The analysis of the electronic devices substrates roughness testing methods

Authors

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2014.21864

Keywords:

substrate, surface quality, roughness, testing methods, profilometer, іnterferometer, technological process

Abstract

Reliability and stability of the finished product depend largely on the electronic component substrate surface quality. The thickness of the layers, deposited on the substrate should not exceed tens or hundreds of angstroms, and the roughness of such surfaces - units of angstroms.

The analysis of the basic testing methods of the substrate surface roughness for electronic products, during which the main features, advantages and disadvantages of these methods are identified, is performed in the paper. The conclusion on the need to improve the considered control methods is drawn.

Roughness control automation, which will allow promptly obtain information about the control object and effectively manage the technological process of manufacturing substrates for electronic devices, is defined as the urgent task.

Also, following the analysis results, further research direction for solving the tasks on developing technology for automated roughness control, based on the interference method is selected.

Thus, the authors performed systematization of provisions that may be useful to specialists-technologists in creating non-destructive testing methods, ensuring high accuracy and reliability of the obtained results.

Author Biographies

Игорь Шакирович Невлюдов, Kharkiv National University of Radio Electronics Lenina avenue 16, Kharkiv, 61166

Professor, Head of the Department

Department of Technology and Automation of Computing and Radio Electronic Devices Production

Ирина Владимировна Жарикова, Kharkiv National University of Radio Electronics Lenina avenue 16, Kharkiv, 61166

Assistant

Department of Technology and Automation of Computing and Radio Electronic Devices Production

Иван Дмитриевич Перепелица, V. N. Karazin Kharkiv National University Svobody Square 4, Kharkiv, 61022

Department of Theoretical and Applied Informatics

Алексей Георгиевич Резниченко, Kharkiv National University of Radio Electronics Lenina avenue 16, Kharkiv, 61166

Assistant

Department of Technology and Automation of Computing and Radio Electronic Devices Production

References

  1. Коледов, Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок [Текст] / Л. А. Коледов. – СПб. : Издательство ≪Лань≫, 2007. – 400 с.
  2. Ефимов, И. Е. Микроэлектроника. Физические и технологические основы [Текст] / И. Е. Ефимов, И. Я. Козырь, Ю. И. Горбунов. – М. : Высш.шк., 1987. – 461 с.
  3. Уткин, В. Н. Исследование морфологии поверхности керамических подложек компонентов электронной техники [Текст] / В. Н. Уткин, М. А. Исаков, О. Е. Хапугин // Современные наукоемкие технологии. – 2007. – № 11. – С. 38–41.
  4. Черняев, В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров [Текст] / В. Н. Черняев. – М. : Радио и связь, 1987. – 464 с.
  5. Коньшин, А. С. Поверхностная обработка твердых минералов и кристаллов для микроэлектроники [Текст] / А. С. Коньшин, В. В. Соловьев, Т. Б. Теплова // Научный вестник Московского Государственного Горного Университета. – 2010. – № 8. – C. 41–50.
  6. Богатырев, А. Е. Новые методы контроля чистоты и дефектности поверхности деталей [Текст] / А. Е. Богатырев Л. И. Шушунова, Г. М. Цыганов // Обзоры по электронной технике. – 1980. – № 3 (707). – С. 19–27.
  7. Розницин, И. Л. Определение оптимальных значений твердости, шероховатости поверхности материала, толщины наносимого покрытия для деталей объемного гидропривода [Текст] / И. Л. Розницин, Д. Б. Глушкова, В. П. Тарабанова, А. П. Любченко // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. – 2009. – № 46. – С. 64–68.
  8. Кривоносов, Ю. С. Определение шероховатости подложек и тонких пленок по рассеянию рентгеновских лучей в условиях внешнего отражения: [Текст] : дисс. … канд. физ-.мат. наук / Ю. С. Кривоносов. – М., 2003. – 126 с.
  9. Табенкин, А. Н. Шероховатость, волнистость, профиль. Международный опыт [Текст] / А. Н. Табенкин, С. Б. Тарасов, С. Н. Степанов. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2007. – 136 с.
  10. Дудин-Барковский, И. В. Измерение и анализ шероховатости поверхности и некруглости поверхности [Текст] / И. В. Дудин-Барковский, А. И. Карташева. – М. : Машиностроение, 1978. – 320 с.
  11. Feldman, L. C. Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis [Text] / L. C. Feldman, J. W. Mayer. – New York: North-Holland, 1986. – 352 р.
  12. Назаров, Ю. Ф. Методы исследования и контроля шероховатости поверхности металлов и сплавов [Текст] / Ю. Ф. Назаров, А. М. Шкилько, В. В. Тихоненко, И. В. Компанеец // Физическая инженерия поверхности. – 2007. – Том 5, № 3–4. – С. 307–316.
  13. Лисовская, В. В. Методы оценки шероховатости тонкопленочных покрытий [Электронный ресурс] / В. В. Лисовская, Г. Я. Беляев, С. Ю. Котов // Материалы конференции ≪Прикладные разработки науки и техники – 2013≫, Przemysl, Польша. – Режим доступа : http://www.rusnauka.com/32_PRNT_2013/Tecnic/8_146866.doc.htm.
  14. Баранов, А. М. Новый универсальный метод контроля параметров слоев и шероховатости поверхности в процессах вакуумного осаждения и травления [Текст] / А. М. Баранов, С. А. Терешин, И. Ф. Михайлов // Журнал технической физики. – 1997. – Т. 67, № 8. – С. 62–64.
  15. Лукин, Е. С. Анализ микроструктуры, качества поверхности и свойств подложек из оксида алюминия [Текст] : тез. докладов 2ой междун.науч.-прак. конф. / Е. С. Лукин, Е. В. Ануфриева, Н. А. Попова, Б. А. Морозов // Функциональная керамика. – Нижний Новгород, 2009. – С. 35–40.
  16. Shivea, L. W. Impact of Thermal Processing on Silicon Wafer Surface Roughness [Text] / L. W. Shivea, B. L. Gilmore // Semiconductor Wafer Bonding 10: Science, Technology, and Applications, Issue 16 (8), edited by T. Suga. – 2008. – Р. 401–405.
  17. Kranz, C. Impact of The Rear Surface Roughness on Industrial-Type Perc Solar Cell [Text] / C. Kranz, S. Wyczanowski, S. Dorn, K. Weise, C. Klein, K. Bothe, T. Dullweber, R. Brendel // 27th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Frankfurt, Germany, 24-28 September 2012. – P. 557–560.
  18. Пашкевич, М. Ф. Исследования и изобретательство в машиностроении [Текст] / М. Ф. Пашкевич, А. А. Жолобов, Ж. А. Мрочек, Л. М. Кожуро, В. М. Пашкевич; под общ. ред. М. Ф. Пашкевича. – Мн. : Адукацыя i выхаванне, 2005. – 287 с.
  19. Когерентно-оптические методы в измерительной технике и биофотонике [Текст] / Под ред. В. П. Рябухо и В. В. Тучина. – Саратов : Сателлит, 2009. – 127 с.
  20. Протопопов, В. В. Прибор для оперативного контроля шероховатости сверхгладких поверхностей больших размеров методом рентгеновского сканирования [Текст] / В. В. Протопопов, К. А. Валиев, Р. М. Имамов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2000. – Т. 66, № 1. – С. 32–37.
  21. Егоров, В. А. Оптические и щуповые приборы для измерения шероховатости поверхности [Текст] / В. А. Егоров. – М. : Машиностроение, 1965. – 222 с.
  22. Невлюдов, И. Ш. Метод анализа интерференционных изображений при контроле параметров качества поверхности волоконно-оптических компонентов [Текст] / И. Ш. Невлюдов, А. И. Филипенко // Вісті Академії інженерних наук України: Машинобудування і прогресивні технології. Спец. Випуск. – 2004. – № 4(24). – С.81–87.
  23. Полещук, А. Г. Лазерные методы контроля асферической оптики [Текст] / А. Г. Полещук, А. Е. Маточкин // Фотоника. – 2011. – № 2. – С. 38–44.
  24. Протопопов, В. В. Сравнительные измерения шероховатости подложек рентгеновских зеркал методами рентгеновской рефлектометрии и сканирующей зондовой микроскопии [Текст] / В. В. Протопопов, К. А. Валиев, Р. М. Имамов // Кристаллография. – 1997. – Т. 42. – С. 747–754.
  25. Арутюнов, П. А. Сканирующая зондовая микроскопия (туннельная и силовая) в задачах метрологии наноэлектроники [Текст] / П. А. Арутюнов, А. Л. Толстихина // Микроэлектроника. – 1997. – Т. 26, № 6. – С. 426–439.
  26. Nanda, K. K. Measurement of Surface Roughness by Atomic Force Microscopy and Rutherford Backscattering Spectrometry of CdS Nanocrystalline Films [Text] / K. K. Nanda, S. N. Sarangi, S. N. Sahu // Applied Surface Science. – 1998. – Vol. 133. – Р. 293–297.
  27. Sprague, R. Surface Roughness Measurement Using White Light Speckle [Text] / R. Sprague // Applied Optics. – 1972. – Vol. 11, Issue 12. – Р. 2811–2816.
  28. Zhenrong, Z. Roughness Characterization of Well-polished Surfaces by Measurements of Lightscattering Distribution [Text] / Z. Zhenrong, Z. Jing, G. Peifu // Optica Applicata. – 2010. – Vol. XL, No. 4. – Р. 811–818.
  29. Корольков, В. П. Модернизация микроинтерферометров МИИ-4 и МИИ-4М [Текст] / В. П. Корольков, А. Е. Качкин, Р. В. Шиманский // Мир измерений. – 2012. – № 10. – С. 37–42.
  30. Шероховатость от ≪МИКРОТЕХR≫ [Текст] / Металлообработка. – 2008. – № 4. – С. 19.
  31. Оптический профилометр на базе микроинтерферометра МИИ-4М [Электронный ресурс] / ЗАО ≪Дифракция≫, г. Новосибирск. – Режим доступа : http://www.diffraction.ru/products-ru/mii-4.
  32. Невлюдов, И. Ш. Технология автоматизированного контроля качества поверхности [Текст] / И. Ш. Невлюдов, Е. П. Второв, В. В. Токарев // Вестник Харьковского экономического университета. – 1998. – Вып. 1. – С. 86–88.
  33. Невлюдов, И. Ш. Автоматизированный контроль шероховатости высокоточных деталей в приборостроении [Текст] : зб. наук. пр. / И. Ш. Невлюдов, В. В. Токарев // ХВУ. – 2001. – Вип. 5(35). – С. 196–199.
  34. Невлюдов, И. Ш. Методология и оборудование контроля параметров компонентов волоконно-оптических систем передачи информации [Текст] / И. Ш. Невлюдов, А. И. Филипенко, Б. А. Малик // Прикладная радиоэлектроника: сб. АН Прикладной радиоэлектроники. – 2002. – Т. 1, № 1. – С. 51–56.
  35. Зырин, И. Д. Обзор возможностей математического моделирования шероховатости поверхности низкотемпературной керамики [Текст] : матер.23-ей Междуна. конф. / И. Д. Зырин, В. М. Карабан, С. Б. Сунцов // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо’2013), 8-13 сентября 2013, Севастополь.–С.181–82.
  36. Koledov, L. A. (2007). Technology and Design of Chips, Microprocessors and Microassemblies, St. Petersburg, Russia: Lan, 400.
  37. Efimov, I. E., Kozyr, I. Ya., Gorbunov, Yu. I. (1987). Microelectronics. Physical and Technological Bases. Moscow, USSR: Vyssh. Shkola, 461.
  38. Utkin, V. N., Isakov, M. A., Hapugin, O. E. (2007). Morphology Research of a Ceramic Substrates Surface of Components of Electronic Equipment. Modern High Technologies, 11, 38–41.
  39. Cherniaev, V. N. (1987). Production Technology of Integrated Circuits and Microprocessors, Moscow, USSR: Radio i Sviaz, 464.
  40. Konshin, A. S., Solovyov, V. V., Teplova, T. B. (2010). Surface Treatment of Hard Minerals and Crystals for Microelectronics. Scientific messenger of the Moscow State Mining University, 8, 41–50.
  41. Bogatyryov, A. E., Shushunova, L. I., Tsyganov, G. M. (1980). New Test Methods of Purity and Deficiency of a Details Surface. Reviews on Electronic Equipment, 3 (707), 19–27.
  42. Roznitsin, I. L., Glushkova, D. B., Tarabanova, V. P., Liubchenko, A. P. (2009). Determination of Optimum Values of Hardness, Roughness of a Material Surface, Thickness of a Put Covering for Volume Hydraulic Actuator Details. Messenger of the Kharkov National Automobile and Highway University, 46, 64–68.
  43. Krivonosov, Yu. S. (2003). Study of the Substrates and Thin Films Roughness by X-rays Dispersion in the Conditions of External Reflection: Thesis in the Physical-Math. Sciences. Moscow, 126.
  44. Tabenkin, A. N., Tarasov, S. B., Stepanov, S. N. (2007). Roughness, Sinuosity, Profile. International Experience. St. Petersburg: Publishing House of Polytechnic University, 136.
  45. Dudin-Barkovskiy, I. V. (1978). Measurement and Analysis of a Surface Roughness and not roundness. Moscow, USSR: Mashinostroenie, 320.
  46. Feldman, L. C., Mayer, J. W. (1986). Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis. New York: North-Holland, 352.
  47. Nazarov, Yu. F., Shkilko, A. M., Tihonenko, V. V., Kompaneets, I. V. (2007). Methods of Research and Testing of Metals and Alloys Surface Roughness. Physical engineering of a surface, 5 (3-4), 307–316.
  48. Lisovskaya, V. V. Belyaev, G. Ya., Kotov, S. Yu. (2013). Methods of a Thin-Film Coverings Roughness Assessment. Materials of the Conference “Applied Developments of Science and Technology – 2013”, Przemysl, Poland.
  49. Baranov, A. M., Tereshin, S. A., Mihailov, I. F. (1997). New Universal Test Method of Layers Parameters and Surface Roughness in Processes of Vacuum Sedimentation and Etching. Journal of technical physics, 67 (8), 62–64.
  50. Lukin, E. S., Anufrieva, E. V., Popova, N. A., Morozov, B. A. (May 13-15 2009). The Analysis of a Microstructure, Surface Quality and Properties of Aluminum Oxide Substrates. Functional Ceramics, Nizhny Novgorod, 35–40.
  51. Shivea, L. W. Gilmore, B. L. (2008). Impact of Thermal Processing on Silicon Wafer Surface Roughness. Semiconductor Wafer Bonding 10: Science, Technology and Applications, 16 (8), 401–405.
  52. Kranz, C., Wyczanowski, S., Dorn, S., Weise, K., Klein, C., Bothe, K., Dullweber, T., Brendel, R. (2012). Impact of The Rear Surface Roughness on Industrial-Type Perc Solar Cell. 27th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Frank - furt, Germany, 557–560.
  53. Pashkevich, M. F., Zholobov, A. A., Mrochek, Zh. A., Kozhuro, L. M., Pashkevich, V. M. (2005). Researches and Invention in Mechanical Engineering. Minsk: Adukatsyiya i vyhavanne, 287.
  54. Riabuho, V. P., Tuchin, V. V. (2009). Coherent and Optical Methods in Measuring Equipment and Biophotonics. Saratov: Satellit, 127.
  55. Protopopov, V. V., Valiev, K. A., Imamov, R. M. (2000). The Device for an Operating Testing of a Roughness of Supersmooth Surfaces of the Big Sizes by the X-Ray Scanning Method. Factory laboratory. Diagnostics of materials, 66(1), 32–37.
  56. Egorov, V. A. (1965) Optical and Probe Devices for Surface Roughness Measurement. Moscow: Mashinostroenie, 222.
  57. Nevliudov, I. Sh. Filipenko, A. I. (2004) Method of the Interferential Images Analysis During Testing of Quality Parameters of Fiber-Optical Components Surface. News of Engineering Sciences Academy of Ukraine: Mechanical engineering and progressive technologies, 4(24), 81–87.
  58. Poleschuk, A. G., Matochkin, A. E. (2011). Laser Testing Methods of Aspherical Optics. Photonics, 2, 38–44.
  59. Protopopov, V. V., Valiev, K. A., Imamov, R. M. (1997). Comparative Measurements of X-Ray Mirrors Substrates Roughness by X-Ray Scatterometry and Scanning Probe Microscopy Methods. Crystallography, 42, 747–754.
  60. Arutiunov, P. A., Tolstihina, A. L. (1997). Scanning Probe Microscopy (Tunnel and Power) in Problems of Nanoelectronics Metrology. Microelectronics, 26(6), 426–439.
  61. Nanda, K. K., Sarangi, S. N., Sahu, S. N. (1998). Measurement of Surface Roughness by Atomic Force Microscopy and Rutherford Backscattering Spectrometry of CdS Nanocrystalline Films. Applied Surface Science, 133, 293–297.
  62. Sprague, R. (1972). Surface Roughness Measurement Using White Light Speckle. Applied Optics, 11 (12), 2811–2816.
  63. Zhenrong, Z., Jing, Z., Peifu, G. (2010). Roughness Characterization of Well-polished Surfaces by Measurements of Lightscattering Distribution. Optica Applicata, XL (4), 811–818.
  64. Korolkov, V. P., Kachkin, A. E., Shimanskiy, R. V. (2012). Modernization of microinterferometers MII-4 and MII-4M. World of measurements, 10, 37–42.
  65. Roughness from «MIKROTECH®» (2008). Metalloobrabotka, 4, 19.
  66. Optical Profilometer on the Microinterferometer MII-4M Basis. Diffraction LTD, Novosibirsk.
  67. Nevliudov, I. Sh., Vtorov, E. P., Tokarev, V. V. (1998). Technology of the Automated Surface Quality Testing. Messenger of the Kharkov economic university, 1, 86–88.
  68. Nevliudov, I. Sh., Tokarev, V. V. (2001). The Automated Testing of a High-precision Details Roughness in Instrument Making. Collection of Scientific Works of Kharkov Military University, 5(35), 196–199.
  69. Nevliudov, I. Sh., Filipenko, A. I., Malik, B. A. (2002). Methodology and Equipment for Fiber-Optical Components Parameters Testing for Information Transfer Systems. Applied Radioelectronics, 1(1), 51–56.
  70. Zyirin, I. D., Karaban, V. M., Suntsov, S. B. (2013). Review of Opportunities of Mathematical Modeling of a Low-Temperature Ceramics Surface Roughness. Microwave & Telecommunication Technology, Sevastopol, 181–182.

Downloads

Published

2014-04-15

How to Cite

Невлюдов, И. Ш., Жарикова, И. В., Перепелица, И. Д., & Резниченко, А. Г. (2014). The analysis of the electronic devices substrates roughness testing methods. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(5(68), 25–30. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2014.21864

Issue

Vol. 2 No. 5(68) (2014): Applied physics

Section

Applied physics

License

Copyright (c) 2014 Игорь Шакирович Невлюдов, Ирина Владимировна Жарикова, Иван Дмитриевич Перепелица, Алексей Георгиевич Резниченко

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

The consolidation and conditions for the transfer of copyright (identification of authorship) is carried out in the License Agreement. In particular, the authors reserve the right to the authorship of their manuscript and transfer the first publication of this work to the journal under the terms of the Creative Commons CC BY license. At the same time, they have the right to conclude on their own additional agreements concerning the non-exclusive distribution of the work in the form in which it was published by this journal, but provided that the link to the first publication of the article in this journal is preserved.

A license agreement is a document in which the author warrants that he/she owns all copyright for the work (manuscript, article, etc.).
The authors, signing the License Agreement with TECHNOLOGY CENTER PC, have all rights to the further use of their work, provided that they link to our edition in which the work was published.
According to the terms of the License Agreement, the Publisher TECHNOLOGY CENTER PC does not take away your copyrights and receives permission from the authors to use and dissemination of the publication through the world's scientific resources (own electronic resources, scientometric databases, repositories, libraries, etc.).
In the absence of a signed License Agreement or in the absence of this agreement of identifiers allowing to identify the identity of the author, the editors have no right to work with the manuscript.
It is important to remember that there is another type of agreement between authors and publishers – when copyright is transferred from the authors to the publisher. In this case, the authors lose ownership of their work and may not use it in any way.