PL B1. Sposób pomiaru grubości i kształtu cienkich płytek i układ do pomiaru grubości i kształtu cienkich płytek

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. G01B 11/06 ( ) G01B 11/02 ( ) G01B 11/28 ( ) (54) Sposób pomiaru grubości i kształtu cienkich płytek i układ do pomiaru grubości i kształtu cienkich płytek (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 05/07 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT OPTYKI STOSOWANEJ, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/11 (72) Twórca(y) wynalazku: DARIUSZ LITWIN, Warszawa, PL JACEK GALAS, Łomianki, PL TOMASZ KOZŁOWSKI, Warszawa, PL STEFAN SITAREK, Grójec, PL PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru grubości i kształtu cienkich płytek i układ do pomiaru grubości i kształtu cienkich płytek, w szczególności płytek krzemowych. Płytki krzemowe są stosowane jako podkład do nanoszenia warstw epitaksjalnych oraz do wytwarzania elementów elektronicznych. Muszą one spełniać wysokie wymagania pod względem czystości oraz gładkości powierzchni. Mimo, że płytki krzemowe powszechnie kojarzone są z przemysłem elektronicznym, to istnieją również ich zupełnie nietypowe zastosowania. Komercyjna dostępność płytek krzemowych o średnicy 50 mm i grubości 50 µm skłoniła twórców mikroskopu helowego do zastosowania takiej płytki jako zwierciadła ogniskującego wiązkę neutralnych atomów helu. Zasada działania mikroskopu helowego jest analogiczna do skaningowego mikroskopu elektronowego, z tą różnicą, że obraz próbki jest tworzony przez sygnał mierzony spektrometrem masowym. Poprzeczna rozdzielczość mikroskopu helowego zależy od średnicy ogniska wiązki helowej, która z kolei wynika z właściwości elementu skupiającego. Wspomniana płytka krzemowa, dynamicznie ukształtowana przez odpowiednio dobrane pole elektryczne, może być doskonałym zwierciadłem - jednak pod warunkiem, że jej własności (wariancja grubości i falistość) mieści się w ściśle określonych tolerancjach. Dokładne pomiary tych parametrów na obszarze całej płytki krzemowej wymagają odpowiednio precyzyjnej metody pomiarowej. Znanych jest wiele urządzeń do pomiaru kształtu lub grubości płytek. Czujniki użyte do budowy tych przyrządów wykorzystują zjawiska elektryczne lub optyczne. Najlepiej znane systemy wykorzystywane do pomiaru płytek krzemowych to: Matryca sensorów Shacka-Hartmana, która zapewnia pomiar tylko pojedynczej powierzchni, znana z publikacji na konferencji, na temat Kosmiczny system teleskopowy do wykrywania promieniowania UV i Gamma, temat publikacji Odbiciowe siatki na cienkich foliach w zastosowaniu do konstelacji-x. Fourierowski Interferometr działający w podczerwieni, przeznaczony do pomiaru grubości, charakteryzujący się małą rozdzielczością poprzeczną ze względu na dużą średnicę wiązki światła (około 5 mm); Urządzenie firmy ADE Corporation, USA o nazwie Microsense 6034, wykorzystujące dwie sondy pojemnościowe, jednak ustawione pionowo jedna nad drugą. Uniemożliwia to pomiar płytek poniżej 100 µm ze wglądu na ugięcie grawitacyjne płytki. Dokładność pomiaru grubości wynosi ± 2,5 µm, poprzeczna rozdzielczość jest również niewielka rzędu kilku milimetrów. Istnieje możliwość pomiaru zarówno grubości jak i kształtu, ale w ograniczony sposób. Do wzorcowania przyrządu potrzebne są płytki o znanej grubości, mierzone innym przyrządem. Przyrząd wykorzystujący czujnik pojemnościowy oferowany przez firmę Oryx System, Inc, USA o maksymalnej dokładności 0,02 µm. Przyrząd ten umożliwia pomiar statyczny, bez możliwości skanowania. Sposób pomiaru grubości i kształtu cienkich płytek przy zastosowaniu dwóch głowic pomiarowych wyposażonych w czujniki pomiarowe, według wynalazku polega na tym, że jednoczesny pomiar grubości i kształtu obu powierzchni cienkiej płytki usytuowanej pionowo między głowicami pomiarowymi, pierwszą i drugą, wykonuje się po uprzednim ustaleniu współosiowości głowic pomiarowych, które to ustalenie współosiowości wykonuje się umieszczając w polu ogniskowania inną cienką płytkę o ostrej, prostej krawędzi. Współosiowe ustawienie głowic pomiarowych następuje poprzez sekwencyjne justowanie jednej z nich względem cienkiej (poniżej 50 µm) krawędzi i następnie po obrocie tej krawędzi o 90 powtarza się justowanie. Kolejnym etapem jest kalibrowanie układu. Po ustaleniu współosiowości dokonuje się pomiaru odległości pomiędzy głowicami pomiarowymi przy użyciu płasko-równoległej przezroczystej płytki, korzystnie szklanej, o znanym współczynniku załamania. Płytkę tę umieszcza się pomiędzy głowicami prostopadle do ich osi. Współczynnik załamania musi być stały wzdłuż tej osi, w obszarze ograniczonym powierzchnią walca o średnicy podstawy zależnej od stosowanych głowic pomiarowych, zwykle od kilku do kilkunastu mikrometrów. Grubość płytki przezroczystej nie musi być znana, ani mierzona innymi metodami, lecz jest wyznaczana jednocześnie przez obie głowice, a do obliczeń przyjmuje się wartość średnią tych dwóch pomiarów. Następnie dokonuje się wzorcowania układu sprawdzianem optycznym o dokładności korzystnie λ/50, w celu wyeliminowania błędów systematycznych pozycjonowania głowic pomiarowych, wprowadzonych przez stoliki skanujące. Po precyzyjnym ustawieniu głowic pomiarowych cienką płytkę mierzoną ustawia się w uchwycie w pozycji pionowej i wyznacza jej grubość oraz kształt obu powierzchni.

3 PL B1 3 Układ do pomiaru grubości i kształtu cienkich płytek, złożony z dwóch głowic pomiarowych wyposażonych w czujniki pomiarowe o wysokiej rozdzielczości poprzecznej i podłużnej, w których zasada działania jest oparta na zjawisku podłużnej aberracji chromatycznej, to jest fale o różnej długości ogniskują się w różnej odległości od głowicy, według wynalazku wyróżnia się tym, że głowice pomiarowe, pierwsza i druga, są usytuowane poziomo i współosiowo po obu stronach ustawionej pionowo mierzonej cienkiej płytki, przy czym każda głowica ma czujnik pomiarowy światła odbitego od powierzchni płytki. Ponadto układ jest wyposażony w inną cienką płytkę o ostrej prostej krawędzi do ustawiania współosiowości, umieszczaną w polu ogniskowania głowic pomiarowych. Korzystnym jest, jeżeli układ jest wyposażony ma płytkę przezroczystą w świetle widzialnym do kalibracji układu, korzystnie szklaną, której grubość wyznaczana jest jednocześnie przez obie głowice pomiarowe, a do obliczeń przyjmuje się wartość średnią tych dwóch pomiarów. Korzystnym jest także, jeżeli układ wzorcowany jest za pomocą płaskiej powierzchni referencyjnej, zwłaszcza za pomocą sprawdzianu optycznego o dokładności λ/50. W rozwiązaniu według wynalazku możliwy jest jednoczesny pomiar grubości cienkiej płytki jak i jej kształtu (odchyłki kształtu/falistości) obu jej powierzchni. Cienka płytka ustawiana jest w uchwycie w pozycji pionowej celem uniknięcia deformacji kształtu spowodowanej grawitacją, unika się wpływu ugięcia grawitacyjnego, a tym samym umożliwia to pomiar cienkich płytek o grubości mniejszej niż 100 µm. Struktura wewnętrzna mierzonej płytki nie ma wpływu na dokładność pomiaru, ponieważ zasada pomiaru wykorzystuje jedynie światło odbite od powierzchni. Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie uwidocznionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu pomiarowego, fig. 2 przedstawia schemat układu pomiarowego przy ustawianiu współosiowości głowic pomiarowych przy użyciu płytki o ostrej, prostej krawędzi, fig. 3 - justowanie układu przy użyciu innej cienkiej płytki o ostrej, prostej krawędzi, fig. 4 - schemat kalibracji płytką przezroczystą w świetle widzialnym, a fig. 5 - wzorcowanie układu sprawdzianem optycznym korzystnie λ/50. W układzie według wynalazku są zastosowane dwie głowice pomiarowe 1, 2, pierwsza i druga, symetrycznie rozstawione po obu stronach mierzonej płytki 3, które realizują jednoczesny pomiar grubości i kształtu (falistości) obu powierzchni cienkich płytek krzemowych. Głowice pomiarowe 1, 2, o wysokiej rozdzielczości poprzecznej i podłużnej, wykorzystują zjawisko podłużnej aberracji chromatycznej układu optycznego. Polichromatyczne (pasmo widzialne) światło ogniskowane jest na powierzchni badanej płytki 3 przez odpowiedni system optyczny o specjalnie powiększonej aberracji chromatycznej. Dzięki temu światło o różnych długościach fal ogniskuje się w różnej odległości od badanej powierzchni. Powstaje jakby odcinek ogniskowy. Umożliwia to przyporządkowanie każdej długości fali odpowiadającej odległości od płytki. Tylko światło o długości fali, które tworzy ognisko dokładnie na powierzchni płytki 3 jest wykorzystywane do pomiaru i poprzez otwór o małej średnicy jest analizowane w spektrometrze. Zmiany widma rejestrowane przez spektrometr świadczą o zmianie odległości cienkiej płytki 3 od głowicy pomiarowej 1 lub 2 w praktyce od odpowiedniej płaszczyzny referencyjnej w odległości a od powierzchni mechanicznej. Sposób wykonania pomiarów grubości oraz kształtu obu powierzchni (falistości) polega na tym, że mierzoną płytkę 3 umieszcza się pomiędzy dwiema głowicami pomiarowymi 1, 2 ustawionymi współosiowo, zakładając, że uchwyt płytki nie wpływa na jej kształt. Głowice pomiarowe 1 i 2 zamontowane na wspólnym wsporniku przemieszczają się w obrębie powierzchni płytki 3 tworząc dokładną mapę obu jej powierzchni oraz grubości. Mapa powierzchni powstaje przez pomiar odległości x 1 (pierwsza powierzchnia) i x 2 (druga powierzchnia). Mapę grubości płytki tworzy się na podstawie prostej zależności algebraicznej: t=d-x 1 -x 2. Warunkiem koniecznym dużej dokładności przyrządu jest współosiowe ustawienie obu głowic pomiarowych 1, 2. Głowice pomiarowe 1, 2 są razem przemieszczane we wspólnym uchwycie przy pomocy dwóch stolików przesuwnych w wzdłuż osi x i y. Głowica 2 może być w tym uchwycie niezależnie przesuwana w obu kierunkach x, y, podczas gdy głowica 1 jest ustawiona na stałe. Procedura justowania wykorzystuje inną cienką płytkę 5 o ostrej, prostej krawędzi. Płytkę tę umieszcza się w polu widzenia głowicy 1 w płaszczyźnie x (horyzontalnie). Następnie przemieszcza się obie głowice w taki sposób, aby sygnał pomiarowy głowicy 1 zmalał do zera, co oznacza, że krawędź innej cienkiej płytki 5 znajduje się już na granicy pola widzenia tej głowicy. Wtedy przesuwa się niezależnie od pierwszej drugą głowicę (w taki sam sposób tj. aby inna cienka płytka 5 znalazła się na granicy pola widzenia (zanik sygnału pomiarowego). Po wykonaniu tej czynności głowice 1 i 2 są ustawione już we wspólnej horyzontalnej płaszczyźnie zawierającej krawędź tej płytki. Następnie powyższe czynności należy powtórzyć po obróceniu krawędzi innej cienkiej płytki 5 o 90, co zapewnia ustawienie obu głowic we

4 4 PL B1 wspólnej drugiej (pionowej) płaszczyźnie. W połączeniu z pierwszym justowaniem daje to już współosiowe ustawienie głowic 1 i 2. Powyższe czynności można wykonać w odwrotnej kolejności, to jest justować głowice najpierw w płaszczyźnie pionowej, a później poziomej. Jeśli realizacja sprzętowa na to pozwala, to justowanie może być przeprowadzone w stosunku do dwóch dowolnych prostopadłych płaszczyzn (tj. niekoniecznie pionowej i poziomej). Dla zapewnienia możliwości wyznaczania bezwzględnej wartości grubości płytki mierzonej 3 w każdym punkcie pomiarowym wymaga się bardzo dokładnego zmierzenia odległości między głowicami 'd'. Wielkość tę można określić wstawiając przezroczystą w świetle widzialnym płasko-równoległą płytkę 4, korzystnie szklaną, o znanym współczynniku załamania. Grubość płytki 4 wyznaczona zostaje przez głowice pomiarowe 1, 2 pracujące w sposób interferencyjny. Istotną, odmianą tej metody kalibracyjnej jest to, że płytka testowa 4 ma zmierzoną grubość bezpośrednio przy pomocy kalibrowanego przyrządu a nie innymi metodami. W przypadku szkła (materiału przezroczystego w świetle widzialnym) głowica może rejestrować odbicia od obu powierzchni płytki 4 i tym samym mierzyć grubość płytki szklanej, jednak pod warunkiem, że znany jest współczynnik załamania z którego wykonana jest płytka. Grubość płytki 4 wyznaczana jest jednocześnie przez obie głowice pomiarowe 1, 2, a do obliczeń przyjmuje się wartość średnią tych dwóch pomiarów. Kolejnym etapem jest wzorcowanie przyrządu, które wykonuje się przy pomocy płaszczyzny odniesienia, którą stanowi płaski wzorzec optyczny 6 o dokładności korzystnie λ/50. Wzorcowanie tego typu jest konieczne ze względu na błędy systematyczne wprowadzane przez stoliki przesuwne, w kierunku prostopadłym do ich ruchu. W rezultacie zeskanowania powierzchni wzorcowej otrzymuje się tablicę błędów wykorzystywaną później w trakcie pomiarów jako tablicę korekcyjną. Dokładność wzorca 6 wyznacza docelową dokładność pomiaru kształtu (falistości obu powierzchni) mierzonej płytki 3, natomiast nie wpływa na dokładność pomiaru grubości, która wynika jedynie bezpośrednio z dokładności czujników, które są umieszczone w głowicach pomiarowych 1, 2. Po wykonaniu ustawień i regulacji głowic pomiarowych 1, 2 wstawia się mierzoną cienką płytkę 3 w uchwycie w pozycji pionowej i wyznacza się jednocześnie jej grubość i kształt obu powierzchni. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób pomiaru grubości i kształtu cienkich płytek przy zastosowaniu dwóch głowic pomiarowych wyposażonych w czujniki pomiarowe, znamienny tym, że jednoczesny pomiar grubości i kształtu obu powierzchni cienkiej płytki (3), usytuowanej pionowo między głowicami pomiarowymi (1, 2), pierwszą i drugą, wykonuje się po uprzednim ustaleniu współosiowości głowic pomiarowych (1, 2), które to ustalenie współosiowości wykonuje się umieszczając w polu ogniskowania inną cienką płytkę (5) o ostrej, prostej krawędzi, przy czym współosiowe ustawienie głowic pomiarowych następuje poprzez sekwencyjne justowanie jednej z nich względem cienkiej (poniżej 50 µm) krawędzi i następnie po obrocie tej krawędzi o 90, zaś po ustaleniu współosiowości dokonuje się pomiaru odległości pomiędzy głowicami pomiarowymi (1, 2) przy użyciu płasko-równoległej przezroczystej płytki (4), korzystnie szklanej, o znanym współczynniku załamania, przy czym płytkę tę umieszcza się pomiędzy głowicami (1, 2) prostopadle do ich osi, ponadto współczynnik załamania musi być stały wzdłuż tej osi, w obszarze ograniczonym powierzchnią walca o średnicy podstawy zależnej od stosowanych głowic pomiarowych (1, 2), zwykle od kilku do kilkunastu mikrometrów, oraz następnie dokonuje się wzorcowania układu sprawdzianem optycznym (6) o dokładności korzystnie λ/50, po czym cienką płytkę mierzoną (3) ustawia się w uchwycie w pozycji pionowej i wyznacza jej grubość oraz kształt obu powierzchni. 2. Układ do pomiaru grubości i kształtu cienkich płytek, złożony z dwóch głowic pomiarowych wyposażonych w czujniki pomiarowe o wysokiej rozdzielczości poprzecznej i podłużnej, w których zasada działania jest oparta na zjawisku podłużnej aberracji chromatycznej, znamienny tym, że głowice pomiarowe (1, 2), pierwsza i druga, są usytuowane poziomo i współosiowo po obu stronach ustawionej pionowo mierzonej cienkiej płytki (3), przy czym każda głowica ma czujnik pomiarowy światła odbitego od powierzchni płytki (3), a ponadto układ jest wyposażony w inną cienką płytkę (5) o ostrej prostej krawędzi do ustawiania współosiowości, umieszczaną w polu ogniskowania głowic pomiarowych (1, 2).

5 PL B Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że do kalibracji układu ma płytkę przezroczystą (4) w świetle widzialnym, korzystnie płytkę szklaną, której grubość wyznaczana jest jednocześnie przez obie głowice pomiarowe (1, 2), a do obliczeń przyjmuje się wartość średnią tych dwóch pomiarów. 4. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że układ wzorcowany jest za pomocą płaskiej powierzchni referencyjnej korzystnie sprawdzianu optycznego (6) o dokładności korzystnie λ/50. Rysunki

6 6 PL B1

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)