CC BY
89
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ СИНТЕЗА И КОНТРОЛЯ ТОПОЛОГИИ ФОТОШАБЛОНОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Алексей Валерьевич Кирьянов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, научный сотрудник, лаборатория лазерных прецизионных систем, тел. (383) 306-62-20, e-mail:
alexey@tdisie.nsc.ru, Новосибирский государственный технический университет, 630092, г. Новосибирск, проспект К. Маркса, 20, доцент кафедры автоматики, тел. (383) 346-11-19, email: oao_nips@bk.ru
Валерий Павлович Кирьянов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, лаборатория интегрированных информационных систем управления, тел. (383) 333-23-87, e-mail: kiryanov@iae.nsk.su
Дмитрий Юрьевич Кручинин
ОАО «ПО «Уральский оптико-механический завод», 620100, г. Екатеринбург, ул. Восточная, 33-б, главный специалист, тел. (343) 229-80-67, e-mail: krudu@planet-a.ru
В докладе рассмотрены результаты синтеза и контроля топологии фотошаблонов интегральных датчиков давления и угла поворота, изготовленных с помощью лазерных генераторов изображений, работающих в полярной и декартовых координатах.
Ключевые слова: интегральный датчик физической величины, фотошаблон, круговое сканирование, лазерный генератор изображений.
ACCURACY ENHANCEMENT FOR SYNTHESIS AND INSPECTION PROCESS THE PHOTOMASK TOPOLOGY OF PHYSICAL QUANTITY INTEGRAL SENSORS
Alexey V. Kiryanov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 41, Russkaya str., Novosibirsk 630058, Candidate of science, researcher, Laboratory for laser precision system, tel. (383)306-62-20, e-mail: alexey@tdisie.nsc.ru, Novosibirsk State Technical University, 20, K. Marksa Prospekt, Novosibirsk 630092, assistant professor, Department of automation, tel. (383) 346-11-19, e-mail: oao_nips@bk.ru.
Valeriy P. Kiryanov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1 Academician Koptug ave., Novosibirsk 630090, Doctor of Science, lead researcher, Laboratory for Integrated Informational Control System, tel. (383)333-23-87, e-mail: kiryanov@iae.nsk.su
Dmitriy Yu. Kruchinin
JSC «Urals Optical & Mechanical Plant», 33b, Vostochnaya str., Ekaterinburg 620100, main specialist, tel. (343) 229-80-67, e-mail: krudu@planet-a.ru
The results of synthesis and inspection process of photomask topology of integral pressure and turning angle sensors are considered. They have been made using laser image generators operating in polar and Cartesian coordinates.
Keywords: integral sensor of physical quantity, photomask, circular scanning, laser image generator.
1. Введение. Интегральные датчики физических величин (ИДФВ) являются важнейшими элементами высокоточных систем управления и контроля в ракетной, космической и авиационной технике, атомной энергетике и других отраслях промышленности. К ИДФВ относятся - датчики давления, расхода, скорости вращения, ускорения, угла поворота и т.д.
Одним из основных технологических этапов производства ИДФВ является процесс изготовления прецизионных фотошаблонов (ФШ) для формирования топологии чувствительного элемента (ЧЭ). Известно, что погрешности изготовления ЧЭ вносят основной вклад в результирующую погрешность ИДФВ. Поэтому создание как можно более точных ФШ является актуальной проблемой технологического процесса изготовления ИДФВ.
В настоящее время для технологических операций синтеза и контроля топологии ФШ ИДФВ, производители, как правило, используют технологии и оборудование, работающие в декартовой системе координат и разработанные для нужд микроэлектронной промышленности [1]. Это дорогие установки и, что следует особо отметить, в настоящее время всё технологическое оборудование для микроэлектронной промышленности России поставляется фирмами из ближнего (ГНПО «Планар», Республика Беларусь) или дальнего (Heidelberg Instruments, Германия, MEMS & Nanotechnology, США и т.д.) зарубежья.
В то же время, топология ИДФВ по сравнению с интегральными схемами имеет ряд специфических отличий. Прежде всего, она имеет более высокую относительную точность взаимного расположения элементов на ЧЭ датчика и характеризуется наличием большого числа произвольно ориентированных в пространстве элементов топологии. Так же отличается большими размерами самого ЧЭ. И, наконец, для неё характерна существенно меньшая насыщенность элементами топологии на единицу площади ЧЭ.
В настоящем докладе на примере интегральных датчиков давления и угла поворота анализируется перспективность использования в данных процедурах технологии растрового сканирования.
2. Использование технологии растрового сканирования для синтеза топологии фотошаблонов датчиков давления. Перспективность использования данной технологии оценивалась на примере изготовления комплекта фотошаблонов чувствительного элемента (ЧЭ) тензорезисторного тонкопленочного датчика давления. Комплект состоит из двух фотошаблонов, на которых сформирован топологический рисунок двух основных слоёв чипа: резистивного и контактного. После выполнения операций по формированию на подложке указанных слоёв получается чувствительный элемент (ЧЭ) датчика
давления на основе тензомостовой схемы (рис. 1). Эффективность использования новой технологии синтеза оценивалась путём сравнения
погрешности формирования тензорезисторов, входящих в измерительные плечи моста. Снижение разброса номиналов тензорезисторов в плечах тензомоста позволяет снизить влияние технологических разбросов на аддитивную составляющую температурной погрешности давления.
Анализ результатов показывает, что средняя величина разброса номиналов
тензорезисторов, сформированных с помощью технологического оборудования, работающего в декартовой системе координат, составляет 19,2 Ом (2,83%). Среднее значение разброса номиналов тензорезисторов в измерительных плечах моста, сформированных с помощью технологии кругового растрового сканирования, составляет 10.9 Ом (1.7%) т.е. в 1.7 раза меньше, чем по традиционной технологии.
Оценка причин такого улучшения
производилась путём анализа искажений
топологии ЧЭ в сравнении с исходным чертежом.
На рис. 2 и 3 приведёны фотографии фрагментов топологии ЧЭ, изготовленных по традиционной технологии и технологии растрового сканирования, соответственно. Масштаб увеличения на обеих фотографиях 150х. На рис. 2 стрелкой указано на одно из очевидных искажений топологии ЧЭ, приводящее к изменению размеров (а, следовательно, и сопротивления) тензорезисторов, входящих в измерительные плечи моста.
ми
Рис. 3. Фрагмент топологии ЧЭ, изготовленного по технологии растрового сканирования
На фрагменте топологии ЧЭ, сформированного по технологии кругового растрового сканирования (рис. 3) четко виден край элементов, искажений формы нет. Анализ процесса выполнения операций фотолитографии с
Рис. 2. Фрагмент топологии ЧЭ, изготовленного по традиционной технологии
тонкопленочных датчиков
Рис. 1. Топология чувствительного элемента интегрального датчика давления
использованием комплекта фотошаблонов выявил несовмещение фотошаблонов резистивного и контактного слоя на величину порядка 15 - 25 мкм, что привело к незначительному искажению общей картины тензосхемы. Причиной такого несовмещения рисунков на разных шаблонах комплекта является неточность индивидуального масштабирования рисунков при изготовлении каждого слоя.
Таким образом, топология ЧЭ интегрального датчика давления, сформированная с применением комплекта фотошаблонов, изготовленных по технологии кругового растрового сканирования, выгодно отличается от
топологии ЧЭ, сформированной с помощью генераторов изображений, работающих в декартовой системе координат.
3. Использование технологии растрового сканирования для синтеза и контроля топологии фотошаблонов датчиков угла поворота.
Перспективность использования этой технологии анализировалась на примере изготовления радиального растра с параметрами: диаметр - 90 мм, число штрихов - 6000. Данный элемент изготавливался с помощью лазерного генератора изображений, реализующего принцип кругового растрового
сканирования, и двух лазерных генераторов изображений ЭМ- 5109,
эксплуатируемых на предприятии «Урал-ГОИ» (С.-Петербург) и ГНПО
«Планар» (Минск), работающих в декартовой системе координат. Контроль топологии фотошаблона осуществлялсяся с помощью установки АС-700 (ОАО
Для проведения
высокоточного контроля
топологии фотошаблонов
датчиков угла поворота установка АС-700 позволяет достаточно легко реализовать фазо-
статистичекий метод (ФСМ) [2]. В основе ФСМ компенсации
систематической погрешности опорной шкалы лежит известный постулат, который утверждает, что для замкнутой круговой шкалы сумма погрешностей штрихов Л(р равна нулю: п
ТЛ^1 = 0, (1)
1
Суть метода состоит в использовании п циклов измерений. После завершения измерений взаимного сдвига всех т штрихов контролируемой шкалы относительно соответствующих т штрихов референтной шкалы, контролируемую шкалу сдвигают на угол 360°/п относительно её первоначального положения и повторяют цикл измерений. Затем контролируемую шкалу проворачивают ещё раз на угол 360°/ п и снова
«НПО «УОМЗ», г. Екатеринбург) (рис. 4).
Рис. 4. Установка АС-700 для контроля топологии фотошаблонов датчиков угла поворота
производят цикл измерений. Процедуру измерений повторяют п раз, пока одна шкала не провернётся относительно другой на 360°. Затем производят обработку матрицы из т х п результатов, состоящую в построчном усреднении результатов измерений. Если измерения «привязать» к началу отсчёта контролируемой шкалы, то результат обработки будет представлять собой новый файл данных, характеризующий погрешность каждого штриха контролируемой шкалы относительно его идеального положения:
1 ш-1
АЩ _ -X
ш3=о
шеъ
V
1 ш-1 1
_ X А Тв/1 + \ш ■ А шesi /А
ш з_о ■'1 ™ 1
У
ш
ШвЯ}
(2)
здесь i= (1...п) - текущий номер штриха контролируемой и референтной шкал, j = (0...т-1) - текущий номер сдвига во взаимном расположении шкал, А те^ - погрешность контролируемой шкалы, а А гф - погрешность референтной
шкалы.
Рис. 5. Погрешность растра, изготовленного на лазерном генераторе с круговым сканированием
Рис. 6. Погрешность растра, изготовленного предприятием «Урал-ГОИ» на лазерном генераторе ЭМ-5109
Вклад погрешности референтной шкалы в этом файле данных будет снижен до величины, пренебрежимо малой в сравнении с остальными компонентами погрешности. Реализация этого режима на установке АС-700 была осуществлена программной привязкой данных к началу контролируемой шкалы за счёт искусственного уширения одного штриха.
Результаты контроля представлены в виде кривых погрешности углового положения штрихов растров (рис. 5, 6, 7), соответственно [3].
Как видно из графиков, погрешность расположения штрихов растра, изготовленного по технологии растрового сканирования, составляет ± 0,65", а погрешность расположения штрихов растра, изготовленного по технологии микрофотонабора изображения, составляет ± 7,0" для установки «Урал-ГОИ» и ± 13,0" - для установки
ГНПО «Планар».
Т.е. точность растров, синтезированных по
технологии растрового сканирования, в 10 ...20 раз выше, чем точность растров, синтезированных по технологии
микрофотонабора изображения. Причём основной вклад в результирующую погрешность в этой технологии, вносит вторая гармоника.
Применительно к технологическим установкам, созданных для работы в декартовых координатах и не имеющих узла вращения, происхождение второй гармоники объясняется различием параметров систем управления движением стола по X и Y координатам, которые определяют отклонения от идеальной траектории записи топологичеких элементов датчика.
4. Обсуждение результатов контроля топологии фотошаблонов интегральных датчиков физических величин. Как уже упоминалось ранее, фотошаблоны обоих типов ИДФВ содержат топологические элементы, расположенные в строго определённом порядке, но в широком диапазоне изменения углов наклона к классическим декартовым осям. Очень часто топологические элементы интегральных датчиков располагаются в соответствии с полярными координатами. В этих случаях траекторией движения контролирующего органа является окружность, и любые отклонения от идеальной траектории вносят методическую погрешность 5ф, максимальное
0 45 90 135 180 225 270 315 360
Г радусы
Рис. 7. Погрешность растра, изготовленного предприятием ГНПО «Планар» на лазерном генераторе ЭМ-51
значение которой для установок со встроенным шпиндельным узлом может быть оценено следующим выражением:
8(р = 0.41- —+ Ащ, (3)
где F - фактор нестабильности комплекса, в первом приближении совпадающий с биениями оси ротора шпинделя, выраженный в мкм; D -диаметр идеальной траектории движения контролирующего органа, выраженный в метрах; Дф - погрешность референтного углового датчика шпиндельного узла, выраженная в угловых секундах. Текущее значение погрешности 5ф1 состоит из систематической составляющей Лф1 и случайной, обусловленной флюктуациями в положениях оси вращения ротора. В измерительных установках систематическую составляющую погрешности измерений чаще всего можно свести к минимуму либо путём компенсации, либо использования фазо-статистического метода измерений [2]. Случайную составляющую можно минимизировать за счёт использования более совершенных шпиндельных узлов. В настоящее время коммерчески доступны аэростатические шпиндели с нестабильностью положения оси ротора порядка 50 нм. Тогда погрешность контроля топологии интегральных датчиков диаметром, например, 50 мм в единичном измерении будет равна 0.4". Используя алгоритм контроля топологии с накоплением и усреднением за К оборотов, случайную составляющую погрешности можно уменьшить 4К раз. Например, усредняя за 100 оборотов, можно уменьшить её до 0.04".
Для установок, работающих в декартовой системе координат, максимальное значение 5ф может быть оценено следующим выражением:
0 41' Л , (4)
где F - фактор нестабильности комплекса чаще всего совпадает с погрешностью систем управления движением стола по X и Y координатам. Так, в [4] отмечалось, что специалистам фирмы Tamagawa Seyko (Япония) удалось уменьшить погрешность систем по обеим координатным осям до 0.1 мкм. Расчёт фактора нестабильности лазерного генератора изображений фирмы Tamagawa Seyko, выполненный по результатам измерения погрешности изготовленного на этом комплексе [3], дал следующий результат: F= 0.109 мкм. Считая результат настройки динамической погрешности систем управления лазерного генератора изображений фирмы Tamagawa Seyko уникальным, используем его в качестве верхнего предела возможностей генераторов данного класса. Тогда достижимая погрешность контроля топологии интегральных датчиков диаметром, например, 50 мм в единичном измерении будет равна 0.9". Т.к. движение координатного стола по криволинейной траектории с отмеченной выше точностью осуществляется с существенно меньшей скоростью, чем это реализуется в комплексах с круговым сканированием, то реализация режимов измерений с большими значениями циклов усреднения в данных комплексах весьма проблематично. Поэтому оценки потенциально достижимых
погрешностей контроля для этих комплексов на уровне 0.05 - 0,1" являются наиболее оптимистическими.
5. Выводы. Проведено исследование точностных параметров синтеза тензорезисторов, входящих в измерительные плечи моста интегрального датчика давления, изготавливаемых на двух типах лазерных генераторов изображений: работающих в декартовой и полярной системе координат. Показано, что разброс номиналов тензорезисторов в измерительных плечах моста, сформированном с помощью фотошаблонов, изготовленных по технологии кругового растрового сканирования, в 1.7 раза меньше, чем по традиционной технологии.
Проведено исследование точностных параметров изготовления радиальных растров для интегральных датчиков угла поворота. Показано, что точность растров, синтезированных по технологии растрового сканирования на порядок выше, чем точность растров, синтезированных по технологии микрофотонабора изображения.
Использование технологических и измерительных комплексов,
реализующих принцип кругового растрового сканирования, может стать более эффективным средством повышения точности операций контроля и синтеза фотошаблонов интегральных датчиков физических величин по сравнению с традиционным использованием лазерных генераторов, работающих в
декартовой системе координат.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Специальное технологическое оптико-механическое оборудование для производства изделий микроэлектроники «КБТЭМ - ОМО» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http ://kb -omo.by/content/view/80/56/
2. Portman V., Peschansky B. Phase-statistical method and device for high precise and high-efficiency angular measurements // Precision Engineering. - 2001. - Vol. 25. - P. 309.
3. Кирьянов В.П., Кирьянов А.В., Кручинин Д.Ю., Яковлев О.Б. Анализ современных технологий синтеза углоизмерительных структур для высокоточных угловых измерений // Оптический журнал. - 2007. - №12. - С. 40-49.
4. Kojima T., Kikuchi Y., Seki S., Wakiwaka H. Study on High Precision Angle Measuring Technology // The 30th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Busan,
Korea. 2004. - P. 1530-1535.
© А.В. Кирьянов, В.П. Кирьянов, Д.Ю. Кручинин, 2012
