DE10361792B4

DE10361792B4 - Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke und der Krümmung von mindestens teilweise reflektierenden Oberflächen von Schichten und deren Verwendung

Info

Publication number: DE10361792B4
Application number: DE10361792A
Authority: DE
Inventors: Gunther Dr.rer.nat. Straßburger; Armin Dr.rer.nat. Dadgar; Alois Prof. Dr.rer.nat. habil. Krost
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2003-12-31
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2024-01-01
Also published as: DE10361792A1; DE20306904U1

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke und der Krümmung von mindestens teilweise reflektierenden Oberflächen von Schichten in einer Beschichtungsapparatur, insbesondere während der Schichtherstellung,
gekennzeichnet durch
a. Mittel zum Beleuchten der Schichtoberfläche mit mindestens zwei nahezu parallelen Lichtstrahlen,
b. die nahezu parallele Führung der einfallenden und der an der Schichtoberfläche reflektierten Lichtstrahlen in der Beschichtungsapparatur,
c. einen Strahlteiler zur Trennung der einfallenden und der an der Schichtoberfläche reflektierten Lichtstrahlen voneinander,
d. einen Zeilen- oder Flächendetektor, aus dessen Signalen sowohl der Abstand von mindestens zwei an der Schichtoberfläche reflektierten und auf den Detektor auftreffenden Lichtstrahlen als Maß für die Krümmung als auch die Intensität der an der Schicht reflektierten Lichtstrahlen oder deren Gesamtintensität als Maß für die Schichtdicke abgeleitet wird.

Description

Die Messung der Krümmung von Oberflächen kann bei Hetero- oder Mehrschichtsystemen zur Bestimmung der Schichtverspannung genutzt werden. Dies ist z. B. von besonderem Interesse bei der Abscheidung von stark gitter- oder thermisch fehlangepassten Halbleitermaterialien auf Heterosubstraten. Dabei kann z. B. die thermische Fehlanpassung solcher Schichten im Falle einer Zugverspannung zu einem Reißen der aufgebrachten Schicht führen, womit sie unbrauchbar wird. Möglichkeiten zur Rissreduktion beruhen meist auf der Kompensation der Zugverspannung durch das Einfügen kompressiv vorspannender Schichten. Dabei ist schon während des Wachstumsvorgangs die Kenntnis über die Spannungsverhältnisse wichtig, um am Ende möglichst unverspannte Schichten zu erhalten. Ohne eine in-situ Messung sind aufwendige Messreihen notwendig, die bei Änderung des Schichtaufbaus wiederholt werden müssen.

Durch die Messung der Probenkrümmung kann bei einer Schichtdicke, die deutlich geringer als das darunterliegende Substrat ist, aus der Stoney Gleichung [G.G. Stoney, Proc. Roy. Soc. London A 82, 172 (1909)] die Gesamtverspannung bestimmt werden, bei bekannter Schichtdicke auch die Verspannungsenergie z.B. pro Mikrometer. Dies gilt auch für Mehrschichtsysteme, wenn während des Abscheidungsvorgangs die Krümmung gemessen wird, woraus iterativ die Verspannung für jede einzelne Schicht bestimmt werden kann. Das Hauptproblem der Messung der Krümmung in Beschichtungsanlagen, wie z. B. der metallorganischen Gasphasenepitaxie, ist häufig die Zugänglichkeit. So kann nur optisch eine Messung ohne Beeinflussung des Wachstumsvorgangs erfolgen. Dabei bietet sich die Messung der Ablenkung eines Lichtstrahls an. Jedoch ist das häufig verwendete Abrastern der Probenoberfläche und das Messen der Ablenkung in der Regel nicht praktikabel, da dies zu lange dauert und die Geometrie solcher Aufbauten ein großes Fenster als optischen Zugang verlangen. In der US 005912738A wird ein Aufbau beschrieben, mit dem die Krümmung einer Probenoberfläche während der Schichtabscheidung gemessen werden kann. Dort wird mit einer Strahlgeometrie gearbeitet, die zwei Fenster oder ein sehr breites für den Strahlengang benötigt, da die ein- und ausfallenden Strahlen in einem Winkel zur Probenoberfläche stehen. Dies macht dieses System für eine Vielzahl von Beschichtungsanlagen unbrauchbar.

Ähnlich arbeiten auch die in der US 5 067 817 und der DE 696 22 896 T2 beschriebenen Verfahren zur Krümmungsmessung. Bei diesen wird die Winkeländerung zweier eng benachbarter Lichtstrahlen vor und nach der Reflexion an der Probenoberfläche mit positionsempfindlichen Lichtdetektoren bestimmt und daraus die Krümmung der Probenoberfläche ermittelt. Eine Möglichkeit zur gleichzeitigen Bestimmung der Schichtdicke ist jedoch nicht offenbart.

In der US 5 232 547 ist eine kombinierte Krümmungs- und Schichtdickenmessung beschrieben, wobei jedoch die Schichtdickenmessung mittels der relativ aufwendigen Ellipsometrie erfolgt. Ähnlich oder noch aufwändiger ist auch das in der US 5 648 849 beschriebene Verfahren, bei dem Morphologie und Dicke einer dünnen Schicht mittels interferometrischer Verfahren bestimmbar ist, was jedoch die Verwendung einer polychromatischen Lichtquelle und eines Monochromators voraussetzt.

Die vorliegende Erfindung löst nun nach Anspruch 1 das Problem der Zugänglichkeit durch eine nahezu parallele Strahlführung der zur Beleuchtung der Schichtoberfläche verwendeten und der an der Schichtoberfläche reflektierten Lichtstrahlen, wozu zur Trennung der ein- und ausfallenden Strahlen ein Strahlteiler eingesetzt wird.

Die Schichtdicke der wachsenden Schicht wird aus dem zeitlichen Verhalten der an der Schichtoberfläche reflektierten Intensität der Lichtpunkte oder der Gesamtintensität ermittelt, wobei diese Intensitätsmessung bei einer Wellenlänge bzw. in einem kleinen Wellenlängenintervall erfolgt. Diese Schichtdickenmessung nutzt den Effekt, dass es durch die Reflektion des Strahls an der Schichtober- und Unterseite, bzw. an inneren Grenzflächen der Schichtstruktur, zur teilweisen Auslöschung des reflektierten Lichtes infolge von Interferenz kommt. Daraus kann bei bekannter Wellenlänge und Dispersion die Schichtdicke während des Schichtwachstums bestimmt werden.

Die Krümmungsmessung erfolgt dabei durch die Messung des Abstands mindestens zweier Lichtpunkte, die z. B. durch die Aufteilung an einem zur Strahlrichtung gekippten Etalon nach Anspruch 2 entstehen können. Es ist aber auch die Verwendung mehrerer Lichtquellen, vorzugsweise Laser, nach Anspruch 3 oder von holographischen Gittern in Verbindung mit einem Laser nach Anspruch 4 denkbar. Wichtig ist dabei zur Bestimmung der Probenkrümmung die genaue Kenntnis der Geometrie des Strahlenverlaufs und der Divergenz der primär erzeugten Strahlen zueinander, die Idealerweise gleich oder nahe Null ist, um in engen Geometrien, also z. B. durch kleine Fenster hindurch die Messung durchführen zu können. Ansprüche 5 und 6 sind speziell bei der Verwendung eines zur Strahlrichtung gekippten Etalons hilfreich, eine hohe Signalintensität für die höheren Lichtpunktordnungen zu erzielen. Da für das Erzeugen einer Lichtpunktreihe oder eines Lichtpunktgitters viele Teilreflektionen notwendig sind, wird ein hochverspiegeltes Etalon verwendet. Dadurch werden aber über 95% des Lichts bei der ersten Reflektion auf der Etalonoberfläche reflektiert und stehen dann nicht mehr zur Verfügung. Um hohe Lichtintensitäten zu erzielen, wird nun dieses Licht mittels eine Spiegels wieder in das Etalon zurückreflektiert, womit entweder eine weitere intensive Lichtpunktreihe oder weitere Lichtpunkte erzeugt werden können. Bei geschickter Justage kann auch direkt die Intensität der sekundären und weiteren Lichtpunkte stark erhöht werden.

Die zur Bestimmung der Krümmung notwendige Kenntnis der Ablenkung der Lichtpunkte auf der Probenoberfläche wird durch das Messen der Lichtpunkte mit einem Zeilen- oder Flächendetektor vorgenommen. Bei rotierenden Proben ist ein Flächendetektor vorteilhaft, da sich hier die Lichtstrahlen durch Torkeln oder eine sehr starke Probenkrümmung in zwei Dimensionen verschieben können. Besonders geeignet ist hierbei ein CMOS Sensor, der die Aufnahme der Intensität logarithmisch vornehmen kann, wodurch die Hintergrundstrahlung, hervorgerufen von der Wärmestrahlung oder durch Raumlicht, durch die logarithmische Bewertung als schwächeres Signal ausgegeben und somit das Signal zu Rausch Verhältnis verbessert wird.

Anspruch 7 löst auch das Problem der thermischen Hintergrundstrahlung oder von Hintergrundlicht weitgehend. Um die unerwünschte Strahlung zu reduzieren, wird ein optischer Bandpass wie ein Kantenfilter oder ein dielektrischer Spiegel vor dem Detektor, wie z. B. Bauteil 7 in Zeichnung I, verwendet, der nur die Wellenlänge bzw. Wellenlängenbereiche der zur Messung dienenden Lichtstrahlen durchlässt. Hierbei sind auch Filter eingeschlossen, die als Tiefpass arbeiten, also nur langwellige Anteile abschneiden.

Durch das Messen der Hintergrundstrahlung nach Anspruch 8 bei Verwendung des Aufbaus mit oder ohne optischen Bandfilter oder, bei Verwendung eines optischen Bandfilters, vor bzw. neben dem Detektor kann die Oberflächentemperatur der Probe ermittelt werden, indem dazu entweder die gesamte Intensität herangezogen wird oder die Intensität bei einer oder mehreren Wellenlängen.

Die Auswertung erschwerende Einfach- oder Vielfachreflektionen treten häufig am Eintrittsfenster zur Apparatur auf, welches entweder nach Anspruch 9 bei der entsprechenden Wellenlänge entspiegelt sein kann oder nach Anspruch 10 leicht verkippt d.h. im Winkel von wenigen Grad z.B. 3° angebracht wird und so keine Rückreflektion in die Messapparatur mehr ermöglicht.

1 zeigt die mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der aus der Lichtquelle 1 austretende üblicherweise schwach divergente Laserstrahl wird hier durch eine Linse 2 möglichst auf den Detektor 8 fokussiert, um scharte Lichtpunkte zu erhalten. Die Strahlaufteilung erfolgt durch ein Etalon 3. Dabei kann durch einen zusätzlichen Spiegel 4 nach Anspruch 5 eine Verstärkung der Signalintensität der höheren Strahlordnungen erzielt oder es können nach Anspruch 6 zusätzliche Lichtpunkte auf der Probe erzeugt werden. In der Zeichnung I werden nach dem Etalon nur 2 Strahlen weiterverfolgt, die hinter dem Strahlteiler 5 auf die Probe 6 treffen. Ist die Probe, wie in der Zeichnung gezeigt, gekrümmt, so wird der nun divergente Strahl vom Strahlteiler Richtung Detektor 8 geleitet, wobei in diesem Fall noch durch einen Kantenfilter 7 die störende Hintergrundstrahlung ausgefiltert wird.
Durch die Führung der ein- und ausfallenden Strahlen können mit dieser Apparatur auch Krümmungsmessungen bei engen Geometrien durchgeführt werden, da Messöffnungen von 3–5 mm in den meisten Fällen ausreichen, damit auch die nach der Probe divergenten Strahlen auf den Detektor treffen.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform stellt neben vielen anderen Ausführungsmöglichkeiten nur eine mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.

Claims

Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke und der Krümmung von mindestens teilweise reflektierenden Oberflächen von Schichten in einer Beschichtungsapparatur, insbesondere während der Schichtherstellung, gekennzeichnet durch a. Mittel zum Beleuchten der Schichtoberfläche mit mindestens zwei nahezu parallelen Lichtstrahlen, b. die nahezu parallele Führung der einfallenden und der an der Schichtoberfläche reflektierten Lichtstrahlen in der Beschichtungsapparatur, c. einen Strahlteiler zur Trennung der einfallenden und der an der Schichtoberfläche reflektierten Lichtstrahlen voneinander, d. einen Zeilen- oder Flächendetektor, aus dessen Signalen sowohl der Abstand von mindestens zwei an der Schichtoberfläche reflektierten und auf den Detektor auftreffenden Lichtstrahlen als Maß für die Krümmung als auch die Intensität der an der Schicht reflektierten Lichtstrahlen oder deren Gesamtintensität als Maß für die Schichtdicke abgeleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Verwenden eines Etalons zur Aufspaltung und damit zur Erzeugung mehrerer Lichtstrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Verwenden von mehreren Lichtquellen zur Erzeugung mehrerer Lichtstrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Verwenden einer Beugungsanordnung oder eines holographischen Gitters, das ein Punkt- oder Linienmuster erzeugt, zur Erzeugung mehrerer Lichtstrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Spiegels zur Erhöhung der Lichtintensität durch Rückreflektion des ersten, am Etalon reflektierten, Strahls.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und/oder 5, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Spiegels zur Erzeugung einer oder mehrerer versetzter Lichtpunktlinien analog zu den primär erzeugten Lichtpunkten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines optischen Bandpasses im reflektierten Strahlengang.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Bestimmung der Oberflächentemperatur der zu vermessenden Schicht durch Messung der Hintergrundstrahlung.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einer Beschichtungsapparatur über ein entspiegeltes Eintrittsfenster.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einer Beschichtungsapparatur über ein Eintrittsfenster, das um wenige Grad gegenüber der Oberfläche der zu vermessenden Schicht verkippt ist.