DE19933316A1

DE19933316A1 - Method and device for measuring the layer thickness

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Publication number: DE19933316A1
Application number: DE19933316A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Waller; Ralf Schnupp
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-06-28
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2001-01-11
Anticipated expiration: 2019-07-17
Also published as: DE19933316C2

Abstract

The invention relates to a method for measuring the thickness of a layer on an object, during a deposition process and to a device which is used to carry out said method. In said method, a diffraction object (3) which has at least two diffracting limits that lie opposite each other at a known distance, is positioned in such a way that a layer is deposited or adsorbed onto the diffracting limits of the diffraction object (3). The thickness of this layer bears a known relation to the thickness of the layer of the object. The diffracting limits of the diffraction object (3) are projected onto a detection surface using a coherent light bundle (2). The local intensity distribution of the light bundle (2) on the detection surface, caused by diffraction is detected and the thickness of the layer is calculated from said intensity distribution. The inventive method enables the thickness of thin layers to be detected during their deposition with a high degree of accuracy, independently of the material parameters.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Schichtdicke während eines Schicht abscheideprozesses sowie auf eine Vorrichtung, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.The invention relates to a method for Measurement of the layer thickness during a shift deposition process and on a device with which the procedure can be carried out.

Die Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung liegen in allen Bereichen, bei denen die kontinu ierliche oder periodische Messung der Schichtdicke während eines Schichtabscheide- oder Adsorptions prozesses erforderlich oder wünschenswert ist. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet stellt hierbei der Bereich der Halbleiterfertigung dar. Gerade bei Halbleiter fertigungsprozessen ist die exakte Überwachung und Bestimmung der aufgebrachten Schichten von großer Bedeutung. Eine derartige Schichtdickenmessung kann dann zur Prozeßautomatisierung herangezogen werden.The fields of application of the present invention are in all areas where the continuous Periodic or periodic measurement of the layer thickness during a layer deposition or adsorption process is necessary or desirable. On preferred area of application is the area semiconductor manufacturing. Especially with semiconductors manufacturing processes is exact monitoring and Determination of the applied layers of large Importance. Such a layer thickness measurement can then be used for process automation.

Im Stand der Technik sind zur Messung von Schichtdicken eine Vielzahl von Meßverfahren bekannt, mit denen die Dicke von adsorbierten, abgeschiedenen oder akkumulierten Schichten bestimmt werden kann.In the prior art are for the measurement of A variety of measurement methods known with which the thickness of adsorbed, deposited or accumulated layers can be determined.

Ein Teil der Verfahren beruht hierbei auf einem Mikrowägeverfahren, das durch Einsatz von Quarz schwingern oder SAW-Sensoren (Surface Acoustic Wave) durchgeführt wird. Bei beiden Sensortypen wird die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der auf dem Sensor abgeschiedenen Materialschichtdicke ausgewertet. Quarzschwinger werden hierbei bevorzugt beispielsweise in Sputteranlagen zur Bestimmung der abgeschiedenen Masse eingesetzt. SAW-Sensoren finden beispielsweise als Gassensoren Verwendung. Der sensitive Bereich des Sensors ist hierbei mit einer gassorbierenden Schicht versehen. Die Masseveränderung der Schicht durch eine sorbierte Gasmasse führt zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz, die mit dem Verfahren erfaßt wird.Part of the process is based on one Micro-weighing process using quartz vibrate or SAW sensors (Surface Acoustic Wave) is carried out. For both sensor types, the Dependence of the resonance frequency on that on the Sensor deposited material layer thickness evaluated. Quartz oscillators are preferred, for example in sputtering systems to determine the deposited Mass used. Find SAW sensors, for example use as gas sensors. The sensitive area of the Sensor is here with a gas-absorbing layer Mistake. The change in mass of the layer by a sorbed gas mass leads to a change in the Resonance frequency that is detected by the method.

Derartige Mikrowägeverfahren haben jedoch den Nachteil, daß das Verhalten der Sensoren auch vom Elastizitätsmodul der abgeschiedenen Zusatzmasse abhängt. Viele Sensoren zeigen zudem eine starke nichtlineare Abhängigkeit von der Temperatur.Such micro-weighing methods, however, have the Disadvantage that the behavior of the sensors from Modulus of elasticity of the deposited additional mass depends. Many sensors also show a strong one non-linear dependence on temperature.

Neben diesen Mikrowägeverfahren sind auch akustische Verfahren und Verfahren der Dielektrometrie zur Schichtdickenmessung bekannt. Bei den akustischen Verfahren wird die zu messende Schicht mit einer Schall- bzw. Ultraschallwelle beaufschlagt und deren Laufzeit durch die Schicht gemessen. Die Auflösung von derzeit am Markt verfügbaren Meßgeräten auf Basis akustischer Meßverfahren liegt im Millimeter- bis Mikrometerbereich.In addition to these micro-weighing processes, too Acoustic methods and procedures of dielectrometry known for layer thickness measurement. With the acoustic The layer to be measured is moved with a Sound and ultrasonic wave applied and their Runtime measured through the shift. The resolution of Based measuring devices currently available on the market acoustic measuring method is in millimeter to Micrometer range.

Bei den Verfahren der Dielektrometrie wird ausgenutzt, daß die Kapazität eines Kondensators von der Dielektrizitätskonstante eines im elektrischen Feld des Kondensators angeordneten Materials abhängt. Hierbei wird die zu messende Schicht zwischen die Elektroden eines Kondensators gebracht und aus dessen Kapazitätsänderung die Schichtdicke bestimmt. Dieses Verfahren ist allerdings nur dann geeignet, wenn sich der Wert der Dielektrizitätskonstante des Schicht materials wesentlich vom Wert 1 unterscheidet. Ist dies nicht der Fall, so kann die Dielektrometrie nicht zur Bestimmung der Schichtdicke herangezogen werden. In the process of dielectrometry exploited that the capacity of a capacitor of the dielectric constant of one in the electric field of the capacitor arranged material depends. Here, the layer to be measured is between the Brought electrodes of a capacitor and from it Capacity change determines the layer thickness. This However, the procedure is only suitable if the value of the dielectric constant of the layer materials differs significantly from the value 1. Is this not the case, the dielectrometry can not Determination of the layer thickness can be used.

Ein weiterer Nachteil der Dielektrometrie zur Bestimmung der Schichtdicke besteht darin, daß die Dielektrizitätskonstante des Schichtmaterials bekannt sein muß. Weiterhin kann das Verfahren der Dielektro metrie nur bei nichtmetallischen Schichten angewandt werden.Another disadvantage of dielectrometry Determination of the layer thickness is that the Dielectric constant of the layer material is known have to be. Furthermore, the method of dielectric metry only applied to non-metallic layers become.

In vielen Bereichen werden auch optische Verfahren zur Schichtdickenbestimmung eingesetzt. Diese Verfahren nutzen beispielsweise Materialparameter der Schicht, wie Transmission, Reflexion, Absorption, Brechung oder Streuung. Beispiele für Verfahren, die insbesondere in der Halbleiterfertigung zur Bestimmung von Schicht dicken eingesetzt werden, sind die Ellipsometrie oder die Spektroskopie.Optical methods are also used in many areas used to determine the layer thickness. This procedure use, for example, material parameters of the layer, such as transmission, reflection, absorption, refraction or Scattering. Examples of processes, in particular in semiconductor manufacturing for the determination of layers are used are the ellipsometry or spectroscopy.

Das weitere bekannte Verfahren der Laserinterfero metrie wird insbesondere zur Überwachung der Ätzrate und Ätztiefe bei Ätzverfahren eingesetzt. Hierbei ist es jedoch erforderlich, daß die zu ätzende transparente Schicht für die eingesetzte Laserwellenlänge trans parent ist.The other known method of laser interfero Metry is used in particular to monitor the etching rate and etching depth used in etching processes. Here is however, it is necessary that the transparent to be etched Layer for the laser wavelength trans is parent.

Die bisher insbesondere im Bereich der Halb leiterfertigung eingesetzten Verfahren bedienen sich jeweils spezifischer Materialparameter, wie Masse, Schallgeschwindigkeit usw., und sind somit nicht zur Messung beliebiger Materialien oder zur Messung von aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Schicht systemen geeignet. Andere bekannte Verfahren erreichen nicht die erforderliche hohe Genauigkeit für den Einsatz in der Halbleitertechnologie.So far, especially in the field of half processes used in ladder manufacturing make use of specific material parameters such as mass, Speed of sound etc., and are therefore not for Measurement of any materials or to measure from different materials existing layer systems suitable. Achieve other known methods not the high accuracy required for the Use in semiconductor technology.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke während eines Schichtabscheide prozesses anzugeben, mit denen die Schichtdicke, insbesondere bei Halbleiterfertigungsprozessen, auf einfache Weise unabhängig von den eingesetzten Materialien mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.The object of the present invention is therein, a method and an apparatus for measurement the layer thickness during a layer deposition process, with which the layer thickness, especially in semiconductor manufacturing processes simple way regardless of the used Materials can be determined with high accuracy.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung nach den Patentansprüchen 1 bzw. 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich insbesondere auch weitere Anwendungsfelder, wie sie in den Ansprüchen 13 bis 16 angeführt sind, erschließen.The task is done with the procedure or the 8 solved device according to claims 1 and 8 respectively. Advantageous embodiments of the method and Device are the subject of the dependent claims. With the The device according to the invention can in particular also other fields of application, as in the Claims 13 to 16 are listed, open up.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das bekannte physikalische Prinzip der Beugung eingesetzt. Hierfür wird ein Beugungsobjekt bereitgestellt, das zumindest zwei sich gegenüberliegende bzw. zueinander parallele beugende Begrenzungen aufweist, deren gegen seitiger Abstand bekannt ist. Dieses Beugungsobjekt wird in einem Prozeßbereich des Schichtabscheide prozesses angeordnet, in dem die zu messende Schicht abgeschieden oder adsorbiert wird, so daß sich auch eine Schicht an den beugenden Begrenzungen des Beugungsobjektes abscheidet oder adsorbiert. Die Schichtdicke, die sich auf dem Beugungsobjekt abscheidet, muß dabei in bekannter Relation zur Schichtdicke stehen, die auf dem zu vermessenden Objekt abgeschieden wird. Im bevorzugten Anwendungsgebiet der Halbleiterfertigung wird das Beugungsobjekt daher in der für die Schichtabscheidung vorgesehenen Prozeßkammer, vorzugsweise in der näheren Umgebung des mit der Schicht zu versehenden Substrates, angeordnet. Beim Abscheideprozeß wird dadurch die Schicht sowohl auf dem Substrat wie auch auf dem Beugungsobjekt abgeschieden.In the method according to the invention known physical principle of diffraction used. A diffraction object is provided for this purpose at least two opposite to each other has parallel diffractive limits, their against side distance is known. This diffraction object is in a process area of the layer deposition arranged process in which the layer to be measured is deposited or adsorbed, so that also a layer at the diffractive limits of the Diffraction object separates or adsorbs. The Layer thickness that is on the diffraction object separates, must in known relation to Layer thickness are that on the object to be measured is deposited. In the preferred field of application Semiconductor manufacturing is therefore the diffraction object in that provided for the layer deposition Process chamber, preferably in the vicinity of the arranged with the layer to be provided. In the deposition process, the layer becomes both on the substrate as well as on the diffraction object deposited.

Bei einer weiteren vorteilhaften Anwendung des Verfahrens befindet sich das Beugungsobjekt vorzugs weise in der Nähe der Innenwandung der Prozeßkammer. Über die Größe der Schichtdicke am Beugungsobjekt, die in bekannter Relation zur Schicht auf der Innenwandung der Prozesskammer steht, kann so der Reinigungszeit punkt der Kammer, d. h. der Zeitpunkt, bei dem eine Reinigung der Kammer aufgrund einer bestimmten auf der Kammerwand abgeschiedenen Schichtdicke erforderlich wird, automatisch bestimmt werden.In a further advantageous application of the The diffraction object is preferred wise near the inner wall of the process chamber. About the size of the layer thickness on the diffraction object, the in a known relation to the layer on the inner wall the process chamber, the cleaning time point of the chamber, d. H. the time at which a Cleaning the chamber due to a specific on the Deposited layer thickness required will be determined automatically.

Das Beugungsobjekt wird mit einem kohärenten Lichtstrahl, d. h. einem Laserstrahl, beleuchtet und auf eine Detektionsfläche abgebildet. Dabei müssen sich die beugenden Begrenzungen des Beugungsobjektes im Strahlengang des Laserstrahls befinden. Der Abstand der beugenden Begrenzungen des Beugungsobjektes ist daher so gewählt, daß dieser geringer als der Durchmesser des Laserstrahls ist. Vorzugsweise wird hierfür ein lang gestrecktes draht- bzw. stabförmiges Gebilde einge setzt, dessen Durchmesser abhängig von der gewünschten Auflösung und dem Meßbereich gewählt wird und geringer als 500 µm - vorzugsweise ≦ 300 µm - ist.The diffraction object is made with a coherent Light beam, d. H. a laser beam, illuminated and on mapped a detection area. The must diffractive limits of the diffraction object in the Beam path of the laser beam. The distance of the diffractive limits of the diffraction object is therefore chosen so that it is smaller than the diameter of the Is laser beam. This is preferably a long one stretched wire or rod-shaped structure sets whose diameter depends on the desired Resolution and the measuring range is selected and lower than 500 µm - preferably ≦ 300 µm - is.

Die durch Beugung am Beugungsobjekt auf der Detektionsfläche vorliegenden örtliche Intensitäts verteilung des Laserstrahls wird mit einem geeigneten Detektor erfaßt. Aus der durch die Beugung verursachten Intensitätsverteilung wird die jeweils aktuelle Dicke des Beugungsobjektes bestimmt. Diese Dicke ändert sich während der Schichtabscheidung aufgrund der abge schiedenen bzw. adsorbierten Schicht. Aus dem jeweils aktuell gemessenen Abstand der beugenden Begrenzungen und der bekannten Dicke des Beugungsobjektes, d. h. dem zu Prozeßbeginn vorliegenden bekannten Abstand der sich gegenüberliegenden beugenden Begrenzungen, kann zu jedem Zeitpunkt die jeweils vorliegende Schichtdicke berechnet werden.The by diffraction on the diffraction object on the Detection area present local intensity Distribution of the laser beam is done with a suitable Detector detected. From that caused by diffraction Intensity distribution becomes the current thickness of the diffraction object. This thickness changes during the layer deposition due to the abge separated or adsorbed layer. From each currently measured distance of the diffractive limits and the known thickness of the diffraction object, i.e. H. the at the beginning of the process known distance of the opposing diffractive limits, too the present layer thickness at any time be calculated.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich die Dicke von dünnen Schichten während der Schichtab scheidung unabhängig von den Materialparametern mit hoher Genauigkeit erfassen. Das Verfahren ist für einen Meßbereich von Schichtdicken von wenigen Nanometern bis in dem Millimeterbereich geeignet. Im Gegensatz zu den bisher eingesetzten Schichtdickenmeßverfahren, welche die Dicke der Schicht indirekt über spezifische Materialparameter ermitteln, wird mit dem vorliegenden Verfahren die Schichtdicke direkt bestimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit unabhängig von den Materialparametern der zu vermessenden Schicht, wie beispielsweise der Masse, der Dielektrizitätskonstante, der Leitfähigkeit oder der optischen Eigenschaften.With the method according to the invention Thickness of thin layers during the layer different regardless of the material parameters high accuracy. The procedure is for one Measuring range from layer thicknesses from a few nanometers to suitable in the millimeter range. In contrast to the Previously used layer thickness measurement methods, which the thickness of the layer indirectly via specific Determine material parameters with the present Process directly determines the layer thickness. The The method according to the invention is therefore independent of the Material parameters of the layer to be measured, such as for example the mass, the dielectric constant, conductivity or optical properties.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung liegt darin, daß auch die Abscheidung einer Mehrfachschicht, die sich in entsprechender Weise auch am Beugungsobjekt niederschlägt, ohne Probleme überwacht werden kann.Another advantage of the invention The method and the associated device is that also the deposition of a multilayer, the accordingly on the diffraction object precipitation, can be monitored without problems.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in seinem einfachen Aufbau und der hohen Genauigkeit, mit der die Schichtdicken gemessen werden können. Diese Genauigkeit, die im Nanometer bereich liegt, bringt besondere Vorteile gerade beim Einsatz des Verfahrens in der Halbleiterfertigung, beispielsweise in Sputteranlagen, CVD-Anlagen oder Ätzreaktoren. Bei derartigen Anwendungen werden der Laser außerhalb und das Beugungsobjekt innerhalb der Prozeßkammer angeordnet, wobei der Laserstrahl durch ein Fenster in der Prozeßkammer auf das Beugungsobjekt trifft.A major advantage of the invention The procedure lies in its simple structure and high accuracy with which the layer thicknesses are measured can be. This accuracy, which is in the nanometer area, brings special advantages especially with Use of the process in semiconductor manufacturing, for example in sputter systems, CVD systems or Etching reactors. In such applications, the Laser outside and the diffraction object inside the Process chamber arranged, the laser beam through a window in the process chamber on the diffraction object meets.

Das Verfahren ist auch für den Einsatz in optisch transparenten Flüssigkeiten, wie beispielsweise im Bereich der Galvanik oder Biosensorik, geeignet.The process is also for use in optically transparent liquids, such as in Field of electroplating or biosensor technology.

Weiterhin kann mit dem Verfahren über die Schichtdicke das Volumen von Substanzen bestimmt werden, die am Beugungsobjekt sorbieren.Furthermore, with the method on the Layer thickness determines the volume of substances that sorb on the diffraction object.

Bei bestimmten Einsatzbereichen des erfindungs gemäßen Verfahrens, bei denen eine Schicht auf einem Objekt abgeschieden oder adsorbiert werden soll, das bereits selbst als Beugungsobjekt im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, kann dieses Objekt selbstverständlich direkt als Beugungsobjekt eingesetzt werden. Ein Beispiel für eine derartige Anwendung ist die Beschichtung von Drähten mit Lack (z. B. Kupferlackdraht). Hier kann der zu beschichtende Draht direkt im Laserstrahl angeordnet werden und als Beugungsobjekt dienen.In certain areas of application according to the method, in which a layer on a Object to be separated or adsorbed already as a diffraction object in the sense of is suitable method, this can Object, of course, directly as a diffraction object be used. An example of one Application is the coating of wires with varnish (e.g. enamelled copper wire). Here the one to be coated Wire can be arranged directly in the laser beam and as Serve diffraction object.

Die örtliche Intensitätsverteilung auf der Detektionsfläche kann beispielsweise mit einer CCD- Kamera, einer Photodiodenzeile, einem Spiegelscanner oder einem PSD (Position Sensitive Device) erfaßt werden. Es kann eine separate Detektionsfläche vorgesehen sein, aus der die Intensitätsverteilung beispielsweise mittels einer CCD-Kamera ausgelesen wird. Alternativ kann die Detektionsfläche direkt aus dem Detektor, wie beispielsweise einer Photodiodenzeile bestehen.The local intensity distribution on the Detection area can, for example, with a CCD Camera, a photodiode array, a mirror scanner or a PSD (Position Sensitive Device) become. It can have a separate detection area be provided from which the intensity distribution read out for example by means of a CCD camera becomes. Alternatively, the detection area can be made directly the detector, such as a photodiode array consist.

Als kohärente Lichtquellen kommen insbesondere HeNe-Laser oder Halbleiter-Laser, vorzugsweise im IR- Bereich, zum Einsatz.In particular, come as coherent light sources HeNe laser or semiconductor laser, preferably in IR Area, used.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein weiteres Beugungsobjekt, das die gleichen Voraussetzungen wie das mit der Schicht beaufschlagte Beugungsobjekt aufweist, vorgesehen. Dieses Beugungsobjekt wird in einem aus dem Laserstrahl ausgekoppelten Teilstrahl angeordnet. Die Anordnung erfolgt jedoch in einem Bereich, in dem keine Schicht auf dem Beugungsobjekt abgeschieden oder absorbiert wird, so daß der Abstand der beugenden Begrenzungen nicht durch die Schicht abscheidung beeinflußt wird. Im Falle der Anwendung im Bereich der Halbleiterfertigung wird dieses Referenz beugungsobjekt, ebenso wie der Laser selbst, außerhalb der Prozeßkammer angeordnet. Auch dieses Beugungsobjekt wird mit dem Teilstrahl auf eine Detektionsfläche abgebildet und die sich ergebende örtliche Intensitäts verteilung erfaßt. Aus dieser örtlichen Intensitäts verteilung wird der Abstand der beugenden Begrenzungen berechnet und mit dem bekannten Abstand verglichen. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Temperatur erhöhung, die zur Veränderung des Abstandes führen würde, quantitativ erfaßt und damit die Berechnung der Schichtdicke korrigiert werden. Hierfür ist es erforderlich, daß beide Beugungsobjekte die gleichen Materialeigenschaften aufweisen. Vorzugsweise bestehen beide Beugungsobjekte daher aus dem gleichen Material und weisen die gleiche Dicke auf.In an advantageous embodiment of the the inventive method is another Diffraction object that has the same requirements as the diffraction object applied with the layer has provided. This diffraction object is in a partial beam coupled out of the laser beam arranged. However, the arrangement is in one Area where there is no layer on the diffraction object is deposited or absorbed so that the distance of the diffractive limits not through the layer deposition is affected. In case of application in In the field of semiconductor manufacturing, this becomes a reference diffraction object, just like the laser itself, outside arranged the process chamber. This diffraction object too is with the partial beam on a detection surface mapped and the resulting local intensity distribution recorded. For this local intensity distribution is the distance of the diffractive boundaries calculated and compared with the known distance. On this way, for example, a temperature increase that lead to a change in the distance would be recorded quantitatively and thus the calculation of the Layer thickness can be corrected. It is for that required that both diffraction objects be the same Have material properties. Preferably exist both diffraction objects are therefore made of the same material and have the same thickness.

Die Abbildung der beiden Beugungsobjekte kann auf die gleiche Detektionsfläche erfolgen. Hierbei würde die Messung durch wechselseitiges Abdecken der beiden Teilstrahlen jeweils für das Referenzbeugungsobjekt und für das zu vermessende Beugungsobjekt periodisch nacheinander durchgeführt. Beim Vorsehen unterschied licher Detektionsflächen können beide Messungen parallel und kontinuierlich durchgeführt werden.The image of the two diffraction objects can be on the same detection area take place. This would the measurement by mutually covering the two Partial beams for the reference diffraction object and periodically for the diffraction object to be measured carried out one after the other. Differences in the provision Detection surfaces can measure both measurements be carried out in parallel and continuously.

Mit dieser Ausführungsform ist es auch möglich, eventuelle Schwankungen in der Laserstrahlintensität oder -wellenlänge bei der Berechnung der Schichtdicke zu berücksichtigen.With this embodiment it is also possible possible fluctuations in the laser beam intensity or wavelength when calculating the layer thickness to consider.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dickenmessung weist eine kohärente Lichtquelle zur Aussendung eines Lichtbündels sowie eine Detektionsfläche auf, auf die das Lichtbündel gerichtet ist. Zwischen der Lichtquelle und der Detektionsfläche ist ein Beugungsobjekt im Lichtbündel angeordnet, das zumindest zwei sich gegenüberliegende beugende Begrenzungen in bekanntem Abstand aufweist, die sich innerhalb des Lichtbündels befinden. Weiterhin ist ein Detektor zur Erfassung einer örtlichen Verteilung von auf der Detektionsfläche vorliegender Lichtintensität vorgesehen. Der Detektor ist mit einer Auswerteeinrichtung verbunden, die den aktuellen Abstand der beugenden Begrenzungen des Beugungsobjektes bzw., daraus resultierend, die Dicke einer darauf vorliegenden Schicht aus der gemessenen Verteilung der Lichtintensität berechnet. The device for thickness measurement according to the invention has a coherent light source for emitting a Light beam and a detection surface on which the light beam is directed. Between the light source and the detection surface is a diffraction object in the Arranged light bundles that at least two themselves opposing diffractive limits in known Distance that is within the light beam are located. There is also a detector for detection a local distribution of on the detection area provided light intensity provided. The detector is connected to an evaluation device that current distance of the diffractive limits of the Diffraction object or, as a result, the thickness an existing layer from the measured Distribution of light intensity calculated.

Auf einzelne Komponenten dieser Vorrichtung wurde bereits im Zusammenhang mit dem vorangehend beschrie benen Verfahren näher eingegangen.On individual components of this device already described in connection with the above detailed procedures.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich vorteilhaft als Sensor einsetzen. Hierbei befinden sich zumindest das Beugungsobjekt, die Detektionsfläche und der Detektor auf einem gemeinsamen Träger, der auf einfache Weise an die entsprechenden Meßpositionen gebracht werden kann. Vorzugsweise ist auch der Laser bereits auf dem Träger fixiert.The device according to the invention can be advantageous to use as a sensor. Here are at least the diffraction object, the detection area and the detector on a common carrier that is on simple way to the corresponding measuring positions can be brought. The laser is also preferred already fixed on the carrier.

Weiterhin kann das Beugungsobjekt auch separat in die Umgebung eingebracht werden, in welcher der zu messende Effekt, z. B. eine Beschichtung, ein Abtrag, oder eine Adsorption, auftritt. Das Beugungsobjekt wird anschließend nur für die Auswertung in eine Vorrichtung bestehend aus der kohärenten Lichtquelle, der Detek tionsfläche, dem Detektor und der Auswerteeinrichtung, eingesetzt.Furthermore, the diffraction object can also be separately in the environment in which the to be introduced measuring effect, e.g. B. a coating, a removal, or adsorption occurs. The diffraction object will then only for evaluation in one device consisting of the coherent light source, the Detek tion surface, the detector and the evaluation device, used.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfaßt diese Vorrichtung auch ein weiteres Beugungsobjekt in einem vom ausgesandten Lichtbündel ausgekoppelten Teilbündel. Hierbei ist die Auskopplung und somit der Abstand des weiteren Beugungsobjektes vom ersten Beugungsobjekt variabel gestaltet, so daß sich die Vorrichtung den entsprechenden Anforderungen, beispielsweise einer Prozeßkammer, anpassen läßt. Insbesondere muß es die Vorrichtung ermöglichen, daß das Referenzobjekt in einem ausreichenden Abstand vom ersten Beugungsobjekt angeordnet werden kann, so daß das Referenzobjekt beim Einsatz nicht beschichtet wird. In an advantageous embodiment comprises this device also another diffraction object in one coupled out from the emitted light beam Sub-bundle. Here is the decoupling and thus the Distance of the further diffraction object from the first Diffraction object designed variable, so that the Device according to the relevant requirements, for example, a process chamber can be adjusted. In particular, the device must enable that the reference object at a sufficient distance from the first diffraction object can be arranged so that the reference object is not coated during use.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich neben dem Einsatz bei der Schichtdickenmessung in der Halbleiterfertigungstechnik auch auf anderen Gebieten vorteilhaft einsetzen.The device of the invention can be next to use in layer thickness measurement in the Semiconductor manufacturing technology also in other areas use advantageously.

So kann die Vorrichtung als Temperatursensor dienen, bei dem eine durch eine Temperaturveränderung hervorgerufene Ausdehnung des Beugungsobjektes im Laserstrahl erfaßt und berechnet wird. Hierfür wird ein Material mit einer vorbestimmten Abhängigkeit der Ausdehnung von der Temperatur eingesetzt.So the device can be used as a temperature sensor serve in the case of a change in temperature caused expansion of the diffraction object in the Laser beam is detected and calculated. For this, a Material with a predetermined dependency of the Expansion used by temperature.

In gleicher Weise lassen sich mechanische Spannungen eines Objektes erfassen, wenn dieses als Beugungsobjekt in der vorliegenden Vorrichtung ein gesetzt wird. Durch die Änderung der mechanischen Spannungen ändert sich die Dicke des Objektes (Quer kontraktion in Folge mechanischer Dehnung), so daß dies mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr genau erfaßt werden kann.In the same way, mechanical Record the tensions of an object if it is a Diffraction object in the present device is set. By changing the mechanical Tensions changes the thickness of the object (cross contraction due to mechanical expansion), so that this detected very precisely with the device according to the invention can be.

Weiterhin kann der erfindungsgemäße Sensor zur Bestimmung des Fortschrittes eines Reinigungsprozesses in einer Prozeßkammer herangezogen werden. Insbesondere im Bereich der Schichtabscheidung kann somit einerseits die Dicke der abgeschiedenen Schicht bestimmt, anderer seits ein nachfolgender Reinigungsprozeß der Prozeß kammer, der beispielweise mittels eines Ätzgases erfolgt, überwacht werden. Durch diesen Reinigungs prozeß wird die auf dem Beugungsobjekt vorher abge schiedene Schicht wieder entfernt. Wird keine Schicht dicke auf dem Beugungsobjekt mehr detektiert, so ist dies ein Maß für die Sauberkeit der Prozeßkammer, und der Reinigungsprozeß kann beendet werden. Die Vor richtung kann in diesem Fall zur Automatisierung des Reinigungsprozesses eingesetzt werden.Furthermore, the sensor according to the invention can Determination of the progress of a cleaning process be used in a process chamber. In particular in the area of layer deposition, on the one hand the thickness of the deposited layer determines others on the one hand a subsequent cleaning process the process chamber, for example by means of an etching gas done, be monitored. Through this cleaning process is previously checked on the diffraction object separated layer removed. Will not be a shift thickness is more detected on the diffraction object this is a measure of the cleanliness of the process chamber, and the cleaning process can be ended. The before In this case, the direction can be used to automate the Cleaning process are used.

Bei einer weiteren Anwendung kann die Vorrichtung zur Untersuchung der Richtungsabhängigkeit der Schichtabscheidung oder Schichtabtragung von Prozessen in einer Prozeßkammer eingesetzt werden. Durch diese Richtungsabhängigkeit vieler Prozesse variiert die Schichtdicke über den Umfang des Beugungsobjektes. Die Variation der Schichtdicke kann durch anschließendes Drehen des Beugungsobjektes im kohärenten Lichtstrahl erfaßt werden.In another application, the device to investigate the directional dependence of the Layer deposition or layer ablation of processes be used in a process chamber. Through this The directionality of many processes varies Layer thickness over the circumference of the diffraction object. The The layer thickness can be varied by subsequent Rotating the diffraction object in the coherent light beam be recorded.

Das Material des Beugungsobjektes wird ent sprechend dem Anwendungsbereich gewählt. So kann zum Nachweis von Sauerstoff, d. h. als O₂-Sensor, eine sauerstoffsensitive Schicht auf dem Beugungsobjekt vorgesehen sein, deren Dickenänderung bestimmt wird.The material of the diffraction object is chosen according to the area of application. For the detection of oxygen, ie as an O ₂ sensor, an oxygen-sensitive layer can be provided on the diffraction object, the change in thickness of which is determined.

Die Vorrichtung ist sehr robust, kaum störanfällig und schnell. Insbesondere läßt sich ein derartiges System sehr kostengünstig herstellen und einsetzen. Beim Betrieb der Vorrichtung im Bereich der Halb leiterfertigung wird das Beugungsobjekt entweder nach jeder Messung oder nach Abscheidung mehrerer über einander liegender Schichten ausgetauscht. Bei Prozessen, bei denen die Prozeßkammer und somit auch das darin befindliche Beugungsobjekt in festen Abständen gereinigt werden, ist ein Austausch nicht erforderlich. Das gleiche gilt im Falle einer thermischen Reinigung des Beugungsobjektes. Diese thermische Reinigung kann beispielsweise durch Beaufschlagung des Beugungsobjektes mit einem elektrischen Strom erfolgen, der zur Erwärmung des Beugungsobjektes führt.The device is very robust, hardly susceptible to failure and fast. In particular, such Manufacture and use the system very cost-effectively. When operating the device in the area of half The diffraction object is either manufactured by the conductor each measurement or after separating several over exchanged layers. At Processes in which the process chamber and therefore also the diffraction object in it in solid Intervals are cleaned, an exchange is not required. The same applies in the case of a thermal cleaning of the diffraction object. This For example, thermal cleaning Applying a diffraction object electrical current to heat the Diffraction object leads.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend nochmals anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:The device according to the invention and the The methods according to the invention are repeated below using exemplary embodiments in connection with the Figures explained in more detail. Here show:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und Figure 1 is a schematic diagram of an embodiment of the device according to the invention. and

Fig. 2 ein Beispiel für die Anordnung der erfindungs gemäßen Vorrichtung in einer Prozeßkammer. Fig. 2 shows an example of the arrangement of the device according to the Invention in a process chamber.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausfüh rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung umfaßt einen Laser 1, der ein paralleles Laserstrahlbündel 2 bekannter Wellenlänge in Richtung auf eine Detektionsfläche, im vorliegenden Beispiel die sensitive Oberfläche einer CCD-Zeilenkamera 4, emittiert. Im Strahlengang des Laserstrahlbündels 2 ist ein Metallstift 3 als Beugungsobjekt bekannter Dicke angeordnet. Der Metallstift hat einen Durchmesser im Bereich von 50-200 µm. Das Laserlicht wird an diesem Metallstift gebeugt und erzeugt auf der lichtempfind lichen Fläche der CCD-Zeilenkamera 4 Beugungsmaxima und -minima. Der Abstand dieser Beugungsmaxima und -minima ist von der bekannten Dicke des Metallstiftes, vom bekannten Abstand des Metallstiftes zur Detektions fläche, der je nach gewünschtem Meßbereich und Auf lösung gewählt wird (im vorliegenden Fall ein optischer Weg zwischen 20 und 30 cm), und von der eingesetzten Laserwellenlänge abhängig. Im Zentralbereich der Detektionsfläche tritt in diesem Beispiel das Maximum nullter Ordnung 6 auf, an das sich seitlich die durch Beugung erzeugten Intensitätsmaxima und -minima 7 anschließen. Vorzugsweise werden aus Gründen des Intensitätsunterschiedes nur Nebenmaxima oder Neben minima ausgewertet. Fig. 1 shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of the inventive device to illustrate the inventive method. The device comprises a laser 1 , which emits a parallel laser beam 2 of known wavelength in the direction of a detection surface, in the present example the sensitive surface of a CCD line camera 4 . In the beam path of the laser beam 2 , a metal pin 3 is arranged as a diffraction object of known thickness. The metal pin has a diameter in the range of 50-200 µm. The laser light is diffracted at this metal pin and generates 4 diffraction maxima and minima on the light-sensitive surface of the CCD line scan camera. The distance of these diffraction maxima and minima is from the known thickness of the metal pin, from the known distance of the metal pin to the detection surface, which is chosen depending on the desired measuring range and solution (in the present case an optical path between 20 and 30 cm), and depends on the laser wavelength used. In this example, the zero-order maximum 6 occurs in the central region of the detection area, which is followed laterally by the intensity maxima and minima 7 generated by diffraction. For reasons of the difference in intensity, preferably only secondary maxima or secondary minima are evaluated.

Zur Durchführung der Messung wird der Metallstift 3 in den Bereich eingebracht, in dem die Schicht abgeschieden wird. Durch die Schichtabscheidung, die auch zu einer abgeschiedenen bzw. adsorbierten Schicht auf der Oberfläche des Metallstiftes führt, verändert sich die Dicke des Metallstiftes und somit die Ver teilung der Maxima und Minima 7 im Beugungsmuster auf der Detektionsfläche. Die Verteilung der Beugungsmuster wird zumindest in einer Dimension, vorzugsweise senkrecht zur Anordnung des Metallstiftes 3, mit der Zeilenkamera 4 erfaßt. Hierbei genügt es, mindestens zwei Nebenmaxima oder Nebenminima zu erfassen. Die Genauigkeit wird mit der Anzahl der Maxima bzw. Minima erhöht. Die Position der einzelnen Maxima bzw. Minima wird in der Auswerteeinheit 5 mit einem geeigneten Computerprogramm erfaßt, das aus der Lage der Maxima und/oder der Minima, dem Abstand Metallstift- Detektionsfläche, dem anfänglichen Durchmesser des Metallstiftes und der Laserwellenlänge die gerade vorliegende Schichtdicke berechnet.To carry out the measurement, the metal pin 3 is introduced into the area in which the layer is deposited. The layer deposition, which also leads to a deposited or adsorbed layer on the surface of the metal pin, changes the thickness of the metal pin and thus the distribution of the maxima and minima 7 in the diffraction pattern on the detection surface. The distribution of the diffraction patterns is recorded at least in one dimension, preferably perpendicular to the arrangement of the metal pin 3 , with the line camera 4 . It is sufficient to record at least two secondary maxima or secondary minima. The accuracy is increased with the number of maxima or minima. The position of the individual maxima or minima is recorded in the evaluation unit 5 with a suitable computer program which calculates the layer thickness currently present from the position of the maxima and / or the minima, the distance between the metal pin detection area, the initial diameter of the metal pin and the laser wavelength .

Die Messung kann hierbei kontinuierlich und in Echtzeit erfolgen. Selbstverständlich können auch nur Einzelmessungen in zeitlichen Abständen während des Schichtabscheideprozesses durchgeführt werden. The measurement can be continuous and in Done in real time. Of course, only Individual measurements at intervals during the Layer deposition process are carried out.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Prozeßkammer zur Halbleiterfertigung. Das Beugungsobjekt 3, ein dünner Metallstift, ist in diesem Beispiel in der Nähe des Glasfensters 8 einer Prozeßkammer 9 angeordnet. Fig. 2 shows an example of the arrangement of the device according to the invention in a process chamber for semiconductor manufacturing. In this example, the diffraction object 3 , a thin metal pin, is arranged in the vicinity of the glass window 8 of a process chamber 9 .

Von außerhalb der Prozeßkammer wird mit einem Helium/Neon-Laser 1 ein Laserstrahl durch das Glas fenster 8 in die Prozeßkammer 9 geleitet, dort über ein Ablenkelement, im vorliegenden Fall ein Prisma 10, auf das Beugungsobjekt 3 gerichtet und anschließend über ein weiteres Ablenkelement (Prisma 11) wieder durch das Glasfenster 8 auf eine Auswerteeinheit 4 außerhalb der Prozeßkammer 9 gelenkt. Auf der Auswerteeinheit 4, beispielsweise einer CCD-Zeile, wird die örtliche Intensitätsverteilung, d. h. die Intensitätsmaxima und -minima, des auftreffenden Strahls erfaßt und kann aus gewertet werden. Über die Dicke der auf dem Beugungs objekt 3 abgeschiedenen Schicht kann auf diese Weise die Dicke der an der Innenwand der Prozeßkammer 9 abgeschiedenen Schicht, beispielsweise die Dicke von an der Wand der Prozeßkammer abgeschiedenen Polymer schichten, bestimmt werden.From outside the process chamber, a helium / neon laser 1 is used to guide a laser beam through the glass window 8 into the process chamber 9 , where it is directed via a deflection element, in the present case a prism 10 , onto the diffraction object 3 and then via a further deflection element ( Prism 11 ) again directed through the glass window 8 to an evaluation unit 4 outside the process chamber 9 . The local intensity distribution, ie the intensity maxima and minima, of the incident beam is recorded on the evaluation unit 4 , for example a CCD line, and can be evaluated. About the thickness of the layer deposited on the diffraction object 3, the thickness of the layer deposited on the inner wall of the process chamber 9 , for example the thickness of the polymer layers deposited on the wall of the process chamber, can be determined in this way.

Claims

1. A method for measuring the layer thickness during a process in which one or more layers are deposited or adsorbed on an object, with the following steps

- Arranging a diffraction object, which has at least two opposing diffraction limits at a known distance, in a process area in which the layer to be measured is deposited or adsorbed, so that a layer is deposited or absorbed at the diffraction limits of the diffraction object, the layer thickness of which known relation to the layer thickness on the object;
- Imaging the diffractive limits of the diffraction object with a coherent light beam of known wavelength on a detection surface, the light beam being diffracted at the diffractive limits of the diffraction object;
- Detecting a local intensity distribution of the light beam on the detection surface caused by the diffraction in at least one dimension; and
- Calculate a current distance of the diffractive limits of the diffraction object from the intensity distribution and determination of the layer thickness from the calculated current distance.

2. The method according to claim 1, characterized in that a diffraction object is used in which the distance of the opposite diffractive limits 300 µm is.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the object itself as Diffraction object is used.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a thin wire or pin is used as a diffraction object.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a slit as a diffraction object is used.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the local intensity distribution with a CCD camera, a photo diode array or a scanner is detected.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that another diffraction object that is at least two opposite has diffractive limits at a known distance, in one coupled out of the coherent light beam Sub-bundle is arranged in an area in which no layer on the further diffraction object is deposited or adsorbed, the diffractive Limitations of the further diffraction object with the Sub-bundle on another or the same Detection area shown, one on the other or the same detection area, by Diffraction caused local intensity distribution of the Sub-bundle recorded in at least one dimension, and the distance of the diffractive boundaries further Diffraction object from the intensity distribution be calculated so that in the event of a deviation of the calculated an ent from the known distance speaking correction taken into account in the calculation can be.

8. Device for measuring thickness with

- a coherent light source for emitting a light beam;
- A detection surface, on which the light beam is directed;
- A diffraction object arranged between the light source and the detection surface in the light beam, which has at least two opposite diffraction limits at a known distance, which are located within the light beam;
a detector for detecting a local distribution of light intensity present on the detection surface in at least one dimension; and
- An evaluation device that calculates the current distance of the diffractive boundaries of the diffraction object and / or the thickness of a layer present thereon from the measured distribution of the light intensity.

9. The device according to claim 8, characterized in that the diffractive limits the diffraction object a distance of ≦ 300 µm exhibit.

10. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the diffraction object is a is thin wire or pen.

11. The device according to one of claims 8 or 10, characterized in that the detector is a CCD Camera, a photodiode array or a scanner.

12. The device according to one of claims 8 to 11, characterized in that another diffraction object that is at least two opposite has diffractive limits as a reference object in one coupled out from the emitted light beam Sub-bundle is arranged so that a diffraction on Intensity distribution obtained reference object detected and can be evaluated.

13. Use of the device according to one of the Claims 8 to 12 as a temperature sensor, wherein the Diffraction object made of a material with a front certain dependence of the extent of the Temperature.

14. Use of the device according to one of the claims 8 to 12 for measuring mechanical stresses in the Diffraction object, which is a change in distance between the diffractive limits of diffraction effect object.

15. Use of the device according to one of the Claims 8 to 12 in cleaning or etching processes in Process chambers, the thickness of the diffraction object present layer as a measure of the progress of the Cleaning or etching process is used.

16. Use of the device according to one of the Claims 8 to 12 for examining the Directional dependence of the layer deposition or Shift removal of processes in a process chamber.