Метод и устройство трибометрической оценки концентрации органических загрязнений на поверхности диоксида кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

ИВЛИЕВ Николай Александрович

МЕТОД И УСТРОЙСТВО ТРИБОМЕТРИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ КОНЦЕНТРАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 о СЕМ 2015

САМАРА-2015

005562690

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Самарский государственный азрокосмический университет имени академика С.ГТ. Королева (национальный исследовательский университет)» и федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте систем обработки изображений РАН.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент Колпаков Всеволод Анатольевич. Официальные оппоненты:

Лиманова Наталья Игоревна, доктор технических наук, доцент, федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики», профессор кафедры программного обеспечения и управления в технических системах;

Латухина Наталья Виленовна, кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет », доцент кафедры радиофизики, полупроводниковой микро- и напоэлектроники.

Ведущая организация:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет», г. Пенза.

Защита состоится 13 ноября 2015 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.215.01, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», по адресу 443086, г. Самара, Московское шоссе,34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный азрокосмичсский университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», http://www.ssau.ni/rcsources/disjrotectiorb'ivliev/'.

Автореферат разослан « 15» сентября 2015 г.

Ученый секретарь *///? /

диссертационного совета Д 212.215.01 jftUi В.Г.Шахов

Общая характеристика работы.

Диссертация посвящена созданию метода и устройства трибометрической оценки концентрации органических загрязнений на поверхности подложек диоксида кремния (Si02).

Актуальность проблемы.

Оценка степени чистоты поверхности диэлектрических подложек широко используется в микро-, наноэлектронике, дифракционной оптике и нанофотонике, т.к. присутствие загрязнений приводит к изменению электрофизических параметров поверхности, снижению адгезии наносимых технологических слоев, увеличению толщины поверхностного оксида при термоокислении и, как следствие, ухудшению рабочих характеристик или выходу из строя формируемых элементов. Основными ■загрязнениями согласно работам Tsai C.-L. (2003 г.), Kim K.-S. (2008 г.), являются органические соединения, источниками которых даже в чистых комнатах становятся остатки химических средств полировки и очистки подложек, одежда оператора, технологическая оснастка, упаковочный и транспортировочный материал подложек. Это означает, что атомно-молекулярное загрязнение поверхности возможно на различных этапах производственного цикла. Поэтому оценка концентрации загрязнений непосредственно в технологическом процессе является актуальной задачей.

Современные способы оценки концешрапии органических загрязнений подразделяются на аналитические и экспрессные методы. В нервом случае, подробно рассмотренные в работах Луфт Б.Д. (1972 г.), Reinhardt К.А. (2008 г.), Sparks С.М. (2011 г.), Hahuka Н. (2015 г.) механизмы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом отличаются высокой чувствительностью Ю*10 г/см2 и выше. Тем не менее, длительность процесса измерения, достигающая десятков минут, и сложные условия эксплуатации делают не возможным применение данных методов для оперативного контроля. Указанную задачу частично позволяют решать методы экспресс-контроля, использующие эффекты смачивания (Колпаков А.И., 1993; Бородин С.Л. и др., 2005; Sato N. и Shimogaki Y., 2012 г.), трения покоя и скольжения (Полтавцев Ю.Г., 1990 г.; Barnette A.L., 2009 г.). Однако применяемые для смачивания жидкости не полностью удаляются с поверхности подложек, поэтому сами являются загрязнениями, что требует дополнительной процедуры очистки. Методы трибометрии лишены отмеченного недостатка, но используемый в качестве контртела шарообразный металлический зонд должен обладать поверхностью с эталонными свойствами. Приготовление такой поверхности значительно усложняет процесс измерения, кроме того, сдвигающая его сила формируется линейными электромашитпыми приводами. характеризующимися низкой точностью воспроизведения процесса.

Для устранения перечисленных недостатков в работе Кричевского С.В. (2008 г.) предложен метод, позволяющий определять концентрацию поверхностных загрязнений по величине коэффициента трения скольжения между двумя подложками, прошедшими одинаковую процедуру очистки. Движение подложки-зонда, в этом случае, осуществляется под действием силы тяжести, т.к. исследуемая поверхность располагается под углом к горизонту. Это позволяет устранить необходимость применения зондов с эталонными свойствами и погрешность, обусловленную действием устройств контролируемого сдвига подложки-зонда. Однако в процессе скольжения подложки-зонда по исследуемой поверхности

возникает )ффект её механической деформаций, для устранения которого автор указанной работы предложил уменьшить угол между подложками до 4-6°. Данное ограничение привело к необходимости строгого контроля величины зазора между технологической оснасткой крепления подложки-зонда и исследуемой поверхностью, т.к. их взаимодействие приводит к механическому разрушению структуры поверхности.

Другими существенными недостатками отмеченного метода являются накопление загрязнений на поверхности подложки-зонда в процессе скольжения, ограничивающее чувствительность метода значением 109 г/см2 (Кричевский C.B., 2008 г.), и недостаточно полное аналитическое описание механизмов трибометрического взаимодействия подложек, приводящее к необходимости проведения трудоемкой процедуры оптимизации угла между исследуемой подложкой и горизонтом.

Таким образом, анализ отечественной и зарубежной литературы свидетельствует об отсутствии сведений, касающихся результатов теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих проводить неразрушающий трибометрический контроль чистоты поверхности подложек с чувствительностью 10"10 г/см2.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является создание метода и устройства трибометрической оценки концентрации органических загрязнений на поверхности диоксида кремния для контроля чистоты поверхности подложек с чувствительностью 10'10 г/см2.

В соответствии с поставленной целыо определены и основные задачи диссертации, а именно:

1. Разработка метода оценивания чистоты исследуемой поверхности, связывающего концентрацию органических загрязнений с параметрами трибометрического взаимодействия подложек, осуществляемого в условиях граничного трения.

2. Исследование механизма трибометрического взаимодействия подложек при отрицательном угле наклона между контактирующими поверхностями.

3. Экспериментальное исследование зависимости ускорения движения подложки-зонда но исследуемой поверхности при различных углах её наклона к горизонту от величины концентрации органических загрязнений.

4. Разработка устройства экспресс-контроля чистоты поверхности подложек по величинам коэффициентов трения покоя и скольжения с чувствительностью 10 '° г/см2.

Научная новизна. При выполнении настоящей диссертационной работы впервые:

1. Предложен способ точечного, трибометрического взаимодействия подложек, заключающийся в скольжении подложки-зонда, расположенной под острым углом к поверхности исследуемой подложки, раскрыв которого направлен по направлению движения, и позволяющий увеличить угол между подложками с 6° до 15°, а также допустимую нагрузку па подложку-зонд с 3 H до 3,7 Н, исключить разрушение исследуемой поверхности при измерении её чистоты.

2. Предложен способ сдвига подложки-зонда по поверхности исследуемой подложки путем увеличения угла между исследуемой подложкой и горизонтом до момента начала движения, что позволяет увеличить чувствительность трибометрического метода оценки концентрации органических загрязнений до значения Ю"10 г/см2.

3. Предложен метод оценивания, связывающий в условиях граничного трения концентрацию органических загрязнений с величинами коэффициентов трения покоя и скольжения.

4. Экспериментально и теоретически исследованы зависимости ускорения движения подложки-зонда по исследуемой поверхности при углах сё наклона к горизонту 0-60° от величины концентрации органических загрязнений.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что в ней предложено аналитическое описание трибометрического взаимодействия подложек диоксида кремния, связывающее в условиях граничного трения концентрацию органических загрязнений с величинами коэффициентов трения покоя и скольжения.

Практическая ценность результатов работы определяется следующим:

1. Предложено трибометрическое устройство, позволяющее проводить оценку концентрации органических загрязнений на поверхности подложек с абсолютной погрешностью измерения, равной ±ЗТ0'п г/см2, за счет введения в его конструкцию цифровою акселерометра и оптического датчика движения.

2. Определены оптимальные режимы трибометрического, точечного взаггмодействия подложек, при которых не наблюдаются разрушения исследуемой поверхности: угол между подложками 15°, нагрузка не более 1,5 Н.

3. Разработана конструкция подложкодержателя. позволяющая реализовать взаимодействие подложек в режиме граничного трения и их замену в течение 20 с.

4. Разработаны программные средства, позволяющие осуществлять расчет величины концентрации органических загрязнений на поверхности подложек за время, не превышающее 5Т0"4 с.

5. Разработана методика оценки концентрации органических загрязнений на поверхности подложек в диапазоне 10 п-10"8 г/см2, основанная на анализе изображений поверхности, полученных с помощью сканирующего зондового микроскопа в режиме измерения латеральных сил.

Практическая значимость также заключается в том, что разработанный в работе метод оценки проверен измерением чистотьг поверхности подложек БЮг (марка КВ), серийно используемых отечественной промышленностью.

Применяемое для оценки чистотьг поверхности устройство обладает простой конструкцией, малыми размерами, весом и стоимостью, меньшей по сравнению с существующими аналогами энергоемкостью, возможностью использования в реальных условиях.

Результаты работы, реализованные в виде метода и устройства трибометрической оценки концентрации органических загрязнений на поверхности подложек диоксида кремния, внедрены в производство АО «НИИ «Экран» (г. Самара). На защиту выносится:

1. Метод трибометрической оценки концентрации органических загрязнений на поверхности подложек диоксида кремния с чувствительностью Ю"10 т/см2.

2. Экспериментально и теоретически установленные зависимости ускорения движения подложки-зонда по исследуемой поверхности при углах её наклона к горизонту 0-60° от величины концентрации органических загрязнений.

3. Трибометрическое устройство, позволяющее проводить оцеггку концентрации органических загрязнений на поверхности подложек диоксида кремния.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах:

Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций», Самара, 2007 г.; научно-технической конференции студентов и аспирантов аэрокосмических вузов «Седьмая международная выставка и научно-техническая конференция по гидроавиации», Геленджик, 2008 г.; 15-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2008», Москва, 2008 г.; 11-й региональной научной школе-семинаре «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники», Ульяновск, 2008 г.; Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса ПИТ-2010», Самара, 2010 г.; Международной конференции «Asia-Pacilíc Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics», Москва-Самара, 2011 г.; 3-й Международной научной конференции «STRANN- 2012», Санкт-Петербург, 2012 г.; II Международной конференции по актуальным проблемам физики поверхности и наноструктур, Ярославль, 2012 г; конференции, посвященной 80-летию Московского государственного открытого университета имени B.C. Черномырдина «Наномагериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы», Москва, 2012 г.; IX Международной конференции и VIII Школе молодых ученых специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, наноразмерных структур и приборов на его основе «Кремний - 2012», Москва, 2012 г.; 5-ой Всероссийской молодежной конференции по фундаментальным вопросам и инновационным аспектам современной физики, Москва, 2013 г.; Между народной молодежной научной конференции «XII Королевские чтения», Самара, 2013 г. Результаты работы докладывались на научных семинарах Института систем обработки изображений РАН, кафедр технической кибернетики и электронных систем и устройств СГАУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, в том числе 8 в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 7 статей и 16 тезисов докладов в сборниках научно-технических Международных, Всероссийских и региональных конференциях, 2 патента на изобретения.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с краткими выводами, заключения, списка литературы и приложения. Она изложена на 107 страницах машинописного текста и содержит 34 рисунка, 13 таблиц. В списке литературы 112 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы её цель и основные задачи, приведены научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, описана структу ра диссертации.

В первой главе рассмотрены особенности механизмов формирования структуры реальной поверхности подложек SiOj.

Проведен анализ состава загрязнений подложек, показавший, что наиболее трудноудаляемыми и сложно-контролируемыми загрязнениями являются пластификаторы и антиокенданты в составе упаковочного и транспортировочного материала подложек, такие как дибутилфталат (Ciи бутилгидрокситолуол

6

(С15Н24О). Установлено, что молекулы данных веществ, адсорбируясь на поверхности, нейтрализуют активные поверхностные электронные состояния (ПЭС) путем образования водородных связей с энергией 40 кДж/моль. Проведен анализ влияния нейтрализации ПЭС на физические параметры механизмов, используемых в аналитических и экспресс-методах оценки чистоты поверхности подложек. По результатам анализа определено: механизмы трибометрии отличаются высокой чувствительностью к поверхностным загрязнениям и по точности приближаются к механизмам аналитических методов; высокая скорость оценки, достигаемая при использовании методов трибометрии, и широкая номенклатура контролируемых подложек позволяют применять такие методы а реальных технологических процессах.

Показана возможность применения метода латеральных сил атомно-силовой микроскопии для прецизионной оценки концентрации загрязнений. Данный метод характеризуется малой областью контроля, что делает неприемлемым его использование в реальных производетвенньк условиях, но пригодным для калибровки экспресс-методов.

Установлено, что в результате трибометрического взаимодействия происходит образование адгезионных связей, количество и энергия которых определяют величины сил трения скольжения и нокоя. Отмеченное положение позволяет аналитически описать механизмы взаимодействия подложки-зонда с исследуемой подложкой и устранить операцию калибровки.

Вторая глава посвящена разработке метода оценивания величины концентрации органических загрязнений на поверхности подложек, основанного на механизме трибометрического взаимодействия поверхностей в условиях граничного трения.

Предложен способ трибометрического взаимодействия подложек, при котором подложка-зонд находится под углом у/ к исследуемой подложке, причем раскрыв этого угла направлен в сторону движения подложки-зонда (рисунок 1). Данное положение позволяет увеличить угол между подложками с 6° до 15°, а также допустимую нагрузку на подложку-зонд с ЗН до 3,71-1, что исключает механизм разрушения исследуемой поверхности.

\ Плоскость горизонта

Рисунок 1 — Расположение взаимодействующих подложек при скольжении раскрывом острого угла вперед: 1 — исследуемая подложка; 2 — подложка-зонд; 3 — точка взаимодействия; а—угол между исследуемой подложкой и горизонтом у- угол между подложками

Движение подложки зонда но исследуемой поверхности соответствует молекулярно-механической теории, и может быть описано уравнением:

тх = зта- Р'мод - , (I)

где т - масса подложки зонда; Р'тяж - суммарная сила тяжести подложкодержателя и подложки-зонда; ¡ моя, Гд — молекулярная и деформационная составляющая силы трения.

Для определения численного значения используется адгезионная модель трения, согласно которой характер изменения величины Рм„„ описывается выражением:

А N.£.8^

F. =— = d

-'Ф

(2)

Nc =N,m l-exp\

(3)

где А суммарная энергия связей в пятне контакта; d длина микроскольжения; Ес — энергия связей; — концентрация образованных связей между

взаимодействующими поверхностями; Бф - фактическая площадь контакта.

Входящую в (2) величину Мс можно определить применяя закон действующих масс в виде:

«"у

где т- время релаксации связи; Д/'„ - начальная концентрация ПЭС, вступивших во взаимодействие; IV - вероятность нахождения пары акцепторных ПЭС в одной точке пространства; <p-dlx — возраст контакта, определяемый скоростью движения подложки-зонда. Сферическая модель шероховатости Крагельского И.В. позволяет записать уравнение (1) в виде равенства:

тх - т%зта+ 1])т£со5а+ нЕс8фМЛу 1 -ехр^--- ^ = 0, (4)

где/д - деформационная составляющая коэффициента трения.

Решение уравнения (4) осуществлялось численным методом при начальных условиях х(0)= 0,х(0)= 0 . Полученное решение представлено в виде зависимостей, изображенных на рисунке 2а. б.

.т /0 ", ,v

хЧО . м/с

1 ! 1 1 1 : ; !

Il и- 11

-И"

/

1

О 5 10 15 20 25 t. Юс О 3 6 9 12 15 ШИН'] с

а б

Рисунок 2 - Зависимости перемещения (а) и скорости (б) подложки-зонда от времени при углах or. 1 - «=50°; 2 - «=51°

В случае «<50° движение подложки-зонда отсутствует, т.к. сила трения покоя превышает силу тяжести подложки-зонда и график перемещения совпадает с осью абсцисс. Не нулевое значение перемещения появляется только при а=50° (рисунок 2а, кривая У), при этом скорость перемещения па временном отрезке 0</<0,018 с. не превышает значения Ю-7 м/с (рисунок 26., кривая 1), что пренебрежимо мало по сравнению со скоростью внутри интервала />0,018 с.

При увеличении угла а на Г плоский участок графика перемещения практически отсутствует (рисунок 2а, кривая 2), что обусловлено высокой величиной ускорения движения подложки-зонда на временном отрезке 0<К0,0!8 с. (рисунок 26, кривая 2). При />0.018 с. графики изменения скорости параллельны, следовательно, ускорения движения при обоих утлах равны. Такая зависимость величины ускорения движения подложки-зонда от угла «объясняется снижением количества адгезионных связей между взаимодействующими подложками при увеличении скорости скольжения. Следовательно, чем меньше скорость движения подложки-зонда тем выше чувствительность трибометрической системы к концентрации ПЭС. Оптимальный У1 т)л «при этом соответствует моменту перехода механизма взаимодействия от трения покоя к трению скольжения.

Уравнение (4) для случая нахождения подложки-зонда в состоянии покоя выглядит следующим образом:

(/„-/>

+1

(5)

где/„ - коэффициент трения покоя.

Выражение (5) наиболее точно определяет концентрацию ПЭС, участвующих в образовании адгезионных связей, но только. в пределах площади 5'ф, что может привести к статисгической ошибке. Поэтому для определения степени чистоты поверхности целесообразно использовать среднее арифметическое значений концентраций, полученных по формулам (4) и (5):

N„(a)=

fl-«5p| HI У-

HI )

где /ск- коэффициент трения скольжения.

Перевод концентрации нейтрализованных ПЭС в загрязнений осуществляется с помощью выражения:

(6)

массовую концентрацию

С(а,х) =

ff -

^1-exp y- N M

2ECS pmgyif[+l i

(7)

где Nm - концентрация нейтрализованных ПЭС; М - молярная масса органических загрязнений; Na - число Авогадро; М™ - количество ПЭС, нейтрализованных одной молекулой загрязнения: No- концентрация поверхностных ПЭС.

Количественная оценка величины С(а,х) по формуле (7) требует определения величин деформационной составляющей коэффициента трения />, фактической площади контакта Яф и длины микроскольжения ¡1, равной среднему диаметру пятна

контакта между микронеровностями. Для этого были экспериментально определены следующие параметры: с помощью системы DPN NSCR1PTOR компании Nanoiak (США) - показатели шероховатости поверхности (кр, Ry, R,,, Ä,, У, Ъ, г)\ с помощью прибора NanoTest-600 компании Micro Materials (Великобритания) - коэффициент гистерезисных потерь (<%); с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) Supra 25 компании Carl Zeiss (Германия) — контурная площадь контакта (&•).

На основе выражения (7) разработано программное обеспечение, позволяющее проводить автоматизированный расчет значений концентрации поверхностных органических загрязнений по величинам коэффициентов трения покоя и скольжения.

Третья глава посвящена подготовке подложек SiCb размером 20*30 мм, необходимых для экспериментального исследования зависимости параметров трибометрического взаимодействия от концентрации органических загрязнений на поверхности.

Показано, что степень чистоты поверхности подложек можно регулировать длительностью их облучения плазменным потоком, формируемым установкой плазмо-химической очистки Solaros 950. Catan (CUIA). В качестве загрязняющего вещества использовался пластификатор дибутилфгатат (С16Н22О4), являющийся одним из основных типов органических загрязнений полупроводниковых и диэлектрических подложек.

Разработана методика оценки концентрации органических загрязнений на исследуемой поверхности, основанная на анализе изображений поверхности, полученных с помощью сканирующего зондового микроскопа Solver PRO-M, NT-MDT (Россия) в режимах измерения латеральных сил (рисунок За) и параметров рельефа (рисунок 36). Указанное позволило получить калибровочную зависимость степени загрязнения от длительности плазменной очистки, представленную на рисунке 4.

0.00 um

0,00 ¡jn

0.00

а б

Рисунок 3 - АСМ-изображения загрязненной поверхности, полученные при частоте сканирования 1 Гц и соответствующие времени облучения г=2 мин.: а - карта ЛС; б - рельеф поверхности

Зависимость, представленная на рисунке 4, позволяет осуществлять контролируемое загрязнение поверхностей в пределах 10"и-10"8 г/см2, т.е. перекрывает весь диапазон измерения за исключением отрезка 10"8-10л г/см2, который соответствует концентрации, близкой к мономолекуляриому слою, и, не столь интересен для технологических процессов микро- и наноэлекгроники.

0 / 2 3 1, мин Рисунок 4 - График зависимости концентрации органических загрязнений от длительности облучения в установке плазменной очистки 8о1агш 950: ° - экспериментальные значения; сплошная линия - аппроксимация экспериментальных данных

В четвертой главе приведены результаты натурного эксперимента по исследованию зависимости параметров трибометрического взаимодействия подложек ЭЮг от концентрации органических загрязнений на их поверхности.

Получение данных зависимостей осуществлено с помощью трибометрического устройства, реализующего переход подложки-зонда из состояния покоя к процессу скольжения, для чего применялась специализированная автоматическая система управления, увеличивающая наклон исследуемой подложки до момента сдвига подложки-зонда. Внешний вид устройства и схема конструкции его подложкодержагелей представлены на рисунке 5а, б.

6 7 8 9 10 11

Рисунок 5 - Общий вид (а) и схематичный вид сбоку (б) трибометрического устройства : / - жидкокристаллический индикатор; 2 - клавиатура; 3 - жидкостной уровень; 4 - массивная плита, служащая основанием; 5 - четыре регулировочные ножки; 6 - подложкодержатель подложки-зонда; 7 - подложка-зонд; 8 - вал гюдложкодержателя подложки-зонда: 9 - муфта крепежная; 10- исследуемая подложка; II- 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, служащая основанием для вала поворотного столика; а - угол между исследуемой подложкой и горизонтом;

Р угол между подложками

Момент начала движения подложки-зонда, регистрируется оптическим датчиком (РАЮ 10ШВ), расположенным на печатной плате 12 и следящим за поворотом вала 8 (рисунок 56). Сигнал о движении передается указанным датчиком в микрокошроллернуго систему, останавливающую мотор-редуктор и регистрирующую численное значение угла а, при котором начинается движение. Фиксация отмеченного момента осуществляется инклинометром, реализованным на основе акселерометра (Ы8302БЬН) 12.

Предлагаемая конструкция подложкодержателя (рисунок 6а, б) позволяет проводить экспресс-замену подложек в течение 20-30с, что в 2*3 раза быстрее, чем у аналогов.

Е_1.Т

а б

Рисунок 6 - Схема конструкции подложкодержателя с установленной подложкой-зондом: а-главный вид; б - вид сверху: 1 - подложка-зонд; 2 - штанга крепления: 3 -

регулировочный винт; 4 - левая неподвижная губка; 5 - направляющая; 6— правая подвижная губка; 7- пружина; 8- неподвижная опора направляющей; 9 — основание

подложкодержателя

Представленное устройство было использовано для построения экспериментальных зависимостей концентрации органических загрязнений от ускорения движения подложки-зонда при углах между исследуемой подложкой и горизонтом «=30°, 50°, 60° (рисунок 7, кривые 1-3). Степень загрязнения при этом контролировалась методом латеральных сил сканирующего зондового микроскопа. Указанные измерения проводились многократно (10 раз) для каждой егепени чистоты С, г/см

10' 510

210' 10' 5 10'' 210''

ю-1

510 '

1 4. т

К 5 > 2 3

1

1

-

0 1 2 3 4 5 б 7 8 9 а, м/с Рисунок 7 - Зависимости концентрации молекул С10Н22О4 на поверхности подложки

ЬлО? от величины ускорения движения подложки-зонда: экспериментальные при углах ос 1 - 30°; 2 - 50°, 3 - 60°; теоретические при углах ос. 4- 30°; 5 - 50°, 6 - 60°

Анализ экспериментальных кривых показал, что в области относительно высокой концентрации загрязнений (10"9-10"8 г/см2) при увеличении угла а наблюдается уменьшение чувствительности величины ускорения движения подложки-зонда к изменению чистоты подложек, что обусловлено снижением количества образующихся адгезионных связей при увеличении скорости скольжения.

В области низкой концентрации загрязнений (10 lo-10"l) г/см2) количество адгезионных связей настолько велико, что сила адгезии может принимать значения больше силы тяжести подложки-зонда, поэтому скольжение не осуществляется при малых значениях угла сс. Следовательно, при увеличении а чувствительность возрастает и ее максимум достигается при а = 50° (рисунок 7, кривая 2). Данный угол является минимальным при котором происходит скольжение максимально чистых подложек SiÛ2 (10"ш г/см2). Последующее увеличение наклона приводит к возрастанию силы тяжести и уменьшению чувствительности измерения в области высокой концентрации загрязнений (рисунок 7, кривая 3).

Теоретические зависимости концентрации органических загрязнений от ускорения движения подложки-зонда, соответствующие выражению (7), при углах между исследуемой подложкой и горизонтом а=30°, 50°, 60° представлены на рису нок 7, кривые 4-6.

Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических зависимостей показал, что расхождение между кривыми не превышает величины среднеквадратичного отклонения экспериментальных значений и составляет 15%.

На основе полученных результатов приведена методика определения концентрации органических загрязнений по величинам коэффициентов трения покоя и скольжения с чувствительностью 10"10 г/см2 с помощью разработанного трибометрического устройства.

Заключение

В диссертации разработаны метод и устройство трибометрической оценки концентрации органических загрязнений в диапазоне 10",0-10 s г/см2 на поверхности диоксида кремния.

Основными результатами работы являются следующие:

1. Способ точечного, трибометрического взаимодействия подложек при измерении их чистоты, позволяющий увеличить угол между подложками с 6° до 15е, повысить допустимую нагрузку на подложку-зонд с 3 H до 3,7 Н, исключить разрушение исследуемой поверхности и заключающийся в скольжении подложки-зонда, расположенной под острым углом к поверхности исследуемой подложки, раскрыв которого направлен по направлению движения.

2. Методика определения концентрации органических загрязнений на поверхности подложек диоксида кремния по величинам коэффициентов трения покоя и скольжения и способ сдвига подложки-зонда по поверхности исследуемой подложки путем увеличения угла ее наклона относительно горизонта до момента начала движения, позволяющие увеличить чувствительность трибометрической оценки концентрации циклических углеводородов (дибутилфгалата) до значения Ю '° г/см2.

3. Метод оценивания, связывающий в условиях граничного трения концентрацию органических загрязнений ira поверхности подложки с величинами коэффициентов трения покоя и скольжения, а также позволяющий устранить трудоемкую операцию оптимизации угла между исследуемой подложкой и горизонтом.

4. Методика оценки концентрации органических загрязнений на поверхности диоксида кремния по картам латеральных сил, полученным с помощью сканирующего зондового микроскопа, позволяющая определять концентрацию циклических углеводородов в диапазоне 10""-10"8 г/см2 и дающая возможность установить зависимость величины концентрации органических загрязнений от длительности плазменной очистки, необходимую для формирования поверхности с заданной степенью загрязнения.

5. Трибометрическое устройство, позволяющее оценивать концентрацию органических загрязнений на поверхности подложек с шероховатостью не хуже 14 класса (Rz~20 им) по величинам коэффициентов трения покоя и скольжения, измеренным при угле страгивания подложки-зонда с абсолютной случайной погрешностью не хуже ±3-10" г/см2, достигаемой за счет введения в конструкцию указанного устройства цифрового акселерометра и оптического датчика движения.

Основное содержание диссертации опубликовано

в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Казанский, Н.Л. Оптимизация параметров устройства трибометрического измерения чистоты поверхности подложек / Н.Л. Казанский, В.А. Колпаков, А.И. Колпаков, C.B. Кричевский, H.A. Ивлиев // Компьютерная оптика. - 2005. - №28.

- С. 76-79.

2. Казанский, Н.Л. Исследование особенностей трибометрического взаимодействия диэлектрических подложек при экспресс-контроле степени чистоты их поверхности /Н.Л. Казанский, В.А. Колпаков, А.И. Колпаков, C.B. Кричевский, H.A. Ивлиев // Компьютерная оптика. - 2007. - №31. - С. 42-46.

3. Kazanskiy, N.L. Interaction of dielectric substrates in the course of tribometric assessment of the surface cleanliness / N.L. Kazanskiy, S.V. Karpeev, V.A. Kolpakov, S.V. Krichevsky, N.A. Ivliev // Optical Memory and Neural Networks. - 2008. - V.17. -№1.-P. 37-42.

4. Kazanskiy, N.L. Parameters optimization of a tribometric device for rapid assessment of the surface cleanliness / N.L. Kazanskiy, V.A. Kolpakov, A.l. Kolpakov, S.V. Krichevsky, M.V. Desjatov, N.A. Ivliev // Optical Memoiy and Neural Networks. - 2008. - V. 17. - №2. -P. 167-172.

5. Ивлиев, H.A. Анализ методов экспресс-контроля чистоты поверхности / H.A. Ивлиев, В.Л. Колпаков, C.B. Кричевский // Вестник СГАУ. - 2010. - №4. -С. 184-192.

6. Колпаков, В.А. Устройство контроля чистоты поверхности подложек методом трибометрии / В.А. Колпаков, H.A. Ивлиев, C.B. Кричевский // Вестник СГАУ.

- 2013.-Т.39.-№1.-С. 222-229.

7. Колпаков, В.А. Измерение чистоты поверхности подложек методом трибометрии / В.А. Колпаков, H.A. Ивлиев // ПТЭ. - 2014. -№4. - С. 129-134.

8. Колпаков, В.А. Атомно-молекулярная модель граничного трения в микротрибоконгактах поверхностей полупроводниковых и диэлектрических материалов / В.А. Колпаков, H.A. Ивлиев // ЖТФ. - 2015.-Т.85. - №6. - С. 137-142.

в патентах:

9. Патент 2307339 Российская Федерация, МПК7 G 01 N 19/08. Способ измерения чистоты поверхности подложек / Казанский П.Л., Колпаков А.И., Колпаков В.А., Кричевский C.B., Ивлиев H.A.; заявитель и патентообладатель ИС'ОИ РАН. -№2005118279; заявл. 14.06.05.

10. Патент 2515117 Российская Федерация, МПК7 G 01 N 19/08. Способ измерения чисготы поверхности подложек i Казанский HJI., Колпаков В.А., Ивлиев H.A. заявитель и патентообладатель ИСОИ РАН. - №2012138836; заявл. 10.09.12.

в других изданиях:

11. Колпаков, В.А. Определение концентрации органических загрязнений на поверхности полупроводниковых пластин при формировании дифракционного микрорельефа / В.А. Колпаков, H.A. Ивлиев //' Тезисы докладов Международной конференции STRANN-2011. -СПб., 2011. -С. 23-24.

12. Колпаков, В.А. Определение концентрации органических загрязнений па поверхности кремниевых пластин при формировании дифракционного микрорельефа / В.А. Колпаков, H.A. Ивлиев // Тезизы докладов на IX Международной конференции и VIII Школа молодых ученых специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, наноразмерных структур и приборов на его основе "Кремний - 2012". - М., 2012. - С. 375.

13. Колпаков, В.А. Прибор контроля концентрации органических загрязнений на поверхности полупроводниковых подложек / В.А. Колпаков, H.A. Ивлиев // Тезисы докладов на Всероссийской молодежной конференции, посвященной 80-летию Московского государственного открытого университета имени B.C. Черномырдина «иапоматериалы и папотехнологии: проблемы и перспективы». - М., 2012. - С. 49-52.

14. Kolpakov, V.A. Device for monitoring concentration of organic contaminants on the surface of semiconductor and dielectric wafers / V.A. Kolpakov, N.A. Ivliev // Тезисы докладов па 3-й Международной научной конференции STRANN-2012. - СПб., 2012. -С. 73-75.

15. Kazanskiy, N.L. Device for Checking the Surface Finish of Substrates by Tribometry Method / N.L. Kazanskiy, V.A. Kolpakov, A.I. Kolpakov, S.V. Krichevsky. N.A. Ivliev // Friction and Wear Research. - 2013. - V.l. -№1. - P. 10-14.

Подписано в печать 09.09.2015. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 897 Отпечатано с готового оригинал-макета 443086, Самара, Студенческий пер., За. AHO «Издательство СНЦ»