Способ измерения чистоты поверхности подложек
Владельцы патента RU 2307339:
Институт систем обработки изображений Российской академии наук (ИСОИ РАН) (RU)
Изобретение может быть использовано в микроэлектронике при производстве интегральных микросхем на активных и пассивных подложках и в дифракционной оптике при производстве элементов дифракционной оптики. При осуществлении способа производят сдвиг подложки-зонда по поверхности исследуемой подложки, которые расположены в подложкодержателях под углом друг к другу. Сдвиг подложки-зонда осуществляют путем подъема свободного конца подложкодержателя с закрепленной в нем исследуемой подложкой на угол относительно горизонтальной плоскости, при котором рабочая точка подложки-зонда сдвинется с места. Значение этого угла используют в качестве параметра взаимодействия, по которому судят о чистоте поверхности подложки. Способ позволяет увеличить производительность и точность. 2 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в микроэлектронике при производстве интегральных микросхем на активных и пассивных подложках и в дифракционной оптике при производстве элементов дифракционной оптики.
Известен способ (Авторское свидетельство СССР, №1260752, кл. G01N 13/02, 1982) определения чистоты поверхности подложки по величине краевого угла смачивания путем измерения объема капли, помещенной на плоскую подложку.
Однако такой способ определения чистоты поверхности очень трудоемкий, т.к. сначала надо измерить геометрические параметры капли и только затем определяется искомое значение краевого угла, определяющее чистоту поверхности подложек.
Известен способ (Авторское свидетельство СССР А.В.Волков, А.И.Колпаков. Способ определения чистоты поверхности подложек. №17848668, кл. G01N 13/02, 1992) определения чистоты поверхности подложки по величине скорости растекания капли жидкости по поверхности плоской подложки.
Однако такой способ определения чистоты поверхности приводит к необратимому изменению ее свойств продуктами жидкости, для устранения которых необходимо использовать жидкости особой чистоты. Выполнение этого требования значительно усложняет и удорожает процесс измерения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ (Авторское свидетельство СССР А.В.Волков, А.И.Колпаков. Способ определения чистоты поверхности подложек. №1821688, кл. G01N 13/02, 1993) определения чистоты поверхности подложек по величине скорости скольжения подложки-зонда (контртела) по поверхности исследуемой подложки, заключающийся в том, что производят сдвиг подложки-зонда по поверхности исследуемой подложки, которые расположены в подложкодержателях под углом к друг другу, определяют параметр их взаимодействия, по которому судят о чистоте поверхности подложки.
К недостаткам способа относится необходимость жесткого контроля величины угла наклона подложек, за счет которого и осуществляется скольжение подвижной подложки-зонда (контртела). Высокая чувствительность к изменению величины этого угла приводит к значительному нарушению точности процесса измерения, для устранения которого в процесс измерения включают дополнительное устройство контроля за величиной отклонения угла скольжения от заданного значения. Выполнение этого требования значительно снижает производительность способа, усложняет и удорожает процесс измерения.
В основу изобретения поставлена задача увеличения производительности и точности.
Данная задача решается за счет того, что в способе измерения чистоты поверхности подложки, заключающемся в том, что производят сдвиг подложки-зонда по поверхности исследуемой подложки, которые расположены в подложкодержателях под углом друг к другу, определяют параметр их взаимодействия, по которому судят о чистоте поверхности подложки, согласно изобретению сдвиг подложки-зонда осуществляют путем подъема свободного конца подложкодержателя с закрепленной в нем исследуемой подложкой на угол относительно горизонтальной плоскости, при котором рабочая точка подложки зонда сдвинется с места, и значение этого угла используют в качестве параметра взаимодействия.
На фигуре 1 изображено расположение сил, возникающих при взаимодействии подложек: α - угол, который исследуемая подложка составляет с горизонтом; β - угол между подложками.
На фигуре 2 изображен способ определения чистоты поверхности подложки, заключающийся в том, что в качестве контролируемого параметра используют величину угла наклона поверхности исследуемой подложки относительно горизонтальной плоскости, показана конструктивная схема подложкодержателей относительно плоской горизонтальной поверхности корпуса устройства.
На фиг.2 изображены подложкодержатель 1, в котором жестко крепится исследуемая подложка 2, подложка-зонд 3 с поверхностью, идентичной поверхности подложки 2, также жестко крепится к подложкодержателю 4. Рычаг 5 одним концом крепится к подложкодержателю 4, а другим - к механизму, обеспечивающему установление рабочей точки 6 в исходное состояние на исследуемой поверхности подложки и обеспечивающему скольжение под действием силы тяжести рабочей точки 6 подложки-зонда по заданной траектории на исследуемой поверхности подложки 2, при условии, что сила тяжести, определяемая углом наклона поверхности исследуемой подложки относительно горизонтальной плоскости, превысит силу трения покоя.
Пусть подложка-зонд движется по исследуемой подложке с ускорением , тогда в области взаимодействия подложек действуют три силы: 
- сила тяжести, 
- сила реакции опоры и 
- сила трения скольжения. Энергетический баланс этих сил вначале движения подложки-зонда можно описать равенством вида:
Определим проекции всех сил, действующих на подложку-зонд, на ось y, направленную вдоль этой подложки:
Из фиг.1 видно, что вектор N перпендикулярен исследуемой подложке, поэтому угол γ между подложкой-зондом и вектором 
будет равен γ=180-90-β=90-β. Угол между осью γ и горизонтом равен α+β, следовательно, ϕ=180-90-α-β=90-(α+β). Вектор равнодействующей сил параллелен исследуемой подложке, поэтому угол между поверхностью подложки зонда (индентором) и равнодействующей равен углу между подложками, как накрест лежащие. Подставив выражения для углов γ и ϕ в формулу (2), получим:
Подставив в формулу (3) выражение для FTP=Nμ, получим
где μ - коэффициент трения скольжения.
При проецировании сил, действующих на поверхность подложки-зонда (индентор), на ось y' (см. фиг.1) видно, что вектор силы трения и равнодействующей перпендикулярны оси y', тогда можно записать:
N-mgcosα=0,
Подставим формулу (5) для проекции N в формулу (4), получим:
Сократив обе части формулы (6) на m, получим
Из формулы (7) находим соотношение для μ
Таким образом, между углом α и коэффициентом трения скольжения действительно существует жесткая зависимость.
Пересчет коэффициента трения осуществляется по формулам, приведенным в работе (Полтавцев Ю.Г., Князев А.С. Технология обработки поверхностей в микроэлектронике. - Киев: Тэхника, 1990, с. 192-194), при неравномерном распределении загрязнений
при равномерном распределении загрязнений
где m и В - эмпирические константы; μmax - коэффициент трения для технологически чистой поверхности подложки; μн - коэффициент трения насыщения для поверхности подложки, увеличение степени загрязнения, которое не приводит к изменению значений коэффициента трения.
Способ осуществляется следующим образом.
Свободный конец подложкодержателя 1 с помощью подвижного соединения поднимается относительно крышки устройства 7 на некоторый угол наклона поверхности исследуемой подложки относительно горизонтальной плоскости α, при котором рабочая точка 6 подложки-зонда 3 сдвинется с места и начнет скользить по исследуемой поверхности подложки 2. Непосредственно в момент трогания рабочей точки 6 потенциальная энергия подложки-зонда уравновешивается энергией сил связи атомов взаимодействующих поверхностей, т.е. справедливо равенство:
Электрический сигнал, получаемый с помощью схемы измерения в виде напряжения, снимаемого с прецизионного переменного резистора, соответствующего углу наклона поверхности исследуемой подложки относительно горизонтальной плоскости α, получаемого при сдвиге рабочей точки 6, фиксирует величину угла наклона поверхности исследуемой подложки относительно горизонтальной плоскости α, которую или подставляют в формулу 8 и рассчитывают численное значение μ, затем находят чистоту поверхности из формул 9 или 10, или калибруют значения показаний α путем измерения чистоты поверхности на соответствующих подложках с известной концентрацией чужеродных атомов. Однако последний вариант для применения в производственных условиях менее целесообразен из-за дороговизны формирования калиброванных поверхностей, поэтому в реальных случаях достаточно использования формул 9, 10.
Способ измерения чистоты поверхности подложки, заключающийся в том, что производят сдвиг подложки-зонда по поверхности исследуемой подложки, которые расположены в подложкодержателях под углом друг к другу, определяют параметр их взаимодействия, по которому судят о чистоте поверхности подложки, отличающийся тем, что сдвиг подложки-зонда осуществляют путем подъема свободного конца подложкодержателя с закрепленной в нем исследуемой подложкой на угол относительно горизонтальной плоскости, при котором рабочая точка подложки-зонда сдвинется с места, и значение этого угла используется в качестве параметра взаимодействия.
