DE2828507C2

DE2828507C2 - Interferometrisches Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Ätzraten opaker Schichten

Info

Publication number: DE2828507C2
Application number: DE2828507A
Authority: DE
Inventors: Millard Alvin Boulder Col. Habegger
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-06-30
Filing date: 1978-06-29
Publication date: 1986-05-07
Also published as: US4147435A; JPS5413365A; JPS5845643B2; FR2396286A1; DE2828507A1; IT1109832B; IT7823826A0; GB1570872A; FR2396286B1

Description

— daß Licht der Wellenlänge λ in einen ersten und einen zweiten parallel dazu verlaufenden Lichtstrahl aufgespalten wird, von denen der erste senkrecht auf die Oberfläche der opaken Schicht und der zweite auf einen benachbarten, von der transparenten Schicht bedeckten Bereich der opaken Schicht gerichtet wird,

— daß die von der Oberfläche der transparenten Schicht und der Oberfläche der von letzterer bedeckten opaken Schicht reflektierten, miteinander interferierenden Komponenten des zweiten Uphtstrahls erfaßt werden und die Änderung der Lichtintensität in Abhängigkeit von der Zeit gemessen und aufgezeichnet wird,

— und daß die von der Oberfläche der opaken Schicht reflektierte Komponente des ersten Strahls und von der Oberfläche der von der transparenten Schicht bedeckten opaken Schicht reflektierte Komponente des zweiten Lichtstrahls, die miteinander interferieren, erfaßt werden und die Änderung der Lichtintensität in Abhängigkeit von der Zeit gemessen und aufgezeichnet wird.

2. Vorrichtung zur gleichzeitigen interferometrischen Bestimmung der Ätzrate·- einer opaken und einer diese teilweise bedeckenden transparenten Schicht, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) eine LichtquelIe(21)fürLichtder Wellenlänge/i;

b) eine Einrichtung (11) durch welche der Lichtstrahl (19) in zwei parallele Strahlen aufgespalten wird, von denen der erste (15) senkrecht auf die Oberfläche (41) der opaken Schicht (23) un^ der zweite (17) senkrecht auf die Oberfläche (27) der transparenten Schicht (25) gerichtet ist;

c) einen ersten Detektor (35), der in dem Strahlengang der von der Oberfläche (27) der transparenten Schicht (25) und der Oberfläche (29) der von dieser bedeckten opaken Schicht (23) reflektierten, miteinander interferierenden Komponenten (30) des zweiten Lichtstrahls (17) angeordnet ist zur Messung und Aufzeichnung der Lichtintensität in Abhängigkeit von der Zeit;

d) einen zweiten Detektor (39), der in dem Strahlengang der von der Oberfläche (41) der opaken Schicht (23) reflektierten Komponente (37) des ersten Lichtstrahls (15) und der von der Oberfläche (29) der bedeckten opaken Schicht (23) reflektierten Komponente (30) des zweiten Lichtstrahls (17), die miteinander interferieren, angeordnet ist zur Messung und Aufzeichnung der Lichtintensität in Abhängigkeit von der Zeit.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufspaltung des Lichtstrahls in zwei parallele Strahlen ein Fenster (11) mit einer reflektierenden Rückseitenbeschichtuneil31ist.

10 Die Erfindung betrifft ein interferometrisches Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Bestimmung der Ätzraten einer opaken und einer diese teilweise bedeckenden transparenten Schicht

Eine Detektorvorrichtung zur Überwachung der Geschwindigkeit mit der die Schichtdickenänderung einer transparenten Schicht erfolgt bei Anwendung eines interferometrischen Verfahrens ist bekannt So wird beispielsweise beim Ätzen einer Siliciumdioxidschicht die sich auf einer Siliciumunterlage befindet durch ein Photoresistfenster unter Verwendung eines reaktiven Gasplasmas monochromatisches Licht auf die Oberfläche des Oxids gerichtet Der Lichtstrahl, der üblicherweise von einer Laserquelle ausgesendet wird, wird sowohl von der Oxidoberfläche wie auch von der Oberfläche des darunterliegenden opaken Siliciums reflektiert. Diese Reflexionen interferieren miteinander, wodurch sich die Lichtintensität als Folge der Schichtdickenänderung der Oxidschicht ändert. Die Änderungen der Lichtintensität werden durch einen Detektor aufgenommen und in Form einer Kurve aufgezeichnet Wenn die Aufzeichnung eine Schwingung der Lichtintensität durchläuft, hat sich die Dicke der Siliciumdioxidschicht um ÄI2n geändert wobei die λ die Lichtwellenlänge und η der Brechungsindex des Siliciumdioxids ist. Bei diesem System handelt es sich im wesentlichen um ein Zweistrahlinterferometer, bei dem die beiden Strahlen zu einem hohen Genauigkeitsgrad paralle! sind. Der kleine Winkel zwischen den beiden Strahlen bewirkt, daß die Interferenzstreifenbreite praktisch gleich der Breite des Laserstrahls auf dem Detektor ist.

Aus der DE-OS 21 00 236 ist eine Anordnung zur genauen Messung kleiner Niveauunterschiede, beispielsweise der Dicke von auf einem Träger aufgebrachten dünnen Schichten bekannt, bei der zwei mit kohärentem Licht arbeitende Interferometeranordnungen jeweils einem der beiden Niveaus zugeordnet sind und ein optischer Umschalter vorgesehen ist, der abwechselnd die eine und die andere der von den beiden Interferometeranordnungen abgegebenen Wellen auf den gleichen opto-elektrischen Detektor richtet, dessen Ausgang mit einem synchron mit dem optischen Umschalter arbeitenden Demodulator verbunden ist, wobei die von der zu messenden Dicke abhängige Phasenverschiebung zwischen den von den beiden Niveaus reflektierten Wellen durch ein einstellbares und geeichtes Phasenschieberglied kompensiert wird, das im Weg einer der Wellen angeordnet ist. Aus der Phasenverschiebung ergibt sich die Information über die zu messende Dicke der Schicht,

Die zuvor beschriebenen Systeme können jedoch nicht zur Bestimmung der Dickenänderungen opaker Materialien, wie von Silicium oder Metallen, verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Bestimmung der Ätzraten einer opaken und einer diese teilweise bedeckenden transDarenten Schicht.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem Licht der Wellenlänge λ in einen ersten und einen zweiten parallel dazu verlaufenden Lichtstrahl aufgespalten wird, von denen der erste senkrecht auf die Oberfläche der opaken Schicht und der zweite auf einen benachbarten, von der transparenten Schicht bedeckten Bereich der opaken Schicht gerichtet wird,
daß die von der Oberfläche der transparenten Schicht und der Oberfläche der von letzterer bedeckter, opaken Schicht reflektierten interferierenden Komponenten des zweiten Lichtstrahls erfaßt werden und die Änderung der Lichtin lensität in Abhängigkeit von der Zeit gemessen und aufgezeichnet wird, wobei eine Schwingung der Lichtintensität einer Dickenänderung der transparenten Schicht von /i/2/7 entspricht, wenn η der Brechungsindex der transparenten Schicht ist;
und daß die von der Oberfläche der opaken Schicht reflektierten Komponenten des ersten Strahls und von der Oberfläche der von der transparenten Schicht bedeckten opaken Schicht reflektierten Komponenten des zweiten Lichtstrahls, die miteinander interferieren, erfaßt werden und die Änderung der Lichtintensität in Abhängigkeit von der Zeit gemessen und aufgezeichnet wird, wobei eine Schwingung der Lichtintensität einer Dickenänderung der opaken Schicht von /i/2 — ΔΧ(η — 1) entspricht, wenn ΔΧ die Dickenänderung der transparenten Schicht während der gleichen Zeit ist

Als Referenzfläche für die interferometrische Messung dient in beiden zuvor beschriebenen Fällen die Oberfläche der mit der transparenten Schicht bedeckten opaken Schicht, wobei die Dickenänderung der transparenten Schicht durch die Interferenz zwischen den von der Oberfläche der transparenten Schicht und von der Oberfläche der von dieser bedeckten opaken Schicht reflektierten Komponenten des zweiten Strahls und die Dickenänderung der opaken Schicht durch die Interferenz zwischen der von der Oberfläche der opaken Schicht reflektierten Komponente des ersten Strahls und Jer von der mit der transparenten Schicht bedeckten Oberfläche der opaken Schicht reflektierten Komponente des zweiten Strahls erfaßt wird

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des interferometrischen Verfahrens.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und der F i g. 1 bis 3 näher erläutert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein interferometrisches Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt zur Bestimmung der Ätzrate einer opaken Schicht, welche teilweise von einer transparenten Schicht, die auch geätzt wird, bedeckt ist. Zwei parallele Strahlen monochror;tauschen Lichts werden gebildet, wobei der erste Lichtstrahl auf die opake, zu ätzende Schicht und der zweite Lichtstrahl auf die transparente Schicht auftrifft. Die Ätzrate der transparenten Schicht wird bestimmt durch Messen und Aufzeichnen der Änderungen der Lichtintensität, die auf die Interferenz zwischen der von der Oberfläche der transparenten Schicht reflektierten Komponente des zweiten Strahls und der von der Oberfläche der unter dieser transparenten Schicht liegenden opaken Schicht reflektierten Komponente des zweiten Strahls zurückzuführen ist. Einer Schwingung der Lichtintensität entpricht eine Dickenänderung der transparenten Schicht von A/2n, wobei A die Wellenlänge des einfallenden Lichts und π der Brechungsindex der transparenten Schicht ist. Die Ätzrate der opaken Schicht wird bestimmt ci.rch Messen und Aufzeichnen der Änderungen der Lichtintensität, die auf die Interferenz zwischen der von der Oberfläche der opaken Schicht reflektierten Komponente des ersten Strahls und der von der Oberfläche der von der transparenten Schicht bedeckten opaken Schicht reflektierten Komponente des zweiten Strahls zurückzuführen ist. In diesem Fall entspricht einer Schwingung der Lichtintensität eine Dickenänderung der opaken Schicht von /1/2 - AX(n — I), wobei λ die Wellenlänge des Lichts, η der Brechungsindex der transparenten Schicht und AX die Dickenänderung der transparenten Schicht während der gleichen Zeit ist, die wie oben bestimmt wird.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, wird das Präzisionsfenster 11 mit einer aluminisierten Rückseite 13 unter einem Winkel von 45° angeordnet Dieses Präzisionsfenster erzeugt zwei getrennte parallele Strahlen 15 und 17 aus einem Strahl 19, der aus einer Heliumneonlaser-Lichtquelle 21 kommt Das Fenster Il ist ein Spiegel, dessen ebene Oberflächen parallel sind mit einer Genauigkeit von einigen Bogensekunden. Die Dicke des Fensters 11 kann variieren und wir^J so gewählt, daß eine ausreichende Strahltrennung erhalten wird, so daß der Strahl 15 auf die opake Schicht 23 und der Strahl 17 auf die transparente Schicht 25 gerichtet werden kann. Eine Dicke von 0,635 cm (V₄ inch) wird gewählt, um dies in der beschriebenen Ausführungsform zu erreichen. Der Winkel, unter dem das Fenster 11 angeordnet ist, kann geändert werden, solange die Lichtquelle und das Fenster so zueinander angeordnet sind, daß die Strahlen 15 und 17 senkrecht auf die Oberflächen der zu ätzenden Materialien auftreffen. Wenn dies der Fall ist, sind die rücklaufenden Strahlen 30 und 37 kolinear mit den einfallenden Strahlen 15 und 17. Obgleich es gebräuchlich ist, eine Laserlichtquelle zu verwenden, können auch andere monochromatische Lichtquellen verwen-

.35 det werden, beispielsweise auch eine Wolfram- oder Quecksilberlampe mit einem Schmalbandpaßfilter.

Der Strahl 17 wird sowohl von der Oberfläche 27 der transparenten Schicht 25 wie auch von der darunterliegenden Oberfläche 29 der opaken Schicht 23 reflektiert unter Ausbildung des rücklaufenden Strahls 30, welcher aus den miteinander interferierenden reflektierten Strahlen von den Oberflächen 27 und 29 besteht. Der Strahl 30 kehrt entlang dem Weg des StraWs 17 zu der vorderen Oberfläche 31 des Fensters 11 bei Punkt A zurück. Die vereinigten, miteinander interferierenden von Punkt A der vorderen Oberfläche 31 reflektierten Strahlen 33 werden zu einem Detektor 35 geleitet, der beispielsweise ein Photomultiplier, eine Solarzelle oder eine Diode sein kann.

Der Teil 32 des von den Oberflächen 27 und 29 rücklaufenden Strahls 30 passiert die vordere Oberfläche 31 und wird zweimal an der Rückseite 13 bei den Punkten B und C und einmal teilweise an der vorderen Oberfläche 31 bei Punkt D reflektiert. Er wird dann zu einem Detektor 39 geleite·, der der gleiche wie Detektor 35 sein kann. Der rücklaufende Strahl 37 von Strahl 15. welcher auf die nicht bedeckte oder freie Oberfläche 41 der opaken Schicht 23 fällt, passiert die vordere Oberfläche 31 des Fens.ers 11 bei Punkt D und wird einmal an der Rückseite 13 des Fensters 11 bei Punkt C reflektiert und dann auf den Detektor 39 geleitet. Der Strahl 37 ist kolinear und interferiert mit dem Teil 32 des Strahls 30, welcher am Punkt D beginnt.

Ein Weglängenkompensator 43 wird verwendet, um die Weglängen der beiden Strahlen mit höchster Intensität, welche auf den Detektor 39 auftreffen, zu kompensieren. Hierbei handelt es sich um den von der Oberfläche 41 der nicht bedeckten ODaken Schicht rücklaufen-

den Strahl 37 und den von der Oberfläche 29 der von einer transparenten Schicht bedeckten opaken Schicht rücklaufcnden Strahl. Ohnp Kompensator 43 würden die Weglängenunterschiede zwischen den beiden Strahlen ein Rauschsignal auf dem Detektor verursachen aufgrund der Tatsache, daß der Laser 21 innerhalb der kurzen Zeitdauer, die der Weglängendifferenz geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit entspricht, zwischen Schwingungsmoden springen kann. Praktisch brauchen dis Weglängendifferenzen nur bis zu einer Genauigkeit von einigen Millimetern ausgeglichen zu werden. Der Weglängenkompensator braucht nicht mit engen Winkeltoleranzen gebaut werden, um den Parallelverlauf der beiden Strahlen zu gewährleisten. Die einzige Anforderung ist, daß die optischen Elemente ebene Oberflächen aufweisen müssen, damit der rücklaufende Strahl genau den gleichen Winkel wie der einfallende Strahl sieht.

Um das gewünschte Äusgangssignai aus dem Detektor 39 zu erhalten, werden die Intensitätsverhältnisse der Strahlen wie in F i g. 1 angegeben eingestellt, wobei 1 die Lichtintensität von Laser 21 ist. Die Werte 0,018 / und 0,028 /, welche auf den Detektor 39 auftreffen, sind die Reflexionen von den Oberflächen 29 und 41. Dies wird erreicht, indem entweder der Brechungsindex des Fensters 11 zu etwa 1,5 gewählt wird, oder indem die Durchlässigkeit der Rückseite 13 entsprechend eingestellt wird. Die Polarisation des Strahls 19 sollte senkrecht zu der Ebene von F i g. 1 sein. Die beiden Oberflächen des Glasfensters 11 sollten mit einer Genauigkeit von wenigen Winkelsekunden parallel zueinander sein, um die Einführung eines Winkels größer als 1 Milliradian zwischen den beiden Strahlen höchster Intensität auf dem Detektor 39 zu vermeiden. Je größer der Winkel zwischen den beiden Oberflächen des Fensters ist, desto geringer ist der Interferenzstreifenabstand wegen des Winkels zwischen den beiden Strahlen au? dem Detektor 39. Dieser Interferenzstreifenabstand sollte so groß als möglich gehalten werden, um irgendwelche Probleme im Zusammenhang mit Schwingungen und kleinen Sügnalen so klein wie möglich zu halten. Strahl 19 wird durch den Detektor 45 überwacht, und das Ausgangssignal des Detektors 45 wird als Bezug für die Detektoren 35 und 39 verwendet, wie aus dem Detektorkreis in i i g. 2 ersichtlich ist.

Die Unterlage, die geätzt werden soll, beispielsweise ein Siliciumwafer, der teilweise mit einem Muster aus einem transparenten Photoresistmaterial bedeckt ist, wird unter den Strahlen 15 und 17 angeordnet, wobei Strahl 15 auf die Unterlage aus Silicium und Strahl 17 auf das Photoresiscmaterial auftrifft. Das Fenster 11 wird so angeordnet, daß die rücklaufenden reflektierten Strahlen auf die Detektoren fokussiert werden. Weil die Strahlen 15 und 17 ziemlich nahe beieinanderliegen, passieren sie beide im wesentlichen die gleichen Me- ss dien, so daß die Einführung von Fenstern, Vakuum und/ oder Änderungen in der Atmosphäre einen minimalen Einfluß auf das Detektorsignal haben.

Man beginnt mit dem Ätzprozeß, indem man beispielsweise ein reaktives Gasplasma anwendet und mit der Ausgangsleistung der Detektoren 35 und 39 die A- und 5-KanäIe eines Schreibers (siehe F i g. 2) betreibt Ehe mit dem Ätzen begonnen wird, werden die Potentiometer 36 und 38 am Ausgang 40 so eingestellt, daß eine Nullausgangsleistung von den Detektorer. 35 und 39 erhalten wird. Auf diese Weise werden Einflüsse der Amplituclenschwanlcungen der Lichtquelle auf die aufgezeichneten Kurven stark herabgesetzt Typische Aufzeichnungen des Schreibers sind in den F i g. 3A und 3B angegeben. Die Aufzeichnung des Λ-Kanals, die von Detektor 35 erhalten wird, stellt die periodische Änderung der Lichtintensität dar, welche verursacht wird durch die sich ändernde Interferenz zwischen den von den Oberflächen 27 und 29 reflektierten Strahlen in Abhängigkeit von der Dickenänderung der Schicht 25 während des Ätzprozesses. Wenn die Aufzeichnung des Kanals A eine Schwingung der Lichtintensität durchläuft, hat sich die Dicke der Schicht 25 um λΙ2η geändert, wobei λ die Wellenlänge des Lichts und η der Brechungsindex der Photoresistschicht ist. Die Schwingungen mit der höchsten Amplitude der Aufzeichnung des ß-Kanals stellen die periodische Änderung der Lichtintensität dar, die durch die Änderung der Interferenz zwischen den Strahlen, welche von der nicht bedeckten Oberfläche 41 und der mit einer transparenten Schicht bedeckten Oberfläche 29 der opaken Unterlage reflektiert werden, bei iorischreitender Atzung zustande kommt. Diese Schwingungen sind durch die Tatsache, daß der Photoresist abgeätzt wird, amplitudenmoduliert. Einer Schwingung der Lichtintensität des ß-Kanals entspricht die Entfernung einer Siliciumschichtdicke von A/2 — ΔΧ(η — 1), wobei λ die Wellenlänge des Lichts, π der Brechungsindex des Photoresists und Xdie Dickenänderung der Photoresistschicht während der Zeit, die aus der Aufzeichnung aus Kanal -4 des Schreibers entr«-inmen wird, ist. Auf diese Weise werden die Ätzraten des Photoresistmaterials und des Siliciums gleichzeitig durch die Anordnung bestimmt. In dem Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 3A und 3B hat die Aufzeichnung aus Kanal A in einer Zeit T 1,2 Schwingungen der Lichtintensität durchlaufen, so daß die Dikke der entfernten Photoresistschicht JX = l,2A/2n beträgt. In der gleichen Zeit hat die Aufzeichnung aus Kanal B 3,7 Schwingungen der Lichtintensität durchlaufen, so daß die Dicke der entfernten Schicht aus opakem Material während der Zeit T gegeben ist durch 3,7,i'2 — \,2,Z{n — l)/2/7. Der Ätzprozeß kann unterbrochen werden, wenn die opake Schicht in einer gewünschten Schichtdicke, die wie zuvor angegeben bestimmt wird, entfernt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Interferometrisches Verfahren zur gleichzeitigen Bestimmung der Ätzraten einer opaken und einer diese teilweise bedeckenden transparenten Schicht, dadurch gekennzeichnet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (21) ein Laser ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang der auf den Detektor (39) rücklaufenden Strahlen ein Weglängenkompensator (43) angeordnet ist.