CN1219236A

CN1219236A - 利用偏振光确定特征参数的方法和装置

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Publication number: CN1219236A
Application number: CN97194713.9A
Authority: CN
Inventors: J·M·密苏拉
Original assignee: LEOTEK Pty Ltd
Current assignee: LEOTEK Pty Ltd
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1999-06-09
Also published as: JP2001519891A; WO1997035177A1; KR20000064701A; IL126289A0; AUPN875296A0

Abstract

利用光束偏振状态变化监视固体表面的等离子体反应(在刻蚀或淀积期间)。在等离子体处理期间衬底的物理参数将发生变化。所监视的光束表征了衬底表面组分的变化和与等离子体处理相关的组分变化。表面反射的光束通过采用椭偏仪测量术但是采用新计算方法的系统分析。光偏振状态的周期被用作参照点以实时监视表面情况。本发明还可以用于表面的定量和定性化学分析。

Description

利用偏振光确定特征参数的方法和装置

发明领域

本发明涉及在位确定材料一个或多个特征参数的方法和装置。特别是但不局限于涉及用来在位、实时确定一个或多个特征参数的改进单光束椭偏仪技术。

背景技术

椭偏仪技术是一种广为人知的监视两种介质界面情况的光学技术。在一般的椭偏仪技术方案中，偏振光束直接射向变化的表面。光束与引起其偏振状态变化的表面接触。通过对初始和结束时偏振状态测量结果的分析确定表述相互作用的参数。

在现有技术的实验装置中，合适光源(通常是激光器)发出的光束通过起偏振镜产生偏振状态已知的光束。该光束与待研究的光学系统(表面)相互作用并且改变其偏振状态。改变后的偏振状态由后接光电检测器的偏振分析仪获取。偏振分析仪一般是旋转起偏振镜而光电检测器一般是光电倍增管。

反射椭偏义测量术被用于表面和薄膜研究。该技术可以用来确定表面生长参数(例如氧化、淀积、吸附、扩散等)或表面去除(例如刻蚀、解吸、溅射、扩散等)。

有关椭偏仪量术的情况可参见R.M.A.Azzam和N.M.Bashara所著“椭偏仪测量术和偏振光”(North Holland,Amsterdam,1977年出版)。参数确定需要分析基本椭偏仪测量术方程：

\tan ψ ϵ^{iΔ} = \frac{R_{p}}{R_{s}}

这里ψ和Δ为椭偏义测量术参数：

ψ = \arctan \frac{| E_{p} |}{| E_{s} |}

以及

Δ=δ_p-δ_s

这里R为Fresnel反射系数

E为电学矢量

δ为相移

p、s分别为平行和垂直分量

椭偏仪测量术基本上只涉及tanψ(反射后振幅比值的变化)和Δ(反射后相位的变化)的测量。这些参数是表面折射率、衬底折射率、所用光束波长、入射角、温度以及薄膜厚度的函数。

为了从光学测量结果中确定材料的物理性质，数学模型必须以上述方程为基础。D.E.Aspens和A.A.Studna在“应用光学”(14,1,(1975)220)以及Y.Hayashi在日本应用物理期刊(29,11(1990)2514)上描述了这样一种模型并定义：

ψ = \frac{1}{2} \arccos (- a)

以及

Δ = \arccos (\frac{b}{\sqrt{1 - a^{a}}})

数值a和b可以在实验中从光电检测器信号确定：

a = \frac{1}{n I_{o}} Σ_{k = 1}^{n} I_{k} (\cos 2 A_{k})

以及

b = \frac{1}{n I_{o}} Σ_{k = 1}^{n} I_{k} (\sin 2 A_{k})

这里I₀为分析起偏振镜整个旋转角度内的平均反射强度而I_k为分析起偏振镜处于角度A_k时的测量强度。

每次偏振状态变化的椭圆测量都产生一个ψ和一个Δ的数值。因此即使利用最好的现有技术，在其它参数的数值已知或假设的的情况下也只能确定两种表面性质。

现有技术方法通过在各种条件下进行多次测量寻求克服这种限制的途径。在美国专利No.5166752中揭示了这样一种技术，它确定了激光光束各种入射角下的ψ和Δ。在参考文献中，各种角度是通过使平行光通过一个或多个透镜后聚焦在表面上实现的。

另一途径是提供装备相同但入射角不同的多个椭偏仪。

已知的现有技术无法有效实时监视表面参数。而且没有不采用椭偏仪测量术原理的技术可以实时测量刻蚀速率/淀积速率。虽然目前有几种方法可以测量重要的表面参数，但是它们需要精确的入射角控制和细微的机械与光学校准。

因此需要一种能在位(并且比较好的是实时)确定和/或监视材料工艺中表面参数的装置和方法。

本发明的目标是提供一种能在位(并且比较好的是实时)确定和/或监视材料一个或多个特征参数的装置和方法。

本发明进一步的目标是克服现有技术中在利用椭偏仪测量术确定和/或监视表面性质方面存在的一个或多个限制。

从以下描述中可以更好地理解其它目标。

发明内容

按照本发明的一个方面，提供了一种在材料处理期间确定和/或监视材料一个或多个特征参数的方法，其特征在于包括：

使已知偏振状态的光束射向材料；

分析从材料反射的光束以确定偏振状态的变化；

监视一段时间内偏振状态的变化以获取偏振状态变化的周期性；以及

根据所获的周期计算材料一个或多个特征参数。

按照本发明的另一方面，提供了一种在位确定和/或监视表面刻蚀或淀积过程中材料厚度变化速率的方法。其特征在于包括：

使已知偏振状态的光束射向已知材料；

分析从材料反射的光束以确定偏振状态的变化；

通过将根据所获周期性得到的材料特征厚度除以刻蚀或淀积特征厚度所需时间计算出速率。

分析材料反射光束的步骤进一步包括以下步骤：使反射光束通过旋转分析仪或起偏振镜，以及在处理装置内处理来自光电检测器的信号。

在处理装置内处理来自光电检测器信号的步骤可以是在计算机内利用椭偏仪测量术方程完成。

所计算的一个或多个特征参数可以依赖于一个或多个已知参数。在一项应用中，如果材料是已知的，则可以确定其特征厚度，并且还可以计算刻蚀或淀积速率。在另一项应用中，如果材料是未知的但是材料淀积或去除厚度是已知的，则可以识别材料。在本发明较佳实施例中还可以计算表面温度。

本发明的方法进一步包括例如对来自光电检测器信号进行傅立叶变换以识别多个不同周期信号的步骤。

利用曲线拟合技术可以计算出所获的周期。

使已知偏振状态的光束射向材料的步骤包括使多束光束在不同的角度或不同波长或二者兼有情况下入射的步骤。

按照本发明的一个方面，提供了一种在材料处理期间在位确定和/或监视材料一个或多个持征参数的装置，其特征在于包括：

已知偏振状态的光源；

使光束射向材料的装置；

分析从材料反射的光束以确定偏振状态变化的装置；

监视一段时间内偏振状态的变化以获取偏振状态变化周期的装置；以及

根据所获周期计算材料一个或多个特征参数的装置。

附图的简要说明

通过以下结合附图对本发明的描述可以进一步理解本发明。

图1为确定和/或监视等离子体刻蚀下基片特征参数的装置示意图；

图2示出了表层厚度偏振状态的周期性质；

图3示出了按照本发明的实时刻蚀速率确定情况；

图4、5和6示出了按照本发明的刻蚀结束点检测的确定情况。

实施发明的较佳方式

参见图1，它示出了确定和监视等离子体刻蚀期间材料表面的装置。在该实施例中，材料为多晶硅基片6。装置包括相干光源1，这里为激光器。在图1的实施例中，光源1为Simens生产的LGR7631A型He-Ne激光器。激光器包括相连的电源2。

入射光束3的偏振状态由固定的起偏振镜5确定。入射光束3可以是线偏振、椭圆偏振或圆偏振。在图1所示的本发明实施例中，不管偏振状态如何都必须是固定的。为方便起见，固定的起偏振镜5可以包含在激光器1内从而无需分立的元件。

入射光束以角度φ入射到半导体基片6上并反射向旋转起偏振镜7。在现有技术的椭偏仪测量术方法中，已知角度φ是很关键的。如下将会看到的是，在本发明方法中角度是否已知并不关键。

旋转起偏振镜7按照调制电源8确定的已知频率旋转。在所述实施例中，起偏振镜具有较快(3Hz)和较慢(1.5Hz)两种速度。虽然旋转起偏振镜是较佳的选择，但是也可以采用其它对反射光束的偏振进行调制的元件。

虽然所述较佳实施例中采用的是固定的起偏振镜5和旋转的起偏振镜7，但是也可以采用反过来的结构。即，靠近光源的起偏振镜可以旋转而靠近检测器的起偏振镜是固定的。这种布局在多光束应用中有好处。

激光线干涉滤光片9将反射光束10中的某些光学噪声滤除。检测器11产生正比于入射到检测器上光强的模拟信号12。检测器11由电源13供电。在图1的实施例中，检测器11为Hammamatsu光电倍增管并且电源13为高压电源。

信号12在PCL718A/D转换器14中从模拟形式转换为数字形式。数字信号15在计算机16内处理。

该装置可以用于各种应用场合。在图1中，装置被用于等离子体刻蚀机，刻蚀机包含腔体17.该腔体带有上电极18和下电极19，基片6固定其上。输入光学窗口20与输出光学窗口21固定在腔体壁上。

在一个实例中，基片6在SiO₂层上有一层多晶硅层。多晶硅的折射率N₂为3.6而SiO₂的折射率N₃为1.457。激光器的波长λ调节到632.8nm而到达多晶硅层表面的入射角为70°。层上的相移δ和Fresnel系数由下列方程得到：

δ = (\frac{2 Π}{λ}) Nd \cos θ

这里N为折射率

d为厚度

该方程并不陌生并且在前面提及的Azzam和Bashara的论著中有所论述。

发明人发现，反射激光束的偏振状态随着基片6表面层厚变化作周期性改变。图2示出了多晶硅基片6的ψ和Δ的周期性质。由此可见，这些参数随薄膜厚度作周期性变化。多晶硅层刻蚀厚度G与相应的偏振状态数值ψ和Δ如下：

G=0埃 Δ=180° ψ14.59°

G=300埃 Δ=26.59° ψ=27.23°

G=400埃 Δ=20.68° ψ=29.24°

上述装置被用来监视刻蚀期间作为时间函数的反射束偏振状态。采用前述方程(7)，来自光电倍增管11的信号被转换为偏振状态并画成如同4-6所示的随时间变化的曲线。画出的曲线是周期性的，其周期等于淀积(刻蚀)特征数量材料所需的时间。对于多晶硅，特征量为90nm。因此刻蚀速率(在淀积过程中为生长速率)可直接确定为：

E_{r} = \frac{T_{c}}{P}

这里E_t为刻蚀速率，T_c为特征厚度而P为以秒为单位的淀积或去除材料特征厚度所需时间。

其它材料的特征厚度可以从理论或实验中确定。一旦确定特征厚度，则可以从偏振状态周期直接在位和实时地获得刻蚀速率。

特征厚度是波长和材料特性的函数。对于同一材料，较短的波长对应较小的波长函数。下表列出了在632.8nm波长下(HeNe激光器)若干材料的特征厚度。波长对特征厚度的依赖性可以用于复杂系统作为附加的区分度。

材料	Tc(nm)
材料	Tc(nm)	多晶硅	90
氮化硅	129.1	多晶硅	90
氮化硅	129.1	SiO₂	140

显而易见的是，在确定刻蚀速率之前没有必要测量整个周期。在信号处理中，当获得几个数据点之后可以采用曲线建模技术来对周期进行预测。随着数据量的增加，预测的置信度也会提高。

刻蚀速率可以表示为刻蚀速率对等离子体处理时间的曲线。图3示出了微分形式的曲线。图3示出了多晶硅和SIMOX的刻蚀速率对等离子体处理时间的曲线。等离子体腔体压力为200mT，气流为20sccm的SF₆和10sccm的He，等离子体的功率密度为0.57W/cm²RF。测量利用图1所示装置在位和实时下进行。无需知道材料的折射率。

也可以确定合金材料的微分刻蚀速率或者从所获的材料刻蚀速率鉴别合金成份。合金偏振状态变化周期叠加在单个组份周期之上。利用傅立叶变换可以分离出周期并进行分析。

其它参数可以从实验数据中确定。如果去除或淀积的材料速率或厚度是已知的，则可以通过计数周期数鉴别材料。例如，如果偏振状态随时间变化的曲线显示出5个周期，并且去除的材料经过测量总计为450nm，则材料必定是多晶硅(450nm除以5等于90nm，这时多晶硅的特征厚度)。

通过监视偏振状态的微分变化可以确定结束点。图4示出了下列曲线

\frac{&PartialD; Δ}{&PartialD; t} V_{s} t

这里V_s为偏振状态

t为时间

结束点非常明显。

结束点可以通过直接监视偏振状态随时间的变化确定。图5示出了偏振状态随时间的曲线(在这里为ψ)。偏振状态的周期性质很明显并且结束点也容易确定。

图6示出了偏振状态Δ随时间变化的曲线。偏振状态的周期性质很明显并且结束点也容易确定。

本方法还可以用来在已知其它参数情况下测量刻蚀或淀积期间的表面温度。由于特征厚度是依赖温度的折射率的函数，所以这是可行的。

上述对较佳实施例描述的应用场合是在等离子体刻蚀期间确定和监视材料的特征参数。对于椭偏仪测量术领域的技术人员来说，上述技术显然并不局限于上述情形而是可以应用于任何表面变化过程。

虽然图1的装置示出的是单光束椭圆测量仪，但是本发明的方法和装置可以扩展到多光束系统。如果要对大基片表面进行多点监视的话这就很有用。在这种应用中，旋转起偏振镜最方便的是如上所述位于光源附近。在多光束装置中，每个光源可以不同的角度入射到材料上并具有不同的波长。多光束可以使本发明的方法和装置推广至复杂系统。

本发明的技术确信至少可以应用到下面的场合：

^*刻蚀速率控制

^*淀积速率控制

^*化学组份确定

^*沾污确定

^*多波长分析

^*表面温度测量

^*表面均匀性分析

^*层厚度测量

上述对本发明的描述只是示意性质的，对于本领域技术人员来说，在不偏离本发明范围和精神的前提下是很容易作出各种改进的。

Claims

1．一种在材料处理期间在位确定和/或监视材料一个或多个特征参数的方法，其特征在于包括：

使已知偏振状态的光束射向材料；

分析从材料反射的光束以确定偏振状态的变化；

监视一段时间内偏振状态的变化以获取偏振状态变化的周期；以及

根据所获的周期计算材料一个或多个特征参数。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于射向材料步骤中的光束为一束或多束相干光束。

3．如权利要求2所述的方法，其特征在于每束光束的入射角和/或波长不同。

4．如权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于光束为激光束。

5．如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于光束为线偏振、椭圆偏振或圆偏振光。

6．如权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于射向材料步骤或分析步骤中的偏振状态是固定不变的或者调制的。

7．如权利要求6所述的方法，其特征在于射向材料步骤或分析步骤包括采用固定偏振装置来确定光束偏振状态。

8．如权利要求6所述的方法，其特征在于射向材料步骤或分析步骤包括采用调制装置来调制光束。

9．如权利要求8所述的方法，其特征在于调制装置为调制单元、旋转分析仪单元、旋转起偏振镜单元或旋转补偿器单元。

10．如权利要求1-9中任意一项所述的方法，其特征在于材料为固态、液态或气态物质。

11．如权利要求1-10中任意一项所述的方法，其特征在于材料由一种或多种物质组成。

12．如权利要求11所述的方法，其特征在于多种物质分布在层内或以化合物形式分布。

13．如权利要求11或12所述的方法，其特征在于所述物质包括多晶硅、氮化硅、二氧化硅和SIMOX。

14．如权利要求1-13中任意一项所述的方法，其特征在于材料为包含多晶硅层或SIMOX层的半导体基片。

15．如权利要求8-14中任意一项所述的方法，其特征在于分析步骤至少包括以下步骤：

使材料反射的光束通过调制装置；

用滤光片滤光反射光束以去除或抑制光学噪声；

用光检测装置检测反射光束；

利用模数转换装置将来自检测装置的模拟信号转换为数值信号；以及

处理来自检测装置或转换装置的信号。

16．如权利要求15所述的方法，其特征在于在滤光步骤中采用激光线干涉滤光片而在处理步骤中采用包括计算机的处理装置。

17．如权利要求15所述的方法，其特征在于在处理装置内利用椭偏仪测量术方程处理来自检测装置或转换装置的信号。

18．如权利要求1-17中任意一项所述的方法，其特征在于特征参数包括材料总厚度或每层厚度、淀积和去除的材料厚度、物质或构成材料的物质以及材料温度。

19．一种在表面刻蚀或淀积处理期间在位确定和/或监视材料厚度变化速率的方法，其特征在于包括如权利要求1-18中任意一项所述的方法，并且进一步包括以下步骤：

通过将根据所获周期得到的材料特征厚度除以刻蚀或淀积特征厚度所需时间计算速率。

20．一种在材料处理期间在位确定和/或监视材料一个或多个特征参数的装置，其特征在于包括：

已知偏振状态的光源；

使光束射向材料的装置；

分析材料反射光束的装置；

处理装置，用于根据所获的周期计算材料一个或多个特征参数。

21．如权利要求20所述的装置，其特征在于光束为一束或多束相干光束。

22．如权利要求21所述的装置，其特征在于每束光束的入射角和/或波长不同。

23．如权利要求20-22中任意一项所述的装置，其特征在于光束为激光束。

24．如权利要求20-23中任意一项所述的装置，其特征在于光束为线偏振、椭圆偏振或圆偏振光。

25．如权利要求20-24中任意一项所述的装置，其特征在于在使光束射向材料的装置和分析装置内分别包括固定起偏振镜装置和调制装置或者分别包括调制装置和固定起偏振镜装置。

26．如权利要求25所述的方法，其特征在于调制装置为调制单元、旋转分析仪单元、旋转起偏振镜单元或旋转补偿器单元。

27．如权利要求20-26中任意一项所述的装置，其特征在于监视装置包括去除或抑制反射光束中光学噪声的滤光装置和检测反射光束的光电检测器。

28．如权利要求27所述的装置，其特征在于光电检测器为光电倍增管。

29．如权利要求20-28中任意一项所述的装置，其特征在于处理装置为计算机。

30．如权利要求20-28中任意一项所述的装置，其特征在于装置进一步包括等离子体刻蚀腔体，所述腔体包含使光束射入的输入窗口和用于反射光束的出射窗口，腔体内放置有上电极和下电极，所用材料位于下电极上。