Устройство радиометрического дифференциального измерения толщины Советский патент 1992 года по МПК G01B15/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к радиометрическим методам контроля толщины объектов, и может быть использовано для контроля толщи- ны фольги, тонких пленок и покрытий в различных отраслях промышленности.

Известно устройство для радиометрического измерения толщины кремниевых мембран, содержащее источник излучения, точечный коллиматор, приемник излучения с блоком питания и управления, таймер, блок выделения сигналов, включающий пороговый дискриминатор и блок обработки информации. Измеряемая мембрана расположена между коллиматором и приемником излучения. Толщину мембраны в области поверхности, определяемой размерами коллиматора, рассчитывают по формуле

In

NX

No

где dx - толщина образца;

ц- линейный коэффициент ослабления излучения в материале мембраны,

NX - интенсивность прошедшего излу- ченияу

No - интенсивность неослабленного излучения, измеряемая до и после измерения объекта и записанная в ЗУ управляющей микроЭВМ.

В формуле предполагается одинаковая эффективность регистрации приемником как ослабленного, так и неослабленного излучения.

Недостатками описанного устройства являются низкая точность, так как измерение интенсивности неослабленного излучения не может проводиться одновременно с измерением излучения, прошедшего через объект контроля; низкая производительность, так как толщину разных участков поверхности мембраны измеряют последовательно и обработку результатов проводят в режиме реального времени.

Наиболее близким по технической сущности к описываемому (выбрано в качестве прототипа) является дифференциальное устройство для радиометрических измерений. Стандартное устройство дифференциального радиометрического измерения содержит два. коллиматора, расположенных по разные стороны от источника излучения. Один из коллиматоров расположен между источником излучения и измеряемым объектом, другой - между источником излучения и входным окном одного из двух приемников излучения. Оба приемника одновременно измеряют как неослабленное излучение,

так и излучение, прошедшее контролируемый объект.

Устройство содержит блок питания и управления приемниками излучения, таймер

для определения времени накопления сигнала, включающие пороговые дискриминаторы, а также блок обработки информации, в котором проводится сравнение интенсив- ностей излучения, зарегистрированных од0 повременно двумя приемниками, и вычисление по формуле (1) толщины объекта на участке поверхности, определяемом размерами обращенного к нему коллиматора. Однако сам принцип стандартного диф5 ференциального измерения содержит физическое противоречие - при повышении точности на этапе обработки сигналов точность теряется из-за наличия двух приемников излучения, отличающихся по исходной

0 чувствительности и стабильности.

Другим недостатком является ограничение в выборе источника излучения, который должен обеспечивать одинаковый поток излучения на оба приемника, расположенных

5 по разные стороны источника. Это требование невозможно реализовать технически для широко применяемых радионуклидных источников.

Цель изобретения - повышение точно0 сти измерений - достигается тем, что в известном устройстве дифференциального измерения толщины в качестве приемника используется координатно-чувствительный детектор (КЧД), в качестве коллиматора5 мультиколлиматор с множеством параллельных каналов, причем каждый из каналов расположен соосно с приемными элементами координатно-чувствительного детектора, блок выделения сигналов содер0 жит блока сравнения и первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также последовательно включенные пороговый дискриминатор, вход которого подключен к выходу предусилителя, а второй выход - к

5 первому входу блока сравнения, селектор верхнего уровня, второй выход которого подключен к второму входу блока сравнения, блок выделения максимального сигнала, масштабирующий усилитель и второй

0 АЦП, выход которого соединен с первым входом блока обработки информации, а выход блока сравнения через первый АЦП соединен с вторым входом блока обработки информации, блок обработки информации

5 содержит два запоминающих устройства, центральный процессор и вычислительный блок, входы и выходы которого соединены с центральным процессором, третья пара вход-выход центрального процессора подключена к внешнему устройству вывода информации, четвертая пара вход-выход центрального процессора присоединена к блоку управления устройством, выходы которого подключены к координатно-чувст- вительному детектору и входу блока питания, выход которого также присоединен к входу координатно-чувствитёльного детектора.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства радиометрического дифференциального измерения толщины и блок-схема основных электронных блоков; на фиг. 2 - осциллограммы импульсов на разных стадиях обработки сигналов; на фиг. 3 - принципиальная схема организации внутренней структуры и переноса сигналов в детекторе излучения на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС).

В основании 1 расположен источник 2 излучения, по одну сторону от него - муль- тиколлиматор 3 в виде системы коллимаци- онных отверстий. Контролируемая мембрана 4 размещена в держателе 5, в центре которого сделано отверстие, ограничивающее рабочее поле мембраны. Держатель с мембраной установлен так, чтобы, по крайней мере, один коллиматор не был перекрыт объектом. Соссно с коллимационными отверстиями ориентированы приемные элементы 6 координатно-чувствитёльного детектора 7.

Вход КЧД 7 присоединен к блоку питания (например, синхрогенератору) 8 и блоку 9 управления устройством. Выход КЧД 7 присоединен непосредственно к блоку 10 выделения сигналов.

Блок 10 выделения сигналов содержит предварительный усилитель 11, пороговый дискриминатор 12, селектор 13 верхнего уровня; к выходу селектора верхнего уровня параллельно подключены блок 14 выделения максимального сигнала, соединенный с масштабирующим усилителем 15, и блок 16 сравнения. Вход блока 16 сравнения также соединен с выходом порогового детектора 12. Выходы масштабирующего усилителя 15 и блока 16 сравнения через два блока - АЦП 17 и 18 соединены с блоком 19 обработки информации.

Блок 19 обработки информации содержит два запоминающих устройства 21 и 22, соединенных с центральным процессором 22, а также вычислительный блок 23 и устройство 24 вывода информации. Блок 19 обработки обменивается информацией с блоком управления установкой.

Устройство функционирует следующим образом.

Контролируемый объект в держателе 5 устанавливают в промежуток между системой коллиматоров 3 и входным окном 6 КЧД 7 так. чтобы часть коллиматоров не была перекрыта.

По сигналу Пуск запускается встроен- 5 ный таймер блока 9 управления и разблокируется выход блока 8 питания (синхрогенератора). Вследствие этого на КЧД 7 подаются импульсы напряжения питания и в детекторе начинается процесс на0 копления сигнала. При этом приемник регистрирует излучение, ослабленное материалом объекта в точках контроля, задаваемых пространственным расположением коллиматоров, а также неослабленное излу5 чение (пренебрегая поглощением в воздушном зазоре), которое попадает на приемные элементы детектора через коллиматоры, не перекрытые объектом.

В случае использования ПЗС в качестве

0 КЧД поглощаемое в полупроводнике излучение вызывает генерацию электронно-дырочных пар. В обедненном слое под действием электрического поля эти пары разделяются: электроны локализуются в по5 тенциальных ямах, а дырки выносятся в ней- тральную область полупроводника. Величина заряда, накапливаемого в данном элементе, пропорциональна (в первом приближении) усредненному по площади S при0 емного элемента потоку энергии Ф и времени накопления tH:

Q q Ф в S tH

5 где 0 - интегральная эффективность преобразования;

q - заряд электрода. ПЗС состоят, как правило, из двух идентичных секций (областей) - области накоп0 ления А и области хранения (памяти) В, как показано на фиг. 3. Время накопления зарядов (время экспозиции) задается таймером блока 9 управления и определяется интенсивностью падающего излучения. В

5 зависимости от условий измерения время накопления заряда в секции А может варьироваться от не до ед. минут. После оконча- ния накопления на фазовые электроды секции накопления подаются тактовые им0 пульсы напряжения сброса Фш; Фан; Фзнх, и информация в виде зарядовых пакетов перемещается из элементов секции накопления в секцию хранения В, откуда за время, когда в секции накопления происходит

5 формирование новой информационной структуры, выводится через выходной регистр ВР в выходное устройство ВУ и далее - на предварительный усилитель блока выделения сигналов. Выводом информации из

секции хранения управляют фазовые импульсы Фш; Ф2п; Фзп: выводом информации из выходного регистра ВР-импульсы Ф2р; ФЗР. Скорость вывода информации с ПЗС достигает десятков МГц.

На осциллограмме выходного сигнала с КЧД устройства (фиг. 2 а) наблюдаются два вида импульсов, превышающих уровень фонового сигнала: 11 - импульс с приемных элементов КЧД, пространственно соответствующих i-м коллиматорам и пропорциональных интенсивности излучения, ослабленного поглощением в контролируемом объекте; lka - импульсы с приемных элементов КЧД, пространственно соответствующих k-м коллиматорам и характеризующих интенсивность неослабленного излучения источника.

С помощью порогового дискриминатора 12 выделяют импульсы, превосходящие уровень фона; осциллограмма сигналов на выходе порогового дискриминатора представлена на фиг. 26. С выхода порогового дискриминатора сигналы поступают на селектор 13 верхнего уровня и блок 16 сравнения. Селектор верхнего уровня выделяет только сигналы амплитуды, превышающей

(имакс- г ), т. е. соответствующие ин JMSKC

тенсивности неослабленного излучения; осциллограмма сигналов на выходе селектора верхнего уровня представлена на фиг. 2в.

С выхода селектора 13 верхнего уровня сигналы параллельно поступают на блок 14 выделения максимального сигнала (в данном случае пиковый детектор) и блок 16 сравнения.

Блок 16 сравнения представляет собой электронную схему несовпадений, на вход которой поступают импульсы как с порогового дискриминатора 12, так и с выхода селектора 13 верхнего уровня (с учетом временной задержки дискриминирования). На выходе блока 16 сравнения будут в этом случае только импульсы, соответствующие интенсивности излучения, прошедшего через измеряемый образец.

Осциллограмма импульсов на выходе блока сравнения представлена на фиг, 2г.

После прохождения блока АЦПа 18 импульсы поступают в блок 19 обработки информации и записываются в 3Vi 21.

К выходу селектора 13 верхнего уровня присоединен блок выделения максимального сигнала - в данном случае пиковый детек- тор 14, который выделяет сигнал максимальной амплитуды, соответствующий интенсивности неослабленного излучения.

С помощью масштабирующего усилителя 15 осуществляется первоначальная настройка и калибровка работы системы обработки, а также усиление сигнала в про- цессе работы, необходимые из-за наличия потерь при дискриминации. Информация с выхода усилителя 15 поступает на блок АЦГИ 17 и также записывается в ЗУа 20.

Работа блока 19 обработки информации 0 (БОИ) происходит по следующему алгоритму:

1.Ожидание и запуск от блока управления,

2.Ожидание готовности внешних уст- 5 ройств к выдаче информации.

3.Ввод информации от внешних устройств (ЗУ1 и ЗУа таймер БУ).

4.Вычисление по программе, основанной на использовании формулы. Вывод ин0 формации на УНИ 24.

5.Возврат в исходное состояние.

В качестве УНИ 24 используется цифровой дисплей, результаты вычислений выводятся одновременно с координатами точек

5 контроля, т. е. обеспечивается топография объекта контроля.

Благодаря работе в режиме разделения времени обеспечивается большая скорость обработки данных и существенно повыша0 ется производительность контроля толщины,

Формула изобретения Устройство радиометрического дифференциального измерения толщины, содер5 жащее располагаемый по одну сторону от объекта контроля коллимированный источник ионизирующего излучения и по другую сторону - последовательно соединенные детектор излучения с блоком питания, пред0 усилитель, блок выделения сигналов и блок обработки информации, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности измерений, детектор выполнен координат- но-чувствительным, а коллиматор - в виде

5 мультиколлиматора, с параллельными каналами, каждый из каналов расположен соос- но с приемными элементами координатно-чувствительного детектора, блок выделения сигналов выполнен в виде

0 блока сравнения и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также последовательновключенныхпороговогодискриминатора/вход которого подключен к выходу предусилителя, а второй выход - к

5 первому входу блока сравнения, селектора верхнего уровня, второй выход которого подключен к второму входу блока сравнения, блока выделения максимального сигнала, масштабирующего усилителя и второго АЦП, выход которого соединен с первым

входом блока обработки информации, а выход блока сравнения через первый АЦП соединен с вторым входом блока обработки информации, второй вход и выход блока обработки информации присоединены к блоку управления устройством, выходы которого подключены к управляющим входам координат- но-чувствител ьного детектора и входу блока питания, выход которого присоединен к входу питания координатно-чувстви- тельного детектора.

Изобретение относится к радиометрическим методам измерения толщины и может быть использовано в микроэлектронике и приборостроении. Цель изобретения - повышение точности за счет обеспечения одновременного измерения интенсивности как для неослабленного излучения, так и излучения, прошедшего через образец, одним и тем же координатно-чувствительным детектором (КЧД). В устройстве в качестве коллиматора используется мультиколлима- тор 3 с множеством параллельных каналов, блок 10 выделения сигналов содержит пороговый дискриминатор 12, блок 16 сравнения, селектор 13 верхнего уровня, блок 14 выделения максимального сигнала, блоки 17, 18 АЦП. Обработка измерительной информации производится блоком, включающим два запоминающих устройства 20, 21, вычислительный блок 23, центральный процессор 22 и устройство 24 вывода информации. 3 ил. W Ё

iW/WrWrV WaWfVfWz

в

и

лЛ ЛМ ЛлЛ

т т2 V;

да да

Фиг.2

А

г if

Ф1НФ2ИФЗН

Фиг.З