, что аналогичные данные могут быть получены в виде зависимости(, ). При использовании прототипа, как видно из фиг. 3 а, определить ход отраженных лучей невозможно, поэтому количественные характеристики наблюдаемых дефектов не могут быть получены. Таким образом, использование заявляемого устройства в совокупности отличительных признаков позволяет по сравнению с прототипом расширить технические возможности контроля за счет получения количественных характеристик дефектов контролируемой поверхности. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6