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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Schichtdicke und Brechungsindex
von dünnen durchsichtigen Schichten.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Dicke und
Brechungsindex dünner durchsichtiger Schichten auf Oberflächen von Substraten mittels
der bei der Reflexion von monochromatischem Licht an zwei verschiedenen Oberflächen
auftreten den Interferenzen des refiktierten Lichtes sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens.
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Verfahren und Vorrichtung dienen der zerstörungsfreien Kontrolle von
Dicke und Brechungsindex von dünnen durchsichtigen Schichten, die auf Substrate
aufgetragen werden und findet bevorzugt Anwendung in der Halbleitertechnologie bei
der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase.
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Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Brechungsindexes
und der Dicke von dünnen durchsichtigen Schichten aus der Vortragssammlung der CVn-Fourth
International Conference of the Electrochem. Soc. S. 205, 1973 von K.Sugawara, T.
Yoshimi, H. Okuyama und T. Shirasu (Hitachi Ltd. Tokyo) bekannt. Bei diesem Verfahren
wird das zu beschichtende Substrat mit einem Strahl eines He-Ne Lasers bestrahlt
und die Interferenzmaxima und Minima des reflektierten Lichtstrahlpaares
optisch
erfasst und daraus der Brechungsindex und die Dicke der durchsichtigen Schicht ermittelt.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, daß der Brechungsindex nur über umständliche
numerische Berechnungen ermittelt werden kann.
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Aus der physikalischen Bedampfungstechnik sind zwei verschiedene In-situ-Schichtdicken-Bestimmungsmethoden
bekannt; die eine ist das Schwingquarz-Verfahren (praktiziert von den Firmen Leybold
und Balzers), das jedoch z.B. nicht bei der CVD-Abscheidung verwendbar ist wegen
der dort auftretenden hohen Substrattemperaturen bis 10000 C. Für optische Beläge
gibt es noch die Methode der Messung des Reflexions-(bzw.
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Durchlässigkeits-) koeffizienten. Diese beiden Verfahren ermöglichen
jedoch nur die Bestimmung der Schichtdicke.
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Ein weiteres zerstörungsfreies Verfahren ist die Ellipsometrie.
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Schichtdicke und Brechungsindex werden nach der Abscheiciung der Schicht
bestimmt. Das Verfahren ist zwar sehr genau ( 10 Å ), jedoch aufwendig. Ein Nachteil
ist, daß die Schichtt dicke bei diesem Verfahren vorher grob bekannt sein muß. Die
von Pliskin vorgeschlagene Vamfo-Nethode ist nicht so aufwendig; jedoch muß der
Brechungsindex bekannt sein. Letztere beiden Verfahren ermöglichen nicht die Koritrolle
der Schichtdicke während der Abscheidung. Ein sehr einfaches zerstörungsfreies,
jedoch weniger genaues Verfahren zur Schichtdicken-Messung ist die Beobachtung der
Farben dünner Schichten in weißem Licht während der Abscheidung. Voraussetzung ist
hier aber, daß der Brechungsindex der Schicht bekanntkst, siehe W.A. Pliskin, E.E.
Conrad, IBM J. 8, 43 (lc3£4). Nachteilig ist außerdem die von einer Bedienungsperson
abhängige, subjektive Beurteilung der Interferenzfarben.
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Daneben gibt es noch eine Vielzahl nicht zerstörungsfreier Methoden,
bei denen sowohl die Dicke als auch der Brechungsindex bestimmt werden können (siehe
G.R. Brooker, C.E. Benjamin J. Electrochem. Soc., 109, 1206 (1962). Auch bei diesem
Verfahren
können die Dicke und der Brechungsindex erst am fertig beschichteten Substrat gemessen
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
das eine einfache und zerstörungsfreie Bestimmung von Dicke und Brechungsindex einer
dünnen durchsichtigen Schicht, die auf die Oberfläche eines optisch reflexionsfähigen
Substrates aufgetragen wird, ermöglicht. Das Verfahren soll des weiteren so beschaffen
sein, daß die Bestimmung der Dicke und des Brechungsindexes mit ruhenden Vorrichtungen
durchführbar ist, und daß die Bestimmung schon während des Auftragens der durchsichtigen
Schicht möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß daduich gelöst, daß das zu mittels
- - - -Descnicntenae test arretierte bubstratrzweler monocnromatlscner Lichtstrahlen
bestrahtl wird, die mit unterschiedlichen Einfalls-winkeln α1 und α2
auffallen und daß die beiden Lichtstrahlen durch die Reflexion an der Oberfläche
des Substrates in je ein Paar einander paralleler Lichtstrahlen aufgespalten werden,
wobei jedes Paar paralleler Lichtstrahlen auf je einen Punkt abgebildet wird und
die dortuauftretenden Interferenzmaxima und Minima optisch erfasst und aufgezeichnet
werden und daß mittels dieser Daten und den Interferenzbedingungen für das Auftreten
von scharfen Interferenzminima zweier unter den Einfallswinkeln α1 und α2
auffallender Lichtstrahlen die Dicke und der Brechungsindex der durchsichtigen Deckschicht
bestimmt werden.
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Da bei diesem Verfahren in vorteilhafter Weise der wellenoptische
Effekt der Interferenz von in zwei Ebenen reflektierten Lichtstrahlen ausgenutzt
wird, ist es möglich, die Bestimmung von Brechungsindex und Schichtdicke ohne Zerstörung
des beschichteten Substrates durchzuführen.
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* sowie an der Oberfläche der durchsichtigen Deckschicht
Als
besonderes Merkmal des Verfahrens ist hervorzuheben, daß hiermit sowohl der Brechungsindex
als auch die Schichtdi fe | bestimmt werden kann.
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Die Lösung bedient sich zur Durchfiihrung des Verfahrens einer Vorrichtung,
bei der vor der Oberfläche eines fest arretierten Substrates eine LichtqueAle angeordnet
ist und sich im reflektierten Strahlengang ein Detektor mit Auswertegerät befindet.
Erfindungsgemäß sind zwischen der Oberfläche des Substrates und der Lichtquelle
mindestens ein halbdurchlässiger Planspiegel und zwei weitere Planspiegel installiert.
Der halbdurchlässige Planspiegel ist der Lichtquelle am nächsten unter einem Winkel
von 45° im Strahlengang eines Lichtstrahles angeordnet. Der erste Planspiegel ist
unter einem Winkel von 450 - cCl/2 im Strahlengang eines von der Oberfläche des
halbdurchlässigen Planspiegels reflektierten Lichtstrahles angeordnet , während
der zweite Planspiegel unter einem Winkel von 900 /n im Strahlengang eines durch
den halbdurchlässigen Planspiegel hindurchtretenden Lichtstrahles angeordnet ist.
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Vor der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates im Strahlen gang
der reflektierten Paare paralleler Lichtstrahlen, ist je eine Sammellinse installiert.
In den von der Oberfläche des Substrates abgewandten Brennebenen der Sammellinsen
ist je eine lichtempfindliche Schicht eines Fotoelementes angeordnet.
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Die Ausgänge der Fotoelemente sind mit den Eingängen eines 2-Kanal-Linien-Schreibers
verbunden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung Fig. 2 eine Interferenzkurve
Fig.
1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtllng 1. Sie setzt sich aus einer Lichtquelle
2, einem halbdurchlässigen Planspiegel 3, zwei Planspiegeln 4 und 5, zwei Sammellinsen
6 und 7, zwei Fotoelementen 8 und 9 und einem 2-Kanal-Linien-Schreiber 10 zusammen.
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Vor der zu beschichtenden Oberfläche eines mit einer Halterung arretierten
Substrates 1.1 ist die Lichtquelle 2 installiert.
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Zwischen der Lichtquelle 2 und der Oberfläche des Substrates 11 sind
der halbdurchlässige Planspiegel 3 und die zwei weiteren Planspiegel 4 und 5 angeordnet.
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Der halbdurchlässige Planspiegel 3 ist unter einem Winkel von 450
in den Strahlengang des von der Lichtquelle 2 kommenden Lichtstrahles 13 eingebaut.
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Die Planspiegel 4 und 5 werden zusätzlich noch so angeordnet, daß
die von ihnen reflektierten Lichtstrahlen 14 bzw. 15 unter einem Einfallswinkel
α1 bzw. α2 auf der Oberfläche der durchsichtigen Deckschicht 12 auffallen,
wobei α1 # < 2 betragen soll; vorzugsweise soll α2 = α1 + ß
mit 30° # ß # 450 und α1 # SO sein. Der Planspiegel 4 ist im Strahlengang
des von der Oberfläche des halbdurchlässigen Planspiegels 3 reflektierten Lichtstrahles
14*installiert, während der Planspiegel 5 unter einem Winkel von 900 - (\/ 2/ im
Strahlengang I des durch den halbdurchlässigen Planspiegel 5 hindurchtretenden Lichtstrahles
15 angeordnet ist.
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Vor der Oberfläche des Substrates 11 sind in den Strahlenganr 1 der
von der Oberfläche der durchsichtigen Deckschicht 12 bzw.
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in den Strahlengang der von der Oberfläche des Substrates 11 reflektierten
Lichtstrahlen5 zwei Sammellinsen 6 und 7 eingebaut, * unter einem Winkel von 450
t /2
Die Vorrichtung zur Beschichtung des Substrates 11 wird vorzugsweise
gegenüber der zu beschichtenden Substratoberfläche angeordnet. Die Beschichtung
erfolgt senkrecht zur Oberfläche des Substrates.
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In den, von der Oberfläche des Substrates 11 abgewandten Brennebenen
der Sammellinsen 6 und 7 sind die lichtempfindlichen Schichten der beiden Fotoelemente
8 und 9 angeordnet. Es handelt sich hierbei vorzugsweise um Silicium-Fotoelemente.
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Die Ausgänge der beiden Fotoelemente 8 und 9 sind über zwei Verstärker
(hier nicht dargestellt) mit den Eingängen des 2-Kanal-Linien-Schreibers 10 und/oder
zur weiteren Auswertung mit den Eingängen eines Rechners (hier ebenfalls nicht dargestellt)
verbunden. Bei der Verwendung einer Spektrallampe als Lichtquelle muß das von dieser
kommende Licht, bevor es allf den Planspiegel 3 auffällt, mittels eines Kondensors
und eines Kollimators, die zwischen der Spektrallampe und dem halbdurchlässigen
Planspiegel 3 anzuordnen sind, gebündelt werden.
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Um bei Verwendung einer Spektrallampe das Fremdlicht ausschalten zu
können und um ein Licht mit einer einheitlichen Frequenz zu erhalten, müssen zusätzlich
zwischen dem Substrat und den Fotoelementen Interferenzfilter eingebaut werden,
die nur Licht einer gewünschten Wellenlänge durchlassen. Bei Verwendung eines Lasers
als Lichtquelle können die auf die benutzte Laserwellenlänge abgestimmten Interferenz
filter auch verwendet werden, um störendes starkes Fremdlicht auszuschalten Das
Verfahren läßt sich mittels der oben beschriebenen Vorrichtung folgendermaßen durchführen.
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Das zur Durchflihrung des Verfahrens verwendete Licht muß monochromatisch
sein. Deshalb verwendet man als Lichtquelle einen
Laser (z.B. He-Ne-Laser)
oder eine Quecksilber-Dampflampe.
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Bei Einsatz letzterer Einrichtung eignet sich zur Messung im sichtbaren
Spektralbereich besonders die 405 nm Linie, da hiermit eine große Genauigkeit durch
eine größere Anzahl von Interferenzen erzielt werden kann.
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Der von der Lichtquelle 2 kommende Lichtstrahl 13 fällt auf den halbdurchlässigen
Planspiegel 3 und wird dort in zwei Lichtstrahle 14 und 15 aufgespalten.
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Der Lichtstrahl 14 wird von der Oberfläche des halbdurchlässigen Planspiegels
3 reilektiert und fällt auf die Oberfläche des Planspiegels 4'wo er nochmals reflektiert
wird und dann unter einem Winkel 4 1 auf das zu beschichtende Substrat 11 auffällt.
Der durch den halbdurchlässigen Planspiegel 3 hindurchtretende Lichtstrahl 15 fällt
auf die Oberfläche des Planspiegels 5, wird dort reflektiert und fällt unter einem
Winkel DC 2 auf das zu beschichtende Substrat 11 auf.
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Jeder der beiden Lichtstrahlen 14 und 15 wird während dem Aufbringen
der Schicht zum einen an der durchsichtigen Deckschicht 12 reflektiert, zum anderen
durchlaufen die Lichtstrahlen 14 und 15 diese durchsichtige Deckschicht 12 und werden
von der Oberfläche desiSubstrates 11 reflektiert.
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Bei der zweimaligen Reflexion wird jeder der beiden Lichtstrahlen
14 und 15 in ein Paar einander paralleler Lichtstrahlel.
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16 und 17 bzw. 18 und 19 aufgespalten. Jedes dieser beiden Paare von
Lichtstrahlen 16 und 17 bzw. 18 und 19 wird mittels der Sammellinse 6 bzw. 7 auf
einen Punkt der lichtempfindlichen Schicht eines der beiden Silicium-Fotoelemente
8 und 9 abgebildet. Da jeder der beiden Lichtstrahlen 14 und 15 in zwei verschiedenen
Ebenen reflektiert wird, besteht zwischen
den beiden parallelen
Lichtstrahlen 16 und 17 bzw. 18 und 15, in die die beiden Lichtstrahlen 14 und 15
bei der Reflexicn 1t gespalten werden, ein Gangunterschied
wobei d die Dicke der dlrchsichtigen Deckschicht 12 ist, n der Brechungsindex dieser
Schicht und αi, mit i = -, der Einfallswinkel des Lichtstrahles 14 bzw. 15,
je nachdem ob # den Gangunterschied zwischen den Lichtstrahlen 16 und 17 bzw. 18
und 19 angibt.
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Der Gangunterschied A zwischen den parallelen Strahlen 16 und 17 bzw.
18 und 19 ändert sich ständig, wenn während der Messung die durchsichtige Deckschicht
1? noch weiter an Dicke zunimmt.
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Aus diesem Grund treten Interferenzmaxima und Minima in den Punkten
der lichtempfindlichen Schichten der Silicium-Fotoelemente 8 und 9 auf, auf die
die parallelen Lichtstrahlen 16 und 17 bzw. 18 und 19 abgebildet werden.
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Scharfe Interferenzminima erhält man bei einem Gangunterschied t =
( Hi - 1/2)-2 zwischen den beiden parallelen Lichtstrahlen 16 und 17 bzw. 18 und
19, wobei H. die Ordnungszahl der Interferenzminima und # die Wellenlänge des Lichtes
ist.
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Der 2- Kanal-Linien-Schreiber lO zeichnet die von den Silicium-l Fotoelementen
8 und 9 registrierten Interferenzerscheinungen in Form von zwei Interferenzkurven
wie in Fig. 1 gezeigt, auf.
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Die Daten können noch zusätzlich in einem Rechner gespeichert werden.
Mittels dieser Daten der Interferenzkurven läßt sich der Brechungsindex n und die
Schichtdicke d der durchsichtigen Deckschicht 12 bestimmen.
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Aus den beiden aufgezeichneten Interferenzkurven werden die Interferenzminima
Hi mit i = 1,? ermittelt.
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Wird das Aufbringen der Schicht zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Interferenzminima beendet, oder soll die Schichtdicke und der Brechungsindex während
der Beschichtung ermittelt werden, miissen zur genauen Bestimmung des Brechungsindexes
und der Schichtdicke die das letzte Interferenzminima überschreitenden Eurvenstiicke
berücksichtigt werden. Der das letzte Minima überschreitende Betrag vird im Verhältnis
zum Abstand der- letz-ten beiden Minima zUr Anzahl der bisher registrierten Minima
H. hinzuaddieren. Damit ergibt sich ein von einer ganzen Zahl abweichender Wert
ki.
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ki = Hi + ri mit i=1,2 ri = mi 1 1.
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ist das Verhältnis des das letzte Minimum iiberschreitenden Abstandes
mi zum Abstand li der letzten beiden Minima der Interferenzkurve flir die beiden
Lichtstrahlenpaare 16, 17 und 18, 19.
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Die Abstände m. und 1. sind in Fig. 2 eingezeichnet. Die Be-1 1 rechnung
der ri erfolgt niir dann mit vernachlässigbarem Fehler, wenn sich die AufbringungsgeschwIndigkeit
der Schicht nach dem vorletzten Interferenzminimum nicht geändert hat. Diese Bedingung
ist aber in den meisten Anwendungsfällen erfüllt, z.B. physik. Aufdampfen, cham
Abscheidung aus der Dampfphase.
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Die ri lassen sich bis auf 1/4 mm genau bestimmen.
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Mittels der bekannten Werte k1 und k2 cier beiden Paare von Lichtstrahlen
16 und 17 bzw. 18 lind 19 können die Schichtdicke und der Brechungsindex n der durchsichtigen
Deckschicht 12
bestimmt werden.
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Die zur Bestimmung des Brechungsindex notwendige Gleichung folgt,
wenn die Quadrate der beiden Gleichungen, die den Gangunterschied zwischen den parallelen
Strahlen 16 und 17 bzw. 18 und 19 beschreiben, gebildet und die beiden Gleichungen
durcheinander dividiert werden.
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Durch das Einsetzen der kWerte in die Gleichung für den Gangunterschied
a , werden die das jeweils letzte ffii -erferenzminima der beiden Interferenkurven
überschreitenden Kurvenstücke mit berücksichtigt.
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mit
Daraus folgt, nach Auflösung der Gleichung nach
Bei # handelt es sich um die Wellenlänge des verwendeten Lichtes in Luft.
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Aus der Gleichung für den Gangunterschied
mit i = 1,2 folgt, wenn für L die Beziehung ( ki - 1/2) /L eingesetzt wird, die
Dicke d der durchsichtigen Deckschicht 12.
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mit i = 1,2 Zur Bestimmung des Brechungsindexes n und der Dicke d
der durchsichtigen Deckschicht 12 mittels eines Rechners, müssen noch die oben angeführten
Gleichungen zusammen mit einem die Rechenabläufe bestimmenden Programm zuvor im
Rechner abgespeichert werden.
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Die an den 2-Kanal-Linien-Schreiber gegebenen Werte können wie schon
erwähnt, ebenfalls direkt in den Rechner gegeben werden und mittels diesem die Werte
ki daraus bestimmt werden.
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Die beiden Werte k1 und k2 können auch von- einer Bedienungsperson
aus den aufgezeichneten Interferenzkurven ermittelt und in den Rechner eingegeben
werden, mit dem dann die Schichtdicke d und der Brechungsindex n ermittelt und ausgedruckt
werden können.