ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 129-134
ЛАБОРАТОРНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА
УДК 620.179.119
ИЗМЕРЕНИЕ ЧИСТОТЫ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК МЕТОДОМ ТРИБОМЕТРИИ © 2014 г. В. А. Колпаков*, Н. А. Ивлиев*, **
*Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет) Россия, 443086, Самара, Московское ш., 34 **Институт систем обработки изображений РАН Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151 E-mail: ivlievn@gmail.com Поступила в редакцию 28.10.2013 г.
Описано трибометрическое устройство, предназначенное для экспресс-контроля концентрации атомно-молекулярных загрязнений на поверхности полупроводниковых и диэлектрических подложек в диапазоне 10-7-10-10 г/см2 и основанное на измерении коэффициентов трения покоя и скольжения между исследуемыми поверхностями. Представлено расположение взаимодействующих подложек, формирующее точечный контакт и позволяющее исключить нарушения кристаллической структуры в области скольжения при нагрузках в диапазоне 0—3.7 H и углах между подложками 0—15°.
DOI: 10.7868/S0032816214040193
ВВЕДЕНИЕ
Контроль чистоты поверхности полупроводниковых и диэлектрических подложек необходим при изготовлении элементов микро-, наноэлек-троники [1—4], дифракционной оптики [5] и на-нофотоники [6]. С ростом площади (>700 см2) и скорости обработки подложек проведение указанной операции значительно усложняется в виду ограничения времени, отводимого на измерение чистоты поверхности подложек [2, 7]. Поэтому возникает острая необходимость экспресс-контроля чистоты поверхности.
Большинство существующих методов экспресс-контроля обладают недостатками, затрудняющими их использование в технологическом процессе, например: загрязнение исследуемой поверхности атомами и молекулами веществ, используемых при измерении [5, 8], необходимость применения зондов-инденторов с эталонными свойствами поверхностей [1], ограниченность контролируемых типов подложек [2, 7].
Авторы работ [3, 9] предлагают устранить указанные недостатки путем использования в качестве критерия чистоты поверхности коэффициент трения скольжения двух подложек, прошедших идентичную процедуру очистки и располагающихся друг относительно друга под некоторым углом, так что между ними образуется точечный контакт. Движение подложки-зонда, в этом случае, осуществляется под действием силы тяжести,
так как исследуемая поверхность располагается под углом к горизонту.
Однако при скольжении подложки-зонда возникает механическая деформация исследуемой поверхности [9], для устранения которой автор работы [10] предложил уменьшить угол между подложками до 4°—6°. Это привело к необходимости строгого контроля величины зазора между технологической оснасткой крепления подложки-зонда и исследуемой поверхностью, так как их взаимодействие также может привести к механическому разрушению структуры поверхности.
Другим существенным недостатком данного метода является зависимость коэффициента трения скольжения от угла наклона исследуемой подложкой относительно горизонта, так как с увеличением скорости движения подложки-зонда уменьшается сила адгезии между взаимодействующими поверхностями [11]. Поэтому при использовании метода необходимо проводить дополнительные исследования по определению оптимального значения угла наклона исследуемой подложки при каждой смене исследуемого материала.
В данной работе предлагается устранить перечисленные недостатки путем значительного уменьшения вероятности структурных разрушений исследуемой поверхности при углах между подложками >6° и вычисления количества атомно-молекулярных загрязнений усреднением концентраций, соответствующих коэффициентам трения покоя и скольжения.
9
129
Рис. 1. Общий вид спереди (а) и схематичный вид сбоку (б) устройства контроля. 1 — жидкокристаллический индикатор; 2 — клавиатура; 3 — пузырьковый уровень; 4 — массивная плита; 5 — регулировочная ножка; 6 — подложкодержа-тель подложки-зонда; 7 — подложка-зонд; 8 — вал подложкодержателя подложки-зонда; 9 — крепежная муфта; 10 — исследуемая подложка; 11 — наклонный столик; 12 — печатная плата с датчиками; 13 — роликовый подшипник; 14 — мотор-редуктор; 15 — шариковый подшипник; 16 — вал поворотного столика; 17 — червячная передача; 18 — станина; а — угол между исследуемой подложкой и горизонтом; в — угол между подложками.
КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ
Зависимость коэффициентов трения покоя и скольжения от чистоты взаимодействующих поверхностей обусловлена тем, что атомы загрязнения препятствуют установлению адгезионных связей между атомами контактирующих подложек [12]. При увеличении скорости движения подложки-зонда количество образующихся адгезионных связей снижается вследствие уменьшения времени контактирования атомов [11]. Следовательно, чем меньше скорость движения подложки-зонда, тем выше точность измерения коэффициента трения скольжения. В настоящей работе предлагается с помощью специализированной автоматической системы управления увеличивать наклон исследуемой подложки до момента сдвига подложки-зонда. Ускорение последующего движения, в этом случае, наиболее точно характеризует величину коэффициента трения скольжения [3].
Общий вид устройства контроля, реализующего описанный процесс, представлен на рис. 1а.
Конструктивно прибор состоит из двух основных частей: блока электроники, исполненного в отдельном металлическом корпусе, и трибологи-ческой системы. Обе части размещены на массивной плите 4, которая выполнена из нержавеющей стали и оснащена пузырьковым уровнем 3, что позволяет с помощью регулировочных ножек 5 обеспечить устойчивость прибора в строго горизонтальном положении.
Трибологическая система, схематичный вид сбоку которой представлен на рис. 1б, представляет собой взаимодействующие подложки, расположенные на наклонном столике 11. Исследуемая подложка 10 фиксируется непосредственно на поверхности столика, а подложка-зонд 7 — в
подложкодержателе 6, который позволяет осуществлять регулировку угла в между подложками. Для организации движения подложки-зонда по круговой траектории подложкодержатель с помощью муфты 9 соединен с валом 8, который установлен в роликовом подшипнике с малым радиальным зазором 13, что обеспечивает высокую устойчивость вала при радиальных нагрузках. Сила давления в пятне контакта, при такой конструкции, равна суммарному весу подложки-зонда и его подложкодержателя, поэтому с целью снижения механических деформаций поверхностей подложкодержатель выполнен из дюралюминиевого сплава.
Наклон трибометрической системы осуществляет мотор-редуктор 14, который через червячную передачу 17 вращает вал 16, установленный в подшипниках качения 15 на боковых стенках станины 18. Для сопряжения со столиком 11 на теле вала выполнена лыска (фрезерованная поверхность на валу).
На передней панели корпуса блока электроники располагаются кнопки "Замер" и "Сброс", пленочная клавиатура 2 и жидкокристаллический индикатор 1 (рис. 1а).
При нажатии кнопки "Замер" происходит плавное увеличение угла наклона трибологиче-ской системы до момента начала движения подложки-зонда, что фиксируется оптическим датчиком (РАШ10ШВ), расположенным на печатной плате 12 и следящим за поворотом вала 8 (рис. 1б). Сигнал о движении передается данным датчиком в микроконтроллерную систему, которая останавливает мотор-редуктор и регистрирует значение угла, при котором начинается движение, аст, измеренное инклинометром, реализованным на основе акселерометра (LIS302DLH) 12.
Рис. 2. Расположение сил, действующих в точке контакта при скольжении раскрывом острого угла назад (а) и раскры-вом вперед (б). 1 — исследуемая подложка; 2 — подложка-зонд; у, в — углы между подложками; Р1 - угол скола материала.
Угол аст характеризует коэффициент трения покоя, который рассчитывается в соответствии с программным обеспечением микроконтроллера по выражению [13]
/п = ст. (1)
При последующем движении подложки-зонда фиксируется его ускорение, что позволяет найти величину коэффициента трения скольжения^ [3]:
Уск tga ст
—, (2) g cos а
где a — ускорение движения подложки-зонда.
Определение величин концентраций загрязнений, соответствующих коэффициентам трения покоя и скольжения, осуществляется по эмпирическим зависимостям, полученным в работах [1, 9]:
lg Сп = mlg /макс /п - в,
(3)
./макс f
Сск _ — /ск.о) Смин + Смакс/ск.о? (4)
где Сп, Сск, г/см2 — концентрации атомно-молеку-лярных загрязнений, соответствующие коэффициентам трения покоя и скольжения; m, B — эмпирические константы; /макс, fмин — максимальный и минимальный коэффициент трения покоя; /ско — коэффициент трения скольжения в относительных величинах; Смин, Смакс — предельные значения концентраций атомно-молекулярных загрязнений.
Среднее арифметическое указанных значений и является искомой величиной, выводимой на жидкокристаллический индикатор 7. Измеренные значения коэффициентов трения и соответствующие им концентрации загрязнений можно просмотреть нажатием клавиши Shift клавиатуры 2.
АНАЛИЗ СХЕМ РАСПОЛОЖЕНИЯ ПОДЛОЖЕК
При взаимодействии подложек, раскрыв угла между которыми направлен в сторону, противоположную направлению скольжения [3, 9], и по
величине >6°, возникают скалывающие усилия, обусловленные направлением вектора силы смятия Pсм, действующего со стороны подложки-зонда на исследуемую поверхность (см. рис. 2а).
Смятие материала происходит до тех пор, пока не произойдет скалывание фракции по некоторой плоскости, расположенной под углом р1 к горизонту [14]. После скалывания происходит упругое выпрямление материала, и поверхность подложки-зонда снова прижимается к плоскости резания. Далее описанный процесс циклично повторяется, что приводит к образованию следа скольжения, по краям которого наблюдается большое количество фракций 1 (см. рис. 3а), являющихся стружкой надлома, образующейся при скалывании хрупкого материала [15].
Условием скалывания фракций, согласно [14], является превышение модуля проекции силы смятия на линию скола Р (см. рис. 2а) над величиной модуля вектора силы сопротивления материала Рск, действующей
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.