DE102015105418A1

DE102015105418A1 - Verfahren zum Ermitteln von Brechungsindex und Schichtdicke einer transparenten Schicht mittels Ellipsometrie

Info

Publication number: DE102015105418A1
Application number: DE102015105418.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Nestler; Christiane A. Helm
Original assignee: Ernst Moritz Arndt Universitaet Greifswald
Current assignee: Universitaet Greifswald
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2035-04-10
Also published as: DE102015105418B4; WO2016162324A1

Abstract

Ein ellipsometrisches Verfahren zum Ermitteln charakteristischer Größen transparenter Schichten ermittelt an einer zu untersuchenden Schicht ein Paar der ellipsometrischen Größen dieser Schicht bei einer ersten Schichtdicke und anschließend bei einer zweiten Schichtdicke. Eine der beiden Schichtdicken kann auch den Wert 0 aufweisen, wobei dann das Paar der ellipsometrischen Größen an einem unbeschichteten Substrat gemessen wird. Aus den insgesamt vier gemessenen ellipsometrischen Größen wird anhand einer angegebenen Formel der Brechungsindex der zu untersuchenden Schicht ermittelt, aus dem nach bekannten ellipsometrischen Verfahren die Schichtdicke ermittelt werden kann.

Description

Die Ellipsometrie ist ein optisches Messverfahren zur Untersuchung von Oberflächen und oberflächennahen Schichten. Das Grundprinzip der Ellipsometrie ist, das polarisiertes Licht an der zu vermessenden Probe reflektiert wird, und man aus der resultierenden Änderung des Polarisationszustandes des Lichts Rückschlüsse auf optische und strukturelle Eigenschaften der Probe zieht. Die Ellipsometrie ist eine etablierte Technik, die ersten Geräte dieser Art wurden um 1890 eingesetzt und seitdem technisch fortlaufend weiterentwickelt. Heute zählt die Ellipsometrie zu einem der Standardverfahren in der Materialanalyse und der Oberflächenphysik.
Ein häufiges Anwendungsgebiet ist die Untersuchung von Oberflächenbeschichtungen (z.B. in der Halbleiterindustrie, der Metallographie und der Kunststoffindustrie). Zwei wichtige Kenngrößen zur Charakterisierung von Beschichtungen sind die Schichtdicke und der Brechungsindex der Schicht. Aus dem Brechungsindex lassen sich z.B. Informationen zur Dichte und chemischen Zusammensetzung des Schichtmaterials ziehen.
Die Bestimmung von Dicke und Brechungsindex einer Schicht mittels Ellipsometrie erfolgt nun in zwei Schritten: (i) Messung der ellipsometrischen Winkel der beschichteten Oberfläche und anschließend (ii) computergestützte Modellrechnung zur Bestimmung von Brechungsindex und Dicke der Schicht. Die ellipsometrischen Winkel Δ und Ψ sind diejenigen Größen, welche bei der Ellipsometrie unmittelbar gemessen werden. Δ ist ein Maß für die Phasenverschiebung, die das Licht bei der Reflektion erfährt. Ψ ist ein Maß für das Amplitudenverhältnis von reflektierter zu eingestrahlter Lichtwelle. Diese beiden ellipsometrischen Winkel können zwar direkt gemessen werden, sind jedoch abstrakt und nur bedingt interpretierbar.
Der zweite Schritt, diese Winkel in Dicke und Brechungsindex der Schicht umzurechnen, ist nur dann problemlos möglich, wenn die Schichtdicke ausreichend groß ist (als Schwellwert ist eine Dicke von 15 nm sinnvoll). Im Falle von ultra-dünnen Schichten (unterhalb dieses Schwellwertes) ist es nach wie vor äußerst problematisch mittels Ellipsometrie sowohl Dicke als auch Brechungsindex einer Beschichtung zu bestimmen. Die Gründe dafür liegen im Messverfahren selbst: Bei einer ultra-dünnen Schicht ist der Einfluss von Schichtdicke und Brechungsindex auf die Reflektion des Lichtes nicht mehr unabhängig voneinander bestimmbar. Außerdem wirken sich kleine experimentelle Fehler (welche unvermeidbar sind) in diesem Fall besonders stark auf die gemessenen ellipsometrischen Winkel Δ und Ψ aus.
Stand der Technik
Ein Beispiel für ein Verfahren zum Bestimmen charakteristischer Größen transparenter Schichten mithilfe der Ellipsometrie ist aus DE 43 01889 A1 bekannt.
Aus: W. Knoll, R.C. Advincula, Functional Polymer Films, Vol. 2, Part III, Wiley-VCH, 2011, Kapitel "Investigations of soft organic films with ellipsometry", ist es bekannt, dass die Dicke einer Schicht und ihr Brechungsindex nur dann unabhängig ermittelt werden können, wenn die Probe ausreichend dick ist. Für dünne Filme ist es nicht möglich, die Dicke und den Brechungsindex getrennt zu ermitteln.
Aus: H.G. Tompkins, A User’s Guide to Ellipsometry, Academic Press, 1993, S. 65
ist der Verlauf der ellipsometrischen Größen Psi und Delta bei verschiedenen Brechungsindices auf Silizium bekannt. Dort wird darauf hingewiesen, dass für die ersten 50 Ångströmeinheiten die Werte nur schlecht getrennt sind. Daraus wird gefolgert, dass die ∆- und Ψ-Messungen nicht geeignet sind, Informationen über den Brechungsindex eines Films zu erhalten.
Aus: M.M. Ibrahim, N.M. Bashara, Parameter-Correlation and Computational Considerations in Multiple-Angle Ellipsometry, J. Opt. Soc. Am. 61, 1622–1629, 1971 geht hervor, dass bei geringen Schichtdicken große Ungenauigkeiten mit den bisherigen Messverfahren verbunden sind.
Ebenfalls zum Stand der Technik gehören:
P. Nestler, S. Block, C.A. Helm: Temperature-Induced Transition from Odd-Even to Even-Odd Effect in Polyelectrolyte Multilayers Due to Interpolyelectrolyte Interactions, J. Phys. Chem. B, 2011, 116, S. 1234–1243
und
P. Nestler, M. Paßvogel, C.A. Helm: Influence of Polymer Molecular Weight on the Parabolic and Linear Growth Regime of PDADMAC/PSS Multilayers, Macromolecules, 2013, 46, S. 5622–5629.
Das Problem der Bestimmung des Brechungsindexes einer ultra-dünnen Schicht mittels Ellipsometrie ist gelöst, falls mit einem anderen Messverfahren die Dicke der Beschichtung unabhängig bestimmt wurde, oder diese von vornherein bekannt ist. Dies ist jedoch i.A. nicht der Fall.
Andersherum ist das Problem der Bestimmung der Dicke einer ultra-dünnen Schicht mittels Ellipsometrie gelöst, falls mit einem anderen Messverfahren dessen Brechungsindex unabhängig bestimmt wurde, oder dieser von vornherein bekannt ist. Dies ist jedoch i.A. nicht der Fall.
Wird die beschichtete Oberfläche mittels Ellipsometrie bei unterschiedlichen Wellenlängen untersucht, können diese zusätzlichen Informationen zur Lösung des Problems beitragen. Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen sind jedoch nicht bei allen Geräten möglich. Wird z.B. ein Laser als Lichtquelle verwendet, ist dieser Ansatz ausgeschlossen.
Aufgabe dieser Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der sowohl der Brechungsindex als auch die Schichtdicke einer ultra-dünnen Schicht mittels Ellipsometrie ermittelt werden kann. Unter einer ultra-dünnen Schicht versteht man eine Schicht mit einer Dicke von weniger als 15 nm.
Lösung dieser Aufgabe durch diese Erfindung
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird also so vorgegangen, dass durch zwei verschiedene Messungen (Messung A und B) zwei unterschiedliche Paare der ellipsometrischen Winkel Δ und Ψ gemessen werden (Δ_A, Ψ_A, Δ_B sowie Ψ_B). Die beiden Messungen A und B erfolgen an ein und derselben Probe, welche zwischen den beiden Messungen nicht bewegt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass beide Messungen bei demselben Einfallswinkel durchgeführt werden. Die beiden Messungen unterscheiden sich alleine hinsichtlich der Dicke der Beschichtung: Die Messung A erfolgt an einer beschichteten Oberfläche mit höherer Schichtdicke. Messung B erfolgt dagegen an derselben Oberfläche mit geringerer Schichtdicke.
Die kleinere Schichtdicke kann auch eine Schichtdicke des Werts 0 sein, sodass also eine Messung an der unbeschichteten Oberfläche eines Substrats erfolgt.
In beiden Fällen ist die Schichtdicke jedoch kleiner als 15 nm.
Dieser Ansatz kann mit unterschiedlichen Verfahren realisiert werden:

1. In einer zeitlichen Abfolge wird erst die unbeschichtete Oberfläche vermessen (Messung B), diese anschließend beschichtet und schließlich erneut vermessen (Messung A).
2. Die Beschichtung erfolgt lediglich auf einem Teil der Oberfläche, während die restliche Oberfläche unbeschichtet bleibt. Anschließend wird mittels ortsaufgelöster Ellipsometrie die Grenze zwischen beschichtetem und unbeschichtetem Bereich vermessen. Die ellipsometrischen Winkel, welche auf dem beschichteten Teil der Oberfläche gemessen werden (Δ_A, Ψ_A) bilden Messung A, während diejenigen auf dem unbeschichteten Teil (Δ_B, Ψ_B) die Messung B bilden.
3. Die Oberfläche wird erst vollständig beschichtet und in einem zweiten Schritt auf einem Teil der Oberfläche wieder entfernt. Anschließend wird mittels ortsaufgelöster Ellipsometrie die Grenze zwischen beschichtetem und unbeschichtetem Bereich vermessen. Die ellipsometrischen Winkel, welche auf dem beschichteten Teil der Oberfläche gemessen werden (Δ_A, Ψ_A) bilden Messung A, während diejenigen auf dem unbeschichteten Teil (Δ_B, Ψ_B) die Messung B bilden.
4. Die Beschichtung erfolgt auf einer speziell präparierten Oberfläche (ein sog. Substrat). Dieses Substrat ist selbst auf einem Teil seiner Oberfläche modifiziert und auf dem restlichen Teil nativ. Für solche Substrate sind Silizium-Wafer besonders geeignet. Diese können präpariert werden, indem die Dicke der Silizium-Oxidschicht auf einem Teil der Waferoberfläche gezielt erhöht wird. Um dies zu erreichen stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, z.B. • PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition) • Thermische Oxidation von Silizium • Ionenimplantation

Aus den vier gemessenen ellipsometrischen Winkeln (Δ_A, Ψ_A, Δ_B sowie Ψ_B) berechnet man die Größe
Anschließend ergibt sich der Brechungsindex n der Schicht über die Formel
Dabei bezeichnen n₁ den Brechungsindex des Umgebungsmediums (z.B. Luft), n₂ den Brechungsindex des Materials, auf dem die Beschichtung erfolgt (z.B. Silizium), α₁ den Einfallswinkel des Lichts und α₂ = arcsin(sinα₁·n₁/n₂).
Nachdem der Brechungsindex n der Schicht bekannt ist, wird die Dicke d der Schicht mit den üblichen ellipsometrischen Methoden bestimmt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Zusammenfassung, deren beider Wortlaut durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird, der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung.
Hierbei zeigen:
1 schematisch die Meßanordnung zur Durchführung des von der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens;
2 eine vereinfacht dargestellte Möglichkeit zur Darstellung zweier Schichtdicken;
3 einen Vergleich der Messergebnisse zwischen einer konventionellen und einer erfindungsgemäßen Messung;
4 zwei Ergebnisse von Messungen an beschichteten Siliziumswafern.
In 1 ist ein Substrat 1 dargestellt, auf dem eine Schicht 2 aufgebracht ist. Diese Schicht 2 ist zu untersuchen, und zwar im Hinblick auf ihren Brechungsindex und ihre Dicke. Eine Lichtquelle 3, beispielsweise ein Laser, ist so angeordnet, dass der aus ihr austretende Lichtstrahl 4 in einen Polarisator 5 eintritt und aus diesem unter einem Einfallswinkel α auf eine bestimmte Stelle der Oberfläche der zu untersuchenden Schicht 2 fällt. Der Lichtstrahl 4 wird reflektiert und gelangt durch einen Analysator 6 in den Detektor 7. In diesem erfolgt eine Auswertung des reflektierten Lichtstrahls im Hinblick auf die beiden ellipsometrischen Größen Ψ und ∆.
Die Erfindung sieht nun vor, dass diese Messung der ellipsometrischen Größen einmal an der Schicht 2 in ihrer endgültigen Dicke und einmal an einer dünneren Schicht durchgeführt wird, beispielsweise an dem Substrat 1 ohne die Schicht 2. Dies geschieht erfindungsgemäß ohne eine Bewegung des Substrats 1, sodass der Winkel, unter dem die Messung durchgeführt wird, bei beiden Messungen identisch ist.
Eine Möglichkeit, wie man an der Schicht 2 Messungen mit unterschiedlichen Schichtdicken durchführen kann, ist schematisch in 2 dargestellt. Hier ist
zunächst die Schicht 2 in ihrer endgültigen und damit vollständigen Dicke hergestellt und anschließend in dem mittleren Bereich 2a die Schicht wieder teilweise abgetragen worden. Dann kann an dieser Stelle mithilfe eines ortsaufgelösten Ellipsometrieverfahrens einmal die Messung an der vollständigen Dicke und einmal an der verminderten Dicke durchgeführt werden.
Aus den gemessenen ellipsometrischen Größen Δ und Ψ für die volle Schichtdicke und für die verringerte Schichtdicke kann dann nach den genannten Formeln der Brechungsindex n der Schicht 2 berechnet werden.
Nun zu 3. Die 3 zeigt den Brechungsindex einer Polymerschicht auf einem Silizium-Wafer. Der tatsächliche Wert beträgt 1,55. Eine konventionelle ellipsometrische Messung (offene Symbole) liefert für Schichten dünner als 15 nm falsche Werte. Unter Anwendung dieser Erfindung (geschlossene Symbole) erhält man ab 5 nm verlässliche Werte.
In 4 ist als weiteres Anwendungsbeispiel eine ortsaufgelöste ellipsometrische Messung eines beschichteten Silizium-Wafers dargestellt. Der obere Teil der beiden Bilder zeigt reines Silizium als Referenzmessung (Δ_B, Ψ_B). Der untere Teil ist mit einer Polymerschicht beschichtet (Δ_A, Ψ_A). Der inhomogene Übergangsbereich dazwischen ist nicht relevant. Aus den vier Werten (Δ_A, Ψ_A, Δ_B sowie Ψ_B) erhält man den Brechungsindex n = 1,55 sowie die Schichtdicke d = 5,1 nm.
Praktische Anwendung
Die einfachste Form, diese Erfindung anzuwenden liegt darin, spezielle Substrate herzustellen. Diese werden anschließend mit dem zu untersuchenden Material beschichtet und mittels ortsaufgelöster Ellipsometrie untersucht. Mit der Erfindung kann die bislang geltende Grenze von 15 nm für die Schichtdicke unterschritten und der Brechungsindex auch dünnerer Schichten mittels Ellipsometrie gemessen werden.
Als Anwendungsbeispiel kommen insbesondere infrage:
Die Oberflächenvergütung und Antireflexbeschichtungen von Linsen (Objektive, Messinstrumente);
Herstellung von Verzögerungs- bzw. Wellenplatten;
Halbleiterelektronik (Herstellung und Funktionsweise von Transistoren oder Dioden)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4301889 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

W. Knoll, R.C. Advincula, Functional Polymer Films, Vol. 2, Part III, Wiley-VCH, 2011, Kapitel “Investigations of soft organic films with ellipsometry” [0006]
Aus: H.G. Tompkins, A User’s Guide to Ellipsometry, Academic Press, 1993, S. 65 [0007]
M.M. Ibrahim, N.M. Bashara, Parameter-Correlation and Computational Considerations in Multiple-Angle Ellipsometry, J. Opt. Soc. Am. 61, 1622–1629, 1971 [0008]
P. Nestler, S. Block, C.A. Helm: Temperature-Induced Transition from Odd-Even to Even-Odd Effect in Polyelectrolyte Multilayers Due to Interpolyelectrolyte Interactions, J. Phys. Chem. B, 2011, 116, S. 1234–1243 [0009]
P. Nestler, M. Paßvogel, C.A. Helm: Influence of Polymer Molecular Weight on the Parabolic and Linear Growth Regime of PDADMAC/PSS Multilayers, Macromolecules, 2013, 46, S. 5622–5629 [0009]

Claims

Verfahren zum Ermitteln des Brechungsindex und/oder der Schichtdicke einer transparenten Schicht (2) mithilfe eines ellipsometrischen Verfahrens, mit folgenden Verfahrensschritten: – es wird ein Paar der ellipsometrischen Winkel Psi (Ψ_A) und Delta (Δ_A) an der zu untersuchenden Schicht (2) bei einer ersten Schichtdicke gemessen, – es wird ein Paar der ellipsometrischen Winkel Psi (Ψ_B) und Delta (Δ_B) an der zu untersuchenden Schicht (2) mit dem gleichen Einfallswinkel (α) bei einer zweiten Schichtdicke gemessen, – aus den vier gemessenen ellipsometrischen Winkeln (Ψ_A, Ψ_B, Δ_A, Δ_B) wird ein Zwischenwert
berechnet, und – der Brechungsindex n der zu untersuchenden Schicht wird nach folgender Formel berechnet:
wobei
und n₁ der Brechungsindex des Umgebungsmediums, n₂ der Brechungsindex des Substrats, α₁ der Einfallswinkel des Lichts und α₂ = arcsin (sinus α₁ × n₁/n₂) sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die kleinere Schichtdicke den Wert 0 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zunächst die unbeschichtete Oberfläche des Substrats (1) vermessen, diese anschließend beschichtet und danach die beschichtete Oberfläche vermessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem nur ein Teil der Oberfläche des Substrats (1) beschichtet wird und der restliche Teil des Substrats (1) frei bleibt, wonach anschließend mittels ortsaufgelöster Ellipsometrie die Grenze zwischen dem beschichteten und dem unbeschichteten Bereich des Substrats (1) vermessen wird, wobei die auf dem unbeschichteten Teil des Substrats (1) gemessenen ellipsometrischen Winkel die eine Messung und die auf dem beschichteten Teil des Substrats (1) gemessenen ellipsometrischen Winkel die andere Messung bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Oberfläche des Substrats (1) vollständig beschichtet und in einem zweiten Schritt die Beschichtung auf einem Teil der Oberfläche des Substrats (1) teilweise oder vollständig entfernt wird, wonach anschließend mittels ortsaufgelöster Ellipsometrie die Grenze zwischen dem beschichteten und dem unbeschichteten Bereich der Oberfläche vermessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Oberfläche des Substrats vollständig beschichtet wird, wobei das Substrat selbst zuvor modifiziert wurde, indem ein Teil seiner Oberfläche beschichtet und der restliche Teil des Substrats ursprünglich ist, wonach anschließend mittels ortsaufgelöster Ellipsometrie die Grenze zwischen modifizierter und ursprünglicher Oberfläche vermessen wird.