Устройство для обнаружения неоднородностей на плоских гранях потока однотипных проводящих изделий в инфракрасном излучении
Владельцы патента RU 2614660:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) (RU)
Изобретение относится к оптическим методам контроля качества поверхности металлов и полупроводников, а именно к инфракрасной (ИК) амплитудной рефлектометрии. Устройство содержит источник p-поляризованного монохроматического излучения, два элемента преобразования излучения в ПЭВ, приемник излучения, размещенный в окружающей среде в плоскости падения, и измерительный прибор, регистрирующий поступающие от приемника электрические сигналы. Причем оба элемента преобразования выполнены в виде сегментов цилиндров, центральный угол которых не меньше 45°, оси ориентированы перпендикулярно плоскости падения, а выпуклые поверхности способны направлять ПЭВ и имеют длину дуги в поперечном сечении меньше длины распространения ПЭВ. Техническим результатом является уменьшение продолжительности измерений и повышение их точности. 2 ил.
Изобретение относится к оптическим методам контроля качества поверхности металлов и полупроводников, а именно к инфракрасной (ИК) амплитудной рефлектометрии, в которой взаимодействие зондирующего излучения с поверхностью опосредовано поверхностной электромагнитной волной (ПЭВ), возбуждаемой падающим излучением и направляемой поверхностью, и может найти применение в микроэлектронике при производстве металлизированных подложек микросхем, в лазерной технике при изготовлении металлических зеркал, в высокотехнологическом производстве для контроля качества металлических изделий и металлизированных материалов различного специального назначения.
Одна из основных областей применения ИК ПЭВ - абсорбционная спектроскопия поверхности твердого тела, в которой мерой поглощения излучения поверхностью является длина распространения ПЭВ, определяемая путем промера интенсивности поля ПЭВ вдоль ее трека [1].
Известно устройство, реализующее оптический способ индикации конденсата на зеркальных металлических поверхностях посредством ИК ПЭВ [2]. Устройство содержит источник p-поляризованного монохроматического излучения, призменный элемент преобразования излучения в ПЭВ, удаленный от него вдоль трека ПЭВ на макроскопическое (по сравнению с длиной волны λ излучения) расстояние призменный элемент преобразования ПЭВ в объемную волну, размещенный в окружающей среде приемник излучения, измерительный прибор, регистрирующий поступающие от приемника электрические сигналы, и холодильник, приведенный в тепловой контакт с металлическим образцом и охлаждающим его до точки росы. Основными недостатками известного устройства являются невозможность контролировать всю поверхность грани образца, а также низкое соотношение сигнал/шум, что обусловлено порождением веера паразитных объемных волн на элементах преобразования.
Известно устройство, реализующее оптический способ изучения и контроля качества поверхности заготовок микросхем с использованием ПЭВ ИК-диапазона [3]. Устройство содержит источник p-поляризованного монохроматического излучения, поворотный предметный столик для размещения на нем объекта исследований, призменный элемент преобразования излучения в ПЭВ, удаленный от него вдоль трека ПЭВ на макроскопическое (по сравнению с λ) расстояние призменный элемент преобразования ПЭВ в объемную волну, размещенный в окружающей среде приемник излучения, измерительный прибор, регистрирующий поступающие от приемника электрические сигналы, и компьютер для накопления и обработки данных, поступающих от приемника. Устройство позволяет зондировать контролируемый участок поверхности заготовки микросхемы пучком ПЭВ, проходящим через участок в различных направлениях, что делает возможным оконтуривание неоднородности. Основными недостатками известного устройства являются большая продолжительность измерений, низкое соотношение сигнал/шум, необходимость тщательной юстировки элементов схемы при смене объекта исследований.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство, реализующее способ локализации неоднородностей плоской металлической поверхности в ИК излучении [4]. Известное устройство содержит источник p-поляризованного монохроматического излучения, апертурный элемент преобразования излучения в пучок ПЭВ, перемещаемую вдоль трека пучка плоскую матрицу приемников излучения и устройство обработки поступающих с матрицы электрических сигналов. Смещая матрицу вдоль трека, регистрируют распределение поля ПЭВ над контролируемым участком поверхности; вариации распределения позволяют оконтурить неоднородность в направлении распространения ПЭВ. Переместив элемент преобразования на противоположную сторону грани образца и выполнив аналогичные измерения, определяют местоположение второй половины границы неоднородности. Основными недостатками устройства-прототипа являются большая продолжительность измерений, низкая точность локализации неоднородностей из-за перекрытия объемных волн, порождаемых при дифракции ПЭВ на крае неоднородности, необходимость тщательной юстировки элементов схемы при смене объекта исследований.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является уменьшение продолжительности измерений и повышение их точности.
Технический результат достигается тем, что устройство для обнаружения неоднородностей на плоских гранях потока однотипных проводящих изделий в инфракрасном излучении, содержащее источник p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения в ПЭВ, приемник излучения, размещенный в окружающей среде в плоскости падения, и измерительный прибор, регистрирующий поступающие от приемника электрические сигналы, дополнительно содержит еще один элемент преобразования излучения в ПЭВ, причем оба элемента выполнены в виде сегментов цилиндров, центральный угол которых не меньше 45°, оси ориентированы перпендикулярно плоскости падения, а выпуклые поверхности способны направлять ПЭВ и имеют длину дуги в поперечном сечении меньше длины распространения ПЭВ; кроме того, устройство содержит лентопротяжный механизм для последовательного перемещения изделий перпендикулярно плоскости падения.
Уменьшение продолжительности измерений достигается в результате: 1) неподвижности обоих элементов преобразования (излучения источника в ПЭВ и ПЭВ в объемную волну), что позволяет исключить их юстировку при контроле каждого следующего изделия; 2) дистанцированности обоих элементов преобразования на макроскопическое расстояние от контролируемых изделий, что снижает требование к точности установки изделий и обеспечивает бесконтактность измерений; 3) применения лентопротяжного механизма для последовательного экспонирования изделий под пучок зондирующего излучения. Возможность макроскопического дистанцирования элементов преобразования от контролируемых граней изделий обосновывается способностью ПЭВ ИК диапазона преодолевать с приемлемыми потерями воздушные зазоры (величиной до 103⋅λ) между направляющими их подложками [5].
Повышение точности измерений достигается за счет повышения соотношения сигнал/шум вследствие экранирования приемника от паразитных засветок выпуклыми поверхностями элементов преобразования, реализуя, таким образом, идею «загоризонтной локации» (в нашем случае, генерирования и детектирования ПЭВ) в ИК диапазоне [6].
На Фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - источник ИК-излучения; 2 - цилиндрический элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ с центральным углом не меньше 45°; 3 - плоскогранное проводящее изделие; 4 - лентопротяжный механизм; 5 - цилиндрический элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ; 6 - приемник излучения; 7 - измерительный прибор, регистрирующий поступающие от приемника 6 электрические сигналы.
На Фиг. 2 приведен расчетный график значений относительной интенсивности ПЭВ по мере продвижения ленты механизма 4, несущей ряд однотипных плоскогранных изделий из золота с неоднородностью в виде слоя сульфида цинка толщиной 0.3 мкм, имеющего форму равностороннего треугольника со стороной 50 мм и вершиной, обращенной к источнику 1.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Излучение источника 1 падает на ребро цилиндрической поверхности элемента 2, имеющей радиус кривизны не менее 100⋅λ, что обеспечивает неизлучающий характер ПЭВ на искривленной поверхности. Излучение дифрагирует на ребре и, с некоторой эффективностью, преобразуется в ПЭВ, направляемую выпуклой поверхностью элемента 2 [5]. Достигнув второго ребра выпуклой поверхности, ПЭВ трансформируется в объемную волну с узкой диаграммой направленности, захватывающей ребро контролируемой грани изделия 3, несомого лентой механизма 4 и пересекающего в этот момент плоскость распространения излучения. Преодолев воздушный зазор, отделяющий элемент 2 от изделия 3, объемная волна дифрагирует на ребре изделия 3 и генерирует на его грани новую ПЭВ. Затухая по экспоненте, эта ПЭВ достигает противоположного ребра грани, дифрагирует на нем и порождает еще одну объемную волну, пересекающую воздушный зазор, отделяющий изделие 3 от элемента 5, аналогичного по своим параметрам элементу 2. Взаимодействуя с ребром элемента 5, эта волна преобразуется в ПЭВ, направляемую его выпуклой поверхностью. Эта ПЭВ, достигнув второго ребра элемента 5, трансформируется в объемную волну, детектируемую приемником 6. Электрический сигнал, пропорциональный интенсивности излучения на входной апертуре приемника 6, регистрируется прибором 7. Если на пути ПЭВ, распространяющейся по грани изделия 3, встретится какая-либо неоднородность, то это приведет к уменьшению регистрируемого прибором 7 сигнала. Таким образом, признаком наличия неоднородности на поверхности изделия 3, а следовательно, и критерием для его выбраковки, является достижение электрическим сигналом минимального порогового значения, задаваемого оператором после калибровки величины сигнала по эталонному образцу изделия 3. Отметим также, что цилиндрическая форма направляющих ПЭВ поверхностей элементов преобразования 2 и 5 обеспечивает надежную экранировку приемника 6 от паразитных засветок объемными волнами, порождаемыми при дифракции излучения на ребрах как обоих упомянутых элементов, так и на ребрах изделий 3.
В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность обнаружения слоя сульфида цинка (ZnS) на плоских гранях находящегося в воздухе потока однотипных изделий 3 с непрозрачным золотым покрытием путем регистрации интенсивности ПЭВ, генерируемой излучением с λ=130 мкм. Для расчета длины распространения L и коэффициента поглощения α таких ПЭВ решим дисперсионное уравнение ПЭВ для трехслойной структуры [1], подставив в него диэлектрическую проницаемость золота, рассчитанную по модели Друде (столкновительная частота свободных электронов в золоте равна 215 см-1, плазменная частота - 72800 см-1), и полагая показатель преломления ZnS равным 3.95. Результаты расчетов показали, что для ПЭВ на золоте, не содержащем ZnS-покрытия, L=650 см, а величина α=1.5×10-3 см-1; в то время как при наличии ZnS слоя толщиной 0.3 мкм - L=70 см, что соответствует α=1.44×10-2 см-1. Предположим, что размеры плоской грани каждого из изделий равны 100×50 мм2, причем ПЭВ распространяется вдоль ее более длинного ребра (см. Фиг. 1). Пусть эта грань содержит неоднородность в виде ZnS слоя толщиной d=0.3 мкм, имеющего форму правильного треугольника со стороной 50 мм и опирающегося своим основанием на короткое ребро b грани. Тогда, величина нормированного сигнала I/Io (где Io - сигнал при d=0) с выхода приемника 6 при перемещении данного изделия от его края (x=0) до середины (x=b/2) будет описываться выражением: I/Io=ехр[-αo⋅(b/2-х)]×exp(-α⋅x); здесь αo и α - значения коэффициента поглощения ПЭВ при d=0 и d=0.3 мкм соответственно. Графически расчетная зависимость I/Io(x) для одного изделия 3 представлена на Фиг. 2. Для последовательного же ряда таких изделий, размещенных на ленте механизма 4 с некоторым интервалом, приведенная зависимость I/Io(x) будет многократно повторена с падением сигнала до нуля в промежутке между изделиями, поскольку ПЭВ не могут преодолеть большой воздушный зазор между элементами 2 и 5. Отметим также, что устройство позволяет оценить размер неоднородности вдоль трека ПЭВ по величине регистрируемого относительного сигнала I/Io. Преодоление сигналом определенного минимального порогового значения, задаваемого оператором после калибровки устройства по эталонному образцу изделия 3, является критерием для выбраковки соответствующего изделия на конвейере 4.
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство позволяет не только сократить время измерений, но и повысить их точность за счет повышения соотношения сигнал/шум путем экранирования приемника от паразитных засветок выпуклыми поверхностями элементов преобразования излучения.
Источники информации
1. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. – М.: Наука, 1985. - 525 с.
2. Алиева Е.В., Жижин Т.Н., Москалева М.А., Яковлев В.А. Способ индикации конденсата на зеркальных металлических поверхностях // Автор. св. СССР №1267331, бюл. №40 от 30.10.1986 г.
3. Васильев А.Ф., Гушанская Н.Ю., Жижин Г.Н., Яковлев В.А. Применение спектроскопии ПЭВ для изучения и контроля качества поверхности заготовок микросхем // Оптика и спектроскопия, 1987, Т. 63, вып. 3, с. 682-684.
4. Никитин А.К., Князев Б.А., Жижин Т.Н. Способ локализации неоднородностей металлической поверхности в инфракрасном излучении // Патент РФ на изобретение №2479833, бюл. №11 от 20.04.2013 г. (прототип).
5. Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.К., Zhizhin G.N. Experimental investigations into capability of terahertz surface plasmons to bridge macroscopic air gaps // Optics Express, 2015, v. 23, No. 26, p. 33448-33459.
6. Никитин A.K., Жижин Г.Н., Князев Б.А., Никитин В.В. Устройство для измерения длины распространения монохроматических поверхностных электромагнитных волн инфракрасного диапазона // Патент РФ на изобретение №2470269, бюл. №35 от 20.12.2012 г.
Устройство для обнаружения неоднородностей на плоских гранях потока однотипных проводящих изделий в инфракрасном излучении, содержащее источник p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ), приемник излучения, размещенный в окружающей среде в плоскости падения, и измерительный прибор, регистрирующий поступающие от приемника электрические сигналы, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит еще один элемент преобразования излучения в ПЭВ, причем оба элемента выполнены в виде сегментов цилиндров, центральный угол которых не меньше 45°, оси ориентированы перпендикулярно плоскости падения, а выпуклые поверхности способны направлять ПЭВ и имеют длину дуги в поперечном сечении меньше длины распространения ПЭВ.
