Устройство для бесконтактного измерения толщины пластин

ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУУСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЬТ ПЛАСТИНреспубликанское унитарное предприятие КБТЭМ-ОМО (ВУ)(72) Авторы Корнелюк Александр Иванович Самохвалов Валерий Константинович Чухлиб Владимир Иванович(73) Патентообладатель Научно-производ ственное республиканское унитарное предприятие КБТЭМ-ОМО (ВУ)Устройство для бесконтактного измерения толщины пластин, выполненное в виде двух идентичных детектирующих головок, подключенных к электронному блоку и расположенных по обе стороны измеряемой пластины, закрепленной в держателе, каждая из которых содержит объектив и источник излучения, оптически связанные системой зеркал с поверхностью измеряемой пластины и с позиционно-чувствительнь 1 м фотоприемником,отличающееся тем, что каждая из детектирующих головок устройства содержит второй объектив и второй источник излучения, оптически связанные системой зеркал с поверхностью измеряемой пластины и с позиционно-чувствительнь 1 м фотоприемником, при этом оптические оси первого и второго объективов лежат в одной плоскости, которая перпендикулярна поверхности измеряемой пластины, и пересекаются друг с другом.3. Борн М., Вольф Э. Основы оптики Перевод с англ. / Под ред. Г.П. Мотулевич. М. Наука, 1970.Полезная Модель относится К измерительной технике И может быть использована для высокоточного бесконтактного измерения толщины полупроводниковых пластин при изготовлении изделий микроэлектроники, а также в производстве разного рода плоских деталей, где возникает необходимость точного бесконтактного измерения толщины.При производстве современных интегральных схем высокие требования предъявляются к воспроизводимости характеристик полупроводниковых пластин. Одним из влияющих факторов является толщина пластин. Это вызывает необходимость контроля толщины пластин и их отбраковку. При этом существенным требованием при контроле толщины является отсутствие повреждений и загрязнений пластин при измерении их толщины. Этим требованиям отвечают бесконтактные методы измерений толщины.Известно устройство измерения толщины полупроводниковых пластин 1, содержащее средство для крепления пластин, источник света, установленный с одной стороны пластины, излучающий свет заданной длины волны, падающий перпендикулярно поверхности пластины, детектор излучения, установленный с другой стороны пластины, предназначенный для получения света, прошедшего через пластину, средство для измерения света, прошедшего через пластину. Изобретение основано на том, что для данного материала и данной длины волны излучения источника света количество света, прошедшего через полупроводниковую пластину, уменьшается с увеличением толщины пластины. Эта зависимость прошедшего излучения от толщины пластины калибруется и используется для измерений толщины. Недостатком устройства является возможность измерения толщины только прозрачных материалов, при этом результаты измерений зависят от вариаЦии поглощающих свойств материала пластины и от длины волны излучения, а также от шероховатости поверхностей измеряемой пластины.Ближайшим прототипом является устройство для измерения толщины пластин, которое по совокупности существенных признаков наиболее близко предлагаемому устройству 2.Прототип содержит источник света измеряемую пластину, закрепленную в специальном держателе две идентичных детектирующих головки, расположенные по обе стороны измеряемой пластины (одна с фронтальной стороны измеряемой пластины, другая - с тыльной стороны этой пластины) электронный блок. Каждая детектирующая головка содержит маску, выполненную в виде набора светлых и темных линий и освещаемую указанным источником света, полупрозрачное зеркало, объектив и детектор изображения(сканирующий фотоприемник, например, ПЗС-матрицу). Полупрозрачное зеркало направляет свет от маски в объектив, который строит изображение этой маски на соответствующей поверхности измеряемой пластины. В обратном ходе лучей этот объектив направляет через полупрозрачное зеркало свет, отраженный поверхностью измеряемой пластины, на детектор изображения, где строит изображение упомянутой маски. Сигнал упомянутого детектора зависит от контраста изображения маски, который, в свою очередь, зависит от положения поверхности пластины относительно фокуса объектива. Объектив установлен на подвижной каретке, привод которой имеет возможность перемещать указанную каретку с объективом вдоль оптической оси объектива перпендикулярно поверхности измеряемой платины для достижения максимального контраста изображения. При этом перемещение каретки контролируется датчиком перемещения, с помощью которого фик 2сируется положение объектива. Положения объективов, при которых достигается максимальный контраст изображения в каждой детектирующей головке, служат для определения толщины пластины (толщина пластины есть разность между этими положениями объективов). Исходные положения объективов определяются по эталону толщины, помещаемому между детектирующими головками. Анализ сигналов детекторов изображения и управление приводами осуществляется электронным блоком устройства.Недостатком известного устройства является сложность конструкции, обусловленная наличием высокоточных механизмов перемещения объективов детектирующих головок, а также зависимость результатов измерений от степени шероховатости поверхностей измеряемой пластины Чем больше шероховатость поверхности, тем ниже точность измерения.Задачей полезной модели является упрощение конструкции и повышение точности измерений толщины при наличии шероховатых поверхностей измеряемых пластин.Поставленная задача достигается тем, что устройство для бесконтактного измерения толщины пластин выполнено в виде двух идентичных детектирующих головок, подключенных к электронному блоку и расположенных по обе стороны измеряемой пластины,закрепленной в держателе, каждая из которых содержит первый объектив, оптически связанный системой зеркал с первым источником излучения, с поверхностью измеряемой пластины и с позиционно-чувствительнь 1 м фотоприемником, и второй объектив, оптически связанный системой зеркал со вторым источником излучения, с поверхностью измеряемой пластины и с позиционно-чувствительнь 1 м фотоприемником, при этом оптические оси первого и второго объективов лежат в одной плоскости, перпендикулярной поверхности измеряемой пластины, и пересекаются друг с другом.Приведенные существенные признаки позволяют достичь поставленной задачи - упрощение конструкции и повышение точности измерений толщины при наличии шероховатых поверхностей измеряемой пластины.Суть полезной модели поясняется чертежом.Устройство содержит две идентичные детектирующие головки 1 и 1, подключенные к электронному блоку 2 и расположенные по обе стороны измеряемой пластины 3, которая закреплена в держателе 4. Каждая детектирующая головка содержит объективы 5 и 6, источники излучения 7 и 8, полупрозрачные зеркала 9 и 10, зеркала 11-14 и позиционночувствительный фотоприемник 15. Зеркала 9-14 обеспечивают оптическую связь объективов 5, 6 и поверхности пластины 3 с позиционно-чувствительнь 1 м фотоприемником 15. Источники излучения 7, 8 и позиционно-чувствительный фотоприемник 15 подключены к электронному блоку 2, который обеспечивает питание источников излучения 7 и 8 и обработку сигналов фотоприемника 15.Источник излучения 7 расположен в фокальной плоскости объектива 5, который формирует параллельный пучок света 16 и через полупрозрачное зеркало 9 направляет его на поверхность измеряемой пластины 3. Этот пучок отражается от пластины 3 и полупрозрачным зеркалом 10 и зеркалами 12, 14 направляется на светочувствительную поверхность позиционно-чувствительного фотоприемника 15. Аналогично, источник излучения 8 расположен в фокальной плоскости объектива 6, который формирует параллельный пучок света 17 и через полупрозрачное зеркало 10 направляет его на поверхность измеряемой пластины 3. Этот пучок отражается от пластины 3 и полупрозрачным зеркалом 9 и зеркалами 11, 13 направляется на светочувствительную поверхность позиционночувствительного фотоприемника 15. В качестве позиционно-чувствительного фотоприемника 15 может быть применена, например, ПЗС-матрица. Оптические оси объективов 5 и 6 направлены наклонно к поверхности пластины 3, лежат в одной плоскости, которая перпендикулярна поверхности пластины 3, и пересекаются друг с другом. При этом отраженные от поверхности пластины 3 пучки света 16 и 17 направляются зеркалами 9-14 на разные участки светочувствительной поверхности фотоприемника 15.Аналогично устроена вторая детектирующая головка 1, расположенная с другой стороны пластины 3.Устройство работает следующим образом.Перед началом работы между детектирующими головками 1 и 1 в держатель 4 помещается эталонная пластина известной толщины Н 0, и Детектирующая головка 1 настраивается так, что пучки света 16 и 17 (и оптические оси объективов 5 и 6) пересекаются друг с другом на поверхности этой пластины. При этом на фотоприемнике 15 приходящие на него пучки света 16 и 17 строят два световых пятна (оптические сигналы), разнесенные на линейке ПЗС-матриць 1 15 на расстояние 150. Аналогично настраивается детектирующая головка 1, в которой световые пятна на соответствующем фотоприемнике 15 разнесены на расстояние 150. Оптические сигналы сканируются фотоприемниками 15 и 15 и преобразуются в электрические сигналы, которые направляются в электронный блок 2 (например, в микропроцессорное устройство). В блоке 2 известными методами осуществляется цифровая обработка этих сигналов, в результате которой определяются и запоминаются расстояния 150 и 150 между центрами оптических сигналов на фотоприемниках 15 и 15. Величины 150 и 150 (а следовательно, и толщина Н 0 эталонной пластины) являются базой,относительно которой производится отсчет толщины измеряемой пластины, размещаемой вместо эталонной в держателе 4. Если толщина измеряемой пластины 3 больше (меньше),чем толщина Н 0 эталонной пластины на величину 11, то расстояния между оптическими сигналами на фотоприемниках 15 и 15 увеличиваются (уменьшаются) на величину А 15 и А 15, соответственно. Из рассмотрения хода лучей в детектирующей головке связь между величинами 11, А 15 и А 15 выражается следующим отношением15 и 15 - измеренные расстояния между оптическими сигналами на фотоприемниках 15 и 15 соответственноос - угол, образованный пучками света 16 и 17 и поверхностью измеряемой пластины.Н Н 011,где знак перед 11 определяется знаком суммы А 15 и А 15.Выбор угла падения пучков ос определяется двумя факторами. Во-первых, как видно из формулы ( 1), чем меньше угол ос, тем выше чувствительность детектирующей головки к изменению толщины пластины. Во-вторых, чем меньше угол ос, тем меньше влияние шероховатости поверхности пластины на интенсивность отраженного света, поступающего на фотоприемники З, в результате чего повышается точность измерений. На основании сказанного предпочтительно выбирать значение угла ос - 4-7.Использование двух оптических каналов в каждой из детектирующих головок позволяет производить измерение толщины пластин без механического перемещения этих головок, что существенно упрощает конструкцию устройства. Кроме того, при надлежащем выборе угла падения пучков света на пластину имеется возможность измерения толщины пластин с шероховатыми поверхностями.Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.