О.Г. Морозов,
(КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань)
Обеспечение чистоты в субмикро- и наноэлектронном производстве является сложной многопараметрической задачей, которая охватывает весь технологический комплекс от специальной конструкции здания и технологии его возведения, проектирования и методов запуска специального технологического оборудования до технологии обеспечения чистоты в непосредственном цикле обработки структур. Контроль аэрозольных субмикронных загрязнений - важнейшая составляющая технологии чистых помещений, без которой невозможна точная и безошибочная работа всего сложного технологического комплекса, которым являются современные чистые помещения субмикронной и развивающейся наноэлектроники. При этом наиболее значимыми и информативными характеристиками, определяющими класс чистоты помещения, являются счетная концентрация и размеры аэрозольных частиц с диаметрами от 0,1 мкм до 5,0 мкм в воздухе чистых помещений и зон. Именно эти величины регламентируются стандартами ISO, ГОСТ Р и правилами GMP [1 ].
Для контроля аэрозольных микрозагрязнений в чистых помещениях используются лазерные спектрометры аэрозолей (ЛСА) - приборы, определяющие количество частиц, прокаченных через измерительный объем прибора, путем подсчета количества импульсов света, рассеянного каждой отдельной частицей при ее пролете через луч лазера. В приборах такого типа тонкая струя аэрозоля прокачивается через луч лазера, причем диаметр струи подбирается таким образом, чтобы в луче находилось одновременно не более одной аэрозольной частицы. Свет, рассеянный частицей, собирается оптической системой и направляется на фотоприемное устройство. Световые импульсы преобразуются фотоприемником в электрические импульсы, амплитуда которых пропорциональна геометрическому размеру частиц [2].
Спектрометры частиц аэрозолей разработаны в конце 40-х гг. XX века. Подлинный расцвет в их разработке и производстве наступил в 80-е гг. вместе с появлением и чрезвычайно быстрым распространением чистых производственных помещений. Они были - и остаются - единственным инструментом для определения класса чистоты помещения; их применение регламентировано всеми стандартами по чистым помещениям. Внедрение в начале 90-х гг. прошлого века полупроводниковых лазеров позволило не только резко сократить размеры счетчиков частиц аэрозолей, но и удешевить их.
Резкое развитие нанотехнологий ужесточает требования к современным спектрометрам аэрозолей, для которых чувствительность 0,1 мкм становится уже недостаточной. Для их удовлетворения могут быть использованы решения, предложенные в [3].
Улучшение метрологических характеристик ЛСА при использовании модуляционных методов измерений обусловлено возможностью повышения пороговой чувствительности за счет снижения влияния собственных шумов фотоприемника, снижения шумов молекулярного рассеяния и сужения полосы пропускания фотоприемной системы. Кроме того, реально увеличение точности измерений за счет методологического устранения погрешностей, обусловленных неравномерностью профиля освещенности счетного объема. Поиск дальнейших путей улучшения основных характеристик ЛСА может базироваться на сочетании методологии построения модуляционных приборов с использованием таких решений в немодуляционных спектрометрах, как: внутрирезонаторное формирование счетного объема и использование нестандартных режимов работы лазера, учет влияния фазовой структуры волновых фронтов генерируемых мод. Техника лазерных интерферометров предлагает для улучшения характеристик ЛСА использовать фазовую модуляцию распределения поля интерферометра с помощью движущегося пьезозеркала, а также использовать для переноса спектра информационного сигнала в высокочастотную область устройств преобразования одночастотного когерентного излучения в двухчастотное.
Одно из решений может заключаться в реализации данных методов внутри резонатора лазера с помощью движущегося пьезозеркала. При этом обеспечивается сглаживание осцилляции на рабочих характеристиках ЛСА за счет усреднения во времени индикатрисы рассеяния частиц, размер которых сравним с длиной волны лазерного излучения. Нижний предел идентификации размера частиц может быть снижен до 0,05 мкм. Второе решение с адекватным положительным эффектом может заключаться в реализации режима синхронизации поперечных мод лазера при внутрирезонаторном расположении счетного объема. Ряд решений может быть найден при использовании многомодовых (в частности, двумодовых) лазеров.
Очевидно, что прямой перенос технологий газовых лазеров и модуляционных методов на современные ЛСА невозможен. Однако анализ современной техники лазерных излучателей, волоконной оптики (полых полимерных волокон, интеферометров Фабри-Перо, решеток Брэгга и т.д.), широкодиапазонных фотоприемников позволяет положительно оценить перспективы реализации на их базе модуляционных ЛСА с чувствительностью 0,03-0.05 мкм.
Современные полупроводниковые лазеры выпускаются в металлическом корпусе, в котором на одной подложке расположены собственно лазерный диод (ЛД), фотодиод обратной связи и терморезистор. В корпусе лазерного модуля закреплено также одномодовое оптическое волокно, входящее в состав одноволоконного кабеля, и устройство ввода излучения лазера в это волокно. Существует несколько типов ЛД: многомодовые (MLM) или с резонаторами Фабри-Перо; одномодовые (SLM); одномодовые с распределенной обратной связью (DFB), часто называемые DFB-лазерами; DFB-лазеры с внешним модулятором; лазеры с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверхностью (VCSEL). В указанных лазерах могут быть достаточно просто реализованы фазовая модуляция распределения поля, перенос спектра информационного сигнала в высокочастотную область, синхронизация поперечных и продольных мод.
Эквивалентная реализация внутрирезонаторного расположения счетного объема и модуляции с помощью пьезозеркала могут быть осуществлены соответственно на базе внутриволоконного расположения и использования решеток Брэгга или с помощью интерферометра Фабри-Перо с расположением счетного объема в его зазоре.
Основное назначение предложенных методов - исследование частиц, размер которых меньше или равен 1/4. При использовании ультрафиолетовых лазеров чувствительность может составить 0,02 мкм, что приемлемо для контроля чистоты помещений и изоляторных зон, в которых реализуются нанотехнологии.
Список литературы
1. Калечиц В.И Современные направления в контроле аэрозольных микрозагрязнений // Чистые помещения и технологические среды. №1.2002. С. 16-21.
2. Калечиц В.И. Компьютерные системы контроля параметров чистых помещений // Чистые помещения и технологические среды. №4. 2003. С. 23-31
3. Морозов О.Г. Оценка предельных возможностей лазерных спектрометров аэрозолей, построенных на основе модуляционных методов измерений / Казан, авиац. ин-т. Казань. 1986. 11 с. Деп. в ВИНИТИ 26.03.86,2004-886.
|
