WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

КИМ КОНСТАНТИН ЮРЬЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ 05.11.13 – приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре Систем автоматического управления и контроля в микроэлектронике Московского государственного института электронной техники (технического университета).

Научный консультант: Ларионов Н.М.

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Рощин В.М.

доктор технических наук, профессор Пелевин К.В.

кандидат технических наук.

Ведущая организация: OAO “Ангстрем”

Защита диссертации состоится «»_2009г. в ч.мин. на заседании диссертационного совета Д212.134.04. при Московском государственном институте электронной техники (Техническом Университете) по адресу:

124498 г. Москва, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «»_2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор. А.И.Погалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертации.

С развитием современной технологии производства, повышаются требования к показателям безотказности и долговечности продукции. Являясь основными параметрами надежности, эти показатели формируются, в значительной мере, в ходе технологического процесса. Для управления качеством продукции они требуют непрерывного контроля непосредственно в ходе технологического процесса.

В ряде современных автоматизированных производств электроники определяющую роль для обеспечения точности играет шероховатость поверхности. Этот вопрос актуален практически по всему циклу производства от подготовки полупроводниковых пластин до микроконтактирования и герметизации в сборочном производстве.

Поэтому контроль шероховатости поверхности, как параметра геометрической точности поверхности, позволяет производить оценку, и в конечном итоге управлять качеством продукции. Широко распространенные контактные методы измерения и контроля шероховатости имеют достаточно ограниченный диапазон применения, обладают чувствительностью к вибрации и малой производительностью.

Это влечет за собой серьезные трудности интеграции этих методов в автоматизированный технологический процесс.

Кроме того, не поддаются контролю целые классы поверхностей: мягкие, хрупкие, не плоские, и т.д.

Естественным эволюционным этапом развития методов контроля шероховатости явились бесконтактные экспресс методы контроля шероховатости. Перспективность этого направления основанного на оптических методах определяется прежде всего тем, что они свободны от перечисленных проблем. Более того, обеспечивается возможность контролировать шероховатость в труднодоступных местах и производить интегральную оценку высотных параметров шероховатости. Тем самым, обеспечивается возможность эффективной интеграции данных методов контроля в автоматизированные технологические процессы.

Объектом исследования являются поверхности материалов и изделий.

Предмет исследования – оптический метод бесконтактного контроля шероховатости поверхностей.

Цель диссертации.

Исследование оптических методов измерения высотных параметров шероховатости и разработка на их основе прибора бесконтактного контроля шероховатости широкой номенклатуры поверхностей материалов и изделий различной природы в условиях автоматизации процесса производства.

Задачи.

Для достижения цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

- Провести систематизированный анализ методов оптического контроля шероховатости поверхности в условиях автоматизации производства и на его основе сформулировать основные проблемы и пути их решения, для обеспечения контроля широкой номенклатуры поверхностей в электронном производстве;

- Провести исследование и моделирование предлагаемого электронно-оптического метода, позволяющего автоматизировать и повысить точность измерений высотных параметров шероховатости;

- Разработать алгоритмы и программные средства для микропроцессорной системы управления процессом измерения высотных параметров шероховатости поверхности;

- Выработать критерии конструктивного построения прибора, обеспечивающего измерение высотных параметров шероховатости поверхности непосредственно в ходе технологического процесса;

- Изготовить, испытать в условиях реального автоматизированного производства и провести метрологическую аттестацию прибора.

Методы исследования.

- Теоретический анализ, моделирование и расчет приближенно одномерной шероховатой поверхности;

- Экспериментальная апробация прибора на адекватность с использованием стандартных эталонных методов контроля шероховатости.

Научная новизна.

- На основе комплексного анализа и систематизации выявлены новые принципы оптического метода измерения высотных параметров шероховатости поверхности, обеспечивающие расширение диапазона измеряемых видов поверхностей в микроэлектронном производстве за счет совершенствования оптической схемы и оптимизации алгоритма обработки оптического излучения;

- Разработана математическая модель шероховатой поверхности учитывающая коэффициент отражения приближенно одномерной шероховатой поверхности в направлении зеркального отражения при нормальном падении зондирующего излучения;

- Разработаны алгоритмы системы управления измерением высотных параметров шероховатости на основе предложенной модели;

- Выявлены корреляционные зависимости, позволяющие прогнозировать взаимосвязь между параметрами шероховатости поверхности и структурными свойствами кремниевых пластин при их утонении со сформированными активными элементами;

Практическая ценность.

1. Разработан прибор для контроля шероховатости поверхности с возможностью интеграции в автоматизированный технологический процесс. Прибор сертифицирован в Госстандарте России, и утвержден как новый тип измерителей шероховатости поверхности (Постановлением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2004 г. №294 Госстандарт России переименован в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, сертификат №7944).

2. Реализация оптического метода измерения высотных параметров шероховатости на основе разработанного прибора позволяет расширить номенклатуру контролируемых видов поверхностей:

- Мягкие поверхности (алюминий, резина, и т.п.);

- Поверхности с низкой шероховатостью (зеркальные);

- Поверхности с низкой прочностью (утоненные структуры, Si мембраны, и т.п.);

- Поверхности со сложной формой (цилиндрические, сферические, и т.п.);

- Труднодоступные поверхности (внутренние канавки, и т.п.);

Внедрение результатов работы: Результаты данной работы использованы в производстве радиочастотных идентификаторов для косвенного контроля глубины нарушенного слоя, сформированного в процессе утонения кремниевой пластины.

Положения, выносимые на защиту.

- Результаты систематизированного анализа и основополагающие принципы оптического метода измерения параметров шероховатости поверхности в условиях автоматизации производства;

- Математическая модель шероховатой поверхности, учитывающая коэффициент отражения приближенно одномерной шероховатой поверхности, в направлении зеркального отражения при нормальном падении зондирующего излучения;

- Алгоритмы и программные средства для микропроцессорной системы управления процессом измерения высотных параметров шероховатости поверхности;

- Конструкция прибора, обеспечивающего измерение высотных параметров шероховатости поверхности непосредственно в ходе технологического процесса.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы, ее научные и практические результаты докладывались и обсуждались на Всероссийских межвузовских научнотехнических конференциях “Микроэлектроника и Информатика” (Зеленоград, 2002, 2004), “Лазеры. Измерения.

Информация.” (Санкт-Петербург, 2004), Известия ВУЗов ”Электроника” (Москва 2004) и “Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем – 2008” (Москва 2008).

Достоверность результатов.

Достоверность получены при выполнении работы результатов и выводов подтверждается хорошей корреляцией численных расчетов на основании разработанной модели и результатов непосредственного измерения параметров поверхности с использованием референсных профилометров Form Talysurf и Hommel Tester T500.

Выводы и рекомендации по работе не противоречат основным представлениям и положениям в данной области исследований, и полученными ранее другими авторами результатами.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 статьи в Российской и зарубежной печати и тезисы пяти докладов. Две работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 106 страницах машинописного текста, списка использованной литературы из наименований и 6 приложений, к которых представлены В том числе, акт об использовании результатов диссертационной работы и сертификат об утверждении типа средств измерений.

Личный вклад автора.

Лично автором проведены теоретические исследования:

- Сравнительный анализ методов контроля шероховатости поверхности;

- Построение математической модели приближенно одномерной поверхности;

- Выбор критерия оптимальности и построение оптимальной конструкции контроля шероховатости;

- Разработка пользовательского интерфейса прибора.

Автору также принадлежит разработка основных элементов прибора оптического контроля шероховатости, включая:

- Конструкторскую документацию;

- Разработку схем электрических принципиальных;

- Трассировку печатной платы;

- Разработку встроенного программного обеспечения реализующего цикл измерения и пользовательский интерфейс;

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, показана научная новизна и практическое применение, сформулированы цели и задачи диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен общий аналитический обзор оптических методов контроля шероховатости с точки зрения применимости их непосредственно в ходе технологического процесса.

Предварительный анализ методов показал потенциальную перспективность рефлектометрических методов основанных на анализе зеркальной и диффузной составляющих отраженного излучения.

Произведен анализ существующих конструкций измерителей, построенных на описанных выше принципах.

Рассмотрены их преимущества и недостатки.

Методы, построенные на анализе зеркальной составляющей отраженного излучения, используют коэффициент отражения шероховатой поверхности в пределах дифракционного телесного угла в направлении зеркального отражения для оценки высотных параметров шероховатости. И могут быть реализованы на основе приборов, обладающих простой конструкцией и удовлетворительными массогабаритными показателями.

Метод потенциально обладает простой конструкцией и компактными габаритами измерителя.

Методы, основанные на анализе диффузной компоненты излучения, отраженного от шероховатой поверхности, обладают расширенным диапазоном в сторону сильно шероховатых поверхностей (более 1.0 микрометра). Но реализация этого подхода подразумевает применение в измерителе крупногабаритных элементов и наложение существенных ограничений на расстояние до контролируемой поверхности.

На основе произведенного анализа методов сформулированы научно-технические предпосылки использования метода зеркальной составляющей с нормальным углом падения излучения на контролируемую поверхность. Данная схема производительна, практически не имеет ограничений дистанции до контролируемой поверхности, позволяет контролировать профильные поверхности. Также обоснованно, что при совершенствовании и оптимизации оптической схемы и алгоритма обработки оптического излучения она может быть применена для контроля шероховатости непосредственно в ходе технологического процесса.

Вторая глава посвящена разработке и экспериментальной проверке математической модели отражения электромагнитного излучения от приближенно-одномерной шероховатой поверхности.

Учитывая то, что подавляющее большинство поверхностей, требующих контроля шероховатости, имеют анизотропную (приближенно-одномерную) структуру шероховатости, была разработана модель поверхности, учитывающая этот факт.

Обычно такие поверхности формируются путем механической обработки в одном направлении (шлифование, точение, прокат) или фоторезистивным методом, использующим оптическую спекл-структуру, у которой интервал корреляции в одном направлении существенно отличается от интервала корреляции в ортогональном направлении.

Классическое приближение Кирхгофа для оценки рассеяния излучения на одномерно шероховатых поверхностях не всегда дает удовлетворительные оценки в случае, удовлетворяющих условию:

, (1) 2 cos0 cos/ где - среднеквадратичное отклонение микронеровностей поверхности [мкм], -длина волны излучения [мкм], 0 и - углы падения и рассеяния соответственно [град].

Например, при нормальном падении и отражении в зеркальном направлении интенсивность излучения (=0,мкм), отраженного приближенно одномерно шероховатыми поверхностями с >0.8 мкм, была почти в 30 раз меньше теоретических оценок.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»