Устройство для контроля качества поверхности изделий

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(72) Авторы Емельянов Виктор Андреевич Емельянов Антон Викторович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(57) Устройство для контроля качества поверхности изделий, включающее точечный источник света, держатель образцов изделий и экран, отличающееся тем, что держатель образцов выполнен в виде кольцевой опоры, внутри которой создается разрежение,обеспечивающее изгиб контролируемой поверхности до достижения радиуса ее кривизны 5-25 м.(56) 1. Карбань В.И., Кой П., Рогов В.В., Хофман . и др. Обработка полупроводниковых материалов / Под ред. Новикова Н.В., Бертольди В.- Киев Наукова думка, 1982. - 256 с. 2.О.,.,.,.,Т.,.//.- . 103.- . 1-4..- 1990.- . 456-460 (прототип). 57752009.12.30 Полезная модель относится к области электронной техники, в частности к микроэлектронике, и может быть использована для контроля качества поверхностей полупроводниковых пластин и структур. Полезная модель может быть также использована для контроля качества поверхностей высокого класса обработки в других областях, например оптике,машиностроении и др. Важнейшим показателем качества поверхности полупроводниковых пластин и структур является наличие на ней различных топографических дефектов, т.е. микронеровностей. 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 отражается на самописце. Недостатком указанных устройств является низкая информативность, поскольку устройства позволяют 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. Наиболее близким к заявляемой полезной модели, ее прототипом является устройство для контроля качества поверхности изделий, включающее точечный источник оптического излучения, держатель образцов и отражающий экран 2. 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. По характеру распределения интенсивности отраженного света судят о наличии тех или иных топографических дефектов. Спектр дефектов и несовершенств полупроводниковых пластин и структур довольно широк. Многие дефекты кристаллографической структуры пластин в течение цикла изготовления полупроводниковых приборов влияют на характер технологического воздействия и проявляются в виде микронеровностей поверхности. К таким дефектам относятся свирл-дефекты, линии скольжения и др. Наличие микронеровностей поверхности, обусловленное присутствием этих дефектов, выявляется с помощью устройства-прототипа. Однако существует множество несовершенств, оказывающих существенное влияние на характеристики изготавливаемых приборов, но не выявляемых прототипом в связи с тем,что они не проявляются в виде микронеровностей поверхности, т.е. являются скрытыми. Такие дефекты обусловлены неоднородностью свойств материала полупроводниковой пластины по ее объему и представляют собой, например, области преципитации примесей, повышенных механических напряжений, локальной их анизотропии, неоднородности кристаллографической структуры, механические повреждения, различия в степени шероховатости обратной стороны пластин и др. Влияние таких дефектов не проявляется на микрогеометрических характеристиках рабочей поверхности пластин или структур, поэтому они не могут быть обнаружены с помощью прототипа. Обнаружение таких дефектов связано с использованием дополнительных методов анализа, в частности рентгеновской топографии, селективного травления и др. Это значительно повышает трудовые и материальные затраты на проведение исследований, а ввиду разрушающего характера воздействия на пластины часто является невозможным. Таким образом, недостатком прототипа является техническая невозможность контроля скрытых дефектов, наличие которых не связано с изменением микрогеометрических характеристик контролируемой поверхности. 57752009.12.30 Задачей заявляемой полезной модели является расширение технических возможностей устройства за счет выявления скрытых дефектов. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для контроля качества поверхности изделий, включающем точечный источник света, держатель образцов изделий и экран,держатель образцов выполнен в виде кольцевой опоры, внутри которой создается разрежение, обеспечивающее изгиб контролируемой поверхности до достижения радиуса ее кривизны 5-25 м. Сущность заявляемой конструкции заключается в обеспечении взаимодействия скрытых дефектов с полями упругих напряжений, возникающих в контролируемой пластине или структуре под воздействием разницы давлений в держателе образцов. Использование в заявляемом устройстве держателя образцов в виде кольцевой опоры,внутри которой создается разрежение, обеспечивает возникновение прогиба пластин при равномерной разнице давлений по всей площади контролируемой пластины. Идеальная изотропная пластина, не содержащая скрытых дефектов, под воздействием такой разницы давлений на кольцевой опоре изгибается по сферической поверхности. Изгиб идеальной анизотропной пластины зависит от азимутального распределения модуля Юнга. Так, например, кремниевая пластина с кристаллографической ориентацией поверхности в плоскости (001) изгибается в виде правильной четырехполюсной розетки. Наличие скрытых дефектов приводит к локальному изменению направления действия механических напряжений в пластине и отклонению формы изгиба от правильной поверхности. Фактическая форма изгиба контролируемой поверхности определяется на основании регистрируемой на экране устройства светотеневой картины, которая позволяет судить о наличии тех или иных скрытых дефектов. Разрежение внутри кольцевой опоры, обеспечивающее прогиб пластин под действием атмосферного давления до достижения радиуса кривизны 5-25 м, необходимо для создания условий для взаимодействия полей упругих напряжений со скрытыми дефектами и получения светотеневой картины результата такого взаимодействия. Изгиб пластин до получения радиуса кривизны более 25 м не позволяет получить достаточно контрастную светотеневую картину взаимодействия дефектов с полями напряжений. Изгиб пластин до получения радиуса кривизны менее 5 м опасен возможностью растрескивания пластин в процессе осуществления контроля. Кроме того, значительное уменьшение радиуса кривизны пластины в целом сопровождается также соответствующим уменьшением радиуса кривизны наблюдаемых топографических дефектов. В ряде случаев это приводит к фокусировке их изображения (изображение дефектного участка поверхности превращается в точку) в области между экраном и держателем образцов, что значительно затрудняет идентификацию этих дефектов. Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства, а на фиг. 2-6 приведены светотеневые изображения поверхностей полупроводниковых пластин и структур, полученные с помощью прототипа (а) и заявляемого устройства (б). Заявляемое устройство содержит точечный источник оптического излучения 1, держатель образцов 2, выполненный в виде кольцевой опоры, внутри которой создается разрежение за счет подключения к вакуумной магистрали или насосу откачки, и экран 3. Контролируемую пластину 4 помещают на кольцевую опору 2. Под действием разницы давлений, с рабочей стороны пластины - атмосферного 1,с обратной стороны - давления разрежения Р 2 внутри держателя, пластина прогибается внутрь опоры. Первоначальное положение пластины указано пунктирной линией. Величину прогиба регулируют выбором величины разрежения, которая зависит от толщины пластин. Отраженный контролируемой поверхностью свет направляют на экран 3. На нем возникает светотеневая картина 5, отражающая наличие как типовых топографических дефектов, выявляемых с помощью прототипа, так и дефектов, влияющих на изменение характера прогиба контро 3 да да да да Радиус кривизны,м Выявление типовых дефектов Выявление скрытых дефектов лируемой пластины. За счет этого обеспечивается расширение технических возможностей устройства контроля по видам контролируемых дефектов. Кроме того, изменение величины разрежения в процессе контроля сопровождается соответствующим изменением прогиба пластин, что позволяет более наглядно определить значимость тех или иных дефектов. Как видно из фиг. 1, заявляемая конструкция устройства для контроля качества поверхностей отличается от прототипа принципиально иным держателем образцов, обеспечивающим взаимодействие скрытых дефектов контролируемой пластины с полями упругих напряжений, возникающих в ней под воздействием разницы давлений. Совокупность всех конструктивных элементов устройства позволяет оценить результат такого взаимодействия в виде наблюдаемой светотеневой картины. Таким образом, технические возможности заявляемого устройства по сравнению с прототипом расширяются. Испытания заявляемого устройства проводили следующим образом. В качестве точечного источника оптического излучения использовали ксеноновую лампу сверхвысокого давления ДКсШ-150 с блоком питания, собранным по стандартной схеме. Диаметр кольцевой опоры выбирали примерно на 5 мм меньше диаметра контролируемых пластин. Разрежение внутри кольцевой опоры создавали путем подключения к вакуумной магистрали. Величину разрежения и, соответственно, прогиба контролируемых пластин регулировали с помощью вентиля на вакуумной магистрали. Радиус кривизны рассчитывали на основании измеренной величины прогиба пластин. Экран изготовили из листового металла и оклеили белой матовой непрозрачной пленкой . Устройство смонтировали на столе установки контроля производственной линии Лада. Оценку технических возможностей заявляемого устройства проводили на основании результатов контроля качества полупроводниковых пластин и структур различного диаметра, содержащих различные топографические дефекты. Для этого светотеневые изображения поверхностей пластин и структур, полученные с помощью заявляемого устройства, сравнивали с изображениями, полученными с помощью прототипа. Характер скрытых дефектов определяли с помощью рентгеновской топографии, селективного травления и др. и сравнивали с полученными светотеневыми изображениями. Результаты контроля приведены в таблице. Полученные светотеневые изображения контролируемых пластин приведены на фиг. 2-6. локальная преципитация дефектов и опасность боя связанное с этим искажение изображепластины ния да локальная преципитация дефектов и связанное с этим искажение изображеда ния да малый контраст изображения скрытых дефектов неточное совпадение направления фиг. 2,б да скрайберных дорожек на пластине с кристаллографическими направлениями нет фиг. 2,а да 57752009.12.30 Продолжение таблицы неравномерность толщины пластины 3 Заявляемое 20 да да фиг. 3,б(клин) более 10 мкм 3 Прототип да нет фиг. 3,а отклонения от правильной формы изги 4 Заявляемое 15 да да фиг. 4,б ба незначительны 4 Прототип да нет фиг. 4,а неравномерность вносимых формируе 5 Заявляемое 15 да да мой структурой механических напряжефиг. 5,б ний 5 Прототип да нет фиг. 5,а неравномерная преципитация дефектов 6 Заявляемое 25 да да фиг. 6,б по всей пластине 6 Прототип да нет фиг. 6,а 7 Заявляемое 3 бой пластины вследствие высокого прогиба Из приведенных данных видно, что светотеневые изображения контролируемых поверхностей, полученные с помощью заявляемого устройства, во всех случаях заметно отличаются от изображений, полученных с помощью прототипа. При этом искажение изображения пластины в целом, вызванное ее прогибом, не препятствует наблюдению типовых топографических дефектов, определяемых с помощью прототипа. Для пластины 2 искажение изображения обусловлено преимущественно неточным совпадением направления границ кристаллов и скрайберных дорожек кристаллографическим направлениям 110. В процессе изгиба пластины азимутальное распределение модуля Юнга требует формирования четырехполюсной розетки. Однако распределение напряжений, внесенных сформированной структурой, приводит к осевому смещению формируемого изгиба. Для пластины 3 установлено сильное различие в ее толщине (более 10 мкм). Наиболее тонкая область пластины расположена по середине вдоль диаметра, а две наиболее толстые - по краям. Это облегчило изгиб пластины под действием разницы давлений по поверхности, приближающейся к цилиндрической. Для пластины 4 отклонения от правильной формы изгиба незначительны. С помощью рентгеновской топографии обнаружены лишь напряжения в области фаски пластины в верхнем ее секторе. Это, вероятно, является причиной формирования в этом секторе в результате изгиба трех узловых точек (темные точки, соответствующие выпуклостям поверхности), а не двух, как в остальных секторах. На пластине 5 ориентации (001) сформированы полупроводниковые структуры прямоугольной формы. Суммарная ширина скрайберных дорожек в направлении, перпендикулярном базовому срезу, примерно в полтора раза больше их суммарной ширины в направлении, параллельном ему, что способствует изгибу пластины по цилиндрической поверхности. Кроме того, в верхнем левом секторе пластины обнаружены области рентгеновского поглощения, соответствующие локальной преципитации примесей. Совокупность данных факторов обусловила наблюдаемую форму изгиба. На пластине 6 обнаружены области рентгеновского поглощения, соответствующие локальной преципитации примесей, неоднородно расположенные по всей площади пластины. Таким образом, наблюдаемая форма изгиба пластин под действием разницы давлений обусловлена взаимодействием скрытых дефектов и несовершенств полупроводниковой пластины с возникающими в ней механическими напряжениями. Получаемые с помощью заявляемого устройства светотеневые картины, отражающие фактическую форму изгиба,позволяют судить о наличии и характере таких скрытых дефектов, что свидетельствует о расширении технических возможностей заявляемого устройства по сравнению с прототи 5 57752009.12.30 пом. Оптимальное светотеневое изображение результата взаимодействия дефектов с полями упругих напряжений формируется при обеспечении прогиба пластин до радиуса их кривизны 5-25 м. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7