DE19723729A1 - Determining layer properties during deposition or etching - Google Patents

Determining layer properties during deposition or etching

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Abstract

In a process for determining the wavelength-dependent refractive index, the absorption characteristic, the absolute thickness and the growth or removal rate during layer growth on or removal from a substrate, the light intensity of the processing medium (preferably a plasma or ion beam) is selected according to wavelength and detected at several wavelengths simultaneously or in rapid succession, the wafer being visible at least at one of the wavelengths, so that a portion of the detected intensity at the layer and the underlying substrate is modulated by interference effects. Also claimed are measuring systems for carrying out the above process.

Description

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Brechungsindex und der Absorptionskonstanten von Materialien die mit Hilfe von Plasmen oder Ionenstrahlen oder anderen elektromagnetische Strahlung emittierende Medien abgeschiedenen oder abgetragenen werden. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung beruht darauf, daß das vom Plasma (Ionenstrahl) emittierte und von der Waferoberfläche reflektierte Licht während des Prozesses auf mehreren Wellenlängen gleichzeitig nachgewiesen wird. Aus der Wellenlängenabhängigkeit der aufgrund von Interferenzen entstehenden Modulationsfrequenz kann auf das Wellenlängenverhalten des Brechungsindex geschlossen werden. Aus dem wellenlängenabhängigen Modulationsgrad läßt sich die Absorptionskonstante als Funktion der Wellenlänge ermitteln. Weiter läßt sich die absolute Dicke der bearbeiteten Materialien bestimmen. A method and a device for determining the Refractive index and the absorption constant of materials with the help of plasmas or ion beams or other electromagnetic Radiation-emitting media can be deposited or removed. The method or the device is based on the fact that the plasma (Ion beam) emitted and reflected from the wafer surface during the process on several wavelengths simultaneously is proven. From the wavelength dependence due to Interference resulting modulation frequency can on the Wavelength behavior of the refractive index can be concluded. From the the absorption constant depending on the wavelength as a function of wavelength. The absolute thickness can be further determine the processed materials.  

Beschreibungdescription

Plasma oder ionenstrahlunterstützte Bearbeitungsvorgänge werden sowohl zum Abtragen von Material als auch zum Auftragen von Material bzw. Beschichten von Halbleiter-, Metall-, Glas-, oder Kunstoffsubstraten verwendet. Die vorstehend genannten Materialien werden im folgenden unter dem Begriff Wafer zusammengefaßt.Plasma or ion beam assisted machining operations are both for removing material as well as for applying material or Coating of semiconductor, metal, glass, or plastic substrates used. The above materials are as follows summarized under the term wafer.

Bearbeitungsvorgänge bei denen Material abgetragen wird können beispielsweise "reaktives Ionenätzen" (RIE), Ionenstrahlätzen IBE oder reaktives Ionenstrahlätzen RIBE sein. Vorgänge bei denen Schichten aufgetragen werden sind zum Beispiel, plasmaunterstütztes Beschichten PECVD oder Ionenstrahl-unterstütztes Beschichten.Processing operations in which material can be removed for example "reactive ion etching" (RIE), ion beam etching IBE or RIBE reactive ion beam etching. Operations where layers for example, plasma-assisted coating PECVD or ion beam assisted coating.

Eine Kontrolle der Schichteigenschaften ist bei diesen Verfahren von großem Interesse. Insbesondere bei Beschichtungsvorgängen optischer Materialien ist es sehr wichtig die Eigenschaften des aufgetragenen Materials zu messen. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die Messung in-situ, d. h. während des Prozesses, erfolgt. Im Falle ungenügender Qualität der Schichten können dann die Prozeßparameter sofort variiert werden. Auf diese Weise ist es möglich sehr schnell einen optimierten Prozeß zu entwickeln. Auf der anderen Seite läßt sich in industriellen Fertigungsverfahren auf diese Weise eine sehr effektive Qualitätskontrolle erzielen.Control of the layer properties is of great importance in these processes Interest. Especially when coating processes of optical materials it is very important to measure the properties of the applied material. It is particularly advantageous if the measurement in-situ, i. H. while of the process. In case of insufficient quality of the layers can then the process parameters can be varied immediately. That way it is possible to develop an optimized process very quickly. On the on the other hand can be used in industrial manufacturing processes in this way achieve a very effective quality control.

Gegenwärtig werden zur Bestimmung von Schichteigenschaften wie des Brechungsindex n oder der Absorptionskonstanten α ellipsometrische Verfahren verwendet. Hierbei wird der Wafer mit polarisiertem Licht bestrahlt und das reflektierte Licht hinsichtlich seines Polarisationszustandes vermessen. Mit Hilfe einers relativ komplexen Auswerteverfahrens lassen sich dann die genannten Größen ermitteln.Currently, for the determination of layer properties such as the Refractive index n or the absorption constant α ellipsometric Procedure used. Here, the wafer with polarized light irradiated and the reflected light with regard to its polarization state measured. With the help of a relatively complex evaluation procedure then determine the sizes mentioned.

Obwohl mit Hilfe von Ellipsometern oft sehr genaue Schichtdaten erzielbar sind, sind dem Einsatz in der Praxis jedoch Grenzen gesetzt. Um eine in-situ-Kontrolle zu ermöglichen müssen Lichtsender und Lichtdetektor so an der Beschichtungsanlage angebracht werden, daß Einstrahl und Detektionsrichtung gegenüberliegend unter einem Winkel von etwa 70° bezogen auf die Wafernormale angebracht werden. Das heißt es werden zwei entsprechend genau zueinander justierte Sichtfenster benötigt. Dies ist insbesondere an Fertigungsanlagen oft aus geometrischen Gründen nicht möglich, so daß eine ellipsometrischer Analyse in der Regel erst im Anschluß an den Prozeß erfolgen kann.Although very precise slice data can often be obtained using ellipsometers there are limits to its use in practice. In order to enable in-situ control, the light transmitter and light detector must be connected to the Coating system can be installed that single jet and Detection direction opposite at an angle of approximately 70 ° based on the wafer standards. That is to say  two viewing windows adjusted exactly to each other. This is especially on production lines, often not for geometrical reasons possible, so that an ellipsometric analysis usually only afterwards can be done to the process.

Mit dem im folgenden beschriebene Verfahren und Vorrichtung lassen sich erfindungsgemäß n und α ohne Zuhilfenahme externer Lichtquellen bestimmen:
Die o. g. Daten werden aus der Analyse des Intensitätsverhaltens des vom Plasma (Ionenstrahl) emittierten und an der Oberfläche reflektierten Plasmalichtes gewonnen, d. h. es wird nur ein optischer Zugang benötigt. . Der Detektionswinkel ist dabei in einem weiten Bereich von etwa 0° bis etwa 80° variabel.With the method and device described below, n and α can be determined according to the invention without the aid of external light sources:
The above Data are obtained from the analysis of the intensity behavior of the plasma light emitted by the plasma (ion beam) and reflected on the surface, ie only optical access is required. . The detection angle is variable in a wide range from approximately 0 ° to approximately 80 °.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Abb. 1 skizziert:
Positioniert man einen Detektor an einem Beschichtungs- oder Ätzplasma dergestalt, daß dessen Sichtlinie in einem Winkel ß zur Oberflächennormale positioniert ist, so ist - wie in Ref. 1 beschrieben - das mit Hilfe eines wellenselektiven Elementes (Interferenzfilter, Prisma, Gitter, etc.) monochromatisierte Licht mit einer Frequenz moduliert, aus der sich die Rate (d. h. die Geschwindigkeit) des Materialauftrags bzw. des Materialabtrags bestimmen läßt. Verändert sich die Dicke einer dem Plasma (Ionenstrahl) ausgesetzten Schicht mit Brechungsindex n (Brechungsindizes der angrenzenden Medien n' und n'' ergibt sich die Rate R nach folgender Formel
The principle of the method according to the invention is outlined in Fig. 1:
If a detector is positioned on a coating or etching plasma in such a way that its line of sight is positioned at an angle β to the surface normal, this is - as described in Ref. 1 - using a wave-selective element (interference filter, prism, grating, etc.) monochromatized light modulated at a frequency from which the rate (ie the speed) of the material application or material removal can be determined. If the thickness of a layer exposed to the plasma (ion beam) with a refractive index n (refractive indices of the adjacent media n 'and n''changes, the rate R results according to the following formula

R = (λ/2T) (n2-sin2β)-0.5 (1)
R = (λ / 2T) (n 2 -sin 2 β) -0.5 (1)

mit λ = Wellenlänge, T-1 = Frequenz des modulierten Signals, β = Beobachtungswinkel.with λ = wavelength, T -1 = frequency of the modulated signal, β = observation angle.

Zur Beschreibung dieses Verfahrens s. "F. Heinrich, Deutsches Patent Nr. 39 10 49 (1990)"To describe this method see. "F. Heinrich, German patent No. 39 10 49 (1990) "

Bestimmung des wellenlängenabhängigen BrechungsindexDetermination of the wavelength-dependent refractive index

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen den wellenlängenabhängigen Brechungsindex (Dispersion) aus der in Abb. 1 gezeigten prinzipiellen Anordnung zu bestimmen:
Dazu wird das vom Plasma emittierte Licht nicht nur auf einer Wellenlänge, sondern auf mehreren Wellenlängen gleichzeitig nachgewiesen.According to the invention, it is proposed to determine the wavelength-dependent refractive index (dispersion) from the basic arrangement shown in Fig. 1:
For this purpose, the light emitted by the plasma is detected not only on one wavelength, but on several wavelengths at the same time.

Ein möglicher Meßaufbau ist in Abb. 2 gezeigt:
Das Plasmalicht wird mit Hilfe eines Lichtleitfaserbündels, dem optional eine Optik (zur Abbildung oder Reduktion des Detektionswinkelbereichs) vorgeschaltet werden kann unter einem Winkel von β = 0° nachgewiesen. Auf der Detektorseite wird das Faserbündel in mehrere Teilbündel (Anzahl z) aufgesplittet. Das aus den Teilbündeln austretende Licht wird mit Hilfe von optischen Filtern (z. B. Interferenzfiltern, Gitterspektrografen, Prismenspektrografen oder anderen welenselektiven Elementen) monochromatisiert und in getrennten Detektoren (z. B. Photomultipliern, Photodioden, CCD-Zeilen oder anderen Lichtdetektoren) gleichzeitig oder in schneller zeitlicher Folge (quasigleichzeitig) nachgewiesen.A possible measurement setup is shown in Fig. 2:
The plasma light is detected with the help of an optical fiber bundle, which can optionally be preceded by optics (for imaging or reducing the detection angle range) at an angle of β = 0 °. On the detector side, the fiber bundle is split into several sub-bundles (number z). The light emerging from the sub-bundles is monochromatized with the aid of optical filters (e.g. interference filters, grating spectrographs, prism spectrographs or other world-selective elements) and in separate detectors (e.g. photomultipliers, photodiodes, CCD lines or other light detectors) simultaneously or demonstrated in quick succession (quasi-simultaneous).

Damit erhält man eine Anzahl von z unter verschiedenen Wellenlängen aufgenommenen Interferenzsignalen. Ist der im Sichtfeld des Faserbündels befindliche Oberflächenbereich hinreichend klein, kann die Auf- bzw. Abtragsrate als konstant angesehen werden und man erhält
This gives a number of interference signals recorded at z under different wavelengths. If the surface area in the field of view of the fiber bundle is sufficiently small, the application or removal rate can be regarded as constant and one obtains

R = λ1/(2n1T1) = λ2/(2n2T2) = . . . = λZ/(2nZTZ) (2)R = λ 1 / (2n 1 T 1 ) = λ 2 / (2n 2 T 2 ) =. . . = λ Z / (2n Z T Z ) (2)

Damit läßt sich bei Bestimmung von T bzw. 1/T das Verhältnis n1 : n2 : n3 : . . . nz nachweisen und damit die relative Dispersionsbeziehung nrel(λ). Das gilt analog auch wenn unter einem bekannten Winkel β ungleich 0° nachgewiesen wird (s. Formel (1)).The ratio n1: n2: n3:. . . nz and thus the relative dispersion relationship nrel (λ). That applies analogously even if at a known angle β not equal to 0 ° is proven (see formula (1)).

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Abb. 3a)-b) dargestellt. Die in Abb. 3a) dargestellten Meßkurven wurden während des Abtragens (Ätzen) einer poly- Si-Schicht über einem oxidierten Siliziumsubstrat aufgezeichnet. Die Messungen wurden mit einem Meßaufbau wie in Abb. 2 gezeigt, wobei die Wellenlängenselektion mit Hilfe von 4 Interferenzfiltern mit Transmissionsmaxima bei Wellenlängen von 390, 420, 450 und 520 nm durchgeführt wurde (Bandbreite transmittierten Strahlung etwa 10 nm). Als Lichtdetektoren dienten hier 4 unabhängige Photomultiplier. An embodiment is shown in Fig. 3a) -b). The measurement curves shown in Fig. 3a) were recorded during the removal (etching) of a poly-Si layer over an oxidized silicon substrate. The measurements were carried out using a measurement set-up as shown in FIG. 2, the wavelength selection being carried out with the aid of 4 interference filters with transmission maxima at wavelengths of 390, 420, 450 and 520 nm (bandwidth of transmitted radiation about 10 nm). 4 independent photomultipliers were used as light detectors.

Der aus den Interferenzkurven ermittelte relative Brechungsindexverlauf ist in Abb. 3b dargestellt wobei der Brechungsindex bei 520 nm willkürlich auf 1 gesetzt wurde.The relative refractive index curve determined from the interference curves is shown in Fig. 3b, the refractive index at 520 nm being set arbitrarily to 1.

Aus den in Abb. 3b dargestellten relativen Brechungsindizes lassen sich die absoluten Werte n(λ) ermitteln, wenn der absolute Wert von n für eine Wellenlänge bekannt ist z. B. aus einer nachträglichen ellipsometrischen Bestimmung.From the relative refractive indices shown in Fig. 3b, the absolute values n (λ) can be determined if the absolute value of n for a wavelength is known, e.g. B. from a subsequent ellipsometric determination.

Eine Bestimmung des absoluten Wertes von n ist auch möglich, wenn beim Ätzen die Anfangsdicke bzw. beim Beschichten die erreichte Dicke und die Prozeßzeit bekannt sind. In dem in Abb. 3a) gezeigten Beispiel läßt sich die Prozeßzeit aus den Emissionssignalen ermitteln, nämlich durch die Zeit zwischen Plasmastart ts und der Zeit to bei der die Oxidschicht erreicht ist.A determination of the absolute value of n is also possible if the initial thickness during etching or the thickness achieved and the process time during coating are known. In the example shown in Fig. 3a), the process time can be determined from the emission signals, namely by the time between plasma start t s and the time t o at which the oxide layer is reached.

Die Rate läßt sich ermitteln aus
The rate can be determined

R = d/(to - ts) (3)R = d / (t o - t s ) (3)

Aus einer Kombination von Gl. (2) und (3) ergeben sich die absoluten Brechungsindizes.From a combination of Eq. (2) and (3) result in the absolute Refractive indices.

Eine Besonderheit bei sehr großen Beobachtungswinkeln besteht darin, das aufgrund von Polarisationseffekten der Grundschwingung (charakterisiert durch T-1) eine höhere harmonische Schwingung überlagert ist. Wird dieser - bei "Angell et al., Appl. Phys. Lett. 58 (3), 240 (1991)'' beschriebene Effekt berücksichtigt, läßt sich in analoger Weise wie oben beschrieben auch hier der wellenlängenabhängige Brechungsindex ermitteln.A special feature of very large observation angles is that due to the polarization effects of the fundamental vibration (characterized by T -1 ) a higher harmonic vibration is superimposed. If this effect, which is described in "Angell et al., Appl. Phys. Lett. 58 (3), 240 (1991)", is taken into account, the wavelength-dependent refractive index can also be determined here in a manner analogous to that described above.

Das Verfahren läßt sich in analoger Weise auch auf Vielfachschichtaufbauten übertragen.The method can also be applied in an analogous manner to multi-layer structures transfer.

Bestimmung der wellenlängenabhängigen AbsorptionDetermination of the wavelength-dependent absorption

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen den wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten aus der in Abb. 1 gezeigten prinzipiellen Anordnung zu bestimmen:
Wie man an den Messungen in Abb. 3a) sieht, nimmt die Modulationsamplitude im Verlaufe des Prozesses zu, ein Effekt, der bei den kürzeren Wellenlängen besonders ausgeprägt ist. Dies liegt daran, das die poly-Si Schicht ein wellenlängenabhängiges Absorptionsverhalten zeigt: Für die Gesamtreflektivität einer Einfachschicht gelten die Frenelschen Formeln (wobei hier der Einfachheit halber Polarisationseffekte und Mehrfachreflektionen vernachlässigt wurden)
According to the invention, it is proposed to determine the wavelength-dependent absorption coefficient from the basic arrangement shown in Fig. 1:
The modulation amplitude as can be seen from the measurements in Fig. 3a), assumes in the course to the process, an effect which is particularly pronounced at the shorter wavelengths. This is because the poly-Si layer shows a wavelength-dependent absorption behavior: The Frenel formulas apply to the overall reflectivity of a single layer (polarization effects and multiple reflections have been neglected here for the sake of simplicity)

R = (r1 2 + r2 2 + 2r1r2cosx)(1 + r1 2r2 2 + 2r1r2cosx)-1 (4)
R = (r 1 2 + r 2 2 + 2r 1 r 2 cosx) (1 + r 1 2 r 2 2 + 2r 1 r 2 cosx) -1 (4)

mit r1 = (n - n')(n + n')-1 und r2 (α = 0) = (n'' - n)(n + n')-1
und x = 4πnd/λwith r 1 = (n - n ') (n + n') -1 and r 2 (α = 0) = (n '' - n) (n + n ') -1
and x = 4πnd / λ

Mit Absorption ist r2 gedämpft entsprechend
With absorption r 2 is damped accordingly

r2 = r2 (α = 0) e-αd (5)
r 2 = r 2 (α = 0) e -αd (5)

(Diese Beziehungen sind in einschlägigen Optiklehrbüchern zu finden.)(These relationships can be found in relevant optics textbooks.)

Durch Vergleich von (4) und (5) ergibt sich, daß für α ungleich 0 der Modulationsgrad mit abnehmender Schichtdicke zunehmen muß, wie es auch an den Messungen in Abb. 3a) beobachtet wird wobei offensichtlich die Stärke der Dämpfung, d. h. α, mit abnehmender Wellenlänge zunimmt. Durch einen Vergleich der Meßkurven mit den Beziehungen (4) und (5) - z. B. durch ein Fitverfahren oder unter Zuhilfenahme einer Fourieranalyse - läßt sich somit erfindungsgemäß α (λ) bestimmen. Für eine relative Bestimmung des Kurvenverlaufes α (λ) spielt dabei die Beobachtungsgeometrie keine Rolle.A comparison of (4) and (5) shows that for α not equal to 0 the degree of modulation has to increase with decreasing layer thickness, as is also observed in the measurements in Fig. 3a), the strength of the damping, ie α, obviously being included decreasing wavelength increases. By comparing the measurement curves with the relationships (4) and (5) - z. B. by a fit method or with the aid of a Fourier analysis - α (λ) can thus be determined according to the invention. The observation geometry is irrelevant for a relative determination of the curve shape α (λ).

Sollen die Absolutwerte von α (λ) bestimmt werden, ist zu berücksichtigen, daß die gemessene Intensität I auch Anteile enthält, die direkt in den Detektor fallen, d. h. ohne vorherige Reflektion am Wafer. Für parallelen Lichteinfall gilt z. B. I = Io(1+R) wobei Io die Intensität bei R = 0, d. h. ohne reflektierende Schicht angibt.If the absolute values of α (λ) are to be determined, it must be taken into account that the measured intensity I also contains components that fall directly into the detector, ie without prior reflection on the wafer. For parallel incidence of light applies e.g. B. I = I o (1 + R) where I o indicates the intensity at R = 0, ie without a reflective layer.

Sinngemäß läßt sich dies Verfahren auch für Vielfachschichtaufbauten oder für große Beobachtungswinkel, bei denen Polarisationseffekte eine Rolle spielen anwenden. Analogously, this method can also be used for multi-layer structures or for large viewing angles where polarization effects matter apply play.  

Normierung der PlasmaintensitätNormalization of the plasma intensity

Bei den in Abb. 3a) gezeigten Meßkurven war die Gesamtintensität des Plasmas über den gesamten Prozeß näherungsweise konstant. Dies ist nicht immer der Fall. In einigen Fällen ändert sich aufgrund von chemischen Vorgängen im Plasma, wie z. B. Beschichtung der Kammerwände, die abgestrahlte Intensität des Plasmas. Diese Drift in den Plasmaintensitäten ist den Meßkurven überlagert. Hier kann es von Vorteil sein diese Drift der Plasmaemission mitzumessen und die Kurven darauf zu normieren.In the measurement curves shown in Fig. 3a) the total intensity of the plasma was approximately constant over the entire process. This is not always the case. In some cases, changes occur due to chemical processes in the plasma, e.g. B. coating of the chamber walls, the radiated intensity of the plasma. This drift in the plasma intensities is superimposed on the measurement curves. It can be advantageous to measure this drift of the plasma emission and to normalize the curves on it.

Es wird daher vorgeschlagen in diesem Fall einen gegenüber Abb. 1 u. 2 modifizierten Meßaufbau zu verwenden, dergestalt, daß - zusätzlich zu dem gezeigten Ensemble von z Lichtdetektoren die in einem Sichtwinkel aufgestellt wird, der Plasma und Waferoberfläche umfaßt - eine weiterer set von Detektoren verwendet wird, der nur die Plasmaemission aufzeichnet. Das heißt diese Detektoren haben keine Sicht auf die Waferoberfläche. Ein möglicher Meßaufbau ist in Abb. 4 gezeigt. Durch eine Normierung der Intensitäten können so störende Plasmadrifts herausgerechnet werden. Vergleiche Abb. 5. In Abb. 5 wurde dieser Effekt an einem Polysiliziumprozeß an einer Plasmaätzanlage demonstriert.It is therefore proposed in this case a compared to Fig. 1 u. To use 2 modified measurement setup, such that - in addition to the ensemble of z light detectors shown, which is set up at a viewing angle, which includes plasma and wafer surface - another set of detectors is used, which only records the plasma emission. This means that these detectors have no view of the wafer surface. A possible measurement setup is shown in Fig. 4. By normalizing the intensities, disruptive plasma drifts can be eliminated. Compare Fig. 5. This effect was demonstrated in Fig. 5 using a polysilicon process in a plasma etching system.

Der Meßaufbau ähnelt dem in Abb. 4 gezeigten Aufbau. Hier wurden aber nur zwei Lichtdetektoren verwendet, die beide mit demselben Wellenlängenfilter ausgestattet sind. Die mit 1 bezeichnete Kurve wurde unter einem Blickwinkel von 90° zur Waferoberfläche aufgezeichnet (wafer nicht im Blickfeld). Man sieht, daß die Plasmaemission nach dem Einschalten (Zeitpunkt ts = Prozeßstart) zunächst stark schwankt und dann in eine kontinuierliche Drift übergeht. Kurz vor Ende des Schichtabtrags (Zeitpunkt to) kommt es zu einem starken Einbruch der Intensitäten und einem Wiederanstieg nach to. Die mit 2 bezeichnete Kurve wurde unter 0° Sichtwinkel zur Wafernormalen aufgezeichnet (Wafer im Blickfeld). Die in 1 demonstrierte Intensitätsschankung des Plasmalichtes ist natürlich den Interferenzkurven 2 überlagert, was eine Auswertung dieser Kurven insbesondere am Prozeßstart und in der Nähe des Prozeßendes erschwert. Durch eine Normierung von Kurve 2 auf Kurve 1, d. h. punktweise Division der Intensitäten, läßt sich diese Schwankung weitgehend herausrechnen. Zur Demonstration dieses Effekts ist die normierte Kurve 3 gezeigt. Kurve 3 ist für eine Auswertung der Schichtparameter wesentlich besser geeignet als Kurve 2 allein.The measurement setup is similar to the setup shown in Fig. 4. Here, however, only two light detectors were used, both of which are equipped with the same wavelength filter. The curve labeled 1 was recorded at a viewing angle of 90 ° to the wafer surface (wafer not in the field of view). It can be seen that the plasma emission initially fluctuates strongly after switching on (time t s = process start) and then changes into a continuous drift. Shortly before the end of the shift removal (time t o ) there is a sharp drop in the intensities and a rise again after t o . The curve labeled 2 was recorded at a 0 ° viewing angle to the wafer normal (wafer in the field of view). The intensity fluctuation of the plasma light demonstrated in FIG. 1 is of course superimposed on the interference curves 2 , which makes it difficult to evaluate these curves, in particular at the start of the process and in the vicinity of the end of the process. By normalizing curve 2 to curve 1 , ie dividing the intensities point-by-point, this fluctuation can largely be eliminated. The normalized curve 3 is shown to demonstrate this effect. Curve 3 is much more suitable for evaluating the layer parameters than curve 2 alone.

Bestimmung der absoluten SchichtdickeDetermination of the absolute layer thickness

Mit diesem Aufbau läßt sich auch die Ätzratenbestimmung bzw. die Bestimmung der Beschichtungsraten verbessern.With this structure, the etching rate determination or Improve determination of coating rates.

Insbesondere erlaubt es die in Abb. 4 gezeigte Anordnung zu jedem Zeitpunkt des Prozesses die absolute Schichtdicke zu messen, was sich mit Hilfe des in "F. Heinrich, Deutsches Patent Nr. 39 10 49 (1990)'' beschriebenen Verfahrens nicht realisieren läßt.In particular, the arrangement shown in Fig. 4 allows the absolute layer thickness to be measured at any point in the process, which cannot be achieved with the aid of the method described in "F. Heinrich, German Patent No. 39 10 49 (1990)".

Es wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, die in Abb. 4 gezeigte Anordnung - oder eine wirkungsgleiche Anordnung von zwei unabhängigen (vorzugsweise gleichartigen) Sets von Lichtdetektoren wobei ein Set Plasma und Wafer (detektierte Intensität I2(λ)) und der andere Set nur das Plasma im Blickfeld hat (Intensität I1(λ)) - auch zur absoluten Schichtdickenbestimmung heranzuziehen. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die Intensitäten einen Wellenlängenbereich lückenlos (kontinuierlich) oder quasikontinuierlich nachgewiesen werden. Das normierte durch punktweise Division ermittelte Spektrum
It is therefore proposed according to the invention that the arrangement shown in FIG. 4 - or an arrangement with the same effect - of two independent (preferably identical) sets of light detectors, one set of plasma and wafer (detected intensity I 2 (λ)) and the other set only of the plasma in the field of view (intensity I 1 (λ)) - also to be used for absolute layer thickness determination. In this case, it is advantageous if the intensities are detected over a wavelength range without gaps (continuously) or quasi-continuously. The normalized spectrum determined by point-by-point division

I3(λ) = I2(λ)/I1(λ) (6)
I 3 (λ) = I 2 (λ) / I 1 (λ) (6)

weist dann entsprechend der momentanen Schichtdicke eine charakteristische Modulation auf, die - da alle Plasmaschwankungen herausnormiert wurden - nach den Standard-Verfahren der Weißlichtinterferometrie (Reflektometrie) - ausgewertet werden kann. Der Vorteil des hier vorgeschlagenen Verfahrens gegenüber herkömmlicher Weißlichtinterferometrie besteht darin, daß keine externe Lichtquelle erforderlich ist. Darüberhinaus steht in der Regel mit dem Plasma ein wesentlich größerer Spektralbereich zur Verfügung, der vom tiefen UV bis ins IR reicht. Dazu ist bei herkömmlichen Verfahren der Einsatz mehrerer Lichtquellen mit unterschiedlicher Strahlungscharakteristik erforderlich. then has a corresponding to the current layer thickness characteristic modulation on that - since all plasma fluctuations were standardized - according to the standard procedures of White light interferometry (reflectometry) - can be evaluated. Of the Advantage of the method proposed here over conventional ones White light interferometry is that there is no external light source is required. In addition, there is usually a plasma much larger spectral range available, from deep UV to reaches into the IR. In conventional methods, this involves the use of several Light sources with different radiation characteristics required.  

Technisch kann das Verfahren zur absoluten Schichtdickenbestimmung z. B. realisiert werden, das die Spektren I2(λ) und I1(λ) mit Hilfe eines Spektrographen (z. B. Gitterspektrograph) mit nachgeschaltetem Diodenarrays, CCD-Arrays, Vielkanalphotomultipliern, oder Arrays aus anderen lichtempfindlichen Elementen nachgewiesen werden.Technically, the method for absolute layer thickness determination z. B. be realized that the spectra I 2 (λ) and I 1 (λ) using a spectrograph (z. B. grating spectrograph) with downstream diode arrays, CCD arrays, multi-channel photomultipliers, or arrays of other light-sensitive elements are detected.

Die Raten R des Schichtdickenauf- oder Abtrags lassen sich dann mit gegenüber Gl. 1 wesentlich verbesserter zeitlicher Auflösung bestimmen. Für die Rate R ergibt sich einfach
The rates R of the layer thickness application or removal can then be compared with Eq. 1 Determine significantly improved temporal resolution. The rate R is simple

R = (d1-d2)(T1-T2) (7)
R = (d1-d2) (T1-T2) (7)

wobei d1 und d2 die zu den Zeitpunkten T1 bzw. T2 ermittelten Dicken bezeichnen wobei die Zeitdifferenz von zwei aufeinanderfolgenden Meßpunkten im wesentlichen von der Geschwindigkeit der Datenaufnahme bestimmt ist.where d1 and d2 are the thicknesses determined at times T1 and T2 denote the time difference between two consecutive Measuring points essentially from the speed of data acquisition is determined.

Die absolute Schichtdicke läßt sich bei verringerter Genauigkeit und Zeitauflösung auch anhand eines Satzes von diskontinuierlichen Interferenzkurven analog zu den in Abb. 3a) aufgenommenen Kurven ermitteln. Dies kann durch Ermittlung der relativen Phasenlagen bei unterschiedlichen Wellenlängen - z. B. mit Hilfe einer Fourieranalyse - erfolgen. Eine Normierung ist auch in diesem Falle von Vorteil.The absolute layer thickness can also be determined with reduced accuracy and time resolution using a set of discontinuous interference curves analogous to the curves recorded in Fig. 3a). This can be done by determining the relative phase positions at different wavelengths - e.g. B. using a Fourier analysis. Standardization is also advantageous in this case.

Es sollte abschließend noch einmal betont werden, daß alle hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren sich sowohl beim Auftragen als auch beim Abtragen von Schichten einsetzen lassen, sofern lichtemittierende Medien wie z. B. Plasmen oder Ionenstrahlen zur Prozeßführung verwendet werden. Der Begriff Licht wurde hier in einer sehr verallgemeinernden Weise verwendet. Er bedeutet keineswegs eine Beschränkung auf den sichtbaren Spektralbereich sondern umfaßt durchaus auch den tiefen ultravioletten (UV) und infraroten Bereich (IR). Eine Ausweitung der beschriebenen Verfahren auf weitere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ist in Einzelfällen durchaus möglich.Finally, it should be emphasized once again that everyone is here described inventive method both when applying as can also be used when removing layers, if light-emitting Media such as B. plasmas or ion beams used for process control will. The term light was used here in a very generalized way used. It is by no means a limitation to the visible Spectral range but also includes the deep ultraviolet (UV) and infrared range (IR). An extension of the procedures described on other areas of the electromagnetic spectrum is in individual cases quite possible.

Die oben beschriebenen Verfahren funktionieren in analoger Weise, wenn die vom Wafer selbst abgestrahlte elektromagnetische Strahlung auf die oben beschriebene Weise gemessen und ausgewertet wird.The methods described above work in an analogous manner if the electromagnetic radiation emitted by the wafer itself onto the way described above is measured and evaluated.

Claims (14)

1. Verfahren zur Bestimmung des wellenlängigen Brechungsindexes, der Absorptioncharakteristik , der absoluten Dicke und der Aufwachs- oder Abtragsrate während des Aufwachsens oder Abtragens einer Schicht auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der obigen optischen Eigenschaften die Lichtintensität des zur Bearbeitung benutzten Mediums nach Wellenlängen selektiert wird und auf mehreren Wellenlängen gleichzeitig oder in rascher zeitlicher Folge (quasigleichzeitig) detektiert wird, wobei zumindest bei einer der Wellenlängen Sichtkontakt zum Wafer besteht, so daß ein Teil der detektierten Intensität an der Schicht und dem darunterliegenden Substrat aufgrund von Interferenzerscheinungen moduliert ist.1. A method for determining the wavelength refractive index, the absorption characteristic, the absolute thickness and the growth or removal rate during the growth or removal of a layer on a substrate, characterized in that for determining the above optical properties, the light intensity of the medium used for processing Wavelengths is selected and detected on several wavelengths simultaneously or in rapid succession (quasi-simultaneous), with at least one of the wavelengths being in visual contact with the wafer, so that part of the detected intensity on the layer and the underlying substrate is modulated due to interference phenomena. 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem lichtemittierenden Medium um ein Plasma oder einen Ionenstrahl handelt.2. The method according to claim 1, characterized in that it is in the light-emitting medium is a plasma or an ion beam. 3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz mit Hilfe eines adequaten Verfahrens auf mehreren Wellenlängen ermittelt wird - wobei vorausgesetzt wird, daß die Rate R für alle Wellenlängen gleich ist - und daraus der wellenlängenabhängige Brechungsindexverlauf ermittelt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the Modulation frequency with the help of an adequate procedure on several Wavelengths is determined - assuming that the rate R for all wavelengths are the same - and from that the wavelength-dependent one Refractive index curve is determined. 4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die mit Blick auf den Wafer aufgezeichneten Emissionsintensitäten auf die vom emittierenden Medium abgestrahlte Lichtintensität normiert werden, wobei die zur Normierung herangezogene Intensität so gemessen wurde, daß ein gewisser Bereich des Plasmas auf der Sichtlinie des Detektors liegt, nicht aber der Wafer.4. The method according to claim 1, characterized in that the facing the emission intensities recorded by the wafer to those of the emitting Medium emitted light intensity are normalized, the for Normalization intensity was measured so that a certain The area of the plasma lies on the line of sight of the detector, but not that Wafer. 5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz der normierten Emissionsintensitäten mit Hilfe eines adequaten Verfahrens auf mehreren Wellenlängen ermittelt wird und daraus der wellenlängenabhängige Brechungsindexverlauf ermittelt wird. 5. The method according to claim 4, characterized in that the Modulation frequency of the standardized emission intensities using a adequate method is determined on several wavelengths and from it the wavelength-dependent refractive index curve is determined.   6. Verfahren nach 4 dadurch gekennzeichnet, daß aus der Frequenz der normierten Emissionsintensität die Rate des Schichtauf- oder Abtrags bestimmt wird sofern der Brechungsindex bekannt ist.6. The method according to 4, characterized in that from the frequency of normalized emission intensity the rate of layer application or removal is determined if the refractive index is known. 7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der wellenlängenabhängigen Absorption der Modulationsgrad der Emissionsintensitäten ausgewertet wird.7. The method according to claim 1, characterized in that for determination the wavelength-dependent absorption, the degree of modulation Emission intensities is evaluated. 8. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der wellenlängenabhängigen Absorption der Modulationsgrad der normierten Emissionsintensitäten ausgewertet wird.8. The method according to claim 4, characterized in that for determination the wavelength-dependent absorption, the degree of modulation standardized emission intensities is evaluated. 9. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der absoluten momentanten Dicke der bearbeiteten Schicht ein kontinuierliches bzw. quasikontinuierliches normiertes Spektrum von Lichtintensitäten des zur Bearbeitung benutzten Mediums aufgezeichnet wird und nach bekannten Verfahren der Weißlichtinterferometrie bzw. Reflektometrie ausgewertet wird.9. The method according to claim 4, characterized in that for determination the absolute instantaneous thickness of the processed layer continuous or quasi-continuous standardized spectrum of Light intensities of the medium used for processing is recorded and according to known methods of white light interferometry or Reflectometry is evaluated. 10. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenbeziehung der bei unterschiedlichen diskreten Wellenlängen ausgewerteten Interferenzsignale bestimmt wird und daraus die absolute Schichtdicke bestimmt wird.10. The method according to claim 1, characterized in that the Phase relationship of at different discrete wavelengths evaluated interference signals is determined and from this the absolute Layer thickness is determined. 11. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenbeziehung der bei unterschiedlichen diskreten Wellenlängen ausgewerteten normierten Interferenzsignale bestimmt wird und daraus die absolute Schichtdicke bestimmt wird.11. The method according to claim 4, characterized in that the Phase relationship of at different discrete wavelengths evaluated standardized interference signals is determined and from this the absolute layer thickness is determined. 12. Verfahren nach den Ansprüchen 9-11 dadurch gekennzeichnet, das aus den ermittelten absoluten Schichtdicken und den zugehörigen Zeitpunkten die Rate des Schichtauf- bzw. Abtrags ermittelt wird.12. The method according to claims 9-11, characterized in that the determined absolute layer thicknesses and the associated times the rate of layer application or removal is determined. 13. Meßanordnung nach Anspruch 1 dadurch ausgezeichnet, daß zur Wellenlängenselektion Interferenzfilter mit nachgeschalteten Lichtdetektoren, wie Photomultipliern, Dioden, CCD-Arrays oder anderen Lichtdetektoren verwendet werden, wobei die Lichtleitung vom Prozeßmedium zum Photomultiplier über, auf der Detektorseite in Teilbündel aufgespaltene, Lichtleitfaserbündel erfolgt.13. Measuring arrangement according to claim 1 characterized in that for Wavelength selection interference filter with downstream Light detectors, such as photomultipliers, diodes, CCD arrays or others Light detectors are used, the light conduction from  Process medium to the photomultiplier via, on the detector side in sub-bundles split, optical fiber bundle takes place. 14. Meßanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Wellenlängenselektion ein Gitter- oder Prismenspektrograph verwendet wird und zur Detektion eine Anordnung von Lichtdetektoren, wie Mehrkanalphotomultiplier, Dioden-, oder CCD-Arrays oder andere lichtempfindliche Detektoren verwendet werden.14. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that for Wavelength selection using a grating or prism spectrograph and for detection an arrangement of light detectors, such as Multi-channel photomultiplier, diode, or CCD arrays or others photosensitive detectors are used.
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