CC BY
58
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МИКРО - И НАНОСТРУКТУР А.Г. Коробейников, В.Л. Ткалич, Б.М. Папченко
На базе интерферометрического метода разработана автоматизированная система определения параметров шероховатости микро - и наноструктур. Статья подготовлена по результатам НИР "Разработка методов исследования качественных и количественных характеристик наносистемных структур".
Введение
В настоящее время развитие интегральной микроэлектроники вышло на такой уровень, когда наиболее продвинутые в инновациях фирмы ведут исследования, направленные на разработку технологии, которая обеспечивала бы масштабирование быстродействующих СБИС. Например, в январе 2007 г. компания Intel продемонстрировала действующую модель нового чипа, созданного с использованием транзисторов изготовленных по 45-нанометровой технологии, в которых вместо диоксидов кремния применены металлические затворы. По словам соучредителя компании Гордона Мура (Gordon Moore), новая разработка является крупнейшим изменением в транзисторной технологии за последние 40 лет. Intel изменила основу своих микросхем с тем, чтобы соответствовать современным требованиям индустрии персональных компьютеров. Прежние разработки, такие как Pentium, хотя и имеют высокую скорость вычислений, но требуют сильного охлаждения. Новые же транзисторы используют металл гафний и потребляют энергию на 30% меньше с повышением производительности на 20%. Они построены на основе архитектуры Core, которая в настоящее время используется в процессорах семейства Core 2 Duo. Эта технология была разработана компанией IBM совместно с Toshiba, Sony и AMD. Компания Intel намерена приступить к коммерческому производству новых чипов уже в 2007 г. В продаже они появятся, вероятно, в 2008 году.
Компания Toshiba сообщила о разработке транзистора по 32-нм технологии. Устройство и соответствующие спецификации, по сообщению Dusiness Nikkei Daily, компания представила конференции US International Electron Devices. Транзистор получил название FinFET - field effect transistor. Его реальная длина составляет всего 20 нм. Руководство Toshiba возлагает на эту технологию самые радужные надежды.
Как видно из вышесказанного, по некоторым параметрам миниатюризация СБИС процессоров достигла значений, которые являются предельными с точки зрения физических ограничений процессов, происходящих в структурах СБИС. В то же время наличие многослойной коммутации и большого числа слоёв межслойной изоляции обуславливают сложный рельеф поверхности кристалла, в котором формируется СБИС. Этот рельеф непрерывно изменяется с переходом от одного техпроцесса к другому, и требуется производить контроль высоты и площади рельефа.
Для обеспечения контроля СБИС с такой степенью интеграции разработаны методы и аппаратура, предназначенные для формирования изображений, элементного анализа, построения профилей распределения элементов и др. Как утверждается в [1], методы формирования изображения относятся к наиболее ценным, как минимум, по двум причинам. Во-первых, изображение «выглядит» так, как оно представляется аналитику, и тогда приводится в действие весь ранее накопленный опыт визуальных наблюдений, и изображение предоставляет максимум информации за минимальный промежуток времени. Во-вторых, открывается возможность применения мощных средств обработки изображений, повышающих информативность и уровень количественной интерпретации.
В данной работе рассматривается автоматизированная система определения параметров шероховатости микро- и наноструктур на базе бесконтактного метода неразру-шающего контроля поверхности с использованием микроинтерферометра МИИ-4, созданного по схеме академика В.П. Линника, и представляющего собой развитие схемы интерферометра Майкельсона для случая системы сильного увеличения [2].
Разработка измерительно-вычислительного комплекса для анализа шероховатости поверхности микро- и наноструктур
Используемый в настоящее время для бесконтактного определения шероховатости поверхности микроинтерферометр МИИ-4М имеет недостатки как в осветительном, так и в измерительном каналах. Коротко их рассмотрим.
1. Источником света в МИИ-4М является лампа накаливания. При ее работе подавляющее количество потребляемой энергии выделяется не в виде световой энергии видимого диапазона, а в виде тепловой энергии. Вследствие этого лампа накаливания нагревает часть оптических деталей и корпуса прибора, контактирующего с узлом осветителя, создавая нестационарный градиент температуры в ветвях интерферометра. Это приводит к дополнительной разности хода лучей, а, значит, и к появлению случайной ошибки измерений.
2. Лампа накаливания по своей конструкции и технологии изготовления не имеет постоянного положения нити накаливания относительно посадочного места лампы. В процессе работы лампы из-за разогрева спирали меняется ее жесткость, происходит смещение нити накала под действием силы тяжести.
3. Оператор должен выполнить измерения профиля кривой, находящейся в поле зрения. При этом измерения проводятся в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Оператор оценивает на глаз расстояния и толщины, составляющие около 0,1 ширины изображения. Это требует от оператора значительного напряжения органов зрения. Для одного измерения требуется снять более 10 отсчетов, что занимает несколько минут напряженной зрительной работы.
4. Поскольку каждый снятый отсчет оператор должен записать, у него постоянно меняется режим аккомодации глаза, меняется характер освещения. Все это приводит к сильному утомлению органов зрения и как следствие - снижению точности и скорости измерений.
Первые два указанных недостатка требуют наличия узла подвижки лампы и проведения операции настройки освещения как перед работой, так и периодически в процессе работы. Качество настройки освещения существенно влияет на качество изображения и, соответственно, на точность измерений.
Третий и четвертый недостаток сказываются на эффективности работы оператора.
Таким образом, указанные недостатки делают актуальной задачу разработки автоматизированной системы определения параметров шероховатости микро- и наноструктур на базе бесконтактного метода неразрушающего контроля поверхности с использованием микроинтерферометра МИИ-4. Цель создания - повышение информативности и точности измерений шероховатости поверхности, ускорение процесса измерений и снижение утомляемости оператора.
Для начала был подвергнут модернизации узел осветителя, в котором применен принципиально новый тип источника света. Затем разработан блок, в который входит цифровая телевизионная камера и канал связи с персональным компьютером (ПК). Кроме этого, было разработано специализированное программное обеспечение (ПО).
В узле осветителя использован отечественный светодиод, так как формирование необходимой оптической характеристики светодиода (форма колпака) практически можно реализовать только при непосредственном взаимодействии с изготовителем изделия.
ос14(жс12)
б
Рис. 1. Светодиод с эллиптическим колпаком
При использовании светодиода У337 с эллиптическим колпаком в осветительном канале МИИ-4М возможны два варианта решения поставленной задачи. В первом варианте (рис. 1, а) используется светодиод со сложным коллектором и конденсорной линзой. Таким образом, мы полностью используем осветительный канал МИИ-4М, который рассчитан для работы с лампой накаливания. Во втором варианте рассмотрен случай использования только конденсорной линзы (рис. 1, б). В этом случае светодиод с эллиптическим колпаком уже представляет из себя осветитель с коллектором, и можно ожидать, что изъятие линз конденсора не приведет к ухудшению характеристик освещения при упрощении конструкции. Анализ проведенных расчетов показал, что схема (б) имеет лучшие характеристики по светораспределению при одновременном упрощении конструкции. Поэтому было принято решение разрабатывать конструкцию по схеме (б).
При расчете осветительного канала были определены зависимости между фокусным расстоянием колпака, показателем преломления материала и радиусом при вершине.
Рис. 2. Вид рассчитанного колпака
В результате расчета получены данные для изготовления эллиптического колпака для светодиода У337 (рис. 2). Оптическая схема (ОС) осветителя по существу является упрощенной ОС осветителя МИИ-4М, из которой исключены две линзы коллектора. Их функцию выполняет эллиптический колпак светодиода. Светодиод с колпаком крепится теплопроводящей пастой к несущей детали, представляющей собой полый стержень. Внутри этого стержня проходят провода питания светодиода. Сам стержень имеет значительную массу и выполнен из материала, имеющего высокую теплопроводность. Это позволяет обеспечить температуру корпуса кристалла не более чем на 2-3° выше температуры окружающей среды.
Для устранения третьего и четвертого недостатков МИИ-4М была установлена цифровая телевизионная камера, передающая информацию через блок измерения на ПК. Разрешающая способность цифровой камеры не должна быть меньше разрешающей способности при измерении с помощью микрометра dM. Ее можно определить из соотношения: dM = D/A,
где D - диаметр поля зрения в плоскости изображения, A - цена деления микрометра. При D = 10 мм и A = 0,01 мм получается dM = 1000 мм.
Отсюда следует, что разрешающая способность цифровой камеры должна быть не менее 1000 пикселей на 1 см.
Линейное увеличение дополнительного канала ßдк1 должно обеспечивать использование разрешающей способности объектива и цифровой камеры, определяемое формулой
ßдкl = 2£А / (nXß0),
где I - длина наименьшей стороны приемника, А - числовая апертура объектива, n -число пикселей, X - длина волны, ß0 - линейное увеличение объектива.
Линейное увеличение дополнительного канала ßдк1 должно также обеспечивать использование поля зрения оптического прибора. Для описанной окружности это
ßa^ = Вцк/№),
где D^ - диаметр приемника цифровой камеры, а для вписанной окружности -
ßдк3 = 1/(Dm ß0),
где Dm - линейное поле зрения оптического прибора в пространстве предметов.
Благодаря наличию цифровой телевизионной камеры с разрешающей способностью не менее 1000 пикселей по координатам Х и Y появляется дополнительная возможность определения координат точек пересечения профиля с линией эквидистантной средней линии на заданном уровне.
y
Рис. 3. Профиль поверхности объекта
Блок измерения позволяет фиксировать результаты измерения не только одной наводки на резкое изображение, но двух и более, обеспечивая запоминание результатов измерения профиля до линии, заданной оператором по высоте профиля. Последующие измерения профиля производятся от заданной линии и суммируются с предыдущими результатами измерений. На рис. 3 показан профиль поверхности объекта.
Заключение
Разработанная система существенно ускоряет определение параметров опорной длины профиля, что важно при исследовании износа, трения и других требуемых технических характеристик поверхностей. Ее позволяет за счет автоматизации процесса измерения и обработки результатов измерения сократить время определения всех регламентируемых ГОСТом параметров шероховатости в одном поле зрения не менее, чем в 10^20 раз. При этом значительно уменьшается утомляемость оператора благодаря ликвидации ручной, визуальной наводки на точки профиля поверхности.
Основываясь на данной работе, можно разрабатывать конкурентоспособное на рынке оборудование, которое позволит проводить качественный анализ микро - и наноструктур элементной базы отечественной электроники
Литература
1. Мейеран Ю.С., Флинн П.А., Каррузерс Дж. Р. Аналитические методы в технологии СБИС // ТИИЭР. - 1987. - Том 75. - № 7. - С. 50-101.
2. Китайгородский А.И. Введение в физику. М.: Наука, 1973. - 685 с.
