close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY8342

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 8342
(13) C1
(19)
(46) 2006.08.30
(12)
7
(51) H 01L 21/66,
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ
(21) Номер заявки: a 20020843
(22) 2002.10.24
(43) 2004.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук
Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Сенько Сергей Федорович;
Сенько Александр Сергеевич; Зеленин Виктор Алексеевич; Пуглаченко
Елена Георгиевна (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси" (BY)
BY 8342 C1 2006.08.30
G 01B 11/30,
G 01N 21/88
(56) Hahn S. et al. Characterization of mirrorlike wafer surfaces using the magic mirror
method. J. of Crystal Growth. V.103. –
1990. - P.423-432.
BY а20000951, 2002.
RU 2013820 C1, 1994.
SU 1395946 A1, 1988.
SU 1763885 A1, 1992.
SU 1617342 A1, 1990.
JP 04204314 A, 1992.
JP 06241758 A, 1994.
(57)
Способ контроля качества поверхностей изделий, включающий освещение контролируемой поверхности излучением оптического диапазона от точечного источника и анализ
отраженного на специальный экран светотеневого изображения контролируемой поверхности, отличающийся тем, что анализ светотеневого изображения проводят путем измерения его интенсивности в различных точках с последующим расчетом параметров
контролируемой поверхности по формулам:
zi = k J i ;
Rz =
1 N
∑ zi − z ;
N i =1
Фиг. 1
BY 8342 C1 2006.08.30
N
σ=
∑ (z
i =1
− z)
2
i
N
;
1 N
∑ zi ,
N i =1
где zi - параметр, характеризующий локальную кривизну контролируемой поверхности в
точке i;
k - коэффициент пропорциональности;
Ji - интенсивность светотеневого изображения в точке i;
Rz - среднеарифметическое отклонение параметра zi от среднего значения z ;
N - количество точек изображения, по которым проводят анализ;
σ - среднеквадратичное отклонение величины zi от среднего значения z .
z=
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]. Наличие микронеровностей поверхности приводит к смещению положения сканирующей иглы, что фиксируется самописцем. Недостатком указанного метода является
низкая информативность, поскольку, как правило, микрорельеф фиксируется в одном или
двух взаимно перпендикулярных сечениях детали. Сканирование же всей поверхности с
небольшим шагом занимает очень много времени и приводит в негодность контролируемую деталь вследствие привнесенной дефектности, т.е. фактически контроль становится
разрушающим.
Разработанные в последние годы 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 незамеченным. К тому же рентгеновское излучение является источником повышенной опасности [2].
Наиболее близким к изобретению, его прототипом является способ контроля качества
поверхностей изделий, включающий освещение контролируемого объекта коллинеарным
излучением оптического диапазона от точечного источника и анализ (наблюдение) отраженного на белый экран или фотопластинку изображения [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. При наблюдении анализируют характер распределения интенсивности светотеневого
изображения, на основании чего судят о наличии тех или иных топографических дефектов.
2
BY 8342 C1 2006.08.30
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. Однако этой информации недостаточно для количественной оценки качества контролируемой поверхности. Более важным
параметром является размер дефектов в глубину (высоту). Данный способ не позволяет
проводить такую количественную оценку дефектности контролируемой поверхности.
Задачей настоящего изобретения является получение количественных параметров контролируемой поверхности.
Поставленная задача решается тем, что в способе контроля качества поверхностей изделий, включающем освещение контролируемой поверхности излучением оптического
диапазона от точечного источника и анализ отраженного на специальный экран светотеневого изображения контролируемой поверхности, анализ светотеневого изображения
проводят путем измерения его интенсивности в различных точках с последующим расчетом параметров контролируемой поверхности по формулам:
zi = k Ji ;
RZ =
1 N
∑ zi − z ;
N i=1
∑ (z
N
σ=
z=
i =1
i
−z
N
)
2
;
1 N
∑ zi ,
N i=1
где zi - параметр, характеризующий локальную кривизну контролируемой поверхности в
точке i;
k - коэффициент пропорциональности;
Ji - интенсивность светотеневого изображения в точке i;
Rz - среднеарифметическое отклонение параметра zi от среднего значения z ;
N - количество точек изображения, по которым проводят анализ;
σ - среднеквадратичное отклонение величины zi, от среднего значения z .
Сущность заявляемого способа заключается в применении параметра zi, характеризующего локальную кривизну поверхности, в качестве параметра ее микрорельефа.
Микрорельеф контролируемой поверхности можно выразить как изменением высоты
ее микронеровностей вдоль некоторого заданного направления х, что широко используется в различных областях науки и техники, так и функцией zi=f(x) вдоль этого направления.
В первом случае получают прямую оценку микронеровностей контролируемой поверхности, во втором - косвенную. Поскольку размер микронеровностей, как показано ниже, находится в строгой математической связи с их радиусом кривизны и, следовательно, с
функцией zi= f(x), последний параметр также можно использовать для характеристики качества поверхности.
Проанализируем зависимость яркости изображения контролируемой поверхности от
ее микрогеометрических параметров. Свет от точечного источника падает на контролируемую поверхность пластины, отражается от нее и попадает на экран. На экране появляется светотеневое изображение контролируемой поверхности. Размеры изображения в
целом пропорциональны размерам поверхности и зависят от расстояний от точечного источника света до поверхности и от поверхности до экрана. В связи с тем, что любой топографический дефект проявляется как локальная неровность поверхности, их наличие
приводит к локальному изменению угла отражения света по отношению к углу отражения
плоскостью пластины. Это приводит к появлению на экране светотеневых изображений
3
BY 8342 C1 2006.08.30
дефектов в местах, соответствующих этим дефектам. Размеры световых пятен зависят от
размеров дефектов в плане, их яркость - от размеров в глубину (высоту). Чем больше размеры дефектов в плане, тем больше размер соответствующих им светотеневых пятен на
экране. Чем больше глубина (высота) дефектов, тем больше (меньше) яркость изображений. Пропорции изображений дефектов зависят от расстояний от точечного источника
света до поверхности и от поверхности до экрана. Все дефекты поверхности можно рассматривать как комбинации ямок и бугорков различных размеров и форм. Наличие ямки
приводит к фокусировке отраженного света, что на топограмме проявляется в появлении
более светлого, по сравнению со средней освещенностью топограммы, пятна. Наличие бугорка, наоборот, приводит к расфокусировке света, что проявляется в появлении на топограмме темного пятна. Интенсивность освещения любой точки на экране отражает
локальную кривизну контролируемой поверхности в соответствующей точке. Измерение
интенсивности освещения в различных точках светотеневого изображения поверхности
любыми методами позволяет дать количественную оценку ее микрогеометрии. Интенсивность изображения в заданной точке i, как будет показано ниже, является параметром, характеризующим локальную кривизну контролируемой поверхности в этой точке. Поэтому
можно применить известные [1] формулы для получения количественной оценки качества
поверхности:
zi = k Ji ;
RZ =
1 N
∑ zi − z ;
N i=1
∑ (z
N
σ=
z=
i =1
i
−z
N
)
2
;
1 N
∑ zi ,
N i=1
где zi - параметр, характеризующий локальную кривизну контролируемой поверхности в
точке i, k - коэффициент пропорциональности, Ji - интенсивность светотеневого изображения в точке i, Rz - среднеарифметическое отклонение параметра zi от среднего значения
z , N - количество точек изображения, по которым проводится анализ, σ - среднеквадратичное отклонение величины zi от среднего значения z .
Изложенное выше поясняется чертежом и расчетами. На фиг. 1 приведена схема формирования изображения ямки (микрозеркала) с радиусом в плане r1 = ОА, радиусом
кривизны R = O1O2, глубиной d = OO1 и с фокусом в точке F. Экран расположен на расстоянии a = ОС от контролируемой поверхности. На экране ямка видна как светлое пятно с
радиусом r2 = ВС. На пластину падает коллинеарный световой поток с интенсивностью J1.
Интенсивность светлого пятна на экране, сформированного ямкой, равна J2. Величины J1, J2
и а могут быть легко измерены.
Для упрощения рассмотрения влияния геометрических параметров дефектов на яркость
и размеры световых пятен на топограмме сделаем некоторые допущения. Во-первых, пренебрежем поглощением света пластиной, т.е. считаем, что поверхность пластины отражает
100 % падающего света. Во-вторых, рассматриваемые дефекты будем считать комбинациями сферических микрозеркал. И в третьих, на том основании, что размеры дефектов в
плане малы (порядка миллиметра), а радиус кривизны пластины и микрозеркал достаточно
велик (исчисляется в метрах), воспользуемся формулой фокуса сферического зеркала [4]:
R = 2ƒ,
где R - радиус кривизны микрозеркала; ƒ - его фокусное расстояние.
4
BY 8342 C1 2006.08.30
Из подобия треугольников ABB1 и BCF находим, что
AB1 BB1
=
CF
BC
или
a
(r − r )
= 1 2 .
(ƒ − a )
r2
Отсюда
1 + r2
ar1
R
=
= .
ƒ=a
r1 − r2 r1 − r2 2
Принимая во внимание, что
J
r1
= 2
r2
J1
и
r1 = r2
J2
J1
,
получим
R=
2ar1
= 2a
r1 − r2
r2
J2
J1
= 2a
J2
. (*)
J2
J 2 − J1
− r2
r2
J1
Профиль контролируемой поверхности можно оценить исключительно по яркости
изображения. Из предыдущего выражения получаем
J1
2a
= 1−
R
J2
или
R J1
.
R − 2a
Отсюда видно, что яркость изображения дефектов зависит практически только от величины R, поскольку J1 и а являются константами для конкретной конструкции установки
контроля. Поэтому в большинстве случаев для количественной оценки качества поверхности достаточно определить параметр zi, характеризующий локальную кривизну поверхности в точке i как
J2 =
zi = k Ji 2 ,
где k - коэффициент пропорциональности. Параметр zi зависит только от радиуса кривизны контролируемой поверхности в точке i. Величина отклонения параметра zi от среднего
значения z соответствует отклонению микрорельефа по высоте от средней плоскости
контролируемой поверхности.
Преимуществом использования параметра zi является то, что он может быть получен
прямым измерением в любой точке контролируемой поверхности. При этом значительно
повышается скорость обработки полученных результатов, расширяются возможности статистической обработки.
Микронеоднородность поверхности Rz можно в этом случае определить как среднее
арифметическое отклонение параметра zi от среднего значения z [l].
5
BY 8342 C1 2006.08.30
1 N
∑ zi ,
N i=1
1 N
R Z = ∑ zi − z .
N i=1
Другим важным параметром является среднеквадратичное отклонение σ величины zi
от среднего значения z :
z=
2
N
σ=
∑ (z
i =1
i
− z)
.
N
Таким образом, параметры zi, Rz и σ аналогичны параметрам контроля шероховатости,
применяемым в машиностроении, оптике и в др. областях.
Математически связь между предлагаемыми параметрами контроля и высотой микронеровностей можно выразить следующим образом.
Глубину ямки d = OO1 можно определить по формуле:
d = R − R 2 − r12 .
Величину d с учетом выражения (*) можно выразить через интенсивность светового
потока J:
d=
2ar1
4a 2 r12
−
− r12 =
2
r1 − r2
(r1 − r2 )
2a J 2
J 2 − J1
−
4a 2 J 2
( J 2 − J1 )
2
− r22
J2
.
J1
В этом выражении используются только величины, получаемые прямым измерением
параметров изображения на экране. Для плоской поверхности при J1 = J2, r2 = 0 получаем
R = ∞, d = 0, т.е. ямка отсутствует.
Контроль качества поверхностей, согласно предлагаемому способу, проводили следующим образом. В качестве точечного источника света использовали ксеноновую лампу
ДКсШ-150. Свет от лампы направляли на контролируемую поверхность, а отраженный
пучок - на белый экран. Полученное изображение вводили в компьютер и средствами
компьютерной диагностики [5] измеряли яркость изображения в различных точках топограммы. Дискретность измерения составила менее 0,1 мм, что соответствовало разрешению изображения 300 dpi. На фиг. 2 приведены топограммы полупроводниковых пластин
кремния, а в таблице - их количественные характеристики. В частности, на фиг. 2,а приведена топограмма кремниевой пластины, имеющей нарушения поверхности, возникшие
при разделении монокристаллического слитка на пластины, мелкие бугорки и неглубокие
ямки. На фиг. 2,б - топограмма пластины с растравленной поверхностью и большой ямкой.
На фиг. 2,в - топограмма пластины с линиями скольжения, образовавшимися в процессе
наращивания эпитаксиальной пленки. На фиг. 2,г - топограмма пластины с концентрической неоднородностью, вызванной неравномерностью распределения примесей при
выращивании слитка. На фиг. 2,д - топограмма эпитаксиальной структуры кремния со
следами штырьков эпитаксиального реактора. На фиг. 2,е - топограмма практически бездефектной пластины. Топограммы, приведенные на фиг. 2,д и 2,е, свидетельствуют о низкой дефектности контролируемой поверхности, в то время как другие фотографии
свидетельствуют о значительном количестве дефектов. Контроль поверхностей, согласно
предлагаемому способу, дает количественную оценку исследуемых объектов. Поверхности с более низким содержанием дефектов (2,д и 2,е) имеют меньшие значения Rz и σ.
Приведенные данные свидетельствуют о возможности использования предлагаемого
способа для количественного контроля поверхностей.
6
BY 8342 C1 2006.08.30
На фиг. 3,а приведено светотеневое изображение кремниевой пластины диаметром
100 мм со следами траектории режущей кромки алмазного круга при резке слитка, а на
фиг. 3,б - изменение параметра zi в сечении АА той же пластины, рассчитанное с помощью
компьютера. На фиг. 4,а приведено светотеневое изображение кремниевой пластины, а на
фиг. 4,б - результаты компьютерного построения микронеоднородности ее поверхности.
Приведенные данные свидетельствуют о возможности использования предложенных
параметров zi, Rz и σ для количественной оценки качества контролируемых поверхностей.
Разрешающую способность предлагаемого способа можно определить следующим
образом. Допустим, что яркость изображения ямки J2 принимает некоторую промежуточную величину, например, 150 относительных единиц. Расстояние от контролируемой
поверхности до экрана а примем равным 1 м, а радиус ямки в плане r2 - 0,001 м. Предположим, что разница в яркости изображения дефекта составляет величину, соответствующую изменению яркости на 1, т.е. J1 = 149. В этом случае глубина ямки d составит
0,0000000009 м, т.е. 0,9 нм. Другими методами провести аналогичные измерения не представляется возможным.
Количественные характеристики
Топограмма
а
б
в
г
д
е
zi
Rz
13,675
13,735
12,002
9,822
12,472
11,314
0,789
0,852
0,784
0,871
0,581
0,217
σ
0,932
1,018
0,904
0,924
0,611
0,243
Источники информации:
1. Топорец А.С. Оптика шероховатой поверхности. - Л.: Машиностроение. - Ленингр.
отд-ние, 1988. - 191 с.: ил.
2. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 2: Пер. с англ / Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. С.453.
3. Hahn S. et al. Characterization of mirror-like wafer surfaces using magic mirror method.
J. of Crystal Growth, 1990. - V. 103. - No 1-4. - P. 423-432.
4. Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики / Отв. ред. В.К. Тартаковский. - Киев:
Наук. думка, 1989. - С. 864.
5. Сенько А.С, Сенько С.Ф., Зеленин В.А. Компьютерная диагностика топографических дефектов полупроводниковых пластин: Материалы докладов Международной НТК
«Новые технологии изготовления многокристальных модулей». 25 - 29 сентября 2000. Минск - Нарочь: Беларусь. - С. 136.
7
BY 8342 C1 2006.08.30
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 104 Кб
Теги
патент, by8342
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа