Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей (варианты)

 

Изобретение относится к устройствам внутренней дефектоскопии, а именно к средствам неразрушающего контроля, в частности к средствам контроля при производстве полупроводниковых и гибридных структур. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей содержит оптически связанные источник излучения, держатель структур, выполненные из прозрачных компонент и имеющих одну или больше скрытых границ раздела контактирующих поверхностей, детектирующую камеру с фотоприемной матрицей, настроенную на получение изображения интерференционной картины на видеомониторе. Источником излучения служит источник теплового излучения с температурой, превышающей температуру окружающего фона, спектральная полоса чувствительности фотоприемной матрицы удовлетворяет условию Δλ/λ ≤ 0,1, где Δλ - ширина рабочего спектрального диапазона фотоприемной матрицы, a λ - характерная рабочая длина волны. Расстояние между источником излучения и держателем структур обеспечивает достаточно однородную засветку фронтальной поверхности исследуемой структуры. Источник излучения может находиться как перед, так и за держателем структур. Техническим результатом является расширение возможностей исследования структур в зависимости от их прозрачности и расположения источника излучения по отношению к ним, упрощение и удешевление устройства контроля. 2 с. и 15 з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к устройствам внутренней дефектоскопии, а именно к средствам неразрушающего контроля, в частности к средствам контроля при производстве полупроводниковых и гибридных структур, и может быть использовано для определения качества соединения двух и более полупроводниковых пластин при их наложении друг на друга, сдавливании, склеивании, спайке или прямом сращивании, в частности, при формировании структур "кремний-кремний" или "кремний на изоляторе (КНИ)" (или иначе "кремний на диэлектрике"), а также может быть использовано для аналогичного контроля при соединении пластин, шайб, брусков с плоской и неплоской разделяющей их границей, когда одна или несколько соединяемых компонент не является полупроводником. Устройство также может быть использовано для контроля неплоскостности исходных пластин, шайб, брусков.

Соединение пластин применяют при изготовлении структур для создания приборов микроэлектроники (например, мощных интегральных тиристоров), а также, например, для получения приборов сенсорной микроэлектроники. При создании такого рода приборов большое значение имеет качество скрытой границы раздела между поверхностями контактирующих материалов. Известно значительное число факторов (пыль, захват воздуха, увлажнение, дефекты полировки и др.), приводящих к отсутствию механического контакта на локальных участках поверхности, что снижает процент выхода годных изделий, а также отрицательно влияет на дальнейшую работоспособность системы, даже прошедшей контрольное тестирование. По этой причине актуальной задачей служит разработка средств и методов дефектоскопии, позволяющих путем неразрушающего контроля определять качество внутренней границы раздела контактирующих поверхностей, находить количество и положение скрытых дефектов, их форму. Наличие такого промежуточного контроля позволяет своевременно остановить технологический процесс, если граница раздела будет признана неудовлетворительной. Поскольку соединение пластин представляет собой одну из первых технологических операций при создании соответствующих полупроводниковых структур и иных приборов на их основе, своевременный контроль позволяет сэкономить значительные средства, прервав изготовление заведомо неработоспособных структур.

Упомянутые выше дефекты представляют собой полости (пустоты), обычно толщиной несколько микрометров, образуемые между контактирующими поверхностями при соединении. Традиционный принцип их оптической регистрации состоит в том, что генерируемое лазером когерентное электромагнитное излучение, длина волны которого сравнима с толщиной полости (инфракрасное излучение), пропускают сквозь исследуемую структуру, представляющую собой соединенную пару пластин. При этом часть потока (луч 1) проходит насквозь, не испытывая отражений от границ скрытой полости, а часть (луч 2) испытывает отражения от упомянутых границ и только после этого покидает пределы пластин. Со стороны, противоположной источнику излучения, лучи 1 и 2 интерферируют, после чего суммарный световой сигнал регистрируется детектором инфракрасного излучения с широкой спектральной полосой чувствительности, установленным по отношению к структуре со стороны, противоположной источнику излучения. Сканирование лазерным лучом по поверхности структуры или равномерная засветка ее рассеянным когерентным светом с последующей регистрацией особенностей неоднородности проходящего потока с помощью конвертера, видеокамеры или стандартного широкополосного тепловизора позволяют выявить пространственное распределение дефектов вдоль внутренней границы раздела, а по числу характерных наблюдаемых колец, аналогичных кольцам Ньютона, определить также и толщину полостей.

Известно устройство (Bengtsson S., Engstrom О. Low-temperature preparation of silicon/silicon interfaces by the silicon-to-silicon direct bonding method. // J.Electrochem. Soc., 1990, vol. 137. 7, p. 2297-2303), содержащее источник излучения, держатель структур, фотоприемник с преобразователем инфракрасного излучения в видимое (конвертер), камеру Olimpus ОМ-2, фотографирующую полученное конвертером видимое изображение на пленку Kodak-400 ASA. При этом источник излучения и конвертер располагаются по разные стороны от держателя структур.

Данное устройство имеет следующие недостатки.

Отсутствие компьютерной поддержки делает устройство неудобным для сбора и последующей обработки данных. Обработка фотопленки, печать фотоснимков увеличивают трудоемкость и длительность процесса. Устройство не позволяет исследовать структуры, в которых одна из пластин непрозрачна для используемого излучения подсветки (например, сильнолегированная полупроводниковая подложка), поскольку источник излучения и конвертер находятся по разные стороны от исследуемой структуры.

Известно устройство (Воронков В.Б., Грехов И.В., Козлов В.А. Контроль качества интерфейса методом лазерного сканирования при прямом сращивании кремниевых пластин. // Физика и техника полупроводников. 1991, т. 25, 2, с. 208-216), содержащее источник излучения, держатель структур, фотоприемник, изготовленный на основе кремниевого р-n-перехода, при этом источник излучения и фотоприемник находятся по разные стороны от держателя структур. В качестве источника излучения служит лазер, а для засветки всей площади структуры используется механическая система развертки луча, также устройство содержит узел регистрации амплитуды наведенной фотоЭДС на барьере интерфейса.

Данное устройство имеет следующие недостатки.

Наличие источника когерентного излучения (лазера) для подсветки исследуемой структуры усложняет и удорожает конструкцию. Наличие механической системы развертки луча делает устройство недостаточно быстродействующим, не слишком надежным (зависящим от ресурса подвижных элементов), относительно дорогим (требующим изготовления элементов точной механики). Отсутствие компьютерной поддержки делает устройство неудобным для сбора и последующей обработки данных. Устройство не позволяет исследовать структуры, в которых одна из пластин непрозрачна для используемого излучения подсветки (например, сильнолегированная полупроводниковая подложка), поскольку источник излучения и фотоприемник находятся по разные стороны от исследуемой структуры.

Известно устройство (Bollmann D., Landesberger С., Ramm P., Haberger К. Analysis of wafer bonding by infrared transmission. // Japan. Journal of Appl. Physics. 1996, vol. 35, pt. l. 7, p. 3807-3809), содержащее источник излучения, держатель структур, детектирующую камеру CCD COHU FK 6990-IQ, компьютер, принтер. При этом детектирующая камера включает в себя фотоприемную кремниевую матрицу CCD с широкой спектральной полосой чувствительности, а источник излучения и детектирующая камера находятся по разные стороны от держателя структур. В качестве источника излучения служит Nd:YAG лазер, а для однородной засветки структуры использован рассеиватель.

Данное устройство имеет следующие недостатки.

Необходимость использования достаточно мощного (>10 Вт) источника когерентного излучения (лазера) для подсветки исследуемой структуры усложняет и удорожает конструкцию. Устройство не предназначено для исследования структур, в которых одна из пластин непрозрачна для излучения подсветки (например, сильнолегированная полупроводниковая подложка), поскольку источник излучения и детектирующая камера находятся по разные стороны от исследуемой структуры.

Техническим результатом изобретения является - упрощение и удешевление устройства; - получение дополнительной возможности решения технической задачи в случаях, когда хотя бы одна из компонент (например, пластин, шайб, брусков), составляющих исследуемую структуру, непрозрачна, или когда отсутствует техническая возможность или место для размещения детектора инфракрасного излучения позади исследуемой структуры, состоящей из прозрачных компонент.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей, содержащем источник излучения, расположенный перед держателем структур, держатель структур, детектирующую камеру с фотоприемной матрицей, расположенную за держателем структур, компьютер, принтер, в качестве источника излучения служит лампа накаливания, а фотоприемная матрица имеет узкую спектральную полосу чувствительности. Также в качестве источника излучения служит любое тело, разогретое до температуры, превышающей температуру окружающего фона.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей, содержащем источник излучения, расположенный перед держателем структур, держатель структур, детектирующую камеру с фотоприемной матрицей, компьютер, принтер, детектирующая камера расположена перед держателем структур, в качестве источника излучения служит лампа накаливания, а фотоприемная матрица имеет узкую спектральную полосу чувствительности. Также в качестве источника излучения служит любое тело, разогретое до температуры, превышающей температуру окружающего фона.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему фигурами, где на фиг.1 представлено устройство в случае, когда источник излучения и детектирующая камера находятся по разные стороны от исследуемой структуры, на фиг.2 - для случая, когда источник излучения и детектирующая камера находятся по разные стороны от исследуемой структуры, дан пример инфракрасного изображения исследуемой структуры, в которой соединение пластин произошло без дефектов, на фиг.3 -для случая, когда источник излучения и детектирующая камера находятся по разные стороны от исследуемой структуры, даны примеры инфракрасных изображений исследуемых структур, в которых соединение пластин произошло с дефектами, на фиг.4 представлено устройство в случае, когда источник излучения и детектирующая камера расположены с одной стороны от исследуемой структуры, на фиг.5 - для случая, когда источник излучения и детектирующая камера расположены с одной стороны от исследуемой структуры, дан пример инфракрасных изображений исследуемых структур, в которых соединение пластин произошло без дефектов, на фиг.6 - для случая, когда источник излучения и детектирующая камера расположены с одной стороны от исследуемой структуры, даны примеры инфракрасных изображений исследуемых структур, в которых соединение пластин произошло с дефектами, на фиг.7 даны примеры инфракрасных изображений исследуемых структур, когда одна из пластин в паре подвергнута специальной технологической обработке (созданию на границе раздела фигурного стопорного слоя для химико-механической полировки), на фиг. 8 даны примеры инфракрасных изображений исследуемых структур, состоящих из трех соединенных пластин с присутствием дефектов между каждой парой пластин.

Интерпретация результатов оптической регистрации скрытых пограничных дефектов при соединении объектов тем проще, чем более монохроматично инфракрасное излучение, за интерференцией которого производят наблюдение. При этом критерием монохроматичности, а также узкополосности источников излучения и фотоприемников служит отношение ширины рабочего спектрального диапазона Δλ к характерной рабочей длине волны λ. Например, CCD-фотоприемные камеры, предназначенные для работы в области видимого диапазона и обычно чувствительные также к излучению с длиной волны вплоть до 1,0-1,1 мкм, имеют отношение Δλ/λ ~ 1 и не могут рассматриваться как узкополосные.

Измеряемый монохроматический поток можно обеспечить либо используя источник монохроматического излучения, либо используя фотоприемник, выделяющий из широкого спектра узкую полосу в окрестности рабочей длины волны, когда Δλ/λ ≤ 0,1 (возможно также использование монохроматического источника и соответствующего селективного фотоприемника, но такой подход избыточен и потому неоптимален). Возможно также наблюдать явление интерференции при использовании как широкополосного фотоприемника, так и широкополосного источника излучения. Это может быть в тех случаях, когда сама исследуемая структура или хотя бы одна из комбинаций - "исследуемая структура плюс фотоприемник", "исследуемая структура плюс источник излучения", "фотоприемник плюс источник излучения" - представляет собой оптический фильтр, выделяющий из широкого спектра узкую полосу квазимонохроматичного излучения. Однако область применения устройств с использованием подобного свойства резко ограничена специфичностью исследуемых образцов и проблемой подбора работоспособных пар "источник излучения - фотоприемник".

До последнего времени подход с использованием источника когерентного излучения считали единственным способным эффективно решить поставленную техническую задачу дефектоскопии. В то же время известно (Калитеевский Н.И. Волновая оптика: Учеб. пособие для ун-тов. Изд. 2-е, испр. и доп. - М., Высш. шк. , 1978. - 383 с. : ил. ), что в источниках некогерентного излучения (например, в разогретых телах) время жизни атома в возбужденном состоянии, в течение которого он когерентно излучает, по порядку величины составляет 10^-9-10^-10 м. За это время свет успевает преодолеть в вакууме или в веществе расстояние порядка 1-10 см, что во много раз превышает длину запаздывания (порядка 10^-4-10^-3 см), связанную с переотражениями внутри полости дефекта на границе между контактирующими поверхностями. Соответственно пучки фотонов, порожденные атомами источника некогерентного излучения, также интерферируют и приводят к появлению характерных максимумов и минимумов интенсивности, обусловленных наличием дефектов. Вместе с тем, данная модуляция интенсивности имеет разный пространственный период вдоль плоскости структуры для разных длин волн. Смешивание интерференционных полос приводит к размытию общей картины, и характерный интерференционный рисунок исчезает. Чтобы упомянутые максимумы и минимумы интенсивности было возможным регистрировать и количественно анализировать, необходимо выделить узкий спектральный диапазон, в котором и проводить наблюдение Такую задачу эффективно решает фотоприемная матрица с узкой спектральной полосой чувствительности.

На фиг. 1 представлено устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей, в котором реализован подход с использованием фотоприемной матрицы с узкой спектральной полосой чувствительности для случая, когда источник излучения и детектирующая камера расположены по разные стороны от исследуемой структуры.

Устройство содержит источник излучения (1), держатель структур (2), детектирующую камеру (3) с фотоприемной матрицей с узкой спектральной полосой чувствительности (4), компьютер (5), принтер (6). В держатель структур (2) помещена исследуемая структура (7).

В качестве источника излучения (1) используют лампу накаливания или любое другое тело, разогретое до температуры, превышающей температуру окружающего фона. Любой из этих объектов генерирует непрерывный спектр теплового излучения, содержащий, в частности, в соответствии с формулой Планка, и тот узкий диапазон длин волн Δλ, к которому чувствительна фотоприемная матрица (4).

Держатель структур (2) обеспечивает устойчивое положение исследуемой структуры (7), установленной перед источником излучения (1). В качестве держателя структур используют, например, зажим на подставке или горизонтально расположенный закрепленный тонкий диск с отверстием, несколько меньшим размеров структуры, при этом структуру укладывают на диск над отверстием. Необходимым требованием, предъявляемым к исследуемой структуре (7), служит то, что составляющие ее компоненты (пластины, шайбы, бруски и др.) должны быть прозрачными в рабочей ИК-области спектра.

В качестве детектирующей камеры (3) и фотоприемной матрицы с узкой спектральной полосой чувствительности (4) служат, например, аналогичные элементы, взятые из стандартного медицинского тепловизора (Г.Л.Курышев, А.П. Ковчавцев, Б.Г.Вайнер и др. Медицинский тепловизор на основе матричного ФПУ 128 х 128, работающий в диапазоне спектра 2,8-3,05 мкм. // Автометрия. 1998, 4, с. 5-12). При этом фотоприемная матрица обладает принципиально важным свойством регистрировать не весь спектральный диапазон, к которому чувствителен полупроводник (InAs), на основе которого создана матрица, а лишь узкую область из этого спектра. Способ сужения рабочей полосы спектра описан в работе (G.L.Kurishev, A.P.Kovchavtzev, V.M.Bazovkin et. al. "Fabrication and properties of two - dimensional hybrid array sensor on epitaxial n - InAs films" in Infrared Detectors and Focal Plane Arrays IV, E.L.Dereniak, R.E.Sampson, Editors, Proc. SPIE 2746, p. 268 (1996)). Способ состоит в том, что на сильнолегированной подложке из узкозонного полупроводника выращивают тонкий эпитаксиальный слаболегированный слой из того же материала. В этом случае при засветке матрицы со стороны подложки спектральный интервал чувствительности определен разностью ширины запрещенной зоны сильнолегированной подложки (эффект Бурштейна-Мосса) и слаболегированного эпитаксиального слоя, в котором собственно и происходит поглощение излучения с генерацией сигнальных носителей заряда. В случае арсенида индия рабочая полоса лежит в пределах 2,8-3,05 мкм, а отношение Δλ/λ ≈ 0,08. В качестве компьютера (5) используют, например, персональный компьютер IBM, в качестве принтера (6) используют любой стандартный принтер, например струйный или лазерный.

Компьютер (5) связан с детектирующей камерой (3), управляя работой ее модулей и обрабатывая измеряемый видеосигнал. Детектирующая камера (3) связана с фотоприемной матрицей с узкой спектральной полосой чувствительности (4), управляя ее работой с помощью встроенных в камеру электронных модулей. Детектирующая камера расположена с противоположной стороны от источника излучения по отношению к исследуемой структуре. Между источником излучения (1), держателем структур (2) и детектирующей камерой (3) имеет место оптическая связь. Связь детектирующей камеры и держателя структур состоит, например, в том, что изображение исследуемой структуры, зафиксированной в держателе структур, сфокусировано объективом детектирующей камеры в плоскость расположения фотоприемной матрицы с узкой спектральной полосой чувствительности. Принтер (6) связан с компьютером (5) и предназначен для создания твердой копии изображения, получаемого с помощью детектирующей камеры (3).

Ниже приведено описание работы устройства для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей в случае, когда источник излучения и детектирующая камера расположены по разные стороны от исследуемой структуры.

Процедура контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей состоит в следующем.

Исследуемую структуру (7) помещают в держатель структур (2). Перед исследуемой структурой (7) на некотором расстоянии от нее размещают источник излучения (1). Расстояние между источником излучения и исследуемой структурой выбирают из соображений обеспечения достаточно однородной засветки всей фронтальной поверхности исследуемой структуры. Если размеры однородно излучающей поверхности источника излучения превосходят размеры исследуемой структуры, то источник излучения обычно приближают к исследуемой структуре на расстояние, сравнимое с характерным линейным размером пластин (например, 50-100 мм). Если размеры излучающей поверхности источника излучения меньше или много меньше размеров исследуемой структуры, то источник излучения отдаляют от исследуемой структуры на расстояние, много большее характерного линейного размера пластин (например, 500-1000 мм).

С противоположной от источника излучения стороны (по отношению к исследуемой структуре) устанавливают детектирующую камеру (3) с расположенной внутри нее фотоприемной матрицей с узкой спектральной полосой чувствительности (4). Детектирующую камеру располагают на таком расстоянии от исследуемой структуры, чтобы изображение интересующей области исследуемой структуры, сфокусированное объективом детектирующей камеры в плоскость фотоприемной матрицы с узкой спектральной полосой чувствительности, заполняло оптимально всю площадь матрицы (то есть, чтобы характерные размеры интересующего участка изображения были сравнимыми с размерами фотоприемной матрицы с узкой спектральной полосой чувствительности).

Компьютер (5) электрически соединяют с детектирующей камерой в соответствии с инструкцией по эксплуатации детектирующей камеры, работающей совместно с компьютером. Принтер (6) соединяют с компьютером (5).

Если источником излучения служит электропотребитель (например, лампа накаливания, электрическая спираль, теплоэлектронагреватель со скрытой спиралью и т.п.), то подают питающее напряжение на соответствующие электрические клеммы источника излучения. Выжидают характерное время, достаточное для разогрева источника излучения до температуры, превышающей температуру окружающего фона. Высокая чувствительность (0,03^oС), достигнутая в тепловизорах, работающих в узком спектральном диапазоне (Г.Л.Курышев, А.П.Ковчавцев, Б.Г. Вайнер и др. Медицинский тепловизор на основе матричного ФПУ 128 х 128, работающий в диапазоне спектра 2,8-3,05 мкм. // Автометрия, 1998, 4, с. 5-12), позволяет использовать в качестве источников излучения обычные стандартные нагревательные приборы и лампы, не применяя для этой цели источники когерентного излучения (например, мощные лазеры). Превышение температуры источника излучения над температурой окружающего фона обычно должно составлять 10-20^oС. В случае использования стандартной лампы накаливания, питаемой от сети, превышение температуры нити накала над температурой окружающего фона может существенно превосходить 10-20^oС. Если источником излучения служит исходно разогретое тело (например, рука оператора, система отопления, разогретый на солнце предмет и т.п.), то процедуру подачи напряжения опускают.

Широкополосное инфракрасное (ИК) излучение от источника излучения направляют на исследуемую структуру таким образом, чтобы обеспечить засветку всей фронтальной поверхности исследуемой структуры. При этом обеспечение однородной засветки облегчает визуальное восприятие тепловизионного изображения, но не является необходимым для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей. Угол, под которым излучение от источника направляют на исследуемую структуру, следует выбирать как можно ближе к 90^o по отношению к плоскости границы раздела для упрощения количественной интерпретации результатов. В специальных измерениях, напротив, направление потока излучения выбирают со значительным отклонением от нормали к поверхности.

Подают рабочие напряжения на детектирующую камеру (3), компьютер (5) и принтер (6). Детектирующую камеру, компьютер и принтер приводят в рабочее состояние в соответствии с инструкцией по эксплуатации детектирующей камеры, компьютера и принтера.

С помощью объектива детектирующей камеры (3) изображение исследуемой структуры (7) или ее отдельного интересующего участка фокусируют в плоскость расположения фотоприемной матрицы с узкой спектральной полосой чувствительности (4), о чем узнают по резкому изображению, представленному на видеомониторе компьютера (5). При этом изображение исследуемой структуры или ее отдельного интересующего участка создается потоком излучения, прошедшего сквозь исследуемую структуру.

Критерием того, что соединение контактирующих поверхностей в исследуемой структуре произошло без дефектов, является наличие однородной по площади исследуемой структуры картины, отображаемой на видеомониторе компьютера. Такой пример представлен на фиг.2. Здесь изображена КНИ-структура (обе пластины из кремния марки КДБ-20, одна из пластин окислена, толщина окисла 0,35 мкм). Темное кольцо по периметру изображения исследуемой структуры является технологически обусловленным фактором и не свидетельствует о дефектности, темные пятна незначительной площади, примыкающие к внешнему краю пластин, соответствуют допустимому уровню дефектности. Перепад интенсивности без резких границ в пределах площади структуры соответствует степени неоднородности подсветки и также не свидетельствует о дефектности. Темное поле в нижней части изображения соответствует тени от держателя структур.

Критерием того, что при соединении контактирующих поверхностей в исследуемой структуре образовались внутренние дефекты, является существенная неоднородность интерференционной картины в пределах границ исследуемой структуры, отображаемой на видеомониторе компьютера. Элементы неоднородности обычно выглядят контрастно, характеризуются резкими краями, имеют вид пятен, концентрических колец или полосатых фигур неопределенной формы. Примеры изображения дефектных структур и отдельного участка одной из структур представлены на фиг. 3. На изображении, приведенном на фиг.3 внизу, хорошо видны интерференционные кольца, аналогичные кольцам Ньютона, по числу которых можно рассчитать толщину полости между пластинами для данного дефекта. Методики, позволяющие рассчитать толщину полостей для различных углов падения ИК-излучения от источника на исследуемую структуру, приведены в литературе, описывающей явления интерференции, например, в Калитеевский Н.И. Волновая оптика: Учеб. пособие для ун-тов. Изд. 2-е, испр. и доп. - М., Высш. шк. , 1978. - 383 с.: ил.; Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов: Учеб. для вузов по спец. "Полупроводниковые и микроэлектронные приборы". - М., Высш. шк., 1987. - 239 с. Следует отметить, что расчет толщины полостей не является необходимой операцией в методике контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей. Он может оказаться полезным лишь при проведении исследовательских работ и при отработке технологических режимов.

Контроль неплоскостности исходных пластин, шайб, брусков проводят по описанной выше процедуре путем регистрации микрополостей между данными пластинами, шайбами, брусками с одной стороны и эталонными поверхностями с другой стороны. В этом случае исследуемая структура представляет собой приведенные в контакт образец с эталонной поверхностью и исходную пластину, шайбу или брусок.

На фиг. 4 представлено устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей, в котором реализован подход с использованием фотоприемной матрицы с узкой спектральной полосой чувствительности для случая, когда источник излучения и детектирующая камера расположены с одной стороны от исследуемой структуры.

Устройство содержит источник излучения (1), держатель структур (2), детектирующую камеру (3) с фотоприемной матрицей с узкой спектральной полосой чувствительности (4), компьютер (5), принтер (6). В держатель структур (2) помещена исследуемая структура (7).

В качестве источника излучения (1) используют лампу накаливания или любое другое тело, разогретое до температуры, превышающей температуру окружающего фона. Любой из этих объектов генерирует непрерывный спектр теплового излучения, содержащий, в частности, в соответствии с формулой Планка, и тот узкий диапазон длин волн Δλ, к которому чувствительна фотоприемная матрица (4).

Держатель структур (2) обеспечивает устойчивое положение исследуемой структуры (7), установленной перед источником излучения (1). В качестве держателя структур используют, например, зажим на подставке или горизонтально расположенный закрепленный тонкий диск с отверстием, несколько меньшим размеров структуры, при этом структуру укладывают на диск над отверстием. Необходимым требованием, предъявляемым к исследуемой структуре (7), служит наличие хотя бы одной из составляющих ее компонент (пластин, шайб, брусков и др. ), которая прозрачна в рабочей ИК-области спектра, и эта компонента должна быть расположена с краю в исследуемом двухслойном или многослойном образце.

В качестве детектирующей камеры (3) и фотоприемной матрицы с узкой спектральной полосой чувствительности (4) служат, например, аналогичные элементы, взятые из стандартного медицинского тепловизора (Г.Л.Курышев, А.П. Ковчавцев, Б.Г.Вайнер и др. Медицинский тепловизор на основе матричного ФПУ 128 х 128, работающий в диапазоне спектра 2,8-3,05 мкм. // Автометрия, 1998, 4, с. 5-12). При этом фотоприемная матрица обладает принципиально важным свойством регистрировать не весь спектральный диапазон, к которому чувствителен полупроводник (InAs), на основе которого создана матрица, а лишь узкую область из этого спектра. Способ сужения рабочей полосы спектра описан в работе (G.L.Kurishev, A.P.Kovchavtzev, V.M.Bazovkin et. al. "Fabrication and properties of two - dimensional hybrid array sensor on epitaxial n - InAs films" in Infrared Detectors and Focal Plane Arrays IV, E.L.Dereniak, R.E.Sampson, Editors, Proc. SPIE 2746, p. 268 (1996)). Способ состоит в том, что на сильнолегированной подложке из узкозонного полупроводника выращивают тонкий эпитаксиальный слаболегированный слой из того же материала. В этом случае при засветке матрицы со стороны подложки спектральный интервал чувствительности определен разностью ширины запрещенной зоны сильнолегированной подложки (эффект Бурштейна-Мосса) и слаболегированного эпитаксиального слоя, в котором собственно и происходит поглощение излучения с генерацией сигнальных носителей заряда. В случае арсенида индия рабочая полоса лежит в пределах 2,8-3,05 мкм, а отношение Δλ/λ ≈ 0,08. В качестве компьютера (5) используют, например, персональный компьютер IBM, в качестве принтера (6) используют любой стандартный принтер, например струйный или лазерный.

Компьютер (5) связан с детектирующей камерой (3), управляя работой ее модулей и обрабатывая измеряемый видеосигнал. Детектирующая камера (3) связана с фотоприемной матрицей с узкой спектральной полосой чувствительности (4), управляя ее работой с помощью встроенных в камеру электронных модулей. По отношению к исследуемой структуре детектирующая камера расположена с той же стороны, с которой находится источник излучения. Между источником излучения (1), держателем структур (2) и детектирующей камерой (3) имеет место оптическая связь. Связь детектирующей камеры и держателя структур состоит, например, в том, что изображение исследуемой структуры, зафиксированной в держателе структур, сфокусировано объективом детектирующей камеры в плоскость расположения фотоприемной матрицы с узкой спектральной полосой чувствительности. Принтер (6) связан с компьютером (5) и предназначен для создания твердой копии изображения, получаемого с помощью детектирующей камеры (3).

Ниже приведено описание работы устройства для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей в случае, когда источник излучения и детектирующая камера расположены с одной стороны от исследуемой структуры.

Процедура контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей состоит в следующем.

Исследуемую структуру (7) помещают в держатель структур (2). Перед исследуемой структурой (7) на некотором расстоянии от нее размещают источник излучения (1). Расстояние между источником излучения и исследуемой структурой выбирают из соображений обеспечения достаточно однородной засветки всей фронтальной поверхности исследуемой структуры. Источник излучения обычно удаляют от исследуемой структуры на расстояние, много большее характерного линейного размера пластин (например, 500-1000 мм).

С той же по отношению к исследуемой структуре (7) стороны, с которой расположен источник излучения (1), устанавливают детектирующую камеру (3) с расположенной внутри нее фотоприемной матрицей с узкой спектральной полосой чувствительности (4). Детектирующую камеру располагают на таком расстоянии от исследуемой структуры, чтобы изображение интересующей области исследуемой структуры, сфокусированное объективом детектирующей камеры в плоскость фотоприемной матрицы с узкой спектральной полосой чувствительности, заполняло оптимально всю площадь матрицы (то есть, чтобы характерные размеры интересующего участка изображения были сравнимыми с размерами фотоприемной матрицы с узкой спектральной полосой чувствительности).

Компьютер (5) электрически соединяют с детектирующей камерой в соответствии с инструкцией по эксплуатации детектирующей камеры, работающей совместно с компьютером. Принтер (6) соединяют с компьютером (5).

Если источником излучения служит электропотребитель (например, лампа накаливания, электрическая спираль, теплоэлектронагреватель со скрытой спиралью и т.п.), то подают питающее напряжение на соответствующие электрические клеммы источника излучения. Выжидают характерное время, достаточное для разогрева источника излучения до температуры, превышающей температуру окружающего фона. Высокая чувствительность (0,03^oС), достигнутая в тепловизорах, работающих в узком спектральном диапазоне (Г.Л.Курышев, А.П.Ковчавцев, Б.Г. Вайнер и др. Медицинский тепловизор на основе матричного ФПУ 128 х 128, работающий в диапазоне спектра 2,8-3,05 мкм. // Автометрия, 1998, 4, с. 5-12), позволяет использовать в качестве источников излучения обычные стандартные нагревательные приборы и лампы и не применять для этой цели источники когерентного излучения (например, мощные лазеры). Превышение температуры источника излучения над температурой окружающего фона обычно должно составлять 10-20^oС. В случае использования стандартной лампы накаливания, питаемой от сети, превышение температуры нити накала над температурой окружающего фона может существенно превосходить 10-20^oС. Если источником излучения служит исходно разогретое тело (например, рука оператора, система отопления, разогретый на солнце предмет и т.п.), то процедуру подачи напряжения опускают.

Широкополосное инфракрасное (ИК) излучение от источника излучения направляют на исследуемую структуру таким образом, чтобы обеспечить засветку всей фронтальной поверхности исследуемой структуры. При этом обеспечение однородной засветки облегчает визуальное восприятие тепловизионного изображения, но не является необходимым для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей. Угол, под которым излучение от источника направляют на исследуемую структуру, следует выбирать как можно ближе к 90^o по отношению к плоскости границы раздела для упрощения количественной интерпретации результатов. В специальных измерениях, напротив, направление потока излучения выбирают со значительным отклонением от нормали к поверхности.

Подают рабочие напряжения на детектирующую камеру (3), компьютер (5) и принтер (6). Детектирующую камеру, компьютер и принтер приводят в рабочее состояние в соответствии с инструкцией по эксплуатации детектирующей камеры, компьютера и принтера.

Генерируемое источником (1) электромагнитное излучение частично (луч 1) отражается от ближней к источнику излучения (1) границы внутренней полости (дефекта) и выходит из исследуемой структуры (7) со стороны источника излучения (1) (и детектирующей камеры (3)), а частично (луч 2) отражается от дальней границы внутренней полости и после этого также выходит из исследуемой структуры (7) со стороны источника излучения (1) (и детектирующей камеры (3)). Со стороны, на которой расположен источник излучения (1), лучи 1 и 2 интерферируют. При этом регистрируемая детектирующей камерой (3) интерференционная картина образована излучением, длина волны которого сравнима с толщиной полости (дефекта), и это отраженное от исследуемой структуры излучение находится в области пространства с ближней к источнику излучения (1) стороны исследуемой структуры (7).

С помощью объектива детектирующей камеры (3) изображение исследуемой структуры или ее отдельного интересующего участка, формируемое потоком излучения, отраженного от исследуемой структуры (7), фокусируют в плоскость расположения фотоприемной матрицы с узкой спектральной полосой чувствительности (4), о чем узнают по резкому изображению, представленному на видеомониторе компьютера (5). Критерием того, что соединение контактирующих поверхностей в исследуемой структуре произошло без дефектов, является наличие однородной по площади исследуемой структуры картины, отображаемой на видеомониторе компьютера. Такие примеры представлены на фиг.5, где изображены кремниевые структуры, полученные методом прямого сращивания, при этом одна из пластин в каждой структуре (прозрачная в ИК-области спектра) имеет низкий уровень легирования, а другая, непрозрачная, - высокий уровень легирования. Здесь темное кольцо по периметру пластин является технологически обусловленным фактором и не свидетельствует о дефектности. Перепад интенсивности без резких границ в пределах площади пластин соответствует степени неоднородности подсветки и также не свидетельствует о дефектности. Поле в виде светлых ячеек в нижней части изображения связано с отражением инфракрасного излучения от держателя структур.

Критерием того, что при соединении контактирующих поверхностей в исследуемой структуре образовались внутренние дефекты, является существенная неоднородность интерференционной картины в пределах границ исследуемой структуры, отображаемой на видеомониторе компьютера. Элементы неоднородности обычно выглядят контрастно, характеризуются резкими краями, имеют вид пятен, концентрических колец или полосатых фигур неопределенной формы. Примеры изображения дефектных структур и отдельного участка одной из структур представлены на фиг. 6. На изображении, приведенном на фиг.6 внизу, хорошо видны интерференционные кольца, аналогичные кольцам Ньютона, по числу которых можно рассчитать толщину полости между пластинами для данного дефекта. Методики, позволяющие рассчитать толщину полостей для различных углов падения ИК-излучения от источника на исследуемую структуру, приведены в литературе, описывающей явления интерференции, например, в Калитеевский Н.И. Волновая оптика: Учеб. пособие для ун-тов. Изд. 2-е, испр. и доп. - М., Высш. шк., 1978. - 383 с.: ил.; Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов: Учеб. для вузов по спец. "Полупроводниковые и микроэлектронные приборы". - М., Высш. шк., 1987. - 239 с.: ил. Следует отметить, что расчет толщины полостей не является необходимой операцией в методике контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей. Он может оказаться полезным лишь при проведении исследовательских работ и при отработке технологических режимов.

Контроль неплоскостности исходных пластин, шайб, брусков проводят по описанной выше процедуре путем регистрации микрополостей между данными пластинами, шайбами, брусками с одной стороны и эталонными поверхностями с другой стороны. В этом случае исследуемая структура представляет собой приведенные в контакт образец с эталонной поверхностью и исходную пластину, шайбу или брусок. При этом допускается, чтобы исследуемые на предмет неплоскостности пластины, шайбы или бруски были непрозрачны в рабочей ИК-области спектра, если образец с эталонной поверхностью прозрачен в этой области.

Описанное выше устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей имеет ряд важных преимуществ перед устройствами аналогичного назначения.

Высокая чувствительность детектирующей камеры, содержащей в качестве фотоприемника матрицу с узкой спектральной полосой чувствительности, позволяет отказаться от дорогостоящих лазеров, применяемых в аналогичных устройствах в качестве источников инфракрасного излучения.

Высокая чувствительность и пространственное разрешение, достигаемые при использовании детектирующей камеры, содержащей в качестве фотоприемника матрицу с узкой спектральной полосой чувствительности, позволяют с абсолютной достоверностью проводить дефектоскопию полупроводниковых и других структур весьма сложной конфигурации, которые не поддаются обычным методам контроля. Примеры дефектограмм подобных образцов приведены на фиг.7, где представлены соединенные пары кремниевых пластин, полученные методом прямого сращивания. При этом, одна из пластин имеет высокий уровень легирования и потому непрозрачна для ИК-излучения. Кроме этого, на внутренней (скрытой) стороне одной из пластин методом фотолитографии предварительно создан сетчатый рельеф по технологии создания стопорного слоя для химико-механической полировки. На дефектограммах можно хорошо различить этот рельеф, расположенный на границе раздела контактирующих поверхностей, а также по неоднородности интерференционной картины определить распределение по площади и размеры дефектных участков в исследуемых структурах. На фиг. 8. приведен пример дефектограмм исследуемых структур, составленных из трех соединенных кремниевых пластин. Хорошо видно, что часть скрытых дефектов находится между одной парой пластин, а часть - между другой парой. Отдельные дефекты при этом перекрываются.

Возможность проведения дефектоскопии "на отражение", когда источник излучения и детектирующая камера расположены с одной стороны от исследуемой структуры, расширяет возможности контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей. Во-первых, появляется возможность определять скрытые дефекты в случае, когда среди соединяемых компонент присутствуют такие, которые непрозрачны в рабочей ИК-области спектра (например, изготовлены из сильнолегированного полупроводника или металла). Во-вторых, появляется возможность проводить дефектоскопию в условиях технологического процесса, когда технически невозможно разместить фотоприемник (например, тепловизор или CCD-камеру) позади исследуемой структуры. При этом ввиду высокой чувствительности детектирующей камеры, содержащей в качестве фотоприемника матрицу с узкой спектральной полосой чувствительности, в определенных случаях возможно вообще отказаться от контроля "на просвет", и даже прозрачные для ИК-излучения структуры исследовать только в режиме "на отражение".

Формула изобретения

1. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей, содержащее оптически связанные источник излучения, держатель структур и детектирующую камеру, а также компьютер, при помощи которого управляют работой детектирующей камеры, и принтер, детектирующая камера расположена с противоположной стороны от источника излучения по отношению к исследуемой структуре и включает в себя фотоприемную матрицу и объектив, при помощи которого изображение исследуемой структуры или ее отдельного интересующего участка фокусируют в плоскость расположения фотоприемной матрицы, отличающееся тем, что источником излучения служит тело, разогретое до температуры, превышающей температуру окружающего фона, а спектральная полоса чувствительности фотоприемной матрицы удовлетворяет условию Δλ/λ ≤ 0,1, где Δλ - ширина рабочего спектрального диапазона фотоприемной матрицы; λ - характерная рабочая длина волны фотоприемной матрицы, при этом составляющие компоненты исследуемой структуры прозрачны в инфракрасной области спектра.

2. Устройство по п.1, в котором расстояние между источником излучения и исследуемой структурой выбирают таким образом, чтобы фронтальная поверхность исследуемой структуры имела однородную засветку.

3. Устройство по п.1, в котором детектирующая камера расположена на таком расстоянии от исследуемой структуры, чтобы изображение интересующей области исследуемой структуры заполняло оптимально всю площадь матрицы.

4. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей по п.2, отличающееся тем, что расстояние между источником излучения и исследуемой структурой составляет 50-100 мм, если размеры однородно излучающей поверхности источника излучения превосходят размеры исследуемой структуры.

5. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей по п.2, отличающееся тем, что расстояние между источником излучения и исследуемой структурой составляет 500-1000 мм, если размеры излучающей поверхности источника излучения меньше или много меньше размеров исследуемой структуры.

6. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что в качестве источника теплового излучения служит электропотребитель.

7. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что в качестве источника теплового излучения служит электрическая спираль или теплонагреватель со скрытой спиралью.

8. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что в качестве источника теплового излучения служит исходно разогретое тело.

9. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что в качестве источника теплового излучения служит рука оператора или система отопления, или разогретый на солнце предмет.

10. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей, содержащее оптически связанные источник излучения, держатель структур и детектирующую камеру, а также компьютер, при помощи которого управляют работой детектирующей камеры, и принтер, детектирующая камера включает в себя фотоприемную матрицу и объектив, при помощи которого изображение исследуемой структуры или ее отдельного интересующего участка фокусируют в плоскость расположения фотоприемной матрицы, отличающееся тем, что источник излучения и детектирующая камера расположены с одной стороной по отношению к исследуемой структуре, источником излучения служит тело, разогретое до температуры, превышающей температуру окружающего фона, а спектральная полоса чувствительности фотоприемной матрицы удовлетворяет условию
Δλ/λ ≤ 0,1,
где Δλ - ширина рабочего спектрального диапазона фотоприемной матрицы;
λ - характерная рабочая длина волны фотоприемной матрицы,
при этом у исследуемой структуры хотя бы одна из составляющих ее компонент прозрачна в инфракрасной области спектра, и эта компонента размещена с краю в исследуемом образце.

11. Устройство по п.10, в котором расстояние между источником излучения и исследуемой структурой выбирают таким образом, чтобы фронтальная поверхность исследуемой структуры имела однородную засветку.

12. Устройство по п.10, в котором детектирующая камера расположена на таком расстоянии от исследуемой структуры, чтобы изображение интересующей области исследуемой структуры заполняло оптимально всю площадь матрицы.

13. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей по п. 10, отличающееся тем, что расстояние между источником излучения и исследуемой структурой составляет 500÷1000 мм.

14. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей по любому из пп.10-13, отличающееся тем, что в качестве источника теплового излучения служит электропотребитель.

15. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей по любому из пп.10-13, отличающееся тем, что в качестве источника теплового излучения служит электрическая спираль или теплонагреватель со скрытой спиралью.

16. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей по любому из пп.10-13, отличающееся тем, что в качестве источника теплового излучения служит исходно разогретое тело.

17. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей по любому из пп.10-13, отличающееся тем, что в качестве источника теплового излучения служит рука оператора или система отопления, или разогретый на солнце предмет.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8