DE3103082A1

DE3103082A1 - "schichtdickenmonitor und verfahren zum messen oder ueberwachen der dicke eines duennschichtfilms"

Info

Publication number: DE3103082A1
Application number: DE19813103082
Authority: DE
Inventors: John Riddle 8910 Affoltern aA. Sandercock
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1980-02-08
Filing date: 1981-01-30
Publication date: 1982-01-14
Also published as: IT8119275A0; US4355903A; DE3103082C2; CH653766A5; GB2069130A; IT1135137B; GB2069130B

Description

-6- 31030§2

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schichtdickenmonitor bzw. -kontrollgerät zum Messen der unbekannten optischen Dicke eines Dünnschichtprüflings (nachfolgend "Film" ge nannt) sowie auf ein Verfahren zum Überwachen der Dicke eines Dünnschichtprüflings unbekannter Dicke.

In Industrie und Forschung gibt es viele Anwendungen für ein Instrument zum Hessen der Dicke dünner Filme bzw. Schichten. Im Handel sind zahlreiche solcher Geräte erhältlich. Beispielsweise dienen Oberflächenprofil-Monitoren, sogenannte "Profilometer^w , zum Messen der Stufenhöhe an einer Stelle, an der der Film bzw. die Dünnschicht bis auf das Substrat durchgeätzt ist; das Messen erfolgt durch Führen eines FUhlerstiftes über die Oberfläche. Diese kann jedoch durch die unmittelbare Berührung verzerrt oder beschädigt werden, so daß in vielen Fällen berührungslose Meßverfahren bevorzugt werden. Hierzu gehören auf der Reflexion von Licht an der Film- bzw. Dünnschichtfläche basierende Verfahren·

Im wesentlichen gibt es zwei unterschiedliche Techniken zum optischen Bestimmen der Stärke dünner Schichten. Bei dem ersten, als Ellipsometrie bekannten Verfahrenstyp wird der für eine bestimmte Wellenlänge und einen eine Polarisation senkrecht und parallel zur Einfallsebene ._; bewirkenden Einfallswinkel gemessene Reflexionsfaktor bestimmt und verglichen. Es sind bei diesem Verfahren jedoch umfangreiche Rechnungen erforderlich und eindeutige Ergebnisse werden nur erhalten, wenn von vornherein bekannt ist, daß die Schichtdicke innerhalb eines beschränkten

130062/0478

Bereichs von etwa O bis 300 Nanometer (nm) liegt. Der zweite Typ optischer Meßverfahren basiert auf der Wellenlängen- und/oder Einfallswinkel-Abhängigkeit <te als Interferenzfarben an dünnen Schichten zu beobachtenden Reflexionsvermögens. Dieses Meßverfahren ist zwar relativ einfach, erfordert aber aufwendige Instrumente, welche noch nicht einmal ein direktes Ablesen der Schichtdicke erlauben.

In der US-PS 26 55 073 wird ein nach der Reflexionstechnik des vorbeschriebenen zweiten Typs arbeitendes optisches Dickenmeßgerät zum Bestimmen der Stärke durchsichtigen oder halbdurchsichtigen Blattmaterials beschrieben. In diesem Gerät wird Licht von dem zu untersuchenden Blattmaterial auf einen zu drehenden, ebenen, parallele Oberflächen aufweisenden optischen Reflektor zurückgeworfen, so daß bei Gleichphasigkeit der reflektierten Lichtstrahlen Interferenzstreifen entstehen. Der ebene optische Reflektor wird in dem Weg des vom zu untersuchenden Objekts reflektierten Strahls auf einen Winkel gedreht, bei dem die Lichtstrahlen gleichphasig werden und die Interferenzstreifen auf einem Spiegel wiedergeben. Der Drehwinkel des Reflektors stellt ein Maß für die Stärke des Blattmaterials dar. In der Patentschrift wird auch der Gebrauch eines optischen Keils beschrieben. Dieser wird ebenfalls dazu benutzt, Interferenzstreifen zu erzeugen, wenn die reflektierten Strahlen bei Übereinstimmung der Dicke des optischen Keils mit derjenigen des Prüflings gleichphasig werden.

130062/0478

Während im Bekannten zum Bestimmen der Schichtdicke dünner Blätter Interferenzstreifen an Bezugskörpern mit fester, vorgegebener optischer Dicke erzeugt und beobachtet werden müssen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gerät sowie ein Verfahren zum Betrieb des Geräts zu schaffen, mit deren Hilfe die optische Dicke eines dünnen Films bzw. einer dünnen Schicht unbekannter optischer Dicke durch Vergleich mit einer Bezugsschicht variierender optischer Dicke zu bestimmen ist. Es soll dabei die Erkenntnis ausgenutzt werden, daß die optische Dicke eines Dünnschicht-Films auf das Prinzip des Erfassens des Maximalwerts der Gesamtintensität aufeinanderfolgender Reflexionen an einer Bezugsschicht variierender optischer Dicke und einem Film unbekannter optischer Dicke zu basieren ist·

Die erfindungsgemäße Lösung ist für den Schichtdickenmonitor gekennzeichnet durch eine dünne Bezugsschicht mit variierender optischer Dicke, Mittel zum Reflektieren polychromatischen Lichts an dem Film und an der Bezugsschicht in beliebiger Reihenfolge, Mittel zum Variieren der optischen Dicke der Bezugsschicht und Mittel zum Erfassen der Intensität des reflektierten Lichts um festzustellen, wann die optische Dicke des Films mit derjenigen der Bezugsschicht übereinstimmt. Die Bezugsschicht kann dabei vorzugsweise als auf eine zu rotierende Scheibe aufgebrachter Dünnfilm variierender Dicke ausgebildet sein.

130062/0478

Der auf der Basis der Reflexionstechnik arbeitende Schichtdickenmonitor dient zum Messen der optischen Dicke n_ft mit n.p gleich dem Brechungsindex und t^ gleich der Stärke eines dünnen Films unter Verwendung der Parameter der optischen Dicke einer dünnen Bezugsschicht bzw. eines Films variierender optischer Dicke n<jt>,, wobei n., den Brechungsindex und t. die für einen bestimmten Bereich geltende Dicke der Bezugsschicht bedeuten. Der jeweils verwendete Lichtstrahl soll von einer Licht mehrerer Wellenlängen abgebenden Lichtquelle stammen und insbesondere aus üblichem weißem Licht bestehen. Ferner sollen Mittel zum Abtasten (scanning) des Lichtstrahls über die Oberfläche der Bezugsschicht und zum Reflektieren des Lichts auf die Oberfläche des Films sowie von dort aus zu einem ein für das erfaßte Licht kennzeichnendes Ausgangssignal erzeugenden Lichtdetektor vorgesehen sein. Die Detektorausgangssignale sollen also die Intensität des reflektierten Lichts angeben. Die zu bestimmende optische Dicke des Films ist bei der Einrichtung dann gleich der optischen Dicke der Bezugsschicht, bei der Änderungen der Intensität bzw. des Detektorausgangssignals festgestellt werden.

Bei einem Verfahren zum Überwachen der Dicke eines Dünnschichtfilms unbekannter optischer Dicke besteht die erfindungsgemäße Lösung gemäß weiterer Erfindung darin, daß polychromatisches Licht aus einer Lichtquelle in beliebiger Reihenfolge nacheinander an dem Film und an einer dünnen Bezugsschicht variabler optischer Dicke reflektiert wird,

130062/0478

3103002

daß die optische Dicke der Bezugsschicht geändert wird und daß die Intensität des refleMierten Lichtes erfaßt und "bestimmt wird, wann die optische Dicke des Films gleich derjenigen der Bezugsschicht ist. Wenn also ein Maximum oder ein Minimum der Intensität des reflektierten Lichts erfaßt wird, kann die zugehörige optische Dicke der Bezugsschicht und damit die mit dieser übereinstimmende optische Dicke des Films abgelesen werden.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fiff. 1 den Verlauf des ReflexionsVermögens in Abhängigkeit von der Wellenlänge für ein bekanntes Gerät;

Fig, 2 ein vereinfachtes Blockbild einer Meßeinrichtung zum Bestimmen der optischen Dicke einer Dünnschicht;

Fig. 5 den Verlauf der Reflexionsintensität in Abhängigkeit von der optischen Dicke einer Dünnschicht;

Fig. 4 ein schematisches Blockbild einer weiteren Ausgestaltung einer Meßeinrichtung zum Bestimmen der optischen Dicke einer Dünnschicht;

Fig. 5a, eine Draufsicht, eine Seitenansicht und ein pb un Schnitt durch eine dünne Bezugsschicht zur

Verwendung in den Einrichtungen nach Fig. und 4; und

130062/0478

Fig. 6 den Verlauf des Ausgangssignals des Schichtdickenmonitors von Fig. 4.

Vor der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung werden die Prinzipien, auf denen die Erfindung beruht, erläutert. Auf eine von einem Substrat getragene, dünne filmartige Sohicht auffallendes Licht, verglo z.B. die weiter unten erläuterte dünne Bezugsschicht 16 von Fig. 2, wird teilweise an der Grenzfläche Film/Luft und teilweise an der Grenzfläche Substrat/Film reflektiert. Als Folge der zwischen den beiden reflektierten Strahlen auftretenden Interferenz - unter Berücksichtigung der weniger starken, aber trotzdem existierenden, zusätzlichen, von Mehrfachreflexionen innerhalb der Schicht herrührenden Interferenzen - zeigt die reflektierte Intensität (I) eine oszillierende Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Dieses Verhalten äußert sich im Verlauf der Kurve 10 von Fig. 1, die aus einer größeren Zahl von Reflexionen für unterschiedliche Wellenlängen gewonnen wurde.

Für einen auf ein Substrat aufgebrachten Film bzw. eine auf dem Substrat befindliche Dünnschicht der Dicke t_f und des Brechungsindexes n^ zeigt das Reflexionsvermögen als Funktion der Wellenlänge R(X.) für den Fall, daß der Brechungsindex η des Substrats größer als derjenige des Films ist, wenn also gilt n_s^n_f, Maxima für die durch folgende Gleichung gegebenen Wellenlängen (A_-13)*

2t.-

1/2

T^p= (nf - si*² Θ) O)

130062^0478

In der Gleichung (1) bedeuten θ den Einfallswinkel und ρ irgendeine ganze Zahl ("p" ist unter der Bezeichnung ¹¹ Interferenzordnung" bekannt).

Entsprechend besitzt das Reflexionsvermögen R für halbzahlige Werte von ρ Minima. Das Verhältnis von Maximum zu Minimum des Reflexionsvermögens R hängt von den Brechnungsindizes des Films bzw. der Schicht (n_f) und des Substrats (n ) ab. Wenn η = n_f gilt, ist das Verhältnis gleich Ί und im Reflexionsvermögen werden Maxima oder Minima nicht beobachtet. Für Brechungsindizes mit η_ο > n.p ändert sich - wie gesagt - das Reflexionsvermögen R als Funktion der Wellenlänge "\ entsprechend Gleichung (1) und Kurve 1O von Fig. 1. Das Verhalten für den Fall n wird weiter unten beschrieben.

Mit derzeit im Handel erhältlichen Instrumenten kann eine Kurve des ReflexionsVermögens gemäß Fig. 1 aufgenommen werden und aus dem beobachteten Maxima und Minima, z.B. an den Punkten 10a und 10b der Kurve 10 von Fig. 1, die Schichtdicke des zu untersuchenden Films berechnet werden. Gemäß Gleichung (1) muß dazu natürlich der Brechungsindex n^ des Films bzw. der Schicht bekannt sein. Wenn jedoch der Brechungsindex n^ nicht bdfinnt ist, kann dieser mit Hilfe der Testlichtstrahlen bei Orientierung unter zwei verschiedenen Einfallswinkeln in Bezug auf den Film in bekannter Weise ermittelt werden.

130062/0478

In vielen praktischen Fällen ist der Brechungsindex n_f bekanntο Selbst wenn der Index n_£ nicht bekannt ist, ist es aber in vielen Fällen ausreichend, nur die durch das Produkt n^t^. definierte, optische Dicke des Films bzw. des Prüflings zu messen. Bei dem im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die optische Dicke nicht aus dem durch die Kurve 10 von Fig. gegebenen Reflexionsvermögen ermittelt sondern aus der nacheinander an einer variablen Bezugeschicht (mit der optischen Dicke n^t..) und an dem zu untersuchenden Film (mit der optischen Dicke n_ft_f) reflektierten Gesamtintensität (i) von viele Wellenlängen enthaltendem Licht gemessen. Eine Einrichtung zum Ausführen dieser Messung wird anhand des Schemas von Fig. 2 erläutert.

Gemäß Fig. 2 wird Licht 12, vorzugsweise "weißes" Licht einer Glühlampe 14 mit Glühfaden 15, nach der Reflexion an einem dünnen Bezugsfilm bzw, einer Bezugsschicht 16 mit einer von der Wellenlänge TV nach Art der Kurve 10 von Fig. 1 abhängenden Intensität I als Strahl 12a zur Oberfläche 18a eines Prüffilms 18 unbekannter Dicke reflektiert und weiter als Strahl 12b zu einem Detektor weiter reflektiert. Die Bezugsschicht 16 wird aus einem dünnen Film I6a mit veränderlicher, vorzugsweise linear variierender Dicke und einem Substrat 16b als Unterlage gebildet. Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen einer solchen Bezugsschicht wird unten anhand der Fig. 5a bis 5c erläutert werden. Der "unbekannte" Film 18 wird aus einem aus einem ersten Material bestehenden dünnen Film 18a

130062/0478

mit einem aus einem anderen Material bestehenden Substrat 18b als Unterlage hergestellt. Zum Ausführen des erfin dungsgemäßen Verfahrens bzw. zum Betrieb der erfindungs- gemäßen Einrichtung wird eine viele Wellenlängen abgebende Lichtquelle benötigt. Vorzugsweise wird eine sogenanntes weißes Licht erzeugende Glühlampe verwendet. Es soll insbesondere ein Wellenlängenbereich von grob 400 bis 3000 nm überstrichen werden. Jeweils durch Verkleinerung des Wellenlängenbereichs wird die Leistung der Einrichtung verschlechtert.

Wenn die optische Dicke n^t. der Bezugsschicht 16 mit der optischen Dicke n^t» des unbekannten Films 18 übereinstimmt, sind die an der Bezugsschicht 16 stark reflektierten Wellenlängen - vergleiche die oben angegebenen Reflexionen an den Grenzschichten Film/Luft und Film/ Substrat - gleich mit dem an dem unbekannten Film 18 reflektierten Wellenlängensatz T^ . Der Detektor 20 mißt für die entsprechende optische Dicke also ein Maximum der Intensität I. Dieses repräsentiert dann die Gesamtheit des an der Bezugsschicht 16 als Spitze oder Maximum ähnlich wie bei den Punkten 10a, 10c und 10d der Kurve 10 von Fig. 1 "stark reflektierten" Wellenlängensatzes.

Wenn die optische Dicke n^t^ der Bezugsschicht 16 in geeigneter Weise - wie unten erläutert werden wird - geändert wird, sind die beiden Folgen stark reflektierter Wellenlängen nicht langer identisch. Bei passender kleiner Änderung der optischen Dicke der Bezugsschicht 16 fällt

130062/0478

der Satz stark reflektierter Wellenlängen der Bezugsschicht nahe an das Minimum der Reflexion des Prüffilms und führt auf diese Weise zu einer am Detektor 20 registrierten minimalen Intensität I. Bei größeren Änderungen der optischen Dicke der Bezugsschicht ergibt sich keine allgemeine Koinzidenz von Wellenlängen maximalen Reflexionsvermögens an der Beζugaschicht mit Wellenlängen maximalen oder minimalen Reflexionsvermögens am Prüffilm. In diesen Bereichen wird die Gesamtintensität I daher im wesentlichen konstant und nimmt einen zwischen dem Wert des Maximums und der beiden benachbarten Minima liegenden Wert an. Dieses Ergebnis wird mit der Kennlinie 26 von Fig. 3 verdeutlicht. Es sei betont, daß die· im wesentlichen konstante Intensität bei ungleichen optischen Dicken nur dann auftritt, wenn die Lichtquelle Licht eines breiten Wellenlängenbereiches abgibt und der Detektor in diesem Wellenlängenbereich eine überall gleiche Empfindlichkeit besitzt.

Fig. 3 zeigt die Kennlinie 26 der Intensität I der Lichtreflexion als Funktion der optischenOicke n^t^* Die Kennlinie 26 ist im wesentlichen konstant außer für den Wert am Punkt (p) 24, wo ein Maximum auftritt,, Wenn die maximal reflektierte Intensität I am Punkt 24 beobachtet wird, hat der unbekannte Film 18 dieselbe optische Dicke nt wie die dünne Bezugsschicht 16.

Zum Abtasten bzw. Variieren der optischen Bezugsdicke n^t^ wird eine Bezugsschicht 16 variabler Dicke benötigt. Ein solcher in der Dicke variabler Bezugskörper kann z.B. als

130062/0478

3103032

Keil aus Siliziumdioxid (SiO₂) auf Silizium (Si) - wie unten angegeben - gebildet werden.

Der rechteckige Glühfaden 15 der Glühlampe 14 wird in

Form eines rechteckigen Flecks von etwa 1x3 mm auf dem Keil des Bezugsdünnfilms 16a nahe der Einfallsnormalen - vergleiche Fig. 2 und 4 -, d.h., mit θ = 15° in Gleichung (1) - abgebildet. Das reflektierte Licht 12a wird in einem Fleck von etwa 2x6 mm wiederum auf dem unbekannten Film 18a abgebildet und von dort auf einen ersten Detektor 20 reflektiert.

Der Keil 16a aus einem Siliziumdioxid-Scheibchen wird im allgemeinen aus einem ebenen halbkreisförmigen Siliziumsubstrat 16c gemäß Fig. 5 hergestellt. Das halbkreisförmige Substrat 16c wird auf einer ebenen Kreisscheibe 16b, z.B. aus Messing, befestigt und diese auf der Welle 32 eines Motors 30 angebracht. Durch den Motor 30 können die Welle 32 in Pfeilrichtung 33 und damit der dünne Bezugsfilm bzw. die Bezugsschicht 16a gedreht werden. Die Dicke des Dünnfilmkeils I6a nimmt mit dem Drehwinkel von der Dicke 0 bis zu einigen Mikrometern in Pfeilrichtung gemäß Fig_e 5a linear zu.

Der Keil 16 wird als kreisförmige Rampe (Wendel) durch passendes Ätzen eines oxydierten Siliziumscheibchens 16c mit einer Oxiddicke von wenigen Mikrometern (z.B. 3 bis 5 Mikrometer) - wenigstens entsprechend der maximal gewünschten Keildicke - hergestellt. Beim Ätzen wird ausgegangen von einem halbkreisförmigen Siliziumscheibchen 16c

130062/0478

mit einer Dicke von etwa 250 bis 300 Mikrometern (10 bis 12 mils). Dieses Siliziumscheibchen wird, auf eine ähnlich wie die Metallscheibe 16b von Fig. 4, 5a, 5b und 5c ausgebildete Teflonscheibe aufgebracht. Die Scheibe wird dann in einer vertikalen Ebene so angeordnet, daß ihre Mittelachse 32 a in der Oberfläche des Ätzmittels liegt. Die Halbkreise aus Silizium (16c) und Siliziuradioxid (16a) sollen sich zunächst ganz außerhalb des Ätzmittels befinden „ Es sei darauf hingewiesen, daß die Mittelachse 32a mit der Achse der Welle 32 von Fig. 4 übereinstimmt. Durch langsames Drehen der Scheibe 16 gelangen die Silizium- und Siliziumdioxidbereiche in das Ätzmittel und das Siliziumdioxid wird mit konstanter Geschwindigkeit abgetragen. Das Drehen der Schalke 16 wird längs eines Halbkreises-fortgesetzt, bis die Punkte 50 und 51, die die minimale und maximale Dicke kennzeichnen, wieder gleichzeitig in der Oberfläche-des Ätzmittels eintreffen. In dieser Stellung ist das Silicium-16c also vollständig im Ätzmittel untergetaucht« Dieses wird dann von den zunächst - im Bereich des Punktes 50 - eingetauchten Bereichen im wesentlichen vollständig abgetragen sein, während das Ätzen im zuletzt eingetauchten Bereich, nahe dem Punkt 51, erst begonnen hat.. Die Dicke des Siliziumdioxid ändert sich daher linear mit dem Drehwinkel; beispielsweise ist der Keil auf der Radiuslinie in Richtung auf den Punkt 50a halb so dick wie auf der zum Punkt 51 führenden Radiuslinie. Das Ätzen wird nun bei voll eingetauchtem halbkreisförmigen Körper so lange fortgesetzt, bis das Siliziumdioxid am Punkt 50 bis auf das Silizium-Substrat 16c durchgeätzt ist. Der herzustellende Keil beginnt daher mit einer Null-Dicke.

130062/0478

Es wird nun eine Drehung des Keils 16a betrachtet und damit begonnen, daß Licht 12 auf den dem Punkt 50 entsprechenden Radius des Keils mit der Null-Dicke auffällt. Mit dem Drehwinkel wird dann die Dicke der Bezugsschicht linear vergrößert. Bei dem Drehwinkel, bei dem die Bezugsdicke n.jt.j gleich der unbekannten Dicke n_ft_f ist, wird ein Maximum in der mit dem Detektor 20 gemessenen Intensität festgestellt. Die Dicke des Films wird also durch den Winkel bestimmt, um den die Scheibe vom Ausgangspunkt bis zu dem Punkt, bei dem das Maximum beobachtet wird, zu drehen ist. Venn die Scheibe mit gleichförmiger Geschwindigkeit gedreht wird, ist es in der Praxis einfacher, den Drehwinkel durch Messen der während des Drehens verflossenen Zeit zu bestimmen. Die unbekannte Dicke des Films kann daher durch Messen der Zeit vom Beginn des Drehens, bei dem das Licht 12 auf den Anfang des Keils fällt, bis zu dem Zeitpunkt, bei dem die maximale Intensität beobachtet ^ird, bestimmt werden. Wenn das Licht 12 auf den schwarz angestrichenen Teil (16b) der Scheibe auffällt, ist die durch den Detektor 20 gemessene Intensität im wesentlichen gleich 0. Die bei einer Umdrehung der Scheibe gemessene Intensität zeigt daher eine Kennlinie, wie sie in Fig. 6 dargestellt wird. Der Beginn des Abtastens ist durch eine steil ansteigende Flanke (Punkt 50) gekennzeichnet. Bei dieser durch die gestrichelte Linie 28 verdejut^lichten Einsatzzeit fällt das Licht 12 auf den B$g.nn (50) des Keils mit der Null-Dicke.

Es könnte erwartet werden, daß bei Ersatz des Films 18 durch einen gewöhnlichen Spiegel am Detektor 20 ein Signal erzeugt würde, welches kein Maximum, z.B. die Spitze

130062/0478

(P), zeigte Die von dem Keil I6a insgesamt reflektierte Intensität I ist jedoch nicht vollständig konstant als Funktion der Dicke sondern zeigt einige Änderungen für Keildicken von weniger als 300 nm. Diese Intensitätsänderungen könnten irrtümlich als ein erfindungsgemäß zum Bestimmen der optischen Dicke des Films herangezogenes Maximum bzw, als Spitze (P) angesehen werden. Um diese Möglichkeit auszuschließen, wird ein zweiter Detektor 22 verwendet. Dieser dient dazu, einen Teil des von dem Keil I6a reflektierten Lichtes zu messen. Ein Ausführungsbeispiel für eine entsprechende Einrichtung mit dem zweiten Detektor wird anhand von Fig. 4 erläutert .

Gemäß Fig. 4 wird ein gewöhnlicher Spiegel in den Weg des reflektierten Strahls 12a gebracht und das daran reflektierte Licht durch eine Linse 42 auf den zweiten Detektor 22 geleitet. Das Licht der Lampe 14 fällt durch eine Linse 34 auf den Bezugs- bzw. Standardkeil 16a und nach Reflexion durch eine weitere Linse 36 auf den Film 18. Das von dort reflektierte Licht 12b wird durch eine Linse 38 zum ersten Detektor 20 weitergeleitet β Die Bezugsschicht 16 mit dem Keil 16a wird über die Welle 32 durch den Motor 30 gedreht. Die Detektoren 20 und 22 sprechen auf einfallendes Licht an und erzeugen Ausgangsspannungen V,, bzw. Vp. Diese Spannungen werden über Leitungen 20a und 22a auf einen Spannungsteiler 44 gegeben; dessen Ausgang ist konstant, wenn die auf den Detektor 20 auffallende Lichtintensität in einem konstanten Verhältnis zu der auf den Detektor 22 auffallenden

130062/0478

Lichtintensität steht; das ist der Fall, wenn der Prüffilm durch einen Spiegel ersetzt wird. Die IntensitätsSchwankung für eine Keildicke unter 300 nm erscheint daher nicht am Ausgang des Teilers 44. Da aber die Spitze P von Fig. 6 nur im Ausgang des Detektors 20 erscheint, gibt auch der Ausgang des Teilers 44 diese Spitze wieder. Der Ausgang 44a des Teilers 44 beaufschlagt einen Signal/ Höchstwertdetektor 45 mit dem Verhältnis V^/V₂ der Detektorsignale. Die steil ansteigende Flanke der Spannung Vp des Detektors 22, die dem Lichteinfall auf den Anfang des Keils entspricht, wird dazu benutzt, einen Stromintegrator 46 einzuschalten. Dieser wird über die Leitung 45a durch das Ausgangssignal des Höchstwertdetektors 45 wieder abgeschaltet. Der Ausgang des Stromintegrators 46 wird über die Leitung 46a mit einem Voltmeter 48 gekoppelt. Das geteilte und auf den Höchstwertdetektor 45 geschaltete Ausgangssignal des Teilers 44 zeigt nur die gewünschte Spitze P ohne unerwünschte Intensität s schwankungen.

Die zwischen den Punkten 50 bzw. 28 einerseits und 24a andererseits gemäß Fig. 6 verstrichene Zeit wird wie folgt unter Verwendung der Einrichtung nach Fig. 4 gemessen. Während des Teils der Drehung der Bezugsschicht 16 vor dem Punkt 50 wird der Ausgang des Stromintegrators 46 auf 0 gesetzt. Ausgelöst durch den Detektor 22 wird beginnend am Punkt 50 - ein konstanter Strom auf den Integrator 46 gegeben. Dieser liefert dadurch eine mit der seit dem Punkt 50 verstrichenen Zeit linear ansteigende Ausgangsspannung. Wenn der Höchstwertdetektor 45 die

130062/0478

31030^2

Spitze P am Punkt 24a (Fig. 6) erfaßt, schaltet er die Stromversorgung über die Leitung 45a zum Integrator 46 ab. Die in diesem Moment am Ausgang des Integrators 46 anstehende Spannung bleibt dann konstant und bildet ein Maß für das Zeitintervall 27a zwischen dem Punkt 50 und dem Punkt 24a (Fig. 6). Dieses Zeitintervall 27a ist ein Maß für die optische Dicke des Films 18, Das vorzugsweise digital arbeitende Voltmeter 48 kann dazu benutzt und ausgebildet werden, eine direkte Anzeige der optischen Dicke zu liefern. Es können auch andere Formen der Ausgangsanzeige vorgesehen werden« Beispielsweise kann ein Potentiometer auf den Ausgang des Integrators 46 geschaltet werden. Wenn das Potentiometer in Werten des Brechungsindex n^ geeicht wird, läßt sich die Einrichtung so ausbilden, daß das digitale Voltmeter 48 die tatsächliche Schichtdicke des Films anzeigt, vorausgesetzt daß der Brechungsindex n_f bekannt ist (vergleiche die obigen Erläuterungen).

Es ist wichtig, daß die Detektoren 20 und 22 auf einen breiten Wellenlängenbereich zwischen etwa 400 und 3000 nm ansprechen, so daß so viele der durch die Gleichung (1) definierten Wellenlängen Λ _p gemessen werden wie möglich. Wenn der Bereich der Wellenlängenempfindlichkeit der Detektoren zu schmal ist, werden Maxima höherer Ordnung mit fast der gleichen Intensität wie die Spitze P (Punkt 24 von Fig. 6) beobachtet und die Messung wird unsicher.

Eine wie oben beschrieben aufgebaute Einrichtung arbeitet ausgezeichnet für Filmdicken n_ft_f im Bereich zwischen 150 und 3000 nm. Die obere Grenze, d.h. also 3000 nm, kann

130062/0478

durch Verwendung eines dickeren Keils 16a (Fig. 5) leicht ausgedehnt werden. Die Genauigkeit der Ablesung liegt in der Größenordnung von - 1 nm, wobei die Genauigkeit in erster Linie durch die Linearität des Keils beschränkt ist. Die Linearität eines Keils kann leicht auf bessere Werte als 2 % gebracht werden. Bei Anwendung der Erfindung zum Messen der Stärke von vorzugsweise durchsichtigen dünnen Filmen bzw. Schichten wird wenigstens in einer Hälfte des Wellenlängenbereichs von 400 bis 3000 nm gemessen·

Es sei darauf hingewiesen, daß in der vorhergehenden Beschreibung vorausgesetzt wird, der Brechungsindex n_f des Films sei kleiner als der Brechungsindex n„ des zugehörigen Substrats. Wenn das Gegenteil der Fall ist, also ein kleinerer Substrat-Brechungsindex als Film-Brechungsindex vorliegt, werden die Maxima von Gleichung (1) für den zu messenden Film 18 Minima. Folglich wird auch die Spitze P von Fig. 3 und 6 ein Minimum. Unter einer solchen Bedingung ist weiterhin zu beachten, daß der Höchstwertdetektor 45 von Fig. 4 so vorbereitet wird, daß er für xi#<(>n„ ein Maximum und für n_f>n„ ein Minimum

XS XS

erfaßt. Die Bedingung, unter der ein Maximum oder Minimum des Intensitätssignals P auftritt, gilt in der vorhergehenden Beschreibung für den Spezialfall, in dem die Bezugsschicht (i6a) aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex auf einem aus einem Material höheren Brechungsindexes bestehenden Substrat (i6c) gebildet wird. Allgemein sollte erwartet werden, daß ein Maximum der Gesamtintensität des Reflexionssignals dann auftritt,

130062/0478

wenn die Differenz der fraglichen Brechungsindizes von Bezugsschicht und deren Substrat dasselbe algebraische Zeichen (Vorzeichen) besitzen wie die Differenz der entsprechenden Brechungsindizes von Prüffilm und dessen Substrat. Weiterhin sollte ein Minimum in der Gesamtintensität des Reflexionssignals erwartet werden, wenn die Differenz der fraglichen Brechungsindizes von Bezugsschicht und zugehörigem Substrat das umgekehrte Vorzeichen besitzt wie die Differenz der entsprechenden Werte von Prüffilm und zugehörigem Substrat,

Zu den erfindungsgemäß auszumessenden Filmen bzw. Schichten gehören z.B. Siliziumdioxid (SiO«) auf Silizium (Si); Silizium auf Saphir (SOS); Fotolack auf Chrom; und Titanoxid (TiO₂) auf Glas. Im allgemeinen kann die Erfindung vorteilhaft angewendet werden für Kombinationen von Dünnschichten bzw. Filmen und zugehörigen Substraten, die die folgenden Bedingungen erfüllen:

1 ο die Schichtdicke muß in dem gemessenen Bereich gleichförmig sein;

2. das Substrat muß so glatt sein, daß eine regelmäßige Reflexion für Wellenlängen voijmehr als 1 Mikrometer auftritt; für das Auge können die Substrate jedoch rauh erscheinen;

3. das¹ Reflexionsvermögen des Substrats soll kleiner als etwa 70 % sein; für höhere Reflexionsvermögen wird die Amplitudendifferenz der Maxima und Minima von Fig. sehr klein, so daß die Spitze P von Fig. 3 schwierig zu beobachten wird;

130062/0478

4. bei durchsichtigen oder teilweise durchsichtigen Substraten soll die Reflexion der Substrat-Rückseite, z.B. durch Aufrauhen der Oberfläche, vermieden werden;

5. die zu untersuchenden dünnen Filme bzw» Schichten sollen über wenigstens den halben Wellenlängenbereich von 400 bis 3000 nm durchsichtig sein; und

6. bei auf dielektrische Substrate aufgebrachten Prüflingen sollen sich die fraglichen Brechungsindizes Πψ und n^ um 10 % oder mehr unterscheiden, da sonst die Spitze P ähnlich wie bei Ziffer 3 schwierig zu beobachten ist.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann auf mannigfache Weise abgewandelt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann anstelle der auf einem Substrat 16 aus Silizium gebildeten Bezugsschicht i6a aus Siliziumdioxid, die gegenüber dem verwendeten Licht transparent ist, um das gewünschte Variieren der optischen Dicke zu gewährleisten, anderes transparentes dielektrisches Material mit reflektierendem Substrat verwendet werden.

Weiterhin kann anstelle eines transparenten Dielektrikums für die Bezugsschicht ein Halbleitermaterial, wie Silizium, auf einem Saphir-Substrat verwendet werden, obwohl Silizium nur für Wellenlängen von mehr als 1100 nm transparent ist. Durch die Verwendung von Halbleitermaterial wird jedoch die Bandweite vermindert und dadurch die Leistungsfähigkeit

ta0062/0478

des Instruments verschlechtert. Selbstverständlich würde ein Metallfilm als Bezugsschicht den Monitor funktionsunfähig machen, da das Metall das Licht absorbiert und daher nicht in der Lage ist, die - wie oben beschrieben - erforderlichen Interferenz-Reflexionen zu liefern.

Anstelle der die Bezugsschicht variabler optischer Dicke tragenden rotierenden Scheibe kann auch ein linearer Keil einer Bezugsschicht verwendet und unter dem Lichtstrahl linear hin- und her bewegt werden, um das Vergleichsnormal der variierenden optischen Dicke zu erhalten. Zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen Lichtstrahl und Bezugsschicht variierende Dicke kann der Lichtstrahl festgehalten und die Bezugsschicht bewegt werden-, um ein lineares oder rotierendes Abtasten durch den Lichtstrahl zu erzielen. Umgekehrt kann aber auch der Bezugsfilm festgehalten und der Lichtstrahl über die Fläche der Bezugsschicht geführt werden.

Eine weitere Änderungsmöglichkeit besteht darin, daß der Lichtstrahl nicht zuerst auf die Bezugsschicht und dann auf den Film sondern umgekehrt erst auf den Film und dann auf die Bezugsschicht sowie von dort auf den Detektor reflektiert wird. Die Reihenfolge, mit der die Reflexionen auftreten, ist für die Erfindung also unkritisch.

Beim weiteren Ausführungsbeispiel wird zum Erzielen der variablen optischen Dicke der Bezugsschicht ein sogenanntes Fabry-Perot-Interferometer verwendet. Bei einer solchen

130062/0478

Form einer Bezugsschicht wird der Raum zwischen einem Paar von Spiegeln des Interferometers zum Erzielen der erforderlichen variierenden optischen Dicke geändert. Es wird hierzu auf das US-Patent 37 29 261 verwiesen; in Fig. 1 der Patentschrift werden Spiegel beschrieben, die als dünne Bezugsschicht bzw. Bezugsfilm im vorliegenden Fall zu verwenden sind. Das fragliche Interferometer wird auch in "Fundamentals of Optics", von Jenkins und White, Seiten 264/265, insbesondere Fig. 14I, beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, daß der Raum zwischen den Spiegeln mit Luft gefüllt oder evakuiert sein kann, wenn nur das Dielektrikum zum Erfüllen der erfindungsgemaßen Bedingungen transparent ist. Bei erfindungsgemäßer Anwendung eines der bekannten Interferometer wird der Lichtstrahl zweckmäßig festgehalten und das Abtasten der variierenden optischen Dicke erfolgt durch Änderung des Spaltes der Spiegel.

Mit dem oben genannten Lichtwelienlängenbereich von bis 3000 nm können erfindungsgemäß optische Dicken von mehr als etwa 200 nm bestimmt werden. Der Wellenlängenbereich kann aber ausgedehnt werden, um die untere Grenze der Dickenmessungen herabzusetzen. Beispielsweise wird bei Verwendung einer Quarzlampe und einer Quarzoptik der Bereich der Wellenlängen auf Werte von bis zu 300 nm erweitert. Hierdurch wird es möglich, die optische Dicke von dünnen Schichten mit Stärken bis herunter zu 150 nm zu messen.

1300.62/0478

Leerseite

Claims

Dr.-lng. Reimar König · "DipriHng: Klaus-Sergen Cecilienallee 76 -4 Düsseldorf 3O Telefon 4ΒΞΟΟΘ Patentanwälte

28. Januar 1981 33 854 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Schichtdickenmonitor und Verfahren zum Messen oder Überwachen der Dicke eines Dünnschichtfilms"

Patentansprüche:

..·' Schichtdickenmonitor bzw. -kontrollgerät zum Messen der optischen Dicke eines Dünnschichtprüflings, insbesondere -films (18) gekennzeichnet durch

a) eine dünne Bezugsschicht (16) variierender optischer Dicke;

b) Mittel (14, 34) zum Reflektieren polychromatischen Lichts nacheinander in beliebiger Reihenfolge an dem Film (18) und an der Bezugsschicht (16);

c) Mittel (30) zum Variieren der optischen Dicke der Bezugs s chicht (16); und

d) Mittel (20) zum Erfassen der Intensität (I) des reflektierten Lichts um festzustellen, wann die optische Dicke des Films (18) mit derjenigen der Bezugsschicht (16) übereinstimmt.

130062/0^78
2. Monitor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugsschicht (16) einen dünnen Film (16a) variierender Dicke auf einer zu rotierenden Scheibe (16b) aufweist.
3. Monitor zum Messen der optischen Dicke n_ft_f mit n_f gleich dem Brechungsindex und t- gleich der Schichtdicke eines DUnnschichtfilms (18) nach Anspruch 1 oder 2 , ge kennzeichnet durch

a) eine Licht mehrerer Wellenlängen abgebende Lichtquelle (14);

b) einen ein für das erfaßte Licht kennzeichnendes Ausgangssignal erzeugenden Lichtdetektor (20);

c) eine dünne Bezugsschicht (16) mit mit der Schichtdicke variierender optischer Dicke ^t₁, wobei n^ den Brechungsindex und t^ die für einen bestimmten Bereich gelende Dicke der Bezugsschicht bedeuten; und

d) Mittel zum Abtasten (scanning) der Oberfläche der Bezugsschicht (16) mit Licht der Lichtquelle (14) und Reflektieren des Lichts auf die Oberfläche des Films (18) sowie von dort aus zu dem Lichtdetektor (20), wobei die Detektorausgangssignale die Intensität (I) des reflektierten Lichts beschreiben und Änderungen (P) der Intensität (I) kennzeichnend für die Übereinstimmung der optischen Dicke der Bezugsschicht (16) mit derjenigen des Films (18) sind.

130062/0478
4. Monitor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtquelle eine Glühlampe (14) ist.
5. Monitor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß die dünne Bezugsschicht (16) ein auf eine Kreisscheibe (16b) aufgebrachter halbkreisförmiger Körper (16a) ist, daß der an letzteren angrenzende halbkreisförmige Oberflächenteil der Kreisscheibe (16b) von dem Licht abzutasten ist und daß die Dicke des halbkreisförmigen Körpers (16a) in Umfangsrichtung von einem Dickenminimum zu einem Dickenmaximum linear ansteigt.
6. Monitor nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisscheibe (16b) auf einer angetriebenen Motorwelle (32) befestigt und dabei so orientiert ist, daß das Licht im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche der Bezugsschicht (16) trifft.
7. Monitor nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht von dem halbkreisförmigen Körper (i6a) bedeckte Oberflächenteil der Kreisscheibe (I6b) schwarz ist.
8. Monitor nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch

130062/0478

a) einen zweiten Detektor (22) zum Erzeugen eines erfaßtes Licht anzeigenden Ausgangssignals;

b) einen einen Teil des räELektierten Lichts auf den zweiten Detektor (22) reflektierenden Spiegel (40); und

c) auf die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Detektors (20 und 22) ansprechende Mittel (40,45,46) zum Erzeugen eines für die Intensität (I) des vom Prüfling (18) reflektierten Lichts kennzeichnenden sowie von unerwünscht reflektierten Signalen der Bezugsschicht (16) freien Ausgangssignals.
9. Verfahren zum Überwachen der Dicke eines Dünnschichtfilms (18) unbekannter optischer Dicke, insbesondere zum Betrieb des Monitors nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 big 8, dadurch gekennzeichnet ,

a) daß polychromatisches Licht aus einer Lichtquelle (14) in beliebiger Reihenfolge nacheinander an dem Film (18) und an einer dünnen Bezugsschicht (16) variabler optischer Dicke rdlektiert wird;

b) daß die optische Dicke der Bezugsschicht (16) geändert wird; und

c) daß die Intensität (I) des reflektierten Lichts erfaßt und bestimmt wird, wann die optische Dicke des Films (18) gleich derjenigen der Bezugsschicht (16) ist.

130062/0478
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugsschicht (16) zum Ändern ihrer optischen Dicke relativ zum Licht bewegt und eine Bezugsschicht (16) mit in Richtung der Bewegung sich ändernder Dicke verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet , daß eine lineare Bewegung ausgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet , daß eine Drehbewegung ausgeführt wird.

130062/008