DE19707645A1

DE19707645A1 - Verfahren zur Schichtdickenanalyse und stofflichen Konzentrationsbestimmung dünner Schichten

Info

Publication number: DE19707645A1
Application number: DE1997107645
Authority: DE
Inventors: Juergen Schroeder
Original assignee: Leybold AG; Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Current assignee: Applied Materials GmbH and Co KG
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 1998-08-27

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quanti tativen Schichtdickenbestimmung sowie der Konzen trationsbestimmung von Legierungsbestandteilen dünner, auf Substraten aufgebrachter Schichten.

Bei diesen Schichten handelt es sich um mittels vakuumgestützter Plasmaverfahren auf festen, mas siven Werkstücken oder auf aus Folienträgern be stehenden Substraten aufgetragenen Einzelschichten oder Schichtsystemen, welche eine Gesamtschichtdicke kleiner als 10 µm besitzen. Die auf Foliensubstraten aufgetragenen Schichten werden z. B. zur Herstellung von Folienkondensato ren, insbesondere Wickelkondensatoren, verwendet. Die Schichten bestehen hierbei z. B. aus einer Aluminium/Zink-Legierung, die auf einer Kunst stoffolie, z. B. auf einer Polypropylenfolie, zur Bildung einer homogenen Einzelschicht aus der Dampfphase abgeschieden wird. Um eine einwand freie Funktion der Aluminium/Zink-Schichten z. B. als Folienkondensatoren zu gewährleisten, ist ei ne genaue Kenntnis der Schichtdicke sowie des Aluminium/Zink-Mengenverhältnisses während des Aufdampfens, und zur späteren Kontrolle der auf getragenen Aluminium/Zink-Schicht erforderlich. Als bekanntes Verfahren zur Messung sowohl der Schichtdicke aber auch der Legierungsanteile von aufgedampften dünnen Schichten hat sich die ana lytische Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) eta bliert, wie z. B. in der Literatur von W. J. Price in "Analytical Atomic Absorption Spectrome try", 1972, Hyden & Sons Ldt., beschrieben. Dieses Verfahren ist jedoch apparativ und auch in seiner Durchführung sehr aufwendig und kostenin tensiv und damit nur eingeschränkt verwendbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Ver fahren zur Bestimmung der Schichtdicke und des Konzentrationsgehaltes von auf Substraten aufge brachten dünnen Schichten anzugeben, welches zu verlässig, sowie in einfacher Weise und kostengünstig anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen angegeben.

Zur Bestimmung der Schichtdicke einer auf einem Substrat aufgebrachten dünnen Schicht sind gemäß Patentanspruch 1 mehrere Verfahrensschritte vor gesehen. Zunächst wird mittels des Verfahrens der Atomabsorptionsspektralanalyse die jeweilige Schichtdicke von mindestens zwei unterschiedlich dicken Schichten, bestehend aus demselben Schich tenmaterial, bestimmt. Anschließend werden die zwei unterschiedlich dicken Schichten mit hierzu geeigneten Vorrichtungen einem Teilchenbeschuß oder der Einwirkung elektromagnetischer Strah lung, vorzugsweise von Röntgenstrahlung, ausge setzt, wodurch die einzelnen Schichten zur Emission ihrer elementspezifischen, charakteri stischen Röntgenstrahlung angeregt werden. Diese charakteristische Röntgenstrahlung wird mittels geeigneter, energiedispersiver bzw. wellenlängen dispersiver Strahlungsdetektoren, z. B. elektri schen Halbleiterspektrometern wie SiLi- Detektoren, durch Bestimmung der zugehörigen Röntgenzählraten in z. B. einer EDX(Energy Disper sive x-ray-analysis)-Apparatur gemessen. Unter Kenntnis der mit dem Atomabsorptionsspektralana lyseverfahren ermittelten Schichtdicken d₁ und d₂ sowie den zugehörigen charakteristischen Röntgen strahlungszählraten n₁ und n₂ werden schichtenma terialabhängige Konstanten a und b gemäß folgender Gleichungen bestimmt:

Zur Bestimmung der unbekannten Schichtendicke D einer gegebenen Schicht S, z. B. einer Aluminium oder Zinkschicht, welche auf einer Folie aufge dampft wurde, wird diese in bekannter Weise zur Emission ihrer charakteristischen Röntgenstrah lung angeregt. Die dabei emittierte Strahlungsin tensität wird als Röntgenstrahlungszählrate N mittels eines energie- oder wellenlängensensiti ven Strahlungsdetektors nachgewiesen. Die gesuch te Dicke D der derartig untersuchten Schicht S ergibt sich dann in überraschend einfacher Weise aus dem linearen D(N) Verlauf in zu:

D = a × N + b (2)

Besonders vorteilhaft für dieses Verfahrens ist, daß nach einmalig vorgenommener Standardisierung der für die Schichtdickenmessung mittels Röntgen strahlungsspektroskopie verwendeten Einrichtung, z. B. der EDX-Apparatur, weitere Schichtdickenmes sungen an stofflich gleichen Schichten den Ein satz der herkömmlichen kostenintensiven Atomabsorptionsspektralanalyse nicht mehr benöti gen. Dies ermöglicht insbesondere eine kostengün stige Bestimmung von Schichtdicken im Bereich zwischen 10 nm und 100 nm.

Ein weiterer Vorteil des vorgenannten Verfahrens ist, daß mit der hierfür benötigten, zur Analyse der verwendeten Röntgenstrahlung benötigten Appa ratur auch die quantitative, stoffliche Zusammen setzung von auf Substraten aufgebrachten dünnen Schichten möglich ist. Hierzu wird das im An spruch 2 angegebene Verfahren vorgeschlagen, wel ches die folgenden Verfahrensschritte umfaßt. Mittels des Atomabsorptionsspektralanalyseverfah rens werden zunächst die unterschiedlichen Kon zentrationen der einzelnen Stoffkomponenten, be zeichnet mit dem Index -i-, welche in mindestens zwei einzelnen Schichten S_1i und S_2i enthalten ist, bestimmt. Anschließend werden die Schichten S_1i und S_2i einem Teilchenbeschuß, z. B. energeti schen Elektronen mit einer Energie von E_kin = 5KeV oder energetischer elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Röntgenstrahlung ausreichender Ener gie ausgesetzt, wodurch der zuvor in seiner quan titativen Menge mittels der Atomabsorptionsspektralanalyse untersuchte i-te Legierungsbestandteil der Schichten S_1i und S_2i zur Emission seiner charakteristischen Röntgen strahlung durch induzierte Fluoriszenzemission angeregt wird. Die Bestimmung der Strahlungsin tensität der charakteristischen Röntgenstrahlung des nachzuweisenden Elements erfolgt durch Mes sung der jeweiligen Röntgenzählraten n_1i bzw. n_2i mit einem geeigneten energie- bzw. wellenlängen dispersiven Strahlungsdetektor. Unter Verwendung der wie folgt anzugebenden elementspezifischen Konstanten a_i und b_i:

wird zur Bestimmung der interessierenden, unbe kannten Konzentration C_i einer Legierungskompo nente -i- in einer dünnen Schicht S, welche insgesamt k zu bestimmende Legierungsanteile ent hält, diese in bekannter Weise zur Emission ih rer charakteristischen Röntgenstrahlung z. B. durch Teilchenbeschuß, vorzugsweise mit energeti schen Elektronen angeregt. Die der Probe entwei chende charakteristische, elementspezifische Röntgenstrahlung wird mittels geeigneter, z. B. energiedispersiver, Strahlungsdetektoren gemessen und die in der Schicht S enthaltene Elementkon zentration C_i unter Verwendung der jeweiligen, zum i-ten Element gemessenen Röntgenzählrate N_i sowie der Konstanten a_i und b_i nach Gleichung (5) wie folgt bestimmt:

Weiterhin wird im Rahmen der Erfindung ein Ver fahren angegeben, mit welchem auch die Gesamt schichtdicke D_GS einer aus einer mehrkomponentigen Legierung bestehenden dünnen Schicht, welche insgesamt k unterschiedliche Le gierungsbestandteile enthält, zu ermitteln ist. Hierzu werden, wie in Patentanspruch 3 angegeben, zunächst mit dem Atomabsorptionsspektralanalyse verfahren die k elementspezifischen Konstanten a_{1,. .,k}und b_{1,. .,k} bestimmt. Anschließend wird die Legierungsschicht zur Anregung der charakteristi schen Röntgenstrahlung der in ihr enthaltenen Le gierungskomponenten z. B. durch Elektronenbeschuß angeregt und die Zählraten der emittierten Rönt genquanten mittels geeigneter, bekannter Röntgen strahlungsdetektoren gemessen. Unter Verwendung der den einzelnen Elementen zuzuordnenden Rönt genzählraten N_{i=1,. .,k} der charakteristischen Rönt genstrahlung werden für die einzelnen Legierungskomponenten einzelne Schichtdicken D_{i=1,. .,k} gemäß Gleichung (6) wie folgt berechnet:

D_i = a_i × N_i + b_i (6)

Die D_i entsprechen dabei nicht realen geometri schen Einzelschichtdicken, sondern stellen einen, einer realen geometrischen Einzelschicht äquiva lenten Meßwert eines Legierungsanteils wieder. Die zu bestimmende Gesamtschichtdicke D_GS der Schicht S ergibt sich dann durch Summe über die Einzelschichtdicken D_i, gemäß:

In sämtlichen, erfindungsgemäßen Verfahrens schritten, bei welchen die Schichten zur Emissi on ihrer charakteristischen Röntgenstrahlung angeregt werden, befinden sich diese auf dem Substrat in einer zur Messung der Röntgenstrah lungszählraten in bekannter Weise geeigneten Vor richtung, z. B. einer EDX-Apparatur, wobei die zu analysierenden Schichten unter Vakuum bei Unter druck gehalten werden.

Mit den in den Ansprüchen 1 bis 3 vorgeschlagenen Verfahren sind vorteilhaft Schichtdicken zwischen 10 nm und 30 nm, insbesondere zwischen 17 nm und 24 nm auf +/- 1 nm genau bestimmbar. Weiterhin hat sich gezeigt, daß sich mit den im Anspruch 2 vorgeschlagenen Verfahren der Aluminium-Gehalt einer dünnen, auf einer Polypropylenfolie aufge dampften dünnen Schicht, welche aus einer Al/Zn- Legierung besteht, sich im Bereich zwischen 1 und 20 Gewichtsprozent (Gew.-%) bis auf +/- 0,5 Gew.-% genau bestimmen läßt (siehe Patentanspruch 4).

Im weiteren wird die Erfindung anhand eines be vorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer auf ei nem Substrat aufgebrachten Schicht;

Fig. 2 die Abhängigkeit der Zählrate N_Al der Al-K_α-Linie von der Al-Schichtdicke;

Fig. 3 die Abhängigkeit der Zählrate N_Al der Zn-L_α-Linie von der Zn-Schichtdicke und

Fig. 4 den Verlauf der Einzelelementkonzentra tion C₁ als Funktion der Zählrate n₁ der gemessenen zugehörigen charakteristi schen Röntgenstrahlung.

In Fig. 1 ist eine auf einem Substrat 2, z. B. mittels eines vakuumgestützten Aufdampfverfahrens aufgebrachte dünne Schicht S im Querschnittspro fil dargestellt. Die Schicht S selbst besteht aus einer binären Al/Zn-Legierung, die als Al/Zn- Dampfgemisch auf dem aus Polypropylen bestehenden Substrat 2 in einer Unterdruck aufweisenden in der Figur nicht dargestellten Prozeßkammer aufge dampft wird.

Zur Bestimmung der Gesamtschichtdicke D sind zu nächst die den einzelnen Legierungsbestandteilen, hier Al bzw. Zn zukommenden Einzelschichtdicken d_Al bzw. d_Zn zu bestimmen. Hierzu werden zunächst mit Schichtproben, welche einen definierten Alu minium- bzw. Zink-Gehalt aufweisen, die zur wei teren Verwendung vorgesehene Meßapparatur zur Bestimmung der charakteristischen Röntgenstrah lung dünner Schichten kalibriert. Diese Kalibrie rung erfolgt unter Bestimmung der aus dem Atomab sorptionsspektralanalyseverfahren ermittelten Schichtdicken einer Aluminiumschicht bzw. einer Zinkschicht. Unter Verwendung der derartig ermit telten Konstanten a_Al sowie b_Al bzw. a_Zn und b_Zn, welche sich aus den gemessenen Schichtdicken d_Al,1; d_Zn,1; d_Al,2; d_Zn,2 sowie den charakteristi schen Röntgenzählraten n_Al,1, n_Al,2, n_Zn,1, n_Zn,2 erge ben zu:

ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen einer zu bestimmenden Einzelschichtdicke d_Al und d_Zn und der Zählrate N_AL bzw. N_Zn. In Fig. 2 ist als Funktion der gemessene Aluminium-Zählrate N_Al (Impulse/Sek.), die nach Gleichung:

d_Al = a_Al × N_Al + b_Al (6)

sich ergebene Einzelschichtdicke d_Al des Alumini umanteils und in Fig. 3 die Einzelschichtdicke d_Zn des Zinkanteils analog als Funktion der ge messenen Zählrate N_Zn (Impulse/Sek.) der charak teristischen Röntgenstrahlungsübergangslinie Al- K_α (e: 1440. . .1540 eV) bzw. Zn-L_α (e: 970. . .1070 eV) aufgetragen.

Deutlich ist aus den Fig. 2 und 3 die in Glei chung (6) vorgegebene lineare Abhängigkeit zwi schen den Einzelschichtdicken d_Al, d_Zn und den gemessenen Röntgenzählraten ersichtlich. Die Ge samtschichtdicke D_Al/Zn ergibt sich aus den gemes senen Zählraten N_Al und N_Zn zu:

d_Al/Zn = d_Al + d_Al (7)

Der in den Fig. 2 und 3 jeweils eingezeichnete Geradenverlauf gibt die Regressionsgerade unter Verwendung der geometrisch eingezeichneten Daten punkte wieder.

Die Bestimmung der Einzelkonzentration einer aus einer Al/Zn-Legierung bestehenden dünnen Schicht ergibt sich aus den in Fig. 4 aufgetragenen Kon zentrationswerten C₁ als Funktion der zugehörigen Zählraten der charakteristischen Röntgenstrahlung n₁. Hierzu wird zunächst die zu verwendende zur Messung der charakteristischen Röntgenstrahlung zu verwendende Meßvorrichtung zur Bestimmung der elementspezifischen Faktoren a_i und b_i an bekann ten Standards mittels des Atomabsortionsspektral analyseverfahrens vermessen. Unter Kenntnis der zugehörigen elementspezifischen und apparativ festgelegten Konstanten a_Al, b_Al sowie a_Zn und b_Zn ergibt sich der in Fig. 4 dargestellte lineare Verlauf einer Einzelelementkonzentration C₁ als Funktion der zugehörigen elementspezifischen Zählrate n₁ der zugehörigen charakteristischen Röntgenstrahlung.

Die in Fig. 4 eingezeichnete Gerade stellt die Regressionsgerade dar, die die lineare Abhängig keit zwischen der Einzelelementkonzentration C₁ und der zugehörigen Zählrate n₁ verdeutlicht.

Die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Meßdaten wurden unter Verwendung von insgesamt 17 aus je weils einer mit einer Al/Zn-Legierungsschicht be dampften Polypropylenfolie gemessen. Die charakteristische Röntgenstrahlung wurde mittels einer EDX-Apparatur nachgewiesen, wobei zur Fluo reszenzanregung der dünnen Schichten energetische Elektronen mit einer Energie von 5 keV verwendet werden. Aus den derartig gewonnenen Meßdaten wer den die Gesamtschichtdicken der jeweiligen Al/Zn- Legierungsschichten im Bereich zwischen 17 nm und 24 nm bis auf +/- 1 nm genau vermessen.

Die Aluminium-Konzentration ergibt sich dabei zwischen 1 und 16 Gewichtsprozenten mit einer Ge nauigkeit von +/- 0,5 Gewichtsprozenten.

Bezugszeichenliste

2

Substrat
S dünne Schicht
D Gesamtschichtdicke
d_Al

Schichtdicke der Legie rungskomponente Aluminium
d_Zn

Schichtdicke der Legie rungskomponente Zink
C₁

Einzelkonzentration für Ma terial Nr. 1

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke (D) einer gegebenen, auf einem Substrat (2) aufgebrachten dünnen Schicht (S), welches folgende Verfahrensschritte umfaßt:

- Bestimmung der jeweiligen Schichtdicke d₁ und d₂ von mindestens zwei unterschiedlich dicken Schichten s₁ und s₂, welche aus demselben Schichtmaterial bestehen, mit tels des Atomabsorptionsspektralanalyse verfahrens;
- Anregen der Schichten s₁ und s₂ bekannter Schichtdicken d₁ und d₂ mittels Teilchen- oder elektromagnetischer Strahlung, vor zugsweise Röntgenstrahlung, wodurch in den Schichten s₁ und s₂ die Emission cha rakteristischer schichtenspezifischer Röntgenstrahlung induziert wird, deren Strahlungsintensität mittels geeigneter energiedispersiver bzw. wellenlängendis persiver Röntgenfluoreszenzstrahlungsde tektoren durch Bestimmung der zugehörigen Röntgenzählraten n₁ und n₂ gemessen wird, aus welchen schichtenmaterialabhängige Konstanten a und b wie folgt bestimmt werden:
- und wobei die zu bestimmende Schichten dicke (D) der Schicht (S) durch Teilchen beschuß oder durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung, vorzugs weise von Röntgenstrahlung, zur Emission ihrer charakteristischen Röntgenstrahlung angeregt wird, welche mittels geeigneter energiedispersiver oder wellenlängendis persiver Röntgenstrahlungsdetektoren durch Messung der zugehörigen Röntgen strahlungszählraten N nachgewiesen wird und wobei sich die gesuchte Dicke D der Schicht S ergibt zu:
D = a × N + b

2. Verfahren zur Bestimmung der quantitativen, stofflichen Zusammensetzung einer gegebenen auf einem Substrat (2) aufgebrachten dünnen Schicht (S), welches folgende Verfahrens schritte umfaßt:

- Bestimmung der jeweiligen Elementkonzen tration c_1i und c_2i von mindestens zwei unterschiedliche Stoffkonzentrationen ei nes Elements (i) aufweisende Schichten s_1i und s_2i welche eine im wesentlichen iden tische Schichtdicke aufweisen, mittels des Atomabsorptionsspektralanalyseverfah rens;
- Anregung der Schichten s_1i und s_2i bekann ter Elementkonzentrationen c_1i und c_2i mit tels Teilchenbeschuß oder elektroma gnetischer Strahlung, vorzugsweise Rönt genstrahlung, wodurch die Emission charak teristischer Röntgenstrahlung in den Schichten s_1i und s_2i induziert wird, deren Intensität mittels geeigneter ener giedispersiver bzw. wellenlängendispersi ver Röntgenfluoreszenzstrah lungsdetektoren durch Messung der zugehö rigen Röntgenzählraten n_1i und n_2i gemessen wird, aus welchen die von der jeweiligen Schichtendicke abhängigen elementspezifi schen Konstanten a_i und b_i wie folgt be stimmt werden:
Anregung der gegebenen, aus einer mehr komponentigen Legierung, vorzugsweise bi nären Legierung bestehenden Schicht S, wel che insgesamt k unterschiedliche Le gierungsbestandteile enthält, durch Teil chenbeschuß oder mit elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Röntgenstrahlung, wodurch die in der Schicht S enthaltenen k Elemente zur Emission ihrer charakteri stischen Röntgenstrahlung angeregt werden, welche jeweils mittels geeigneter energie dispersiver bzw. wellenlängensensitiver Röntgenstrahlungsdetektoren nachgewiesen werden, wobei zur Bestimmung der Strahlungs intensität der charakteristischen Röntgen strahlung die elementspezifischen Röntgenstrahlungszählraten N_i gemessen wer den, und wobei die in der Schicht S enthal tene Elementkonzentration C_i wie folgt bestimmt wird:

3. Verfahren nach Anspruch 1, welches zur Be stimmung der Gesamtschichtdicke D_ges einer aus einer mehrkomponentigen Legierung, vor zugsweise binären Legierung, bestehenden Schicht, welche insgesamt k unterschiedliche Legierungsbestandteile enthält, folgende Verfahrensschritte aufweist:

- Bestimmung der elementspezifischen Kon stanten a_i und b_i, insbesondere nach An spruch 2 mit dem Atomabsorptionsanalyse verfahren;
- Bestimmung der den einzelnen Legierungs komponenten entsprechenden Einzelschicht dicken D_i gemäß:
D_i = a_i × N_i + b_i
wobei die elementspezifische Strahlungs intensität durch Messung der durch Teil chenbeschuß oder Anregung mit elektroma gnetischer Strahlung induzierte charakte ristischen Röntgenzählrate N_i der charak teristischen Röntgenstrahlung mittels einer geeigneten Detektoreinrichtung ge messen wird und wobei
- die Gesamtschichtdicke D_ges
bestimmt wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (S) aus einer Aluminium/Zink- Legierung besteht, welche eine Gesamt schichtdicke D_ges zwischen 10 nm und 30 nm und einen Aluminium-Gehalt zwischen 1 Gew.-% und 20 Gew.-% aufweist.