Разработка и исследование операционных преобразователей электрических величин для систем технологического контроля изделий микроэлектроники

ХХУ1 съезд КПСС в качестве дальнейшего основного пути развития навдональной экономики в условиях современного научно-технического прогресса определил интенсивный путь ее развития. Обеспечение интенсивных темпов развития науки, техники и производства невозможно без всесторонней комплексной автоматизации и механизации производственных процессов.

Съездом, в частности, поставлена задача «.организовать производство приборов и средств автоматизации для контроля качества продукции» [1].

Важнейшим резервом повышения качества и эффективности производства является обеспечение производственных процессов высокопроизводительными совершенными средствами технологического контроля. Как отмечалось в [2], в действующих системах управления качеством основное внимание обращается на осуществление организационных и экономических мероприятий, на техническое и технологическое обеспечение производства, в то время как вопросы разработки и оснащения предприятий автоматизированными средствами контроля, измерения и испытания находятся в наименее развитом состоянии. Этот факт резко снижает эффективность систем управления качеством, так как по словам академика В. М. Глушкова, «•••даже одно небольшое звено единой технологической линии, оставленное без внимания, может свести на нет результаты автома.

Достаточно отметить, что в настоящее время трудоемкость контрольных и испытательных работ в производстве радиоэлектронных изделий составляет более 20 $ общей трудоемкости их изготовления. Стоимость всех видов испытаний и контроля для большинства фирм США составляет до 20 $ всех затрат, достигая в некоторых случаях.

Из вышесказанного следует, что в числе важнейших разервов улучшения качества продукции видное место занимает повышение уровня техники измерений. Без измерений невозможно объективно проконтролировать параметры исходных материалов, технологических режимов, готовых изделий, а, следовательно, невозможно и управлять качеством продукции.

Уровень и опережающее развитие техники измерений и контроля определяют дальнейший прогресс всех отраслей производства. По.

Чарльза Х. Хауза, «изготовители должны проектировать и выпускать измерительные приборы, которые по своим характеристикам опережают самый современный уровень техники, коль скоро они предназначены этот уровень измерять» .

В огромном арсенале средств современной измерительной техники ведущее место принадлежит электроизмерительной технике. Это обусловлено тем, что в ряде отраслей народного хозяйства, например, энергетике, радиоэлектронике и др., широко используются измерения электрических величин. Но еще большее значение они приобретают в связи с тем, что многие неэлектрические величины легко измеряются электрическими методами, что весьма удобно для тизации всех остальных звеньев" [з].

30 $ [4]. меткому выражению специалиста регистрации, обработки и передачи информации на расстояние. Основными требованиями, относящимися непосредственно к электроизмерительной технике, являются улучшение метрологических и эксплуатапдонных характеристик, повышение надежности, а также расширение функциональных возможностей и совместимость при системном использовании.

Современный этап построения приборов, машин и оборудования характеризуется массовым переходом на микроэлектронную элементную базу, предусматривающим как разработку новых, так и дальнейшее увеличение выпуска изделий на базе аналоговых и цифровых микросхем большой степени интеграции. Наряду с широким использованием универсальных микросхем, выпускаемых специализированными отраслями, предусматривается применение ограниченной номенклатуры специальных интегральных микросхем и микросборок. То есть микросхемы становятся одним из самых массовых ЭРЭ.

Успешное решение проблемы обеспечения производства изделий микроэлектроники и перехода на микроэлектронную элементную базу контрольно-измерительным оборудованием (КИО) возможно лишь при комплексном подходе, учитывающем требования всех этапов технологии. Первоочередным направлением в этой проблеме несомненно является метрологическое обеспечение производства микросхем и, в первую очередь, создание аппаратуры для измерения и контроля электрических параметров исходных материалов, технологических процессов производства и готовых мищюсхем.

Очевидно, что наиболее эффективным подходом при планомерной разработке комплексов средств измерения и контроля для типовых технологических процессов производства изделий микроэлектроники с целью широкого и централизованного оснащения предприятий КИО является создание агрегатированного комплекса средств технологического контроля (АСТК) как одной из ветвей Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации [б]. Создание АСТК, как и любого другого агрегатированного комплекса, целесообразно проводить путем разработки рациональных параметрических рядов средств измерения и контроля Цб],.

Одним из основных составляющих элементов любой системы автоматического контроля (САК), а, следовательно, и одним из параметрических рядов АСТК, являются операционные АЦП, выполняющие наряду с цифровым представлением информации ряд простейших математических операций.

До недавнего времени АЦП были самым слабым звеном в составе САК. За последние 5−10 лет в этой области достигнут значительный прогресс. Так в США, где разработкой АЦП занимаются десятки фирм, создана мощная элементная база, выпущены сотни различных по точности и быстродействию АЦП, освоено производство гибридных и твердотельных АЦП в единых корпусах, значительно снижены цены на серийно выпускаемые преобразователи. Аналогичные работы проводятся и у нас в стране.

Однако традиционно АЦП рассматривался как автономный прибор, и процесс оптимизации его структуры происходит без учета обратной связи СИСТЕМА-АЦП, что не всегда обеспечивало получение оптимального варианта его построения. Реализация системного подхода к разработке структур АЦП требует учета взаимосвязи основных параметров АЦП и системы и должна приводить к улучшению показателей качества САК в целом. Функции АЦП в системе до сих пор являются весьма ограниченными. Они сводятся к обеспечению согласования по форме представления информации между источником сигнала контролируемого объекта и остальной частью системы (ЭВМ, адаптером и т. п.). Такое положение вещей наглядно иллюстрируется в работе [7], где приведен ряд структурных схем измерительно-вычислительных комплексов. Необходимы же такие АЦП, которые обеспечивали бы в первую очередь электрическую, программную и временную совместимость. Помимо этого в системе обычно возникает потребность в разгрузке центрального процессора от ряда вычислительных операций, связанных с подключением АЦП к системе и первичной обработкой информации, поступающей от АЦП. Особенно актуальной становится эта задача при построении систем технологического контроля, когда для программного обеспечения контроля наиболее целесообразно применение микрои мини-ЭВМ типов «Искра 1256», «Электроника 60», СМ-1 и т. п. Кроме того, ряд специфических особенностей измерения параметров изделий микроэлектроники также налагает определенные ограничения при разработке АЦП. К числу таких ограничений, например, относятся малая рассеиваемая мощность на объектах контроля (ОК) (десятки и даже единицы мВт), малое время подключения ОК к измерительной цепи (до единиц мс), большой набор функциональных зависимостей (линейнаяпри измерении напряжений, токов, сопротивлений, логарифмическаяпри определении коэффициента усиления операционных усилителей, квадратичная — при измерении электрических шумов микросхем, кубическая — при контроле профиля концентрации неосновных носителей в полупроводниковых материалах, вычисление процентов — при допусковом контроле сопротивления пассивной части ГИС и т-д.). Причем, как правило, от таких преобразователей требуется достаточно высокая точность при их использовании в составе систем преимущественно в цеховых условиях, характеризующихся высоким уровнем промышленных помех (приведенная погрешность от 0,1% до 0,01 $ и лучше).

Серийно выпускаемые электроизмерительные приборы для целей автоматического контроля изделий микроэлектроники в ряде случаев применять чрезвычайно сложно. Они обычно являются лабораторными мультиметрами, и их использование в подавлявдем большинстве случаев оказывается технически и экономически неоправданным.

Кроме того серийные АЦП или цифровые приборы с набором выполнения ряда математических операций практически отсутствуют. Только благодаря разработке в рамках рациональных параметрических рядов операционных проблемноориентированных АЦП удастся решить бсшыцую часть перечисленных выше задач. При этом появляется новый подход и к распределению (функций между отдельными устройствами в системе, и к разработке алгоритмов функционирования и структур АЦП.

Наиболее вероятным методом построения операционных АЦП для автоматизированных систем технологического контроля изделий микроэлектроники преимущественно в цеховых условиях их применения может быть метод интегрирующего преобразования. Он характеризуется возможностью получения высокой точности преобразования., достаточного быстродействия (до нескольких же), высокой помехозащищенности и разрешающей способностью, возможностью получения малых мощностей, рассеиваемых на ОК, возможностью строгой временной привязки работы реализующих его устройств, простотой схемотехнической реализации и т. д. Кроме того, и что также является очень важным, на его основе возможна реализация преобразователей с широким набором функциональных зависимостей выход-вход [ 83, что нередко ускользает от общего внимания.

Большой вклад в развитие теории и техники метода интегрирующего преобразования внесен такими отечественными учеными и руководимыми ими коллективами, как И. М. Вишенчук, Э. И. Гитис, В.С.Гут-ников, В. Н. Малиновский, Э. К. Шахов, Б. И. Швецкий, В. М. Шляндин и др. В настоящее время молено считать, что формирование основ теории подходит к логическому завершению. Однако, несмотря на более чем 25-летний путь развития, метод интегрирующего преобразования до сих пор еще не нашел своего широкого применения при построении на его основе различного рода операционных преобразо- ' вателей, а связанные с этим аспектом теоретические вопросы не привлекли должного внимания специалистов.

Настоящая диссертационная работа посвящена рассмотрению некоторых вопросов теории, синтезу алгоритмов и структур операционного интегрирующего преобразования электрических величин преимущественно для систем технологического контроля и измерения параметров изделий микроэлектроники, а также разработке на базе синтезированных структур конкретных измерительных преобразователей и их промышленному внедрению.

В данной работе поставлены и решаются следующие основные задачи:

I. Рассматривается место и роль контрольно-измерительных операций в общем технологическом цикле производства микросхем и выделяются первоочередные измерительные задачианализируются пути агрегатированного построения автоматизированных средств измерения для решения поставленных задач и определяются на этой основе требования к нимобосновываются целесообразность, а для большинства измерительных задач с учетом выявленных требованийнеобходимость применения для их решения метода интегрирующего преобразованияпроводится систематизированный обзор способов и средств операционного интегрирующего преобразования.

2- Проводится анализ динамических свойств интегрирующих преобразователей следящего уравновешивания с не^инитной ИПФ при входном воздействии типа меандра, выявляется необходимое условие минимизации числа циклов переходного процесса, возникающего в этом случаеисследуются избирательные свойства интегрирующих преобразователей с финитной ИПФ в режимах синхронного и фазового детектированияставится и корректно решается задача разработки динамической модели квадратичных интегрирующих преобразователейанализируется влияние внутрисхемных шумов на результат преобразования операщонных интегрирующих преобразователей как динамических систем, причем для квадратичных преобразователей эта задача ставится и решается впервые.

3- С учетом результатов теоретических исследований разрабатываются и исследуются новые алгоритмы функционирования и базовые структуры операционных преобразователей, имеющих высокие метрологические характеристики.

4. Исследуются пути улучшения основных метрологических характеристик операщонных преобразователей и разрабатываются рекомендации по их совершенствованию, которые доводятся до конкретных примеров их технической реализации.

5. Осуществляется практическая реализация и промышленное внедрение некоторых из разработанных технических решений в составе автоматизированных измерительных средств технологического контроля изделий микроэлектроники.

Основные положвния диссертационной работы изложены в 27 научных трудах.

Работа обобщает результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в Пензенском филиале Всесоюзного научно-исследовательского технологического института приборостроения в 1976;1983 гг. под руководством д.т.н."профессора кафедры «Информационно-измерительная техника» Пензенского политехнического института Шахова Э.К.

Основные результаты и выводы.

1. В результате проведенных исследований возможности повышения входного сопротивления операционных ИЛИ разработаны: а) конкретные рекомендации, связанные с изменением алгоритма функционирования, применительно к классу ИЛИ уравновешивающего преобразования на основе базовых структур (рис. 3.5, рис. 3.7, рис. 3.16). Побочным результатом, полученным при этом, явилось дальнейшее совершенствование динамических свойств базовой структуры (рис. 3.5). Этот факт нашел воплощение в новом разработанном преобразователе (рис. 4.2) — б) интегратор с высоким входным сопротивлением, определяемым значением сопротивления синфазному сигналу операщонных усилителей, с передаточной функцией, тождественной передаточной функции интегратора Миллера, с возможностью простого установления нулевых начальных условий и практически применимый в любых операционных ИПН.

2. Разработаны две структуры линейных ИПН сигналов низкого уровня, реализущие принцип синхронного детектирования, и структура КПНВ, предназначенная для тех же целей и имеющая малое влияние внутрисхемных шумов.

3. Исследована возможность и разработаны конкретные рекомендации, воплощенные в виде соответствующих структур или способов 0.

N / A A 0 0.

J 1 i 1? i «.

Li U U U LTUTJ UUUL 'Uli UU UUUIIUU il UUL u u U U ' irU 0.

— юзих построения, направленные на уменьшение времени преобразования ИПН при сохранении свойства подавления помех нормального вида с частотой промышленной сети, основанные на методе компенсации средних за время преобразования значений помехи и на методе усреднения с единичными и иррациональными весовыми коэффициентами. Произведена численная оценка коэффициента помехоподавления разработанных технических решений и выявлены наиболее перспективные из них.

4. Разработаны рекомендации по уменьшению погрешности, вызванной задержкой между моментом срабатывания сравнивающего устройства и моментом прихода ближайшего импульса образцовой частоты, характерной для базовых структур КПДО уравновешивающего преобразования. Разработана структурная схема КПВЧ названного класса с асинхронным формированием образцового заряда, в которой указанная погрешность вообще устранена.

5. Предложены технические решения линейного и квадратичного преобразования, в которых существенным образом уменьшена погрешность квантования, возникающая при суммировании непримыкающих информативных интервалов времени.

6. По материалам настоящей главы автором получено 8 авторских свидетельств и 2 решения о выдаче авторских свидетельств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные итоги теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором в настоящей работе, заключаются в следующем:

1. Рассмотрены типовые технологические процессы производства изделий микроэлектроники, на основе чего выявлены место и роль контрольно-измерительных операций в общем технологическом цикле «исходные материалы и компоненты» — «потребитель готовой продукции» — определено, что наибольший процент среди них занимают операции измерения электрических величинвыявлены измерительные задачи, решение которых имеет первоочередное значение.

2. Подчеркнуто исключительное значение автоматизации контрольно-измерительных операций при производстве изделий микроэлектроники для повышения производительности труда и качества продукцииотмечено, что эффективное построение автоматизированных средств измерения и контроля достаточно большой совокупности параметров возможно лишь на основе принципов агрегатирования и унификацииопределена обобщенная структура автоматизированной системы технологического контроля, на основе чего выявлены общие структурные блоки, образующие параметрические рядыпоказано, что одним из самых основных структурных блоков являются операционные измерительные преобразователи, разработку которых в условиях их системного применения и промышленной эксплуатации в цеховых условиях целесообразнее проводить на основе метода интегрирующего преобразования.

3. Осуществлен систематизированный обзор способов и средств операционного интегрирующего преобразования, на основе которого выявлено, что с точки зрения потенциально высокой точности наиболее предпочтительным для практической реализации является ' метод уравновешивающего преобразованиявыявлены наиболее перспективные направления создания средств операционного интегрирующего преобразования и возникающие при этом теоретические задачи.

4. Впервые теоретически исследованы динамические свойства линейных ИПН следящего уравновешивания с нефинитной ИПФ при входном воздействии типа меандрапоказано, что несмотря на нефинитный характер ИПФ переходной процесс для такого типа воздействия при определенных условиях имеет конечную длительность, выявлены условия его сходимостиполучены достаточно простые аналитические выражения, характеризующие число циклов переходного процесса после начала входного воздействия указанной формы в зависимости от заданной погрешности установления и значений уровней меандравыявлено необходимое условие минимизации длительности переходного процесса.

5. Теоретически исследованы избирательные свойства линейных ИПН с финитной ИПФ в режимах синхронного и фазового детектированиядоказана адекватность предложенной математической модели ИПН в режиме фазового детектированияполучены аналитические выражения АЧХ для указанных режимов без суммирования и с суммированием (для режима синхронного детектирования) с произвольной кратностью ряда последовательных результатов преобразованияна основе чего подчеркнута перспективность дальнейших исследований ИПН в указанных режимах для измерения напряжений низкого уровняпоказана математически принципиальная возможность построения на базе ИПН в режимах синхронного и фазового детектирования высокоточных измерителей коэффициента мощности.

6. Впервые разработана и исследована корректная обобщенная динамическая модель квадратичных ИПНвпервые предложен обобщенный принцип двухканальности построения квадратичных И. ПН с пространственным и временным разделением каналов, на основе которого получены обобщенные математические модели с последовательной и параллельной (перекрестной) импульсной модуляциейидентифицированы квадратичные ИПН как нелинейные нестационарные динамические системы автоматического регулированияна основе математического аппарата функциональных рядов Вольтерра получена двухмерная нестационарная АЧХ, справедливая для любого квадратичного ИПНвпервые разработан двухмерный принцип суперпозиции, позволяющий аналитически представить результат преобразования и получить выражение динамической погрешности для любого квадратичного ИПН при любом, ограниченном по выбранной норме, типе входного воздействия, представимого рядом Фурьеуказано, что на основе проделанных исследований можно получить аналогичные результаты для любого функционального ИПН, функционал которого разлагается в степенной рядна базе проведенных исследований обобщенного двух-канального принципа выявлен путь синтеза высокоточных квадратичных ИПН по исходной линейной модели.

7. Впервые теоретически исследовано влияние внутрисхемных шумов типа суммы белого и фликкер-шума на результат преобразования ИПН как динамической системы в режиме синхронного детектирования и для квадратичных ИПНв результате численного анализа на ЦВМ получены простые асимптотические выражения среднеквадрати-ческого отклонения, пригодные для инженерных расчетов и позволяющие легко определить порог чувствительности указанных ИПН при заданном времени преобразования и элементной базе, или определить необходимое время преобразования при заданном пороге чувствительности и элементной базе, или выбрать элементную базу при остальных заданных параметрах.

8. На основе проведенных теоретических исследований, резюми.

I «рованных в п.п.4.7, осуществлены разработка и исследование новых алгоритмов функционирования и соответствующих им базовых структур операционных ИПН, а также исследованы пути улучшения основных метрологических характеристик операционных ИПН и разработаны конкретные рекомендации по их совершенствованию: а) разработаны высокоточные алгоритм функционирования и базовая структура линейного ИПН следящего уравновешивания с нефинитной ИПФ с минимальным для данного класса числом циклов установления выходной величины при входном воздействии типа меандравыявлено достаточное условие минимизации числа циклов установления и условие сходимости итерационного процессадля случая невыполнения достаточного условия минимизации переходного процесса получено аналитическое выражение, связывающее число циклов переходного процесса с уровнями меандра входного сигнала, параметрами схемы и заданной погрешностью установлениядля последнего случая разработаны рекомендации по уменьшению длительности переходного процессаб) разработаны два алгоритма и соответствующие базовые структуры линейных ИПН уравновешивающего преобразования с финитной, ИПФ, отличающиеся достаточно высокой точностьюисследованы специфические погрешности, характерные для разработанных технических решенийв) разработан ряд алгоритмов функционирования и базовых структур квадратичного преобразования с параллельной (перекрестной) и последовательной импульсной модуляцией с двумя и одним переменным параметромисследована погрешность воспроизводимости характеристики преобразования разработанного простейшего алгоритма прямого преобразования с перекрестной модуляциейисследована специфическая погрешность задержи, характерная для двух вариантов разработанных квадратичных ПНЧ уравновешивающего преобразования, произведена ее экстремальная оценка для обеих структур и их сравнительный анализ на этой основег) разработаны конкретные рекомендации по повышению входного сопротивления, связанные с изменением алгоритма функционирования и с применением разработанного автором интегратора с высоким входным сопротивлениемд) разработан ряд структур линейных ИПН сигналов низкого уровня, реализующих принцип синхронного детектирования, и структура квадратичного ПЕВ, предназначенная для тех же целей и имеющая малое влияние внутрисхемных шумове) исследована возможность и разработаны конкретные рекомендации, воплощенные в виде соответствующих структур или способа их построения, направленные на уменьшение времени преобразования ИПН при сохранении свойства подавления помех нормального вида с частотой промышленной сети, основанные на методе компенсации средних за время преобразования значений помехи и методе усреднения с единичными и иррациональными весовыми коэффициентамипроизведена численная оценка коэффициента помехоподавления разработанных технических решений и выявлены наиболее перспективные из нихж) разработаны рекомендации по уменьшению погрешности, вызванной задержкой между моментом срабатывания сравнивающего устройства и моментом прихода ближайшего импульса образцовой частоты, характерной для базовых структур квадратичных ГШЧ уравновешивающего преобразованияразработана структура преобразователя названного класса с асинхронным формированием образцового заряда, в которой указанная погрешность исключена вообщез) предложены технические решения, в которых существенным образом уменьшена погрешность квантования, возникающая при суммировании непримыкающих информативных интервалов времени в структурах линейного и квадратичного преобразования.

9. Осуществлена экспериментальная проверка основных теоретических положений. диссертациипрактически реализован ряд разработанных операционных ИПН, четыре из которых доведены до промышленного внедрения в составе различных автоматизированных средств технологического контроля изделий микроэлектроникив частности, разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию.

— преобразователь напряжения и тока в код в составе полуавтомата для контроля маломощных полупроводниковых диодов по прямому падению напряжения и обратному току (АМЦ 0620) [ИЗ];

— комплект из двух блоков преобразователя напряжения в интервал времени (АМЦ 0623) и преобразователя тока в интервал времени (АМЦ 0624) в составе тестера для контроля часовых МОП-БИС.

АМЦ ИЗ) и его модификаций (АМЦ 115 и АМЦ 1150);

— АЦП в составе тестера для контроля бескорпусных операционных усилителей (АМЦ 1440);

— измеритель процентного отклонения сопротивления (АМЦ 1442) в составе установки лазерной подгонки тонкопленочных ГИС с управлением от ЭЕМ (АМЦ 0637) — суммарный годовой экономический эффект от внедрения перечисленных выше автоматизированных средств технологического контроля изделий микроэлектроники, в которых используются разработки автора, составляет 2 млн. 212,06 тыс. руб., а непосредственно от их использования — 605,46 тыс.рублей.

10. Большинство практически реализованных автором ИПН в составе указанных выше автоматизированных средств технологического контроля экспонировались на следующих выставках:

— тестер АМЦ 113 для контроля часовых МОП-БИС — на выставке.

HTTM — 78 (ВДНХ СССР, Москва, 1978 г.);

— установка АМЦ 0637 лазерной подгонки, тестер АМЦ 115 для контроля часовых МОП-БИС, тестер АМЦ 1440 для контроля бескорпусных операционных усилителей — на Всесоюзной отраслевой выставке «Специальное технологическое оборудование и новые технологические процессы» СТехнология-80″, г. Раменское, Московской обл., 1980 г.).

II. По результатам осуществленных в диссертации разработок автором получено 14 авторских свидетельств и 3 решения о выдаче авторских свидетельств.

Основные положения работы изложены в ряде научно-технических статей и обсуждались на следующих конференциях: а) на ежегодных научно-технических конференциях «Метрологическое обеспечение технологии производства в приборостроении» (Пензенский филиал ВНИТИприбора, 1977 и 1978 гг.) — б) на Всесоюзных научно-технических конференциях «Методы и средства аналогоцифрового преобразования параметров электрических сигналов и цепей» (г.Пенза, 1978 и 1981 гг.) — в) на Всесоюзной научно-технической конференции «Новые электронные приборы и устройства» (г.Москва, 1980 г.) — г) на областном семинаре «Методы и средства преобразования электрических величин в частотно-временные сигналы и их применение в цифровых средствах измерения» (г.Пенза, 1980 г.).