PL211122B1 - Sposób kompensacji błędów w skanujących systemach pomiarowych - Google Patents

Description

(11) 211122 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 382224

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 18.04.2007 (51) Int.Cl.

G01B 11/02 (2006.01) G01B 11/06 (2006.01) G01B 11/24 (2006.01) G01B 9/00 (2006.01) (54) Sposób kompensacji błędów w skanujących systemach pomiarowych

	(73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT OPTYKI STOSOWANEJ,
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	Warszawa, PL
27.10.2008 BUP 22/08	(72) Twórca(y) wynalazku:
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.2012 WUP 04/12	DARIUSZ LITWIN, Warszawa, PL JACEK GALAS, Łomianki, PL STEFAN SITAREK, Grójec, PL TOMASZ KOZŁOWSKI, Warszawa, PL

PL 211 122 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób kompensacji błędów w skanujących systemach pomiarowych z jedną lub dwiema głowicami konfokalnymi, mający zastosowanie do pomiaru kształtu powierzchni i grubości badanych obiektów takich jak cienkie płytki, zwłaszcza płytki krzemowe.

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 kojarzy się 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 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, charakteryzuje się on 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 nm ze wglądu na ugięcie grawitacyjne płytki. Dokładność pomiaru grubości wynosi ±2,5 nm, 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 wzorcowe o znanej grubości, mierzone innym przyrządem.

• Przyrząd wykorzystujący czujnik pojemnościowy oferowany przez firmę Oryx System, Inc, USA o maksymalnej dokładności 0.02 nm. Przyrząd ten umożliwia pomiar statyczny, bez możliwości skanowania.

Z opisu patentowego PL 207 568 znany jest także sposób i układ do pomiaru grubości i kształtu cienkich płytek z wykorzystaniem dwóch głowic pomiarowych o wysokiej rozdzielczości poprzecznej i podłużnej, w których zasadą działania jest podłużna aberracja chromatyczna. Głowice są usytuowane współosiowo po obu stronach ustawionej pionowo płytki. Mierzenie badanej płytki poprzedza ustawienie współosiowości głowic, kalibracja układu, oraz wzorcowanie układu za pomocą płaskiej powierzchni referencyjnej wzorca optycznego. Podczas wykonania pomiarów badaną płytkę umieszcza się pomiędzy dwiema ustawionymi współosiowo głowicami pomiarowymi zamontowanymi na wspólnym wsporniku. Następnie na powierzchni badanej płytki jest ogniskowane światło polichromatyczne 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 badanej płytki jest wykorzystywane do pomiaru i poprzez otwór o małej średnicy jest analizowane w spektrometrze. Zmiany widma rejestrowane przez spektrometr świadczą o zmianie odległości badanej płytki od głowicy pomiarowej, a w praktyce od odpowiedniej płaszczyzny referencyjnej w określonej od powierzchni mechanicznej głowicy przy założeniu, że uchwyt płytki nie wpływa na jej kształt. Głowice pomiarowe przemieszczające się w obrębie powierzchni płytki tworzą dokładną mapę

PL 211 122 B1 obu jej powierzchni oraz grubości. Mapa powierzchni powstaje przez pomiar odległości między głowicami a powierzchnią obiektu, przy znanej odległości między głowicami.

W skanują cych systemach pomiarowych czas pomiaru wartoś ci pł ytki zależ y od wymaganej rozdzielczości pomiaru i wynosi od kilkunastu minut do kilkudziesięciu godzin. W takim czasie nawet niewielkie zmiany temperatury otoczenia, ciśnienia lub wilgotności powodują, że odległość między głowicami pomiarowymi zmienia się, co wpływa na powstawanie błędów pomiarowych.

Istota wynalazku polega na zastosowaniu sposobu kompensacji błędów pomiarowych powstających podczas pomiaru kształtu powierzchni i grubości cienkich płytek, z wykorzystaniem systemu skanującego zjedna lub dwiema głowicami konfokalnymi i wzorca optycznego zawierającego co najmniej jeden punkt lub grupę punktów referencyjnych o znanych lub założonych parametrach.

Sposób kompensacji tych błędów według wynalazku polega na tym, że dokonuje się naprzemiennie pomiaru wartości wzorca w punkcie lub grupie punktów referencyjnych, oraz pomiaru wartości w punktach badanego obiektu, przy czym pomiary wartości wzorca wykonuje się w równych lub różnych odstępach czasowych w określonych współrzędnych czasu, zaś kompensację błędów pomiarowych przeprowadza się poprzez korelację czasową mierzonych wartości badanego obiektu i wartości wzorca. Znalezienie odpowiedniej odchyłki mierzonych wartości badanego obiektu następuje przez sekwencję dwóch operacji, z których pierwszą jest wyznaczenie funkcji aproksymującej mierzoną wartość badanego obiektu względem czasu z naprzemiennych pomiarów wartości wzorca, a drugą jest interpolacja mierzonych wartości badanego obiektu przy wykorzystaniu współrzędnych czasu, podstawiając do tego celu wartości otrzymane z pomiarów wzorca.

Korzystnym jest, jeżeli punkt lub grupę punktów referencyjnych wyznacza się na odpowiednio wyselekcjonowanym fragmencie badanego obiektu, który podczas pomiarów pełni rolę wzorca.

Sposób według wynalazku jest objaśniony w przykładzie realizacji przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia znany układ dwóch głowic konfokalnych do pomiarów kształtu powierzchni i grubości cienkich płytek, fig. 2 - rozmieszczenie punktów lub grupy punktów pomiarowych względem badanej płytki, fig. 3 - wartości parametrów wzorca i badanego obiektu podczas pomiaru względem pierwszej głowicy, fig. 4 - wartości parametrów wzorca i badanego obiektu podczas pomiaru względem drugiej głowicy, a fig. 5 - wyznaczone wartości odległości między głowicami i grubości płytki w funkcji czasu.

Skanujący system pomiarowy przedstawiony na fig. 1, przeznaczony do obustronnych pomiarów kształtu powierzchni i grubości cienkich płytek, posiada dwie głowice konfokalne pomiarowe 1, 2, pierwszą i drugą. Głowice 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 z1 pierwszej powierzchni i odległości z2 drugiej powierzchni. Mapę grubości płytki tworzy się na podstawie prostej zależności algebraicznej: T=D-z1-z2, gdzie D określa odległość między głowicami, a wartości z1,z2 - odległości między głowicami a powierzchnią obiektu. Wartość „a określa odległość odpowiedniej płaszczyzny referencyjnej od powierzchni mechanicznej głowic.

Punkt referencyjny wskazany na fig. 2, lub grupa punktów referencyjnych, mogą być zdefiniowane na odrębnym od mierzonego obiekcie lub też mogą być umieszczone na wydzielonej części obiektu mierzonego. Pomiar punktów referencyjnych (odniesienia) następuje pomiędzy pomiarami zasadniczymi, korzystnie na początku pomiaru kolejnych linii o punktach początkowych 1', 2', 3' i punktach koń cowych 2, 3, oraz na począ tku i końcu następnych mierzonych linii. W celu wykonania pomiaru punktu referencyjnego, głowica pomiarowa jest przesuwana do tego punktu, a następnie wraca do mierzonej linii. W związku z tym zarówno pomiary zasadnicze jak i referencyjne wykonywane są przy pomocy tej samej głowicy lub głowic pomiarowych. W trakcie wszystkich pomiarów rejestrowany jest czas.

Kompensacja w przypadku pomiaru kształtu powierzchni polega na przygotowaniu wykresu funkcji z1(t) lub z2(t) (odległości głowicy pierwszej lub drugiej do elementu wzorcowego w funkcji czasu), oraz dopasowaniu krzywej metodą statystyczną.

Kompensacja pomiaru kształtu w trakcie skanowania powierzchni:

Wartości wielkości mierzonej w punkcie referencyjnym Z₁ ^R(t) oraz Z^R2(t) w punkcie czasowym t podczas skanowania obiektu obliczane są z zależności (1):

ZR (t)=zR⁰(to)+δζ!<ι) zR (t )=zR⁰(to)+ δζ₂(ι )

PL 211 122 B1 gdzie:

Z₁ ^R0(t0) oraz Z^R2⁰(t₀) są wartościami wielkości mierzonej przyjętych jako dokładne w początkowej chwili skanowania t=t0,

ΔΖ-ι(Γ) oraz ΔZR⁰(t) są odchyłkami od wartości dokładnej w punkcie czasowym t podczas pomiaru wzorca.

Odchyłki te obliczane są z zależności (2):

^,ΔΖ₁(1 ) = ZR(t)- ZR⁰ (t)

[ ΔZ2 (t )=ZR (t)- ZR⁰(t)

Skanowanie obiektu mierzonego oraz punktu referencyjnego lub grupy punktów, nie następuje jednocześnie lecz naprzemiennie w równych lub różnych okresach czasowych korzystnie po zakończeniu skanowania poszczególnych linii w obiekcie. Wobec tego bezpośrednio nie są dostępne odchyłki odpowiadające rzeczywistym punktom pomiarowym wykonanym w czasie t1, w obiekcie. Właściwe odchyłki obliczane są poprzez aproksymację. Znalezienie odpowiedniej odchyłki mierzonej wartości w obiekcie mierzonym następuje przez sekwencję trzech operacji, przy czym pierwszą operacją jest wyznaczenie funkcji aproksymującej mierzoną wartość względem czasu z pomiarów wzorca, drugą jest interpolacja odchyłki wartości mierzonej odpowiadającej odpowiedniej współrzędnej czasowej punktu pomiarowego w obiekcie (fig 3 i 4, interpolacja między punktami tr i tr+1), trzecią jest dodanie odchyłki obliczonej w operacji drugiej do wartości mierzonej w obiekcie. Ilustrują to wzory (3): i ZP'^kor (tj) = ZP (tj)+ΔZ1^nt (tj)

ZP'^kor (ti) = ZP (ti)+ΔZ2^nt (ti) gdzie: Δ Ze (), oraz Δ Zp^nt (t,) są interpolowanymi odchyłkami odpowiadającymi punktom pomiarowym w obiekcie we współrzędnej czasowej ti,

Z₁ ^P (ti) oraz Z^P2 (t_i )są wartościami wielkości mierzonej otrzymanymi w trakcie skanowania obiektu we współrzędnej czasowej ti,

ZP'^kor(ti)oraz ZP'^kor (tj)są wartościami wielkości mierzonej otrzymanymi w trakcie skanowania obiektu we współrzędnej czasowej ti, po dodaniu wartości kompensujących.

Kompensacja pomiaru grubości w trakcie skanowania obiektu:

W przypadku pomiaru grubości wartością referencyjną jest odległość między głowicami „D. Wartość „D mierzona jest w punkcie referencyjnym według zależności (4):

D(t) = Z1^R (t)+ Z^R2 (t)+T^R ) (4) gdzie: D(t) - odległość między głowicami,

Z₁ ^R (t)oraz Z^R2 (t)wartości odległości głowic od pierwszej i drugiej powierzchni obiektu,

T^R - prawdziwa wartość grubości w elemencie wzorcowym lub wyselekcjonowanym obszarze obiektu w chwili t0;

Analogicznie jak w przypadku pomiaru kształtu powierzchni obiektu badanego, odległość głowic bezpośrednio nie jest dostępna w chwili wykonywania pomiaru w obiekcie. Właściwa odległość między głowicami jest obliczana poprzez aproksymację. Znalezienie odpowiedniej wartości „D mierzonej wartości we wzorcu i kompensacja wartości w obiekcie następuje w sekwencji trzech operacji, przy czym pierwszą operacją jest wyznaczenie funkcji aproksymującej odległość między głowicami względem czasu z pomiarów wzorca, drugą jest interpolacja wartości „D odpowiadającej odpowiedniej współrzędnej czasowej ti punktu pomiarowego w obiekcie (fig. 5, interpolacja między punktami ti i tr+1), trzecią jest obliczenie kompensowanej wartości mierzonej w obiekcie w chwili ti według wzoru (5):

Tp (ti) = D^inr (ti) Z1^R(ti)-Z^R2(t_i) (5) gdzie: Tp (ti) jest skompensowaną wartością grubości w punkcie czasowym ti,

D^inr (ti) jest interpolowaną wartością odległości między głowicami w chwili ti,

Z₁ ^R (ti)oraz Z^R2 (t_i)są wartościami mierzonymi przez głowice pomiarowe w trakcie pomiaru obiektu w chwili ti.

PL 211 122 B1

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób kompensacji błędów w skanujących systemach pomiarowych z jedną lub dwiema głowicami konfokalnymi, w którym podczas pomiarów kształtu powierzchni i grubości badanego obiektu, zwłaszcza cienkich płytek, wykorzystuje się wzorzec optyczny zawierający co najmniej jeden punkt lub grupę punktów referencyjnych o znanych lub założonych parametrach, znamienny tym, że dokonuje się naprzemiennie pomiaru wartości wzorca w punkcie lub grupie punktów referencyjnych, oraz pomiaru wartości w punktach badanego obiektu, przy czym pomiary wartości wzorca wykonuje się w równych lub różnych odstępach czasowych w określonych współrzędnych czasu, zaś kompensację błędów pomiarowych przeprowadza się poprzez korelację czasową mierzonych wartości badanego obiektu i wartości wzorca, przy czym znalezienie odpowiedniej odchyłki mierzonych wartości badanego obiektu następuje przez sekwencję dwóch operacji, z których pierwszą jest wyznaczenie funkcji aproksymującej mierzoną wartość badanego obiektu względem czasu z naprzemiennych pomiarów wartości wzorca, a drugą jest interpolacja mierzonych wartości badanego obiektu przy wykorzystaniu współrzędnych czasu, podstawiając do tego celu wartości otrzymane z pomiarów wzorca.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że punkt lub grupę punktów referencyjnych wyznacza się na odpowiednio wyselekcjonowanym fragmencie badanego obiektu, który podczas pomiarów pełni rolę wzorca.