Устройство радиометрического дифференциального измерения толщины

 

Изобретение относится к радиометрическим методам измерения толщины и может быть использовано в микроэлектронике и приборостроении. Цель изобретения - повышение точности за счет обеспечения одновременного измерения интенсивности как для неослабленного излучения, так и излучения, прошедшего через образец, одним и тем же координатно-чувствительным детектором (КЧД). В устройстве в качестве коллиматора используется мультиколлиматор 3 с множеством параллельных каналов, блок 10 выделения сигналов содержит пороговый дискриминатор 12, блок 16 сравнения , селектор 13 верхнего уровня, блок 14 выделения максимального сигнала, блоки 17, 18 АЦП. Обработка измерительной информации производится блоком, включающим два запоминающих устройства 20, 21, вычислительный блок 23, центральный процессор 22 и устройство 24 вывода информации . 3 ил. W Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) ((!) (я)э G 01 В 15/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4808159/28 (22) 03.04.90 (46) 30.03.92. Бюл. М 12 е (71) Научно-производственное объединение

"Электрон" (72) К:). С. Сергеев, М. И. Фрид, В. В. Эссен, В. С. Парнасов, О. Б. Баженова и В. А. Шулятьев (53) 531.717(088.8) (56) Фрид М. И„Беляцкий А. В., Мигуньков

О. А. Радиометрический контроль толщины меньшей кремниконов и суперкремниконов. — Электронная техника, Сер. Управление качеством, стандар .изация, метрология, испытания. M.: ЦНИИЭлектроника, 1 985, вып. 2(113), с. 43 — 46.

Румянцев С. В. Штань А. С., Гольцев В.

А. Справочник по радиационным методам нераэрушающего контроля Под ред. С. В.

Румянцева. — М,: Энергоиздат, 1982, с. 198, (54) УСТРОЙСТВО РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ

ТОЛЩИНЫ (57) Изобретение относится к радиометрическим методам измерения толщины и может быть использовано в микроэлектронике и приборостроении. Цель изобретения — повышение точности за счет обеспечения одновременного измерения интенсивности как для неослабленного излучения, так и излучения, прошедшего через образец. одним и тем же координатно-чувствительным детектором (КЧД). В устройстве в качестве коллиматора используется мультиколлиматор 3 с множеством параллельных каналов, блок 10 выделения сигналов содержит пороговый дискриминатор 12, блок 16 сравнения, селектор 13 верхнего уровня, блок 14 выделения максимального сигнала, блоки

17, 18 АЦП. Обработка измерительной информации производится блоком, включающим два запоминающих устройства 20, 21, вычислительный блок 23, центральный процессор 22 и устройство 24 вывода информации. 3 ил.

1723435

I чx

dx = — — 1п

Э

Р No

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к радиометрическим методам контроля толщины объектов, и может быть использовано для контроля толщины фольги, тонких пленок и покрытий в различных отраслях промышленности.

Известно устройство для радиометрического измерения толщины кремниевых мембран, содержащее источник излучения, точечный коллиматор, приемник излучения с блоком питания и управления, таймер, блок выделения сигналов, включающий пороговый дискриминатор и блок обработки информации. Измеряемая мембрана расположена между коллиматором и приемником излучения. Толщину мембраны в области поверхности, определяемой размерами коллиматора, рассчитывают по формуле где d< — толщина образца; ,и- линейный коэффициент ослабления излучения в материале мембраны;

Их — интенсивность прошедшего излучения

N0 — интенсивность неослабленного излучения, измеряемая до и после измерения объекта и записанная в ЗУ управляющей микроЭ BM.

В формуле предполагается одинаковая эффективность регистрации приемником как ослабленного, так и неослабленного излучения.

Недостатками описанного устройства являются низкая точность, так как измерение интенсивности неослабленного излучения не может проводиться одновременно с измерением излучения, прошедшего через объект контроля; низкая производительность, так как толщину разных участков поверхности мембраны измеряют последовательно и обработку результатов проводят в режиме реального времени.

Наиболее близким по технической сущ. ности к описываемому(выбрано в качестве прототипа) является дифференциальное устройство для радиометрических измерений.

Стандартное устройство дифференциального радиометрического измерения содержит два. коллиматора, расположенных по разные стороны от источника излучения.

Один из коллиматоров расположен между источником излучения и измеряемым объектом, другой — между источником излучения и входным окном одного иэ двух приемников излучения. Оба приемника одновременно измеряют как неослабленное излучение, 5

40 так и излучение, прошедшее контролируемый объект.

Устройство содержит блок питания и управления приемниками излучения, таймер для определения времени накопления сигнала, включающие пороговые дискриминаторы, а также блок обработки информации, в котором проводится сравнение интенсивностей излучения, зарегистрированных одновременно двумя приемниками, и вычисление по формуле (1) толщины объекта на участке поверхности, определяемом размерами обращенного к нему коллиматора.

Однако сам принцип стандартного дифференциального измерения содержит физическое противоречие — при повышении точности на этапе обработки сигналов точность теряется из-за наличия двух приемников излучения, отличающихся по исходной чувствительности и стабильности.

Другим недостатком является ограничение в выборе источника излучения, который должен обеспечивать одинаковый поток излучения на оба приемника, расположенных по разные стороны источника, Это требование невозможно реализовать технически для широко применяемых радионуклидных источников.

Цель изобретения — повышение точности измерений — достигается тем, что в известном устройстве дифференциального измерения толщины в качестве приемника используется координатно-чувствительный детектор (КЧД), в качестве коллиматорамультиколлиматор с множеством параллельных каналов, причем каждый из каналов расположен соосно с приемными элементами координатно-чувствительного детектора, блок выделения сигналов содержит блока сравнения и первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также последовательно включенные пороговый дискриминатор, вход которого подключен к выходу предусилителя, а второй выход — к первому входу блока сравнения, селектор верхнего уровня, второй выход которого подключен к второму входу блока сравнения, блок выделения максимального сигнала, масштабирующий усилитель и второй

АЦП, выход которого соединен с первым входом блока обработки информации, а выход блока сравнения через первый АЦП соединен с вторым входом блока обработки информации, блок обработки информации содержит два запоминающих устройства, центральный процессор и вычислительный блок, входы и выходы которого соединены с центральным процессором, третья пара вход-выход центрального процессора подключена к внешнему устройству вывода ин1723435

35 присоединен непосредственно к блоку 10 выделения сигналов.

Блок 10 выделения сигналов содержит .предварительный усилитель 11, пороговый дискриминатор 12, селектор 13 верхнего

40 уровня; к выходу селектора верхнего уровня параллельно подключены блок 14 выделения максимального сигнала, соединенный с масштабирующим усилителем 15, и блок 16 сравнения. Вход блока 16 сравнения также соединен с выходом порогового детектора

12. Выходы масштабирующего усилителя 15 и блока 16 сравнения через два блока — АЦП

17 и 18 соединены с блоком 19 обработки информации.

Блок 19 обработки информации содер- 50 жит два запоминающих устройства 21 и 22, соединенных с центральным процессором

22, а также вычислительный блок 23 и устройство 24 вывода информации. Блок 19 обработки обменивается информацией с блоком управления установкой.

Устройство функционирует следующим образом.

Контролируемый объект в держателе 5 устанавливают в промежуток между систе55 формации, четвертая пара вход-выход центрального процессора присоединена к блоку управления устройством, выходы которого подключены к координатно-чувствительному детектору и входу блока пита- 5 ния. выход которого также присоединен к входу координатно-чувствительного детектора.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства радиометрического 10 дифференциального измерения толщины и блок-схема основных электронных блоков; на фиг. 2 — осциллограммы импульсов на разных стадиях обработки сигналов; на фиг.

3 — принципиальная схема органиэации 15 внутренней структуры и переноса сигналов в детекторе излучения на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС).

В основании 1 расположен источник 2 излучения, по одну сторону от него — муль- 20 тиколлиматор 3 в виде системы коллимационных отверстий. Контролируемая мембрана 4 размещена в держателе 5, в центре которого сделано отверстие, ограничивающее рабочее поле мембраны. Держа- 25 тель с мембраной установлен так, чтобы, по крайней мере, один коллиматор не был перекрыт объектом. Соссно с коллимационными отверстиями ориентированы приемные элементы 6 координатно-чувствительного 30 детектора 7.

Вход КЧД 7 присоединен к блоку питания (например, синхрогенератору) 8 и блоку

9 управления устройством. Выход КЧД 7 мой коллиматоров 3 и входным окном 6 КЧД

7 так, чтобы часть коллиматоров не была перекрыта, По сигналу "Пуск" запускается встроенный таймер блока 9 управления и разблокируется выход блока 8 питания (синхрогенератора). Вследствие этого на

КЧД 7 подаются импульсы напряжения питания и в детекторе начинается процесс накопления сигнала. При этом приемник регистрирует излучение, ослабленное материалом объекта в точках контроля, задаваемых пространственным расположением коллиматоров, а также неослабленное излучение (пренебрегая поглощением в воздушном зазоре), которое попадает на приемные элементы детектора через коллиматоры, не . перекрытые объектом.

В случае использования ПЗС в качестве

КЧД поглощаемое в полупроводнике излучение вызывает генерацию электронно-дырочных пар. В обедненном слое под действием электрического поля эти пары разделяются: электроны локализуются в потенциальных ямах, а дырки выносятся в нейтральную область полупроводника.

Величина заряда, накапливаемого в данном, элементе. пропорциональна (в первом приближении) усредненному по площади $ приемного элемента потоку энергии Ф и времени накопления tH.

Q =q ФОЯ н где 0 — интегральная эффективность преобразования; ц — заряд электрода.

ПЗ С состоят, как правило, из двух идентичных секций (областей) — области накопления "А" и области хранения (памяти) "В", как показано на фиг. 3. Время накопления зарядов (время экспозиции) задается таймером блока 9 управления и определяется интенсивностью падающего излучения. В зависимости от условий измерения время накопления заряда в секции "А" может варьироваться от нс до ед, минут. После окончания накопления на фазовые электроды секции накопления подаются тактовые импульсы напряжения сброса Ф н; Фгн, Фзнх, и информация в виде зарядовых пакетов перемещается иэ элементов секции накопления в секцию хранения "В", откуда за время, когда в секции накопления происходит формирование новой. информационной структуры, выводится через выходной регистр BP в выходное устройство ВУ и далее — на предварительный усилитель блока выделения сигналов. Выводом информации из

1723435

55 секции хранения управляют фазовые импульсы Ф1п; Ф2п; Фзп: выводом информации из выходного регистра BP-импульсы

©1p: Ф2Р; Фзр. Скорость вывода информации с ПЗС достигает десятков МГц.

На осциллограмме выходного сигнала с

КЧД устройства (фиг. 2 а) наблюдаются два вида импульсов, поевышающих уровень фонового сигнала: 1 — импульс с приемных элементов КЧД, пространственно соответствующих 1-м коллиматорам и пропорциональных интенсивности излучения, ослабленного поглощением в контролируемом объекте; I 2 — импульсы с приемных

k элементов КЧД, пространственно соответствующих k ì коллиматорам и характеризующих интенсивность неослабленного излучения источника.

С помощью порогового дискриминатора 12 выделяют импульсы, превосходящие уровень фона; осциллограмма сигналов на выходе порогового дискриминатора представлена на фиг, 2б, С выхода порогового дискриминатора сигналы поступают на селектор 13 верхнего уровня и блок 16 сравнения. Селектор верхнего уровня выделяет только сигналы амплитуды, превышающей (Омакс — V û ), т. е. соответствующие ин .гмакс тенсивности неослабленного излучения; осциллограмма сигналов на выходе селектора верхнего уровня представлена на фиг, 2в, С выхода селектора 13 верхнего уровня сигналы параллельно поступают на блок 14 выделения максимального сигнала (в данном случае пиковый детектор) и блок 16 сравнения.

Блок 16 сравнения представляет собой электронную схему несовпадений, на вход которой поступают импульсы как с порогоBoro äècêðèMèíàòoðà 12, так и с выхода селектора 13 верхнего уровня (с учетом временной задержки дискриминирования).

На выходе блока 16 сравнения будут в этом случае только импульсы, соответствующие интенсивности излучения, прошедшего через измеряемый образец.

Осциллограмма импульсов на выходе блока сравнения представлена на фиг, 2г, После прохождения блока АЦП2 18 импульсы поступают в блок 19 обработки информации и записываются в ЗУ1 21, К выходу селектора 13 верхнего уровня присоединен блок выделения максимального сигнала — в данном случае пиковый детектор 14, который выделяет сигнал максимальной амплитуды, соответствующий интенсивности неослабленного излучения.

С помощью масштабирующего усилителя 15 осуществляется первоначальная настройка и калибровка работы системы обработки, а также усиление сигнала в процессе работы, необходимые иэ-за наличия потерь при дискриминации. Информация с выхода усилителя 15 поступает на блок

АЦП1 17 и также записывается в ЗУ2 20.

Работа блока 19 обработки информации (БОИ) происходит по следующему алгоритму:

1. Ожидание и запуск от блока управления, 2. Ожидание готовности внешних устройств к выдаче информации.

3. Ввод информации от внешних устройств (ЗУ1 и ЗУ2 таймер БУ).

4. Вычисление по программе, основанной на использовании формулы, Вывод информации на YHN 24.

5. Возврат в исходное состояние, В качестве УНИ 24 используется цифровой дисплей, результаты вычислений выводятся одновременно с координатами точек контроля, т. е. обеспечивается топография объекта контроля.

Благодаря работе в режиме разделения времени обеспечивается большая скорость обработки данных и существенно повышается производительность контроля толщи| ны, Формула изобретения

Устройство радиометрического дифференциального измерения толщины, содержащее располагаемый по одну сторону от объекта контроля коллимированный источник ионизирующего излучения и по другую сторону — последовательно соединенные детектор излучения с блоком питания, предусилитель, блок выделения сигналов и блок обработки информации, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности измерений, детектор выполнен координатно-чувствительным, а коллиматор — в виде мультиколлиматора, с параллельными каналами, каждый из каналов расположен соосно с приемными элементами координатно-чувствительного детектора, блок выделения сигналов выполнен в виде блока сравнения и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также последовательно включенных порогового дискриминатора, вход которого подключен к выходу предусилителя, а второй выход — к первому входу блока сравнения, селектора верхнего уровня, второй выход которого подключен к второму входу блока сравнения, блока выделения максимального сигнала, масштабирующего усилителя и второго

АЦП, выход которого соединен с первым

1723435

10 входом блока обработки информации, а выход блока сравнения через первый

АЦП соединен с вторым входом блока обработки информации, второй вход и выход блока обработки информации присоединены к блоку управления устройством; выходы которого подключены к управляющим входам координатно-чувствительного детектора и входу блока питания, выход которого присоединен к вхо5 ду питания координатно-чувствительного детектора.

Яи ФИФА

Составитель В. Парнасов

Редактор А. Маковская Техред М.Моргентал Корректор О. Ципле

Заказ 1058 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101