DE10207163A1

DE10207163A1 - Vorrichtung und Verfahren für die indirekte Bestimmung der physikalischen Eigenschaften dünner Schichten auf einem nicht-metallischen Substrat mittels Ellipsometrie

Info

Publication number: DE10207163A1
Application number: DE2002107163
Authority: DE
Inventors: Juergen Schroeder
Original assignee: Applied Films GmbH and Co KG
Current assignee: Applied Materials GmbH and Co KG
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2003-08-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die indirekte Bestimmung der physikalischen Eigenschaften dünner oxidischer Schichten auf einem nicht-metallischen Substrat mittels Ellipsometrie. Hierbei enthält die Vorrichtung eine Grundplatte, die aus dem gleichen Material besteht wie das nicht-metallische Substrat. Auf dieser Grundplatte ist dann eine metallische Schicht vorgesehen. Durch diese metallische Schicht wird der optische Kontrast zur später aufgebrachten oxidischen Schicht erhöht und damit die Ellipsometrie auch bei schwierigen oxidischen Schichten ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 9.
Grundlage für die Ellipsometrie ist der Umstand, dass sich die Polarisation bei der Reflexion von Licht auf ebenen oder beschichteten Oberflächen ändert. Mittels einer sauberen, schichtfreien Oberfläche kann die Analyse der elliptisch polarisierten Reflexion verwendet werden, um die optische Konstante der Oberfläche, z. B. den Brechungsindex n und den Absorptionskoeffizienten k zu berechnen. Ist die Oberfläche beschichtet, kann mittels der Ellipsometrie der Brechungsindex n und die Dicke der Schicht berechnet werden.
Die Ellipsometrie kann somit als phasenempfindliches Reflexionsexperiment mit polarisiertem Licht an einer Grenzfläche betrachtet werden. Die Polarisation wird hierbei senkrecht beziehungsweise parallel zur Einfallsebene betrachtet. Handelt es sich bei dem einfallenden Licht etwa um zirkular polarisiertes Licht, so sind die Komponenten senkrecht und waagrecht betragsmäßig gleich groß und zueinander um 90° phasenverschoben.
Die Reflexion an einer Grenzfläche ist für die senkrechte und die waagrechte Polarisations-Komponente verschieden, was sich aus den Stetigkeitsbedingungen der Maxwellschen Gleichungen beziehungsweise aus den Fresnelschen Gleichungen ergibt. Im Ergebnis ist das reflektierte Licht im allgemeinen Fall elliptisch polarisiert, was der Ellipsometrie auch den Namen gab. Bei der Ellipsometrie wird somit die Phasenverschiebung zwischen den Schwingungskomponenten parallel und senkrecht zur Einfallsebene im reflektierten Licht gemessen.
Die Ellipsometrie wird hauptsächlich bei der Untersuchung von Metallen eingesetzt, die keine Untersuchung im durchgehenden Licht erlauben. Insbesondere bei der Messung der Dicke von Adsorptionsschichten finden Ellipsometer Verwendung (Bergmann/Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 3, 9. Auflage, 1993, S. 491 ff.; vgl. auch Azzam/Bashara: Technique for the Characterization of Surfaces in Light-transmitting Ambients, Vac. Sci. Tech 12 #4, 1975; Azzam/Bashara: Ellipsometry and Polarized Light, North-Holland Publishing Co., N. J., 1976).
Allen ellipsometrischen Messprinzipien gemeinsam ist die Anordnung der wesentlichen optischen Bauteile, das heißt entsprechend dem Lichtweg die Abfolge: Lichtquelle (Weißlicht, Laserlicht, Synchroton), Polarisator, Kompensator (Retarder), Probe, Analysator, Detektor). Man unterscheidet zwischen der Null-Ellipsometrie, die auf der Auslöschung des Signals basiert, der Phasen-Modulations-Ellipsometrie (PME), bei welcher der Kompensator als Modulator ausgeführt ist, und der Ellipsometrie mit rotierenden Komponenten, bei welcher entweder der Polarisator oder der Analysator rotiert.
Mit einer Messung, das heißt bei einer Wellenlänge und bei einem Einfallswinkel können grundsätzlich zwei voneinander unabhängige Parameter, wie z. B. die Schichtdicke h und der Brechungsindex n idealer Dielektrika (k = 0) oder aber die optischen Konstanten n und k eines nichttransparenten Schichtmaterials bestimmt werden, da für die senkrechte und parallele Polarisation zwei unabhängige Bestimmungsgleichungen zur Verfügung stehen. Spektroskopische Ellipsometer, die mit mehreren Wellenlängen arbeiten, können weitaus mehrere Parameter erfassen.
Es ist bereits ein ellipsometrisches Verfahren vorgeschlagen worden, mit dem es möglich ist, die physikalischen Eigenschaften mehrerer übereinander angeordneter Schichten zu ermitteln (US 5 784 167). Dieses Verfahren wird jedoch speziell bei Integrierten Schaltungen angewandt, die heute oft mehr als eine Schicht auf dem Substrat aufweisen.
Für Messungen an nicht metallisch beschichteten Gläsern sind Ellipsometer wenig geeignet, weil der Brechtwertunterschied zwischen Glas und der zu messenden Beschichtung oft zu gering ist. Die Nachweisgrenze von Schichtdicken hängt auch vom Kontrast im Brechungsindex des Schicht- und Substratmaterials ab. So ist zum Beispiel eine SiO₂-Schicht auf Quarzglas kaum messbar, weil der Unterschied im Brechungsindex zwischen Schicht- und Substratmaterial erst in der dritten Nachkommastelle auftritt. Dies gilt selbst bei sonst unkritischen Dicken zwischen λ_min/360 und 4λ_max. Eine SiO₂-Schicht (n_633nm = 1,46) auf Borosilikat-Glas (n_633nm = 1,52), also bei einem Unterschied im Brechungsindex von etwa 0,05, kann allerdings bei optimierten Messbedingungen noch sicher und mit hoher Genauigkeit vermessen werden (Uwe Beck, Ellipsometrie: Ein Reflexionsexperiment mit polarisiertem Licht, JOT 11/2000, S. XIV-XIX).
Um mit Hilfe der Ellipsometrie die optischen Größen h, n, k, ε₁, ε₂ etc. zu ermitteln, ist eine Modellierung erforderlich, die jedoch mittels Software durchführbar ist.
Damit Ellipsometer überhaupt für die Ermittlung der Eigenschaften dünner Schichten auf Glas verwendet werden können, werden Proben mit bekannten optischen Eigenschaften, z. B. Si-Wafer, eingesetzt, auf denen sich dann die Beschichtung niederschlägt. Der Brechwertunterschied zwischen der Beschichtung und dem Wafermaterial ist so groß, dass die optischen Parameter der Beschichtung leicht ermittelt werden können. Die erwähnten Proben werden in gleicher Weise beschichtet wie die Gläser. Kennt man die Eigenschaften der Beschichtung der Proben, z. B. von Proben aus Si, kann auf die Eigenschaften der Beschichtung von Gläsern rückgeschlossen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ellipsometrisches Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, die optischen Eigenschaften - z. B. Dicke, Brechwert, Extinktionskoeffizient etc. - von Beschichtungen zu ermitteln, die sich auf nicht-metallischen Substraten befinden.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9 gelöst.
Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung und ein Verfahren für die indirekte Bestimmung der physikalischen Eigenschaften dünner oxidischer Schichten auf einem nicht-metallischen Substrat mittels Ellipsometrie. Hierbei enthält die Vorrichtung eine Grundplatte, die aus dem gleichen Material besteht wie das nicht-metallische Substrat. Auf dieser Grundplatte ist dann eine metallische Schicht vorgesehen. Durch diese metallische Schicht wird der optische Kontrast zur später aufgebrachten oxidischen Schicht erhöht und damit die Ellipsometrie auch bei schwierigen oxidischen Schichten ermöglicht.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass eine schnelle und einfache Platzierung eines einzigen Messsubstrats für alle Messpunkte möglich ist. Außerdem kann das Messsubstrat schnell entnommen werden. Des Weiteren ist das thermische Verhalten des Messsubstrats während der Beschichtung identisch mit dem tatsächlichen Erzeugnis. Bei den zum Einsatz kommenden Ellipsometern kann es sich um die spektroskopische oder um die Mehr-Wellenlängen-Ellipsometer handeln.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer ellipsometrischen Erfassung der Parameter einer dünnen Schicht;
Fig. 2 eine Sputteranlage für die Beschichtung von Glas;
Fig. 3 mehrere mit einer Metallschicht versehene Glasstreifen, die aus einer Glasplatte herausgeschnitten wurden;
Fig. 4 eine Glasplatte mit mehreren Glasstreifen, die mit einer Metallschicht versehen sind.
In der Fig. 1 ist eine Messprobe 1 dargestellt, die aus einem Glassubstrat 2, einer Metallschicht 3 und einer Schicht 4 besteht, wobei die Schicht 4 derjenigen Schicht entspricht, die bei dem Endprodukt eines beschichteten Glases direkt auf diesem angeordnet ist.
Die Probe 1 unterscheidet sich somit von dem herzustellenden Endprodukt dadurch, dass es zu Messzwecken noch eine metallische Zwischenschicht besitzt. Diese Metallschicht 3 unterscheidet sich bezüglich des Brechungsindexes erheblich von der Schicht 4.
An dieser Probe 1 werden nach oder während des Beschichtungsvorgangs Messungen mittels eines Ellipsometers vorgenommen. Dieser Ellipsometer besteht aus mehreren Teilen, die oberhalb der Schicht 4 dargestellt sind.
Es handelt sich bei diesem Ellipsometer um ein so genanntes photometrisches Ellipsometer, das eine Lichtquelle 5, einen fest eingestellten Polarisator 6 und gegebenenfalls einen Kompensator 7 im Strahlengang 8 aufweist. Im Punkt 9 wird das Licht reflektiert und gelangt als Strahlengang 10 auf einen rotierenden Analysator 11 und von diesem auf einen Fotovervielfacher 12.
Dieser Fotovervielfacher misst die Intensität des Lichts in Abhängigkeit von der Winkeleinstellung des Analysators 11. Aus der gemessenen Intensitätsverteilung lassen sich die Stokes-Parameter berechnen.
Das photometrische Ellipsometer benötigt im Prinzip keinen Kompensator 7. Es ist jedoch sinnvoll, eine Messung mit und eine ohne Kompensator 7 durchzuführen, um den Einfluss des Rauschens zu eliminieren.
Das photometrische Ellipsometer unterscheidet sich vom spektroskopischen Ellipsometer dadurch, dass bei letzterem mit festem Einfallswinkel, aber verschiedenen Wellenlängen gearbeitet wird. Allerdings können auch spektroskopische Ellipsometer bei schwierigen Aufgabenstellungen zu Messungen bei verschiedenen Einfallswinkeln herangezogen werden. Moderne Rechner können die dabei anfallende große Datenmenge durchaus verarbeiten.
Bevor die Schicht 4 auf die Metallschicht 3 aufgesputtert wurde, wurden die optischen Konstanten n(λ) und k(λ) der Metallschicht 3 mit Hilfe des ellipsometrischen Verfahrens bestimmt.
Die Kenntnis dieser optischen Konstanten ist wichtig für die Auswertung der optischen Konstante der Schicht 4. Da die Konstante bezüglich des Brechungsindex' zwischen der Metallschicht 3 und der Schicht 4 groß ist, können die Parameter der Schicht 4 leicht ermittelt werden.
Wäre die obere Schicht 4 derart absorbierend, dass das Licht die darunter liegende Schicht 3 nur zu weniger als einem Prozent erreichte, wäre die untere Schicht ohne Belang. Dann wäre es aber auch nicht möglich, die Dicke der oberen Schicht zu ermitteln. Zur Ermittlung der Schichtdicke müssen sich zwei Reflexionen überlagern, d. h. es muss ein Signal von der Grenzfläche Luftobere Schicht vorliegen - was in der Praxis stets der Fall ist -, und es muss ein Signal von der Grenzfläche obere Schicht/untere Schicht vorliegen. Dieses letztgenannte Signal entsteht nur bei ausreichendem optischem Kontrast zwischen den Schichten.
In der Fig. 2 ist eine Sputteranordnung 13 dargestellt, mit der große Flächen aus Glas 14 beschichtet werden können. Sie weist eine Vakuumkammer 15 auf, in der sich zwei Magnetrons 16, 17 befinden. In den Seitenwänden 18, 19 der Vakuumkammer 15 sind obere Öffnungen 20, 21 und untere Öffnungen 22, 23 vorgesehen, wobei sich in den oberen Öffnungen 20, 21 Vakuumpumpen 24, 25 befinden, während die unteren Öffnungen 22, 23 zur Durchschleusung der Glassplatte durch die Vakuumkammer 15 dienen. Zwischen den unteren Öffnungen 22, 23 und den oberen Öffnungen 20, 21 befindet sich eine Blende 26, die von den Seitenwänden 18, 19 in das Innere der Vakuumkammer 15 ragt. Unterhalb dieser Blende 26 befindet sich eine Gaszuführung 27, 28, die über ein Ventil 29 mit Gasbehältern 30, 31 in Verbindung steht.
Die Magnetrons 16, 17 weisen jeweils eine Kathodenwanne 32, 33 auf, die auf ihrer Unterseite mit einem Target 34, 35 versehen ist. In den Kathodenwannen 32, 33 befinden sich jeweils drei Dauermagnete 36, 37, 38 bzw. 39, 40, 41, die mit einem gemeinsamen Joch 42 bzw. 43 verbunden sind. Die Kathodenwannen 32, 33 sind über Dichtungen 44, 45 in die Oberseite der Vakuumkammer 15 eingepasst. Beide Kathodenwannen 32, 33 sind mit einer Mittelfrequenz-Stromversorgung 46 verbunden, die ihrerseits mit einem Leistungsregler 47 verbunden ist, der über einen Digital-Analog- Wandler 48 von einem Rechner 49 gesteuert wird.
Um Proben mit einer Metallbeschichtung herzustellen, wird die Sputteranlage 13 in Betrieb genommen und nach einer bestimmten Zeit das Ventil 29 geschlossen. Die Sputteranlage arbeitet dann im metallischen Mode, d. h. es werden metallische Teilchen aus den Targets 34, 35 herausgeschlagen, die sich unmittelbar, d. h. ohne eine oxidische Verbindung einzugehen, auf der Glasscheibe 14 niederschlagen. Auf diese Weise erhält man mit der gleichen Sputteranlage 13, mit der auch die eigentliche Beschichtung des Glases erfolgt, ein Glas mit Metallbeschichtung. Als Metalle, die für eine Unterschicht brauchbar sind, kommen Ti, Al, Cr, NiCr, NiV, Cr, Zr, Ag und Ta in Frage. Weitere Metalle und Legierungen sind denkbar und möglich. Auch ist eine hochbrechende transparente Beschichtung, z. B. Ti₂O₅ einsetzbar, wenn eine niederbrechende obere Schicht charakterisiert werden soll.
In der Fig. 3 ist die Glasplatte 14 der Fig. 2 noch einmal dargestellt, allerdings aufgetrennt in mehrere Glasstreifen 50 bis 56, die mit jeweils einer Metallbeschichtung 57 bis 63 versehen sind.
Diese mit Metallbeschichtungen 57 bis 63 versehenen Glasstreifen 50 bis 56 werden nun auf eine unbeschichtete Glasplatte 64 in vorgegebenen Abständen gelegt, wie es die Fig. 4 zeigt. Die Glasplatte 64 mit den Glasstreifen wird dann in gleicher Weise wie die Glasplatte 14 durch die Sputteranlage 13 bewegt. Hierdurch wird sowohl auf den Metallschichten 57 bis 63 der Glasstreifen 50 bis 56 als auch auf der Glasplatte 14 eine oxidische Schicht abgelagert.
Wird die Glasplatte 64 in Richtung des Pfeils 65 transportiert, so ist oberhalb der Glasplatte 64 ein Ellipsometer angeordnet, das die physikalischen Eigenschaften der oxidischen Schichten ermittelt, die sich auf den Metallschichten 57 bis 63 abgelagert haben. Da dies dieselben oxidischen Schichten sind, die sich auch auf der Glasplatte 64 abgelagert haben, können die physikalischen Eigenschaften der oxidischen Schichten auf der Glasplatte 64 mittelbar gemessen werden.
Die Glasplatte 64 mit den Glasstreifen 50 bis 56 wird nur dann angehalten, wenn sich ein Glasstreifen unterhalb des Ellipsometers befindet.
Das vorstehend beschriebene Verfahren dient im Allgemeinen nur zur Kalibrierung einer Anlage, d. h. es ist nur bei der Inbetriebnahme einer Anlage oder zum Einstellen neuer Prozesse erforderlich. Bei der weiteren Beschichtung von Gläsern müssen keine neuen Messungen vorgenommen werden, sondern es genügt, die beim Kalibrierungsvorgang ermittelten Werte für die Steuerung der Anlage heranzuziehen. Es ist deshalb unerheblich, dass die Glasplatte 64 durch die Streifen 57 bis 63 während des Beschichtungsprozesses abgedeckt wird. Die Glasplatte 64 und die Streifen 57 bis 63 werden nach der Kalibrierung weggeworfen oder neu eingeschmolzen.
Die optischen Eigenschaften der aufgesputterten Schichten können außerhalb und innerhalb der Vakuumkammer ermittelt werden. In der echten Beschichtungszone, also unter dem Sputtertarget, wird jedoch in der Regel nicht gemessen. Am häufigsten wird die Messung unmittelbar hinter der Anlage vorgenommen, also schon in Luft.
Bei Anlagen mit mehreren Beschichtungsstationen - dem typischen InLine-Prozess - ist eine Messung nach einem kritischen Prozessschritt auch innerhalb der Anlage möglich. Bei Batch-Anlagen, wie z. B. in der Bandbeschichtung, ist eine Messung innerhalb der Anlage unumgänglich.
Vorstehend wurde als Substrat Glas genannt. Es versteht sich indessen, dass statt Glas auch - insbesondere transparente - Kunststoffe, z. B. Folien, als Substrat verwendet werden können. Als Target oder als Targets, die zur metallischen Beschichtung verwendet werden, können solche verwendet werden, die sich gerade in der Anlage befinden und geeignet sind; sie können z. B. aus Ti oder Cr bestehen. Auf diesen Metallen lässt sich jede dielektrische Schicht messen, z. B. eine Schicht aus TiO₂, CrO₂, Ta₂O₅, SiO₂ und andere.

Claims

1. Vorrichtung für die indirekte Bestimmung der physikalischen Eigenschaften dünner Schichten auf einem nicht-metallischen Substrat mittels Ellipsometrie, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grundplatte (2) aus dem gleichen Material wie das nicht-metallische Substrat (14) und auf dieser Grundplatte (2) eine metallische Schicht (4) vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünnen Schichten oxidische Schichten sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (4) aus einem Metall besteht, das spiegelnd glatt auf der Grundplatte (2) aufwächst.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (4) aus einem Metall besteht, das optisch langzeitstabil ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der metallischen Schicht (4) so groß ist, dass die Transmission kleiner als 5% ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (4) aus Titan besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtmetallische Substrat (2) Glas ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtmetallische Substrat (2) aus Kunststoff besteht.

9. Verfahren für die indirekte Bestimmung der physikalischen Eigenschaften dünner Schichten auf einem nicht-metallischen Substrat mittels Ellipsometrie, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) es wird wenigstens eine Messprobe (1), die eine Grundplatte (2) aufweist, die aus dem gleichen Material besteht wie das nicht-metallische Substrat (14), mit einer metallischen Schicht (3) versehen;

b) die wenigstens eine mit der metallischen Schicht (3) versehene Messprobe (1) wird zusammen mit dem nicht-metallischen Substrat (14) mit einem oxidischen Material (4) beschichtet;

c) die mit einer metallischen Schicht (3) und einer darauf befindlichen oxidischen Schicht versehene Messprobe (1) wird der Ellipsometrie unterworfen, wobei die physikalischen Eigenschaften der oxidischen Schicht (4) ermittelt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des nicht-metallischen Substrats (14) mit einem oxidischen Material mittels eines Sputterverfahrens erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Messprobe mit einem metallischen Material mittels eines Sputterverfahrens erfolgt, das im metallischen Mode betrieben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dünnen Schichten oxidische Schichten sind.