DD270843A3

DD270843A3 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR ELECTRIC MEASUREMENT OF THE LAYER THICKNESS THE FLOOR RESISTANCE OF ELECTRICALLY CONDUCTIVE LAYERS

Info

Publication number: DD270843A3
Application number: DD30378187A
Authority: DD
Inventors: Lueder Gleichmann; Mario Diener; Christian Knedlik
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1987-06-15
Filing date: 1987-06-15
Publication date: 1989-08-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messung an duennen Metallschichten auf elektrisch nicht- bzw. halbleitenden Substraten, wie sie beispielsweise in der Halbleitertechnik benoetigt werden. In der Halbleiterindustrie werden oftmals Messanordnungen zur zerstoerungsfreien Messung der Schichtdicke und/oder des Flaechenwiderstandes aufgebrachter Metallisierungen benoetigt, um dimensionierte Strukturabmessungen und vorgeschriebene Prozessparameter einhalten zu koennen. Zu diesem Zwecke eignen sich besonders Wirbelstromverfahren. Dabei werden durch die Schichteigenschaften die Parameter einer Tastspule veraendert, die die Guete und Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises beeinflussen. Die Veraenderung der Schwingkreisparameter dient dabei als Auswertekriterium fuer die Schichtdicke bzw. des Flaechenwiderstandes, wobei die Gueteveraenderung des Schwingkreises hauptsaechlich als Messkriterium zur Anwendung kommt.The invention relates to the field of measurement on thin metal layers on electrically non- or semiconducting substrates, as required, for example, in semiconductor technology. In the semiconductor industry, measurement arrangements for the non-destructive measurement of the layer thickness and / or the surface resistance of applied metallizations are often required in order to be able to comply with dimensioned structural dimensions and prescribed process parameters. Eddy current methods are particularly suitable for this purpose. In this case, the properties of the layer change the parameters of a probe coil, which influence the quality and resonant frequency of an electrical resonant circuit. The change in the resonant circuit parameters serves as an evaluation criterion for the layer thickness or the surface resistance, wherein the change in the quality of the resonant circuit is mainly used as a measurement criterion.

Description

Field of application of the invention

Dia Erfindung ist überall dort anwendbar, wo dünne Metallschichten auf nicht· bzw. halbleitenden Substraten bezüglich Schichtdicke bzw. Flächenwiderstand zu messen sind, insbesondere in der Halbleitertechnologie zur Messung an Metallisierungen auf Isolatoren bzw. Halbleitern.The invention is applicable wherever thin metal layers on non-semiconductive substrates are to be measured with regard to layer thickness or sheet resistance, in particular in semiconductor technology for measuring metallizations on insulators or semiconductors.

Characteristic of the known state of the art

Nach /1/ und /2/ sind Anordnungen zur Messung von Dicken elektrisch leitender Schichten bekannt, die als gemeinsame Arbeitsgrundlage die Beeinflussung der elektrischen Parameter einer oder mehrerer induktiver Meßköpfe in Form von Reaktanz oder Güte haben. Benutzt man zur Messung der Schichtdicke solche Anordnungen, so besteht die Möglichkeit einer Mehrdeutigkeit der Anzeige, es sei denn, daß ein Differenzmeßverfahron mit 2 Meßköpfen verwendet wird, wovon einer als Vergleichsmeßkopf dient. Ausgewertet als Meßkriterium wird dabei der Betrag der Hochfrequenzspamurg an der Meßspule.According to / 1 / and / 2 / arrangements for measuring thicknesses of electrically conductive layers are known, which have as a common working basis influencing the electrical parameters of one or more inductive measuring heads in the form of reactance or quality. If one uses such arrangements for measuring the layer thickness, there is the possibility of ambiguity of the display, unless a Differenzmeßverfahron is used with 2 measuring heads, one of which serves as Vergleichmeßkopf. Evaluated as a criterion while the amount of Hochfrequenzspamurg at the measuring coil.

Eine Fehlmessung ist jedoch auch dabei nicht ausgeschlossen. Eine Verstimmung in induktiver oder kapazitiver Richtung des Meßresonanzkreises kann einen Abfall der HF-Spannung bewirken, eine Güteveränderung vortäuschen und damit zur Fehlanzeige führen. Diese Beeinflussung kann dabei durch die Schicht selbst hervorgerufen werden, wenn beispielsweise das aufgebrachte Schichtmaterial sich in der relativen Permeabilität unterscheidet und die Fläche der Tastsonde relativ groß ist. Wird die HF-Spannung am Meßkopf mit einfachen Diodengleichrichtern gleichgerichtet, erfolgt zusätzlich noch eine Logarithmierung des Ergebnisses, was zu einer zusätzlichen Nichtlinearität der Anzeige führt. Daher haften den beschriebenen Anordnungen die aufgezeigten Nachteile der Nichtlinearität der Anzeige, der Mehrdeutigkeit des Meßergebnisses oder ein hoher Schaltungsaufwand zur Eliminierung dieser Nachteile an.However, a wrong measurement is not excluded. A detuning in the inductive or capacitive direction of the measuring resonant circuit can cause a drop in the RF voltage, simulate a quality change and thus lead to a false indication. This influence can be caused by the layer itself, for example, if the applied layer material differs in relative permeability and the surface of the probe is relatively large. If the RF voltage at the measuring head is rectified with simple diode rectifiers, the result is also logarithmized, which leads to additional non-linearity of the display. Therefore, the described arrangements adhere to the disadvantages of the non-linearity of the display, the ambiguity of the measurement result or a high circuit complexity for eliminating these disadvantages.

In /3/ wird eine Anordnung zur Schichtdickenmessung beschrieben, die einen Meß· und einen Referenzschwingkreis benötigt und ihr Meßsignal aus einer Differenzsignalverarbeitung mittels Differenzverstärker gewinnt.In / 3 / an arrangement for layer thickness measurement is described, which requires a measuring and a reference resonant circuit and wins its measuring signal from differential signal processing by means of differential amplifier.

In /4/wird eine Anordnung beschrieben, die gegeneinander geschaltete Spulen zur Gewinnung des Meßsignals benutzt, Zur Bearbeitung des Meßsignnls ist eine zusätzliche Filterung notwendig. Damit besitzen die in /3/ und /4/ beschriebenen Anordnungen den Nachteil erhöhten Aufwandes bei der Signalgewinnung.In / 4 / an arrangement is described which uses coils connected to each other to obtain the measurement signal, for the processing of the Meßsignnls additional filtering is necessary. Thus, the arrangements described in / 3 / and / 4 / have the disadvantage of increased effort in the signal acquisition.

/1/ DE-OS 2923066/ 1 / DE-OS 2923066

121 Blumenauer, Horst: Werkstoffprüfung. VEL Deutscher Verlag Grundstoffindustrie, Leipzig 1984, S.333...348. 121 Blumenauer, Horst: Materials Testing. VEL German publishing house basic industry, Leipzig 1984, p.333 ... 348.

/3/ DD-PS 210010/ 3 / DD-PS 210010

/4/ DD-PS 103962./ 4 / DD-PS 103962.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Messung der Schichtdicke bzw. des Flächenwiderstandes elektrisch leitender Schichten zu schaffen, die mit geringem schaltungstechnischem Aufwand eine lineare Anzeigefunktion gewährleistet und Mehrdeutigkeiten der Anzeige vermeidet.It is the object of the invention to provide a circuit arrangement for measuring the layer thickness or sheet resistance of electrically conductive layers, which ensures a linear display function with little circuit complexity and avoids ambiguities of the display.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Schaltungsanordnung zur Messung der Schichtdicke bzw. des Flächenwidei Standes unter Verwendung des Wirbelsti omverfahrens zu schaffen, die eine lineare Übertragungsfunktion der Meßschaltung gewährleistet, Differenzanordnungen zur Erkennung von Reaktanzveränderungon des Meßkreises vermeidet und Mehrdeutigkeiten des Meßergebnisses ausschließt.The invention has for its object to provide such a circuit arrangement for measuring the layer thickness or the Flächenwidei state using the Wirbelsti omverfahrens, which ensures a linear transfer function of the measuring circuit, avoids differential arrangements for detecting Reaktanzveränderungon of the measuring circuit and excludes ambiguities of the measurement result.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Auswertung ds·· Meßergebnissej en Vierquadrantenmultiplizierer benutzt wird, der über einen Begrenzerverstärker angesteuert wird und an einem Eingang des Muiiiplizierers mit dem urn 90° phasenverschobenen HF-Signal, das et enfalls an der Tastspule anliegt, gespeist wird und an seinem zweiten Eingang mit dem nicht phasenverschobenen Signal aus dem Regrenzerverstärkerausgang gespeist wird. Die HF-Spannung wird von einem HF-Generator geliefert, der ir. geeigneter Weise mit einer Niederfrequenz frequenzmoduliert ist.According to the invention, this object is achieved by using four quadrant multipliers for the evaluation of the measurement results, which is driven by a limiter amplifier and fed to one input of the multiplier with the RF signal phase-shifted by 90 °, which is applied to the probe coil is fed at its second input with the non-phase-shifted signal from the Regrenzerverstärkerausgang. The RF voltage is supplied by an RF generator which is suitably frequency modulated at a low frequency.

performance example

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Dabei zeigen Fig. 1 die gesamten Anordnungen und Fig. 2 die darin enthaltene Multipliziererschaltung. Der NF-Generator 1 erzeugt eine Rechteckspannung von etwa 1 kHz in einer entsprechenden Amplitude, die einem Steuerverstärker mit Addierschaltung 3 dem HF-Generator 4 zugeführt wird. Die Ausgangsspannung der Referenzkombination mit dem Potentiometer 2 wird dem zweiten Eingang des Steuerverstärkers 3 zugeführt und erlaubt die Einstellung der Grundfrequenz des spannungsgesteuerten HF-Generators 4. Ein Begrenzerverstärker 5 beseitigt eventuell entstandene Amplitudenmodulation. Über einen 90° Phasenschieber 6 wird der Meßschwingkreis 7, dessen Induktivität die Tastspule darstellt, an den Begrenzerverstärker angekoppelt. Die Ankopplung erfolgt dabei sehr lose. Der Begrenzer 5 sorgt auch dafür, daß dem Vierquadrantenmuitipiizierer 9 ebenfalls eine konstante HF-Spannung am ersten Eingang angeboten wird. Am zweiten Eingang des Vierquadrantenmultiplizierers 9 liegt das vom Meßkreis 7 angebotene Signal. Am Ausgang des Vierquadrantenmultiplizierers 9 steht die demdulierto NF-Spannung einer Gleichspannung überlagert zur Verfügung. Die Amplitude der NF-Spannung enthält die Information über die Schichtdicke bzw. den Flächenwiderstand. Die Gleichspannung enthält die Information, ob der Meßkreis 7 in kapazitiver oder induktiver Richtung verstimmt wurde. Der Tiefpaß 10 beseitigt unerwünschte Mischprodukte und hat auf die Höhe der NF-Amplitude keinen Einfluß. Über einen Trennkondensator 12 wird die zur Auswertung benötigte NF dem linearen Anzeigegleichrichter 13 und der Anzeige 14 zugeführt. Das Ergebnis der Anzeige 14 ist ein direktes Maß für die Schichtdicke bzw. den Flächenwiderstand der Probe 15 infolge Güteverschlechterung des Meßkreises 7. Wird bei der Ergebnisauswertung festgestellt, daß auch die Anzeige 11 wesentlich vom Wert ohne Probe abweicht, deutet dies auf eine reaktanzmäßige Verstimmung des Meßkreises 7 hin. Die Schicht hat dann eine relative Permeabilität *1. Über ein Koppelnetzwerk 16 kann auf einen weiteren Eingang des Steuer- und Addierverstärkers 3 eine geeignete Rückkopplung erfolgen. Damit läßt sich das System zum Frequenz- bzw. Phasenregelkreis komplettieren. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die Systemteile Begrenzerverstärker 5, Phasenschieber 6 und Vierquadrantenmuitipiizierer 9 in integrierten Schaltungen vereinigt, wie sie z. B. zur Demodulation frequenzmodulierter Signale in Funkempfängern verwendet werden. Dabei ist die Schaltung so ausgelegt, daß die abgegebene HF-Spannung linear von der Kreisgüte des Resonanzkreises 7 abhängt, wie in Flg. 2 verdeutlicht wird. Für U₂(D giltThe invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. 1 shows the entire arrangements and FIG. 2 shows the multiplier circuit contained therein. The LF generator 1 generates a square wave voltage of about 1 kHz in a corresponding amplitude, which is supplied to a control amplifier with adding circuit 3 to the RF generator 4. The output voltage of the reference combination with the potentiometer 2 is supplied to the second input of the control amplifier 3 and allows the setting of the fundamental frequency of the voltage-controlled RF generator 4. A Begrenzerverstärker 5 eliminates any resulting amplitude modulation. About a 90 ° phase shifter 6, the Meßschwingkreis 7 whose inductance is the Tast coil coupled to the Begrenzerverstärker. The coupling is very loose. The limiter 5 also ensures that the Vierquadrantenmuitipiizierer 9 is also offered a constant RF voltage at the first input. At the second input of Vierquadrantenmultiplizierers 9 is offered by the measuring circuit 7 signal. At the output of the four quadrant multiplier 9, the demdulierto NF voltage is superimposed on a DC voltage. The amplitude of the low-frequency voltage contains the information about the layer thickness or the surface resistance. The DC voltage contains the information as to whether the measuring circuit 7 has been detuned in the capacitive or inductive direction. The low-pass filter 10 eliminates unwanted mixing products and has no influence on the level of the LF amplitude. About a separating capacitor 12, the required NF for the evaluation of the linear display rectifier 13 and the display 14 is supplied. The result of the display 14 is a direct measure of the layer thickness or the sheet resistance of the sample 15 due to degradation of the measuring circuit 7. If it is found in the result evaluation that the display 11 deviates significantly from the value without sample, this indicates a reactance detuning Measuring circuit 7 out. The layer then has a relative permeability * 1. Via a coupling network 16, a suitable feedback can be made to a further input of the control and adder amplifier 3. This completes the system for frequency or phase locked loop. As can be seen from FIG. 1, the system components limiting amplifier 5, phase shifter 6 and four-quadrant multiplexer 9 are combined in integrated circuits, as described, for example, in US Pat. B. are used for demodulating frequency modulated signals in radio receivers. The circuit is designed so that the output RF voltage depends linearly on the Q of the resonant circuit 7, as in Flg. 2 is clarified. For U ₂ (D applies

U ₂ (I) = U ₂ (COS does + -y- ± φ), (1)

stellt dabei die Verstimmung des Meßkreises dar.represents the detuning of the measuring circuit.

Under the condition of loose resonant circuit coupling applies Furthermore, must apply Rp represents the Schwingkraisimpedanz. For the resonant circuit quality applies After a few transformations you get

-a'ctanQv). (5)-a'ctanQv). (5)

For small v values applies

φ = -^--3ΓϋΙί'ηΟ·ν»-2-Ο·ν. (6), (7)φ = - ^ - 3ΓϋΙί'ηΟ · ν »-2-Ο · ν. (6), (7)

Since two voltages are multiplied together in the four-quadrant multiplexer, namely U _t (t) and U ₂ (t), one obtains U, (t) = Ut (t) U ₂ (t) cos (ωΐ + ~ + φΐοοβωΐ. (8)

Aus (8) ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung nur noch von der Phasenverschiebung der Spannung U₂ und deren Betrag abhängt, wenn beide aus einem gemeinsamen HF-Generator gespeist werden. Hält man UiU) und φ konstant, ist U.(t) nur noch eine Funktion des Betrages von U₂It). U₂ ist aber dem R_p des Meßkreises 7 proportional, damit ist U,(t) nur noch von der Güte des Meßkreises abhängig. Da der entstehende Gieinhanteil bei U, ein Maß für die Verstimmung darstellt, der mit dem Indikator 11 zur Anzeige gebracht wird, ist erkennbar, daß bei einer reaktanzmäßigen Beeinflussung des Meßkreises 7 eine entsprechende Anzeige erfolgt. Die eingangs beschriebenen Mehrdeutigkeiten der bekannten Anordnungen lassen sich so eindeutig erkennen und entsprechend verarbeitenFrom (8) it can be seen that the output voltage depends only on the phase shift of the voltage U ₂ and its amount, when both are fed from a common RF generator. Keeping UiU) and φ constant, U (t) is only a function of the amount of U ₂ It). U ₂ is however proportional to the R _{p of} the measuring circuit 7, so that U, (t) only depends on the quality of the measuring circuit. Since the resulting Gieinhanteil at U, represents a measure of the detuning, which is brought to the indicator 11 to the display, it can be seen that in a reactance of the measuring circuit 7, a corresponding indication takes place. The ambiguities of the known arrangements described above can be clearly recognized and processed accordingly

In der Anzeige treten somit keine schaltungstechnisch verursachten Nichtlinearitäten auf. In the display, therefore, no circuit-related nonlinearities occur.

Claims

Circuit arrangement for the electrical measurement of the layer thickness or sheet resistance of electrically conductive layers on electrically non or weak conductive material by eddy current method, characterized in that one of the layer thickness and the layer material to be measured corresponding high frequency from an RF generator (4) via a Begrenzerverstärker (5) and a 90 ° RF phase shifter (6) the measuring resonant circuit (7) is supplied, wherein the measuring coil is part of the Meßresonanzkreises (7) and evaluated by a coupled four-quadrant multiplier (9) the direct and the phase-shifted signal by 90 ° and in that the HF generator (4) is frequency-modulated or phase-modulated by a low-frequency and the low-frequency occurring at the four-quadrant multiplier (9) represents in its amplitude amplitude the criterion of the quality change of the measuring resonant circuit (7).

For this

2 pages drawings