Устройство интерференционного контроля геометрических параметров полупроводниковых пластин

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН(71) Заявитель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие КБТЭМ-ОМО(72) Авторы Колесников Вячеслав Михайлович Матюшков Владимир Егорович Самохвалов Валерий Константинович Стецик Виктор Михайлович Чухлиб Владимир Иванович(73) Патентообладатель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие КБТЭМ-ОМО(57) Устройство интерференционного контроля геометрических параметров полупроводниковых пластин, содержащее полупроводниковый инжекционный лазер, подключенный к источнику тока накачки, четвертьволновую пластину, первый объектив для освещения в параллельном ходе лучей контролируемого объекта, располагаемого перпендикулярно оптической оси первого объектива, анализатор, второй объектив для формирования интерференционной картины, многоэлементный фотоэлектрический преобразователь, установленный за вторым объективом в плоскости локализации интерференционной картины и подключенный выходом к микропроцессорному устройству, отличающееся тем, что источник тока накачки лазера выполнен программно-управляемым и подключен входом к выходу микропроцессорного устройства, при этом лазер установлен с возможностью направления одной части потока излучения через четвертьволновую пластину в первый объектив, а другой части потока излучения через анализатор во второй объектив, причем излучающая площадка лазера расположена одновременно в фокальных плоскостях первого и второго объективов.(56) Оптический производственный контроль / Под ред. Д. Малакары. - Москва Машиностроение, 1985. - С. 330-335.2124701 1, 1999.2148793 1, 2000.1409863 1, 1988.4332477 , 1982.5488478 , 1996.19541312 1, 1996. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности полупроводниковых пластин при изготовлении изделий микроэлектроники, а также в оптическом производстве при аттестационном контроле плоских поверхностей прецизионных оптических деталей. При производстве современных интегральных схем высокие требования предъявляются к плоскостности полупроводниковых пластин. В то же время отношение толщины пластины к ее диаметру значительно меньше, чем принято при изготовлении прецизионных оптических поверхностей. Поэтому на пластине, как правило, существуют локальные нарушения плоскостности, которые приводят к браку продукции (выпускаемых микросхем). Это вызывает необходимость выходного контроля плоскостности пластин и их отбраковку. Известно устройство измерения геометрических параметров поверхности полупроводниковых пластин (а. с. 1409863, МПК 01 В 11/24, 1988), содержащее лазер, последовательно расположенные по ходу излучения систему зеркал, два однокоординатных сканатора, выполненных в виде прозрачных многогранников, систему линз, контролируемую пластину и координатно-чувствительные фотоприемники. Недостатком известного устройства является сложность конструкции, обусловленная наличием двух прозрачных многогранников, осуществляющих механическую развертку лазерного пучка, освещающего контролируемый образец. Другим недостатком является невысокая производительность контроля, обусловленная невысокой скоростью механической развертки лазерного луча, а также последовательным (поточечным) съемом информации с поверхности пластины. Ближайшим прототипом является сканирующий интерферометр Тваймана-Грина для контроля оптических поверхностей, который по совокупности существенных признаков наиболее близок предлагаемому устройству (см. Оптический производственный контроль(под ред. Д. Макалары Пер. с англ. Б.В. Мазуровой и др. Под ред. А.Н. Соснова. - М. Машиностроение, 1985. - С. 330-335). Прототип содержит последовательно установленные лазер с источником тока накачки,первый объектив, светоделитель, оптически связанные со светоделителем и последовательно установленные четвертьволновую пластину и эталонное зеркало с механизмом перемещения, а также оптически связанные со светоделителем и последовательно установленные анализатор, второй объектив, формирующий на выходе интерференционную картину, и многоэлементный фотоэлектрический преобразователь. С помощью первого объектива формируют параллельный пучок излучения лазера, который светоделителем расщепляют на референтный и измерительный пучки. Измерительным пучком освещают контролируемую поверхность, а референтным - эталонное зеркало. В обратном ходе волновые фронты указанных пучков поступают во второй объектив, на выходе которого образуют интерференционную картину, форма которой определяется профилем контролируемой поверхности. Для получения значений высоты профиля контролируемой поверхности применяют метод синхронного детектирования, используя модуляцию фазы интерференционной кар 2 5616 1 тины. С этой целью эталонное зеркало перемещают с помощью механизма перемещения так, что эффективное значение длины пути референтного волнового фронта дискретно изменяется на величину(-1)/2, что приводит к изменению фазы интерференционных полос на величину 4/2(-1)/, где 1, 2- число отсчетов (выборок) в пределах периода интерференционной полосы. С помощью многоэлементного фотоэлектрического преобразователя, расположенного в плоскости локализации интерференционной картины, одновременно осуществляют многоканальное фотоэлектрическое преобразование распределения интенсивности по полю полученной интерференционной картины в электрические сигналы. Такое преобразование выполняют для каждого значения . Массивы полученных значений сигналов фотоэлектрического преобразователя запоминают и обрабатывают известными средствами(например, с помощью микропроцессорных устройств или ЭВМ), вычисляя при этом высоту профиля контролируемой поверхности в каждой точке контролируемой поверхности. Недостатком известного устройства является сложность конструкции, обусловленная наличием высокоточного эталонного зеркала и механизма, перемещающего это зеркало с субмикронной точностью. Задачей изобретения является упрощение конструкции устройства измерения геометрических параметров поверхности полупроводниковых пластин. Поставленная задача достигается тем, что устройство интерференционного контроля геометрических параметров полупроводниковых пластин содержит полупроводниковый инжекционный лазер, подключенный к источнику тока накачки, четвертьволновую пластину, первый объектив для освещения в параллельном ходе лучей контролируемого объекта,располагаемого перпендикулярно оптической оси первого объектива, анализатор, второй объектив для формирования интерференционной картины, многоэлементный фотоэлектрический преобразователь, установленный за вторым объективом в плоскости локализации интерференционной картины и подключенный выходом к микропроцессорному устройству,источник тока накачки выполнен программно-управляемым и подключен входом к выходу микропроцессорного устройства, лазер установлен с возможностью направления одной части потока излучения через четвертьволновую пластину в первый объектив, а другой части потока излучения через анализатор во второй объектив, излучающая площадка лазера расположена одновременно в фокальных плоскостях первого и второго объективов. Приведенные существенные признаки позволяют достичь поставленную задачу - упрощение конструкции устройства Суть изобретения поясняется чертежом, где изображена оптическая схема предложенного устройства. Устройство содержит инжекционный полупроводниковый лазер 1 с широкой диаграммой направленности излучения, подключенный к источнику тока накачки 2, четвертьволновую пластину 3, первый объектив 4 для освещения в параллельном ходе лучей контролируемого объекта 11, расположенного перпендикулярно оптической оси первого объектива 4, анализатор 5, второй объектив 6 для формирования интерференционной картины, многоэлементный фотоэлектрический преобразователь 7, установленный за вторым объективом 6 в плоскости локализации интерференционной картины и подключенный выходом к микропроцессорному устройству 8 (в частности, ЭВМ). Источник тока накачки 2 лазера 1 выполнен программно-управляемым и подключен входом к выходу микропроцессорного устройства 8. Лазер 1 установлен с возможностью направления одной части потока излучения через четвертьволновую пластину 3 в первый объектив 4, а другой части потока излучения через анализатор 5 во второй объектив 6, причем площадка лазера 1 расположена одновременно в фокальных плоскостях первого объектива 4 и второго объектива 6. Программно-управляемый источник тока накачки 2 может быть реализован различным образом. Показанный на чертеже один из возможных вариантов реализации включает в себя управляемый напряжением генератор тока 9, выход которого является выходом источника тока накачки 2 и подключен к лазеру 1, а вход подключен к выходу 3 5616 1 цифроаналогового преобразователя 10, вход которого является входом источника тока накачки 2 и подключен к выходу микропроцессорного устройства 8. Устройство работает следующим образом. Расходящийся измерительный пучок с выхода лазера 1, пройдя четвертьволновую пластину 3, поступает в первый объектив 4 и преобразуется им в измерительный пучок с параллельным ходом лучей, который освещает контролируемую поверхность пластины 11, закрепленной на держателе 12, плоскость которого выставлена перпендикулярно оптической оси первого объектива 4. Отраженный от пластины 11 пучок излучения в обратном ходе проходит первый объектив 4 и четвертьволновую пластину 3, фокусируется на излучающей площадке лазера 1 и отражается от нее. При этом плоскость поляризации измерительного пучка в результате прохождения им четвертьволновой пластины 3 в прямом и обратном направлении поворачивается на 90 относительно плоскости поляризации референтного пучка. На пути от излучающей площадки лазера 1 до поверхности контролируемой пластины 11 и обратно каждый луч измерительного пучка, отраженный от точки с координатами (, ) контролируемой пластины 11, приобретает набег фазы (, ), равный(, у)4-(,)/,где- длина волны излучения лазера 1- расстояние от излучающей площадки лазера 1 до плоскости держателя 12 пластины 11(, у) - расстояние от плоскости держателя 12 до точки с координатами (, у) на поверхности пластины 11. Это выражение представляет разность фаз между соответствующими лучами референтного пучка и измерительного пучка, отраженного от поверхности контролируемой поверхности пластины 11, и определяет форму интерференционной картины в плоскости ее локализации и, следовательно, геометрические параметры пластины 11. Референтный пучок с выхода лазера 1 и отраженный от излучающей площадки лазера 1 измерительный пучок поступают на анализатор 5, который регулирует интенсивность этих пучков. После анализатора 5 указанные пучки поступают во второй объектив 6 и образуют на его выходе интерференционную картину. Регулировка интенсивности пучков с помощью анализатора 5 обеспечивает максимальный контраст образованной интерференционной картины. Интенсивность интерференционной картины преобразуется многоэлементным преобразователем 7 (в качестве которого может служить, например, матрица приборов с зарядовой связью) в электрические сигналы, пропорциональные интенсивности интерференционной картины в данной точке преобразования. Электрические сигналы с выхода фотоэлектрического преобразователя 7 поступают на вход микропроцессорного устройства 8. С выхода микропроцессорного устройства 8 на источник тока накачки 2 подаются по заданной программе последовательно во времени коды, изменяющие выходное напряжение его цифроаналогового преобразователя 10, которое вызывает соответствующее изменение тока источника тока 9. При этом изменение тока накачки на величинувызывает пропорциональное изменение частоты излучения лазера 1 на величинуи, следовательно, соответствующее ему изменение длины волны излучения на величину . При изменении длины волны излучения на величинунабег фазы измерительного волнового фронта, отраженного от точки (, у) поверхности пластины 11, приобретает дополнительное приращение Расстояниевыбрано таким, что (, у), поэтому с высокой точностью выполняется равенство ф 4 т.е. набег фазы является общим для всего измерительного волнового фронта и не зависит от профиля поверхности пластины 11. 4 5616 1 Подаваемые на вход цифроаналогового преобразователя 10 коды с выхода микропроцессорного устройства 8 запрограммированы так, что изменения тока накачки лазера 1 вызываютприращений фазы ф равномерно на периоде изменения фазы 2 радиан, т.е. ф 2(-1)/ ,где 1, 2 В результате распределение интенсивности интерференционной картины для каждого приращения фазы ф описывается уравнением где Е 0(, у) - среднее значение интенсивности в точке (, у)(, у) - амплитудное значение интенсивности в точке (, у) ф 04/ - начальная фаза,- пространственные частоты интерференционных полос- среднее значение длины волны излучения лазера 1, соответствующее среднему значению тока накачки. С помощью многоэлементного фотоэлектрического преобразователя 7 одновременно осуществляется многоканальное фотоэлектрическое преобразование распределения интенсивности по полю полученной интерференционной картины в электрические сигналы. Координаты точек, в которых осуществляется преобразование интенсивности интерференционной картины в электрические сигналы и которые соответствуют точкам (, у) на поверхности пластины 11, определяются положением светочувствительных элементов матрицы фотоэлектрического преобразователя 7 относительно интерференционной картины в плоскости преобразования и соотношением фокусных расстояний первого объектива 4 и второго объектива 6. Такое преобразование выполняют для каждого значения ф. Массивы полученных значений сигналов фотоэлектрического преобразователя 7 поступают в микропроцессорное устройство 8, где запоминаются и затем используются для вычисления расстояния от плоскости держателя 12 до точки с координатами (, у) на поверхности контролируемой пластины 11 по формуле Результаты вычислений используются затем для определения геометрических параметров контролируемой пластины (клина, локальных и глобальных отклонений от плоскости поверхности контролируемой пластины 11 и т.п.). Использование источника излучения с широкой диаграммой направленности излучения в предлагаемом устройстве позволяет исключить оптический компонент (светоделитель) для разделения излучения на измерительный и референтный пучки и исключить необходимость использования эталонного зеркала. Изменение фазы измерительного пучка с помощью изменения тока накачки лазера позволяет устранить прецизионный механизм перемещения для модуляции фазы интерференционных полос. Таким образом, отсутствие указанных выше компонентов позволяет существенно упростить конструкцию устройства. Источники информации 1. А.с. 1409863, МПК 01 В 11/24, 1988. 2. Оптический производственный контроль / Под ред. Д. Макалары Пер. с англ. Б.В. Мазуровой и др. Под ред. А.Н. Соснова. - М. Машиностроение, 1985. - С. 330-335 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.