CC BY
10
Key words: magnetic compass, correction system, roll error, ship pitching.
Gryazin Dmitry Gennadievich, doctor of technical sciences, professor, dggryazin@jtmo.ru, Russia, St. Petersburg, ITMO University
УДК 621.891
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-66-73
РАСТРОВАЯ СКАНИРУЮЩАЯ ФОТОСТИМУЛИРОВАННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТРИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Р.И. Воробей, О.К. Гусев, А.Л. Жарин, В.А. Микитевич, К.В. Пантелеев, А.И. Свистун, А.К. Тявловский, К.Л. Тявловский
Представлены результаты разработки метода и средств растровой сканирующей электрометрии для неразрушающего бесконтактного контроля однородности распределения электрофизических параметров прецизионных поверхностей. Основу метода составляет анализ фотостимулированных изменений работы выхода электрона с использованием цифрового зонда Кельвина.
Ключевые слова: сканирующая электрометрия, поверхность, работа выхода электрона, цифровой зонд Кельвина, неразрушающий контроль.
Современные технологии широко используют материалы и изделия с прецизионными поверхностями, которые характеризуются высоким совершенством обработки поверхности, химическим составом, приближающим свойства таких поверхностей к атомарно чистым, наличием слоев, формирующих уникальные оптические и электрофизические свойства изделий, с толщиной в несколько межатомных расстояний. При визуальном контроле, в том числе и с использованием микроскопов, такие поверхности, даже содержащие дефекты, выглядят идеальными. Однако, для технологий, использующих такие прецизионные поверхности (полупроводниковая промышленность, производство дисплеев, биомедицинские приборы и т.д.) существенными являются дефекты с размерами менее длины волны видимого света и важное влияние на качество изделий оказывает однородность пространственного распределения электрофизических параметров прецизионных поверхностей как на промежуточных, так и на финальных стадиях технологического процесса. При этом, размеры изделий с прецизионными поверхностями могут составлять сотни и тысячи миллиметров. Указанные особенности ограничивают применимость традиционных методов контроля, а к вновь разрабатываемым методам предъявляются требования высокой чувствительности к изменениям свойств материала или приборной структуры даже малых размеров, но при возможности сканирования изделий больших размеров, чувствительность к дефектам или пространственным неоднородностям различной физической природы, неразрушающий (бесконтактный) характер контроля, минимально возможное время контроля, ограничиваемое к тому же возможностью изменения свойств материала за время контроля, необходимость контроля самого изделия, а не тестового «спутника», с возвратом изделия обратно в технологический процесс без применения дополнительных процедур подготовки изделия к измерениям и при возврате после измерений в технологический процесс.
В качестве основы метода контроля, с использованием которого разработан ряд измерительных средств и методик контроля, избран анализ фотостимулированных изменений работы выхода электрона с использованием цифрового зонда Кельвина. Использование измерений работы выхода электрона (РВЭ) зондовыми методами [1] позволяет обнаруживать любые неоднородности прецизионных поверхностей, такие как локальные изменения химического состава, загрязнения, внутренние механические напряжения, дислокации, скопления дефектов кристаллической решетки и т.д. Положительная особенность методов контроля РВЭ заключается в том, что формирование измерительного сигнала происходит в пределах Дебаевской длины экранирования, что для полупроводниковых материалов составляет несколько атомарных слоев и поэтому позволяет контролировать электрофизические свойства тонких приборных слоев независимо от свойств подложки. С другой стороны, большая Дебаевская длина экранирования
в диэлектриках приводит к тому, что наличие на контролируемой поверхности диэлектрических слоев не оказывает влияния на результаты контроля. Необходимо также отметить, что, хотя контроль пространственного распределения изменений работы выхода электрона и позволяет обнаружить любые нарушения свойств изделий с прецизионными поверхностями, тем не менее не обеспечивает определение природы дефектов и неоднородностей. И так как регистрируемый электростатический потенциал поверхности полупроводника является комплексным параметром, некоррелированно зависящим одновременно от нескольких электрофизических параметров поверхности полупроводника, основным фактором, сдерживающим использование зондовых электрометрических методов в традиционных схемах измерения, является сложность интерпретации результатов контроля [2]. Однако [3] комбинация базового метода с методиками, связанными с воздействием на приповерхностную область различных контролируемых воздействий, позволяет разделить вклад различных физических эффектов в измерительный сигнал, и, следовательно, не только определить их физическую природу, но и количественные характеристики параметра или процесса. Сканирующие методы контроля связаны с необходимостью получения и обработки измерительных сигналов в каждой из точек контроля формирования растра, поэтому время выполнения процедуры контроля связано с временем формирования измерительного сигнала в каждой из этих точек. Существенное сокращение времени измерения РВЭ достигнуто путем отказа от традиционного компенсационного метода измерения и использования, разработанного «цифрового» [4] метода измерения РВЭ поверхности, не требующего компенсации измерительного сигнала.
В «цифровом», не компенсационном методе используется косвенное определение параметров компенсационной зависимости измерительного сигнала зонда Кельвина по амплитудным значениям сигнала, полученным при заданных двух (или несколько более) различных напряжениях компенсации. Значение КРП определяется путем аппроксимации компенсационной зависимости сигнала [4]. При этом при использовании компенсационного метода [5] требуется обработка не двух, а нескольких сотен, или даже нескольких тысяч амплитудных значений, требуемых для работы цепи обратной связи. Таким образом, использование цифрового метода измерения РВЭ обеспечивает существенное уменьшение времени измерения в каждой точке растра и, следовательно, всей процедуры сканирования и контроля.
Схема цифрового зонда выполнена на основе высокопроизводительного 32-разрядного микроконтроллера с ядром Cortex M4, который обеспечивает формирование напряжения компенсации, генерирует и синхронизирует колебания отсчетного электрода электрометрического зонда с процедурами обработки измерительного сигнала АЦП микроконтроллера (рис. 1). Измерительный сигнал обрабатывается в режиме реального времени средствами цифровой обработки сигнала (Digital Signal Processing) микроконтроллера.
Рис. 1. Схема электрометрического зонда для цифрового метода измерения РВЭ: 1 - пьезоэлектрический модулятор механических колебаний; 2 - высокоимпедансный преобразователь ток-напряжение; 3 - нормирующий усилитель; 4 - микроконтроллер;
М1, М2 - поверхности отсчетного электрода и объекта контроля
В сравнении с традиционными (компенсационными) измерителями по методу Кельви-на-Зисмана [3, 5], в цифровом измерителе не требуется применение фазовой следящей системы с обратной связью для определения нулевого уровня сигнала при компенсации и цепи интегрирования, используемой для достижения требуемой точности определения КРП. Применение цифрового метода [4] позволило не только улучшить точностные характеристики (0,1-1 мВ) за счет исключения области неопределенности, имеющейся в измерителях, построенных по компенсационному методу, но и увеличить производительность процедур контроля. Например, при сканировании полупроводниковой пластины диаметром 200 мм традиционным методом измерения РВЭ требуется несколько часов, тогда как использование в операции контроля цифрового метода позволяет сократить время контроля до нескольких десятков минут.
67
Контроль различных параметров полупроводниковых пластин, основанных на методиках, использующих измерения изменений РВЭ цифровым методом при различных дополнительных воздействиях, реализован в серии измерительных установок ряда СКАН-ХХХХ (рис. 2), разработанной в БНТУ (г. Минск). Измерительные установки контроля полупроводниковых пластин и других прецизионных поверхностей в основном используются в ОАО «Интеграл» (Минск), разрабатывающем и производящем дискретные полупроводниковые приборы и интегральные схемы.
б
Рис. 2. Измерительные установки типа СКАН для контроля распределения примеси железа (а) и бесконтактного контроля пространственного распределения удельного сопротивления (б) ионно-легированньх слоев
При контроле всех параметров прецизионных поверхностей главным измерительным сигналом являются регистрируемые цифровым методом изменения работы выхода электрона, измеряемый потенциал которых находится в диапазоне ± (5...5000) мВ. Динамическая погрешность измерения электрического потенциала контролируемой поверхности не превышает 1 мВ. Измерения могут проводиться как на свободной поверхности кремниевой пластины, так и под слоем диэлектрика («тонкий» диэлектрик с толщинами 5-20 000 нм, и более 20 000 нм - «толстый» диэлектрик). Диаметр контролируемых пластин составляет от 50 до 300 мм, а пространственное разрешение при контроле пространственных неоднородностей распределения контролируемых параметров 0,1-0,5 мм.
Одними из наиболее универсальных и легко реализуемых дополнительных воздействий на объект контроля с целью выявления природы изменения измеримого электрического потенциала поверхности [3] являются освещение подэлектродной области излучением с различными длинами волн, следовательно, и разной глубиной поглощения, и временными параметрами воздействия, и нагрев объекта контроля. Воздействие оптического излучения на полупроводник сопровождается возникновением поверхностной фото-ЭДС, обусловленной генерацией неравновесных носителей заряда (ННЗ) и проявляющегося в виде локального изменения электрического потенциала поверхности, которое может быть зафиксировано зондовым электрометрическим преобразователем. Поскольку одновременно с генерацией имеют место процессы диффузии и рекомбинации ННЗ, величина регистрируемой поверхностной фото-ЭДС будет уменьшаться по мере удаления от точки воздействия, причем характер изменения поверхностной фото-ЭДС связан с электрофизическими параметрами полупроводника, в частности, длиной диффузии ННЗ и удельным поверхностным сопротивлением, однозначной зависимостью. Это позволяет в разработанных методиках фотостимулированной электрометрии, использующих известные математические модели, определять различные электрофизические параметры на основе регистрации поверхностной фото-ЭДС на различном удалении от места генерации ННЗ для различных длин волн оптического излучения.
Например, для определения длины диффузии ННЗ использована зависимость коэффициента поглощения оптического излучения в полупроводнике от длины волны излучения. При этом различие коэффициентов поглощения а приводит к разному профилю генерации носителей заряда по глубине для оптического излучения различных длин волн X, а результирующая зависимость поверхностной фотоЭДС Ур(а) описывается законом (1) вида
1
К " 1Ь + а
1
(1)
где Ьп - длина диффузии ННЗ; С2 - константа, определяемая собственными параметрами полупроводника (концентрацией легирующей примеси, скоростью рекомбинации ННЗ и др.), температурой окружающей среды и плотностью мощности воздействующего оптического излучения Ф.
Теоретический расчет значения константы С2 затруднен. Поэтому разработанная методика измерений (рис.3) предусматривает поочередное освещение поверхности под полупрозрачным отсчетным электродом электрометрического зонда оптическим излучением с различающимися длинами волн Х2, соответственно, с разными коэффициентами поглощения а1, а2, и регистрацию соответствующих значений поверхностной фото-ЭДС Vpl, Vpl с последующим расчетом значения длины диффузии
V -V .-1
Ур 2 >Р1
а0
а.
(2)
V - V
Г P1 Гр 2
При необходимости проведения измерений с уменьшенной погрешностью измерений в измерительной установке предусматривается использование нескольких источников излучения (до четырех) с разными длинами волн [6].
Рис. 3. Схема измерения длины диффузии ННЗ Ьп
Неразрушающие бесконтактные методики фотостимулированной зондовой электрометрии могут быть использованы для неразрушающего измерения поверхностного сопротивления полупроводниковых слоев. При локальном освещении полупроводника с мелким переходом, сформированным в процессе диффузии или ионного легирования, генерируется вентильная фото-ЭДС (/РЮ с величиной VI (рис. 4). По мере удаления от области генерации избыточных носителей заряда их концентрация падает, и на некотором расстоянии от области освещения потенциал поверхности составит V2. При этом разность значений Vl-V2 определяется процессами растекания тока и зависит от удельного сопротивления полупроводникового слоя. В этом случае конструкция электрометрического зонда должна быть образована двумя емкостными электродами, один из которых выполнен полупрозрачным (рис. 4) и через него осуществляется ввод модулированного по амплитуде луча света. Реальная конструкция отсчетного электрода (рис. 5) электрометрического зонда образована четырьмя концетри- ческими секторными электродами, расположенными в одной плоскости. Центральный электрод занимает сектор 360°, а сектор каждого из остальных трех электродов составляет 100°.
Методика бесконтактного измерения удельного электрического сопротивления ионно-легированных и диффузионных слоев полупроводника с толщиной от 0,1 до 10 мкм заключается в локальном воздействии на поверхность полупроводника модулированным оптическим излучением под центром электрода Я1 (рис. 5); измерении амплитуд модулированной поверхностной фото-ЭДС VJpy(r2), К/р^гз) и VJpy(r4) и их фазовых сдвигов. Затем производится вычисление емкости подложки С и проводимости перехода О на основании анализа амплитуд и фазовых сдвигов модулированной поверхностной фото-ЭДС; вычисление удельного поверхностного сопротивления Яя.
Модулированный луч света
Мелкий переход
Освещенный участок
й <Д _ * =
-►д
Кремниевая подложка
Рис. 4. Датчик поверхностного сопротивления слоя на основе двухэлектродного электрометрического зонда
■Ш'
Рис. 5. Конструкция электродной системы чувствительного элемента: = 0,746мм2; Б = 0,567мм2; Бз = 0,785 мм2; Б = 1,004 мм2
Напряжение У1-У2 под датчиком электрометрического зонда в одномерной модели [7]
V = А х е -кх
где х - расстояние от второго электрода датчика до освещенного участка
к = [(Я8 х О) + (>х Я8 х С8 )]1/2
- сопротивление слоя в переходе; О - проводимость перехода; Cs - емкость подложки; та = 2%/- частота световой модуляции.
Еще одним применением метода растровой сканирующей фотостимулированной электрометрия является методика бесконтактного неразрушающего контроля концентрации примеси железа в кремниевых пластинах _р-типа проводимости, реализованная в измерительной установке СКАН-2015. Методика контроля вредной примеси железа основана на сравнительном анализе характеристик пространственного распределения диффузионной длины свободных носителей заряда, измеренных по уже описанной методике, до и после кратковременного температурного отжига пластины при 200 0С. Примесь железа в кремнии трудно обнаруживается, но нагрев пластины приводит к временной диссоциации пар железо-акцептор с выделением ин-терстициального железа; при этом температура 200-300 0С недостаточна для развития дефектов. При этом выделение интерстициального железа приводит к изменению диффузионной длины в областях, содержащих примесь железа, причем величина такого изменения связана с концентрацией примеси однозначной зависимостью. На основании результатов сканирования до и после отжига под действием инфракрасного излучения производится построение изображения пространственного распределения примеси железа.
Следует отметить, что во всех реализациях методик контроля средствами ПК производится не только вычисление параметров приповерхностных областей полупроводниковой пластины, но построение восстановленных изображений пространственного распределения соответствующих параметров в градациях серого, условных цветах (рис. 6), 3-0 пространстве, смещенных гистограммах и т.д.
Несмотря на рассмотрение применения методик фотостимулированной зондовой электрометрии на примере контроля полупроводниковых пластин, эти методики применимы и для других объектов. Интересным применением может быть использование «цифровой» зондовой электрометрии для контроля полимерных и композитных материалов, способных накапливать значительный поверхностный заряд. Вследствие отсутствия цепи обратной связи в схеме электрометрического зонда (рис. 1) становится возможным измерение значительных величин потенциала заряженной в ходе обработок поверхности - до сотен или тысяч вольт. Возможность свободного временного изъятия объектов контроля из технологического процесса или процесса эксплуатации возможно прослеживание изменений различных параметров приповерхностных областей на одних и тех же участках поверхности объектов контроля, возможно измерение непосредственно в процессе внешнего воздействия [8]. Например, на установках серии СКАН с использованием рассмотренных методик исследовались композитные материалы, модифицированные нанопокрытиями, после модификации поверхности алмазными инструментами, металлические поверхности с нанесенными пленочными полимерными слоями и др. [9].
Рис. 6. Пространственное распределение примеси железа в приповерхностной области пластины р-Б1
Необходимо также отметить, что предложенные методики контроля на основе зондо-вых электрометрических методов измерения помимо измерения целевого параметра контроля обеспечивают регистрацию дополнительных параметров характеризации материалов и изделий с прецизионными поверхностями. Так, при контроле пространственного распределения удельного сопротивления ионно-легированных и диффузионных слоев, в измерительном сигнале в том же цикле измерения содержится также информация об электрическую емкости активный слой-подложка, проводимости перехода, его токе утечки. Причем все измерения производятся бесконтактно, при контроле отсутствуют воздействия, способные вызвать изменения состояния поверхности, не требуется подготовка объекта контроля к измерениям. Выбор типа дополнительных неразрушающих воздействий на объект контроля определяет вид контролируемых параметров и может быть изменен относительно простой модификацией измерительных схем или даже изменением только программного обеспечения средств измерения.
Список литературы
1. Zharin, A.L. Contact Potential Difference Techniques As Probing Tools in Tribology and Surface Mapping. In book: Scanning Probe Microscopy in Nanoscience and Nanotechnology. Heidelberg: Springer-Verlag, 2010. 687-720 p.
2. Schroder, D.K. Semiconductor Material and Device Characterization / D.K. Schroder // Hoboken, New Jersey: John Wiley and Sons, Inc. 2006. 790 p.
71
3. Методология и средства измерений параметров объектов с неопределенными состояниями / О.К. Гусев, Р.И. Воробей, А.Л. Жарин, А.И. Свистун, А.К. Тявловский, К.Л. Тявлов-ский; под общ ред. О.К. Гусева. Минск: БНТУ, 2010. 582 с.
4. Пантелеев, К.В. Цифровой измеритель контактной разности потенциалов / К.В. Пантелеев, А.И. Свистун, А.К. Тявловский, А.Л. Жарин / Приборы и методы измерений. 2016. Т. 7, № 2. 136 - 144 с.
5. Жарин А.Л. Метод контактной разности потенциалов и его применение в трибологии. Минск: Бестпринт, 1996. 240 с.
6. Пилипенко, В.А. Характеризация электрофизических свойств границы раздела кремний-двуокись кремния с использованием методов зондовой электрометрии / В.А. Пили-пенко, В.А. Солодуха, В.А. Филипеня, Р.И. Воробей, О.К. Гусев, А.Л. Жарин, К.В. Пантелеев, А.И. Свистун, А.К. Тявловский, К.Л. Тявловский / Приборы и методы измерений. 2017, Т. 8, № 4. 344-356 с.
7. Faifer V.N., Current M.I., Wong T.M.H., Souchkov V.V. Noncontact sheet resistance and leakage current mapping for ultra-shallow junctions. J. Vac. Sci. Technol. B. 2006. V. 24, no.1. 414420 p.
8. Anatoly Zharin, Kanstantsin Pantsialeyeu, Marek Opielak, Przemyslaw Rogalski / Charge sensitive techniques in tribology studies / Przeglad electrotechniczny. 2016, № 11. 239-243 p.
9. Витязь, П.А. Наноматериаловедение. / П.А. Витязь, Н.А. Свидунович, Д.В. Куис. Минск: Вышэйшая школа, 2015. 511 с.
Воробей Роман Иванович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, nil_pt@bntu. by, Республика Беларусь, Минск, Белорусский национальный технический университет,
Гусев Олег Константинович, д-р техн. наук, профессор, проректор, gusev@bntu.by, Республика Беларусь, Минск, Белорусский национальный технический университет,
Жарин Анатолий Лаврентьевич, д-р техн. наук, профессор, nil_pt@bntu.by, Республика Беларусь, Минск, Белорусский национальный технический университет,
Микитевич Владимир Александрович, магистр, аспирант, nil_pt@bntu.by, Республика Беларусь, Минск, Белорусский национальный технический университет,
Пантелеев Константин Владимирович, канд. техн. наук, доцент, nil_pt@bntu.by, Республика Беларусь, Минск, Белорусский национальный технический университет,
Свистун Александр Иванович, канд. техн. наук, доцент, декан, svistun@bntu. by, Республика Беларусь, Минск, Белорусский национальный технический университет,
Тявловский Андрей Константинович, канд. техн. наук, доцент, tyavlovsky@bntu.by, Республика Беларусь, Минск, Белорусский национальный технический университет,
Тявловский Константин Леонидович, канд. физ-мат. наук, доцент, ktyavlovsky@bntu.by, Республика Беларусь, Минск, Белорусский национальный технический университет.
RASTER SCANNING PHOTOSTIMULATED ELECTROMETRY FOR THE INSPECTION OF
PRECISION SURFACES
R.I. Vorobey, O.K. Gusev, A.L. Zharin, V.A. Mikitsevich, K.U. Pantsialeyeu, A.I. Svistun,
A.K. Tyavlovsky, K.L. Tyavlovsky
The results of the development of method and means of raster scanning electrometry for nondestructive contactless mapping of the distribution uniformity of electrophysical parameters of precision surfaces are presented. The method is based on the analysis of photo-induced shifts in the electron work function performed with a digital Kelvin probe.
Key words: scanning electrometry, surface, electron work function, digital Kelvin probe, non-destructive inspection.
Vorobey Roman Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, head of department, nil_pt@bntu.by, Republic of Belarus, Minsk, Belarusian National Technical University,
Gusev Oleg Konstantinovich, doctor of technical sciences, professor, vice-rector, gusev@bntu.by, Republic of Belarus, Minsk, Belarusian National Technical University,
Zharin Anatoly Lavrentyevich, doctor of technical sciences, professor, nil_pt@bntu.by, Republic of Belarus, Minsk, Belarusian National Technical University,
Mikitsevich Vladimir Alexandrovich, master, postgraduate, nil_pt@bntu.by, Republic of Belarus, Minsk, Belarusian National Technical University,
Pantsialeyeu Kanstantsin Uladzimiravich, candidate of technical sciences, docent, nil_pt@bntu.by, Republic of Belarus, Minsk, Belarusian National Technical University,
Svistun Alexander Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, dean, svistun@bntu.by, Republic of Belarus, Minsk, Belarusian National Technical University,
Tyavlovsky Andrey Konstantinovich, candidate of technical sciences, docent, tyavlov-sky@bntu.by, Republic of Belarus, Minsk, Belarusian National Technical University,
Tyavlovsky Konstantin Leonidovich, doctor of physical and mathematical sciences, docent, ktyavlovsky@bntu.by, Republic of Belarus, Minsk, Belarusian National Technical University
УДК 531.382
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-73-80
ИЗМЕРЕНИЕ МОМЕНТОВ ВОЗМУЩАЮЩИХ СИЛ В ЛЕТАТЕЛЬНОМ АППАРАТЕ С КОМБИНИРОВАННЫМИ СИСТЕМАМИ УПРАВЛЕНИЯ
П.К. Плотников|, А.А. Никифоров, Ю.А. Захаров, Р.А. Здражевский
Даётся обзор и обобщение методов измерения возмущающих моментов в летательном аппарате. Описывается схема и даются алгоритмы определения моментов сил возмущения в летательном аппарате.
Ключевые слова: теории инвариантности, измерение возмущений, первая задача динамики, идентификации объекта управления, моменты сил, гироскопический блок измерителей.
Введение. Задачей теории инвариантности является создание систем автоматического регулирования, которые обеспечивают независимость (инвариантность) координат объекта от действия возмущений.
Прикладным аспектом применения принцип инвариантности при разработке систем автоматического регулирования является повышение их точности, что является весьма актуальным при управлении космическим аппаратами. Так как одним из главных ресурсов космического аппарата, который определяет срок активного существования, является топливо двигателей ориентации. Расход топлива двигателями ориентации зависит от внешних возмущающих моментов, действующих на космический аппарат.
На практике «измерение возмущения» зависит от его физической природы и может оказаться проблематичным из-за следующих причин: отсутствие методики измерения; сложность и слабое быстродействие измерительной системы, а также её габариты и вес; известные трудности измерения и обработки нелинейных нестационарных сигналов.
Многие технические и технологические объекты допускают измерение внешнего возмущения с помощью стандартных средств. Несмотря на это, при реализации инвариантных систем главной проблемой остается обеспечение реализуемости компенсатора. Эта особенность характерна в случаи нелинейных систем [12].
