УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР Российский патент 1995 года по МПК G01N21/64 H01L21/66 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля излучающих полупроводниковых структур, предназначенных для изготовления фотоэлектронных приборов.

Известно устройство для определения координат центра яркости исследуемого объекта [1] которое содержит источник излучения, оптическую систему, шаговые двигатели, контролируемую полупроводниковую структуру, электрически, оптически и механически соединенные между собой.

Недостатками этого устройства являются локальность измерения, низкая производительность результатов измерения, привязка только к конкретным координатам измерения.

Известно устройство для контроля дефектов полупроводниковых пластин [2] содержащее лазер, электрооптический модулятор, оптическую систему, предметный столик с контролируемой пластиной (структурой), шаговым приводом, ЭВМ с монитором и принтером.

Недостатком данного устройства, служащего прототипом, является низкая производительность контроля из-за локальности возбуждения люминесценции сфокусированным лазерным лучом и последующего сканирования этого луча по всей поверхности пластины с фиксацией каждого результата, из-за привязки каждой контролируемой точки к системе координат. Реальная длительность контроля полупроводниковой структуры (10000 измерений) составляет несколько часов.

Изобретение направлено на повышение производительности контроля фотолюминесценции всей поверхности полупроводниковой структуры.

Устройство для контроля качества полупроводниковых структур включает в свой состав оптически связанные между собой первый источник излучения, контролируемую полупроводниковую структуру, размещенную на предметном столике, оптическую систему и детектор. Первый источник излучения присоединен к первому выходу блока питания, а детектор к персональной ЭВМ, снабженной монитором и принтером. Эти существенные признаки являются общими с прототипом. Отличие состоит в том, что устройство снабжено фотометрическим шаром с диффузно отражающей внутренней поверхностью, в котором выполнены четыре окна, два из них боковых, верхнее и нижнее, вторым источником излучения, контроллером параллельного интерфейса, контроллером последовательного интерфейса, первым и вторым шаговыми двигателями, первым и вторым электронными ключами, контроллером шаговых двигателей и держателем полупроводниковой структуры. При этом оптическая система снабжена механизмом перемещения, а в качестве детектора использована цифровая телекамера с ПЗС-матрицей. Телекамера снабжена устройством перемещения. В боковых стенках фотометрического шара размещены соответственно первый и второй источники излучения. В нижнем окне фотометрического шара размещен предметный столик с возможностью контроля полупроводниковой структуры "на отражение". Над верхним окном фотометрического шара установлен держатель с возможностью контроля полупроводниковой структуры "на просвет". Выход телекамеры электрически соединен через контроллер параллельного интерфейса с персональной ЭВМ, которая соединена с контроллером последовательного интерфейса. Вход контроллера шаговых двигателей подключен к контролеру последовательного интерфейса. Первый выход контроллера шаговых двигателей соединен с входом первого электронного ключа, выход которого соединен с входом первого шагового двигателя, выход последнего соединен с механизмом перемещения телекамеры. Второй выход контроллера шаговых двигателей соединен с входом второго электронного ключа, выход которого соединен с входом второго шагового двигателя, выход последнего соединен с механизмом перемещения оптической системы. Третий выход контроллера шаговых двигателей соединен с входом блока питания, второй выход которого соединен с вторым источником излучения. Кроме того, первый (и второй) источник излучения, снабженный вентилятором, включает последовательно установленные эллипсообразный интерференционный отражатель, кварцевую галогенную лампу, рассеивающую линзу, блок оптических светофильтров, конденсор и выходную диафрагму, при этом вентилятор установлен над блоком светофильтров.

В предложенном устройстве контроля возбуждение фотолюминесценции осуществляется равномерным диффузным потоком одновременно по всей площади структуры. Через селективный светофильтр фотолюминесцентное изображение структуры "снимается" телекамерой с фотоприемной ПЗС-матрицей, оцифровывается и передается для дальнейшей обработки в персональной ЭВМ. Время, затрачиваемое на эти операции, для одной полупроводниковой структуры не превышает нескольких секунд. В аналогичных установках контроля возбуждение фотолюминесценции осуществляется локально сфокусированным лазерным лучом и для измерения интенсивности фотолюминесценции по всей площади структуры применяется сканирование возбуждающего лазерного луча по ее поверхности, последовательное накопление результатов измерения и привязка их к осям координат. По времени этот процесс контроля структуры длится несколько часов. При межоперационном контроле в процессе изготовления полупроводниковых структур предложенное устройство контроля качества полупроводниковых структур позволяет выявлять брак на ранних стадиях производства структур с последующим исправлением брака или исключением забракованных структур из дальнейшего участия в технологическом процессе. За счет достигаемого эффекта повышения производительности контроля уровня фотолюминесценции полупроводниковых структур, улучшения качества производимых полупроводниковых приборов с фотоэффектом и повышения выхода годных приборов достигается в целом значительный экономический эффект.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для контроля качества полупроводниковых структур; на фиг. 2 структурная схема источника излучения.

Устройство содержит полупроводниковую структуру 1, размещенную либо в держателе 2, либо на предметном столике 3. В первом случае полупроводниковая структура контролируется "на просвет" и помещается над верхним окном 4 фотометрического шара 5 с диффузно отражающей внутренней поверхностью, во втором полупроводниковая структура контролируется "на отражение" и помещается под нижним окном 6 фотометрического шара 5. В боковые два окна 7 фотометрического шара 5 введены первый 8 и второй 9 источники излучения. Кроме того, в состав устройства входит оптическая система 10 с блоком светофильтров, детектор 11, в качестве которого используется цифровая телекамера с фотоприемной ПЗС-матрицей, контроллер 12 последовательного интерфейса, контроллер 13 параллельного интерфейса, персональная ЭВМ 14 с монитором 15 и принтером 16, контроллер 17 шаговых двигателей, первый 18 и второй 19 электронные ключи, первый 20 и второй 21 шаговые двигатели, механизм 22 перемещения телекамеры, механизм 23 перемещения оптической системы, блок 24 питания.

Фотометрический шар 5 с диффузно отражающей внутренней поверхностью с полупроводниковой структурой 1, оптическая система 10 с блоком светофильтров и детектор 11 расположены на одной оптической оси, перпендикулярной горизонтальной плоскости. Предметный столик 3 и держатель 2 полупроводниковой структуры выполнены установочно подвижными в горизонтальной плоскости. Кроме того, оптическая система 10 с блоком светофильтров и детектор 11 выполнены независимо друг от друга установочно подвижными вдоль оптической оси. Выход детектора цифровой телекамеры 11 электрически соединен с входом контроллера 13 параллельного интерфейса и через него с персональной ЭВМ 14, соединенной с монитором 15 и принтером 16. Вход контроллера 17 шаговых двигателей соединен с выходом контроллера 12 последовательного интерфейса. Первый выход контроллера 17 соединен с входом первого электронного ключа 18, выход которого соединен с входом первого шагового двигателя 20, выход последнего соединен с механизмом 23 перемещения телекамеры 11 вдоль оптической оси. Второй выход контроллера 17 шаговых двигателей соединен с входом второго электронного ключа 19, выход которого соединен с входом шагового двигателя 21, выход последнего соединен с механизмом 23 перемещения оптической системы 10 вдоль оптической оси. Третий выход контроллера 17 шаговых двигателей соединен с входом блока 24 питания, первый выход которого соединен с первым источником 8 излучения, а второй с вторым источником 9 излучения.

Источник излучения включает в свой состав кварцевую галогенную лампу 25, эллипсоидный интерференционный отражатель 26, оптически последовательно расположенные рассеивающую линзу 27, блок оптических светофильтров 28, конденсор 29 и выходную диафрагму 30 и установленный над блоком светофильтров 28 вентилятор 31.

Контроль полупроводниковых структур в устройстве может осуществляться "на отражение" или "на просвет". Создание высокой плотности потока мощности света на поверхности полупроводниковой структуры и формирование оптимального спектра возбуждающего излучения обеспечивают два источника 8 и 9 излучения. ИК-излучение каждой кварцевой галогенной лампы 25 с эллипсоидным интерференционным отражателем 26 проходит сквозь интерференционное покрытие отражателя 26 и поглощается внутренними стенками корпуса каждого источника излучения, в прямое ИК-излучение лампы 25 рассеивается линзой 27. Видимое излучение лампы 25 отражается от интерференционного покрытия отражателя 26, проходит через линзу 27, блок оптических светофильтров 28, который формирует спектральную характеристику источника излучения, и концентрируется конденсором 29 в отверстии выходной диафрагмы 30. Вентилятор 31, установленный над блоком светофильтров, охлаждает все элементы источника излучения.

Возбуждающий световой поток первого 8 и второго 9 источников излучения вводится в фотометрический шар 5 через два его боковых окна 7 и равномерно распределяется по всей диффузно отражающей внутренней поверхности фотометрического шара. Для увеличения степени равномерности распределения возбуждающего излучения по поверхности полупроводниковой структуры боковые окна фотометрического шара расположены ортогонально в горизонтальной плоскости. Равномерный диффузный световой поток возбуждает фотолюминесценцию в активном слое полупроводниковой структуры 1, расположенной в держателе 2 верхнего окна 4 шара или на предметном столике 3 нижнего окна 6 фотометрического шара. Блок светофильтров оптической системы 10 селектирует фотолюминесцентное ИК-излучение, а оптическая система затем проецирует его на фотоприемную ПЗС-матрицу цифровой телекамеры 11. Телекамера 11 производит преобразование кадра ИК-изображения активного слоя полупроводниковой структуры в цифровой код и передает его в персональную ЭВМ 14 через контроллер 13 параллельного интерфейса. Полученный персональной ЭВМ кадр обрабатывается и выводится на экран монитора 15 и (или) на принтер 16.

Размещение фотометрического шара 5, оптической системы 10 с блоком светофильтров и цифровой телекамеры 11 на одной оптической оси перпендикулярно горизонтальной плоскости и установочная подвижность полупроводниковых структур 1 на предметном столике 3 или в держателе 2 структуры в горизонтальной плоскости позволяют при большом увеличении получать изображение любого участка полупроводниковой структуры 1. Перемещение оптической системы 10 с блоком светофильтpов и цифровой телекамеры 11 вдоль оптической оси позволяет изменять масштаб получаемого изображения. Изменение масштаба изображения контролируемой структуры на экране монитора с одновременной автоматической установкой резкости изображения производится путем перемещения двух независимых электронно-механических систем. Эти электромеханические системы состоят из контроллера 17 шаговых двигателей, первого 18 и второго 19 электронных ключей, первого 20 и второго 21 шаговых двигателей, механизма 22 перемещения телекамеры 11 и механизма 23 перемещения оптической системы 10. Связь контроллера 17 шаговых двигателей с персональной ЭВМ 14 осуществляется через контроллер 12 последовательного интерфейса, расположенный в корпусе персональной ЭВМ.

При включении всего устройства для контроля качества полупроводниковых структур контроллер 17 шаговых двигателей устанавливает телекамеру 11 и оптическую систему 10 в исходное состояние (установка на концевые выключатели). Контроллер 17 шаговых двигателей в момент срабатывания концевых выключателей сообщает персональной ЭВМ 14 о готовности электромеханических систем. Получив это сообщение, персональная ЭВМ присваивает текущим координатам Z телекамеры 11 и координатам Z оптической системы 10 нулевые значения. По команде оператора ЭВМ 14 выдает в контроллер 17 шаговых двигателей команды на установку цифровой телекамеры 11 и оптической системы 10 в координаты, соответствующие выбранному оператором масштабу изображения. Контроллер 17 шаговых двигателей дешифрует полученные команды и преобразует их в две независимые последовательности импульсов управления шаговыми двигателями. Первая последовательность импульсов управления с контроллера 17 шаговых двигателей усиливается первым электронным ключом 18 и поступает на первый шаговый двигатель 20, якорь которого начинает вращаться. Вращательное движение якоря шагового двигателя преобразуется в поступательное движение механизма 22 перемещения телекамеры вдоль оптической оси на расстояние, соответствующее выбранному масштабу изображения полупроводниковой структуры 1. Аналогично вторая последовательность импульсов управления с контроллера 17 шаговых двигателей усиливается вторым электронным ключом 19 и поступает на второй шаговый двигатель 21, вращательное движение якоря которого превращается в поступательное движение механизма 23 перемещения оптической системы вдоль оптической оси. Через контроллер 17 шаговых двигателей персональная ЭВМ 14 выдает команды в блоке 24 питания на включение первого 8 и (или) второго 9 источников излучения. Включение источников 8 и 9 излучения происходит перед началом экспонирования кадра телекамерой 11 и выключения их по окончании ввода кадра в персональную ЭВМ 14 с целью оптимизации теплового режима работы источников 8 и 9 излучения и фотометрического шара 5 в целом.

Использование: в полупроводниковой технике. Сущность изобретения: устройство для контроля качества полупроводниковых структур содержит контролируемую полупроводниковую структуру, оптическую систему, персональную ЭВМ и связанные с ней монитор и принтер. Устройство снабжено фотометрическим шаром, в боковых окнах которого размещены осветители, а также цифровой телекамерой, вход которой оптически связан через оптическую систему и блок светофильтров с контролируемой структурой. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР, включающее оптически связанные первый источник излучения, контролируемую полупроводниковую структуру, размещенную на предметном столике, оптическую систему и детектор, при этом первый источник излучения присоединен к первому выходу блока питания, а детектор к персональной ЭВМ, снабженной монитором и принтером, отличающееся тем, что устройство снабжено фотометрическим шаром с диффузно-отражающей внутренней поверхностью, в котором выполнены четыре окна
два боковых, верхнее и нижнее, вторым источником излучения, контроллером параллельного интерфейса, контроллером последовательного интерфейса, первым и вторым шаговыми двигателями, первым и вторым электронными ключами, контроллером шаговых двигателей и держателем полупроводниковой структуры, при этом оптическая система снабжена механизмом перемещения, в качестве детектора использована цифровая телекамера с фотоприемной ПЗС матрицей, телекамера снабжена устройством перемещения, в боковых окнах фотометрического шара размещены соответственно первый и второй источники излучения, в нижнем окне фотометрического шара размещен предметный столик для контроля полупроводниковой структуры "на отражение", над верхним окном фотометрического шара установлен держатель для контроля полупроводниковой структуры "на просвет", выход телекамеры электрически соединен через контроллер параллельного интерфейса с персональной ЭВМ, которая соединена с контроллером последовательного интерфейса, вход контроллера шаговых двигателей подключен к контроллеру последовательного интерфейса, первый выход контроллера шаговых двигателей соединен с входом первого электронного ключа, выход которого соединен с входом первого шагового двигателя, выход последнего соединен с механизмом перемещения телекамеры, второй выход контроллера шаговых двигателей соединен с входом второго электронного ключа, выход которого соединен с входом второго шагового двигателя, выход последнего соединен с механизмом перемещения оптической системы, третий выход контроллера шаговых двигателей соединем с входом блока питания, второй выход которого соединен с вторым источником излучения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник излучения, снабженный вентилятором, включает последовательно установленные эллипсоидный интерференционный отражатель, кварцевую галогенную лампу, рассеивающую линзу, блок оптических светофильтров, конденсор и выходную диафрагму, при этом вентилятор установлен над блоком светофильтров.