Способ контроля качества поверхности изделий

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ(71) Заявители Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси Сенько Сергей Федорович Зеленин Виктор Алексеевич(72) Авторы Сенько Сергей Федорович Зеленин Виктор Алексеевич(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси Сенько Сергей Федорович Зеленин Виктор Алексеевич(57) Способ контроля качества поверхности изделий путем наблюдения на экране изображения поверхности, полученного отражением света от контролируемого изделия, освещенного точечным источником, отличающийся тем, что освещение проводят расходящимся пучком света. 6374 1 Изобретение относится к области электронной техники, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов, жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ), фотошаблонов и другой продукции. Изобретение может быть также использовано для контроля качества поверхностей высокого класса обработки в любых других областях, например оптике, машиностроении и др. Важнейшим показателем качества поверхности является наличие на ней различных топографических дефектов, т.е. микронеровностей. Существуют методы контроля микронеровностей поверхности с помощью профилометров, основанные на контактном сканировании исследуемой поверхности иглой, соединенной с датчиком перемещения этой иглы 1. Изменения микрорельефа поверхности приводят к смещению положения сканирующей иглы, что отражается на самописце. Недостатками указанного метода являются низкая информативность, поскольку способ позволяет 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. Разработанные в последнее время методы рентгеновской топографии для контроля полупроводниковых подложек имеют избирательную чувствительность к микронеровностям поверхности, т.е. позволяют идентифицировать лишь те дефекты, которые создают поля упругих напряжений и/или деформаций и т.п. Такими дефектами являются, например,линии скольжения, сколы и др. В отдельных случаях требуется декорирование дефектов,что приводит в негодность исследуемый объект. Большинство топографических дефектов поверхности, например ямки, бугорки, при контроле методом рентгеновской топографии остается незамеченными. К тому же рентгеновское излучение является источником повышенной опасности 2. Наиболее близким к изобретению, его прототипом является способ контроля качества поверхности изделий путем наблюдения на экране изображения поверхности, полученного отражением света от контролируемого изделия, освещенного коллинеарным излучением от точечного источника. Для получения достаточной степени коллинеарности источник излучения удаляют от контролируемой поверхности на значительную величину, достигающую 4,6 метров и более. В месте наличия топографического дефекта на экране наблюдается изменение интенсивности освещения. По характеру распределения интенсивности отраженного света судят о наличии тех или иных топографических дефектов 3. Рассмотрим подробно процесс формирования изображения по способу-прототипу. Наличие дефекта на контролируемой поверхности приводит к изменению угла отражения света, так как любой топографический дефект является локальной микронеровностью поверхности. Эту микронеровность можно рассматривать как набор сферических микрозеркал (выпуклых в случае бугорков и вогнутых в случае ямок). Поскольку практически все встречающиеся в данном случае дефекты можно рассматривать как комбинации ямок и бугорков различных размеров и форм, ограничимся рассмотрением формирования изображения только этих дефектов. Наличие ямки приводит к фокусировке света к ее середине,что на экране проявляется в виде светлого (по сравнению со средним значением освещенности) пятна. Наличие бугорка, наоборот, приводит к расфокусировке (рассеянию) света,что на экране проявляется в виде темного пятна. Тот факт, что края ямки являются выпуклыми, а края бугорка являются вогнутыми, приводит к образованию ореола вокруг изображения этих дефектов - вокруг светлых пятен образуются темные каемки, а вокруг темных светлые. Изображение бугорков на экране практически не зависит от расстояния экрана до контролируемой поверхности. В любом случае изображение бугорка представляет собой темное пятно со светлой каемкой. От расстояния зависит только размер каемки. Совершенно иная картина при формировании изображения ямок. При наблюдении топограмм по спо 2 6374 1 собу-прототипу использование плоскопараллельного излучения приводит к тому, что вследствие различного фокусного расстояния у различных дефектов не все ямки на контролируемой поверхности хорошо различимы. При контроле по способу-прототипу экран,как видно из описания прототипа, должен располагаться между контролируемой поверхностью и фокусом дефектов. Именно в этом случае способ обеспечивает получение достоверного изображения дефектов. Дефекты с фокусами, расположенными между экраном и контролируемой поверхностью, различимы на такой топограмме слабо или совсем не видны вследствие размазывания их изображения. Если экран находится вблизи фокуса или в фокусе ямки, то происходит смыкание темного ореола вокруг светлого пятна, и ямку можно ошибочно принять за бугорок. А если экран находится на расстоянии двух фокусных расстояний, происходит смешивание ореола и пятна, и ямка при этом не видна совсем. При расстояниях до экрана более двух фокусных расстояний изображение ямки выглядит темным пятном, как и бугорка. Поскольку контролируемые поверхности содержат дефекты со всевозможными фокусными расстояниями, при контроле по способу-прототипу часть дефектов остается незамеченными, а часть идентифицирована неправильно. Идентифицировать изображения сложных дефектов в этом случае очень трудно, поскольку изображение дефекта не соответствует форме самого дефекта. Уменьшение расстояния между экраном и контролируемой поверхностью приводит к снижению контраста изображения дефектов из-за очень малых различий в изменении интенсивности изображения дефектов. Из приведенных рассуждений видно, что причиной неадекватного изображения дефекта на экране является низкая глубина резкости получаемого изображения. В итоге это приводит к грубым ошибкам при контроле. Первопричиной же указанных недостатков является формирование изображения дефектов в режиме действительного фокуса, т.е. таким образом, что фокусы дефектов (ямок) и экран находятся по одну сторону от контролируемой поверхности. Фокусы дефектов при этом расположены перед, на и позади плоскости экрана, т.е. могут быть спроектированы на экран. Изображение дефекта при контроле по способу-прототипу зависит от его фокусного расстояния. Достоверное изображение дефекта достигается здесь только в случае расположения фокуса позади экрана, т.е. более половины дефектов идентифицируются недостоверно. Таким образом, первым недостатком способа-прототипа является низкая глубина резкости изображения. Это значительно снижает достоверность контроля дефектов. При использовании коллинеарного излучения размер светотеневого пятна на экране равен размеру контролируемого объекта. Вследствие большого расстояния от источника света до контролируемой поверхности яркость получаемого изображения очень мала. Его можно наблюдать только в темном помещении. При контроле объектов небольших размеров, какими являются, например, подложки из полупроводниковых материалов диаметром от 20 до 200 мм, это сильно затрудняет наблюдение картины дефектов. Для повышения яркости можно использовать источник света большей мощности. Однако более мощные источники освещения имеют больший размер светящейся точки, что приводит к снижению разрешающей способности способа из-за размывания картины дефектов, и поэтому их использование является нежелательным. Применение коллиматора (собирающей линзы или вогнутого зеркала) для получения плоскопараллельного излучения положительного эффекта не дает, потому что приводит к увеличению эффективного размера светящейся точки, что равносильно увеличению мощности источника света и также снижает разрешающую способность метода. Таким образом, вторым недостатком прототипа является низкое качество изображения из-за его небольших размеров, низкого уровня освещенности и низкой разрешающей способности. Это также существенно снижает достоверность контроля. Задачей настоящего изобретения является повышение достоверности контроля за счет увеличения разрешающей способности, глубины резкости, размеров и яркости изображения. 3 6374 1 Поставленная задача решается тем, что в способе контроля качества поверхности изделий путем наблюдения на экране изображения поверхности, полученного отражением света от контролируемого изделия, освещенного точечным источником, освещение проводят расходящимся пучком света. Сущность заявляемого способа заключается в формировании изображения контролируемой поверхности в режиме мнимого фокуса. Фокусы дефектов при этом расположены позади контролируемой поверхности и не могут бытьспроектированы на экран. Это приводит к независимости изображения дефекта от его фокусного расстояния. Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена схема образования изображения ямки по способу-прототипу и диаграммы распределения интенсивности изображения в зависимости от положения экрана. На фиг. 2 приведена схема образования изображения бугорка по способу-прототипу и диаграммы распределения интенсивности изображения в зависимости от положения экрана. На фиг. 3 приведена схема образования изображения ямки по предлагаемому способу и диаграмма распределения интенсивности изображения в зависимости от положения экрана. На фиг. 4 приведены примеры полученных топограмм. Во избежание загромождения чертежей на них приведен только ход отраженных лучей. На чертежах приняты следующие обозначения- фокусное расстояние ямки 2 - двойное фокусное расстояние ямки Р 1-Р 5 - одно из пяти возможных положений экрана 1 - область повышенной интенсивности светотеневого пятна на изображении дефекта 2 - область исходной интенсивности светотеневого пятна на изображении дефекта 3 - область тени светотеневого пятна на изображении дефекта 4 - область пониженной интенсивности светотеневого пятна на изображении дефекта 1 - диаграмма изображения ямки с фокусом, расположенным после экрана 2 - диаграмма изображения ямки с фокусом, расположенным на экране 3 - диаграмма изображения ямки с фокусом, расположенным до экрана 4 - диаграмма изображения ямки в случае, когда экран расположен на расстоянии двух фокусных расстояний дефекта 5 - диаграмма изображения ямки в случае, когда экран расположен на расстоянии более двух фокусных расстояний дефекта- границы дефекта. Рассмотрим процесс формирования изображения дефектов согласно предлагаемому способу (фиг. 3). Формирование изображения бугорков в данном случае не имеет существенных отличий от прототипа, т.к. фокус бугорков в обоих случаях является мнимым. Бугорок на экране выглядит также темным пятном со светлой каемкой. Поэтому ограничимся рассмотрением формирования изображения ямок. При падении расходящегося пучка света от точечного источника на контролируемую поверхность отраженный пучок также является расходящимся. Наличие ямки на контролируемой поверхности приводит к концентрации света к центру ямки с образованием светлого пятна в середине и темного ореола вокруг пятна. Однако в связи с тем, что пучок является расходящимся, отраженный от ямки свет не фокусируется в точку, а лишь концентрируется в пучок, соответствующий по размеру размерам ямки. Изображение дефекта при этом, как видно из диаграммы, аналогично изображению при использовании способа-прототипа, т.е. ямка выглядит светлым пятном с темным ореолом. Но отраженный от ямки пучок, хотя и сконцентрирован к центру, является расходящимся, но в меньшей степени, чем первичное излучение, поэтому фокусэтого пучка находится с обратной стороны контролируемой поверхности и является мнимым. При контроле же по способу-прототипу фокус от дефекта является действительным и располагается перед контролируемой поверхностью. Таким образом, заявляемый способ контроля осуществляется в режиме мнимого фокуса. Отсутствие действительного фокуса контролируемых дефектов позволяет получать качественное изображение дефекта незави 4 6374 1 симо от его фокусного расстояния при любых расстояниях от контролируемой поверхности до экрана. Оно может составлять величину от нескольких сантиметров до десятков метров, т.е. глубина резкости изображения значительно возрастает. Изображение дефектов не изменяется, как это имеет место при использовании способа-прототипа. Из фиг. 3 видно, что расположение экрана от Р 1 до Р 5 не влияет на форму изображения дефектов. И в той, и в другой плоскости изображение дефекта выглядит одинаково. Различие только в размерах, т.к. предлагаемый способ предполагает получение увеличенного изображения контролируемой поверхности. Естественно, что проведение контроля при расстояниях в несколько десятков метров от контролируемого образца до экрана вряд ли является целесообразным, тем не менее это является подтверждением высокой глубины резкости изображения при контроле согласно предлагаемому способу. Изображение бугорков на экране также не подвержено изменениям в зависимости от расстояния между контролируемой поверхностью и экраном. Размер их изображения прямо пропорционален размеру изображения всей контролируемой поверхности. Использование расходящегося пучка света позволяет значительно сократить расстояние от источника света до контролируемого объекта. Если в случае прототипа это расстояние составляет не менее нескольких метров, то согласно предлагаемому способу контроль можно осуществлять при расстояниях от нескольких сантиметров и более. Это позволяет использовать маломощные источники света, имеющие маленький размер светящейся точки. Дополнительно это позволяет использовать рассеивающие объективы, которые уменьшают эффективный размер светящейся точки, повышая тем самым чувствительность способа к более мелким дефектам. Небольшое расстояние от источника света до контролируемого объекта позволяет также получать яркое и увеличенное за счет расхождения пучка изображение. Это, в свою очередь, позволяет легко и быстро осуществлять идентификацию дефектов, что очень важно при большом объеме контроля в условиях серийного производства. Необходимо также отметить, что значительное уменьшение расстояний от источника света до контролируемой поверхности и от контролируемой поверхности до экрана позволяет изготовить компактные устройства для осуществления способа, которые хорошо согласуются с серийным оборудованием для изготовления полупроводниковых приборов. Таким образом, использование расходящегося пучка света от точечного источника позволяет а) повысить глубину резкости изображения за счет наблюдения топограмм в режиме мнимого фокуса б) повысить яркость и размер изображения за счет уменьшения расстояния от источника света до контролируемого объекта в) повысить разрешающую способность способа за счет использования источников света с малым размером светящейся области. В итоге улучшение указанных параметров контроля обеспечивает повышение достоверности контроля дефектности поверхности. Контроль поверхности по предлагаемому способу проводили следующим образом. В качестве точечного источника оптического излучения использовали ксеноновую лампу сверхвысокого давления ДКсШ-150 с блоком питания, собранным по стандартной схеме. Для получения расходящегося пучка света использовали объектив, содержащий рассеивающую оптическую систему. Экран выполнен из листового металла и оклеен специальной белой матовой непрозрачной пленкой . Устройство контроля было смонтировано на столе стандартной установки контроля промышленной линии Лада,используемой для контроля качества полупроводниковых пластин кремния. В качестве прототипа использовали тот же источник света без оптической системы, помещенный в отдельную темную комнату. В качестве объекта контроля использовали полупроводниковые пластины кремния. Всего было проконтролировано 237 пластин. Для удобства и наглядности представлены результаты контроля только по простым дефектам - ямкам и бугоркам. Результаты контроля приведены в таблице. 5 6374 1 Таблица Предлагаемый способ Прототип Контролируе- Выявлено пластин Выявлено пластин Выявлено дефектов Выявлено дефектов мый тип с данным с данным данного вида, шт. данного вида, шт. дефектов дефектом, шт. дефектом, шт. Ямки 165 318 103 152 Бугорки 6 6 17 19 Из приведенных данных видно, что предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет выявить все присутствующие на пластинах ямки, правильно идентифицировать бугорки. Так, при контроле по способу прототипу более половины ямок (166 шт.) не были обнаружены, а несколько ямок были неверно идентифицированы и приняты за бугорки,что связано с неправильной фокусировкой изображения. На фиг. 4 представлены фотографии изображений, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу для одних и тех же пластин. Фотографии приведены к одному и тому же размеру для наглядности. Из приведенных фотографий видно, что предлагаемый способ позволяет по сравнению с прототипом повысить резкость изображения отдельных дефектов и обнаружить дополнительные ямки (показаны стрелками). Источники информации 1. Обработка полупроводниковых материалов / Карбань В.И., Кой П., Рогов В.В., Хофман . и др. Под ред. Новикова Н.В., Бертольди В. - Киев Наукова думка, 1982. - С. 256. 2. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии Пер. с англ. -М. Мир,1984. - С. 475. 3.О.,.,.,.,Т.,.//.103, . 1-4.(1990). - Р. 456-460 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.