DE3136887A1

DE3136887A1 - Method and device for interferometric thickness measurement

Info

Publication number: DE3136887A1
Application number: DE19813136887
Authority: DE
Inventors: Thomas 7030 Böblingen Bayer; Gerhard Dipl.-Min. Dr. 7031 Mötzingen Kaus; Jürgen Dipl.-Phys. Dr. 7036 Schönaich Kempf; Gerhard Dipl.-Phys. Dr. 7022 Leinfelden-Echterdingen Schmid
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1981-09-17
Filing date: 1981-09-17
Publication date: 1983-03-31

Abstract

For the purpose of interferometric measurement of the thickness of a varying layer (10) made from opaque material, use is made of a reference beam (J2) which is reflected at a point of the opaque material which is protected against etching by a transparent layer (11). This reference beam is polarised in the plane of incidence, and is directed onto the transparent layer at the Brewster angle ( theta b). The measuring beam (J1) is polarised at right angles to the plane of incidence and is directed alternately onto the etched part of the opaque material and onto a point of the transparent layer, in order to determine the instantaneous thickness (tm) of the transparent layer (11), which is likewise etched. The instantaneous etched depth (ts) of the opaque material can be determined from the results of the two measuring steps. <IMAGE>

Description

Verfahren und Einrichtung zur interferometrischen Dicken-Method and device for interferometric thickness

messung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur interferometrischen Dickenmessung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.measurement The invention relates to a method for interferometric Thickness measurement according to the preamble of the main claim and a device for carrying it out of the procedure.

Die präzise Bestimmung der Dicke von dünnen Schichten spielt bei vielen modernen Herstellungsverfahren eine wichtige Rolle; dies gilt in besonderem Maße für die Fabrikation integrierter Schaltkreise, bei denen Schichtdicken absolut gemessen werden müssen oder Schichtdickenänderungen zu bestimmen sind, die bei Ätzvorgängen oder bei Aufwachsvorgängen auftreten.The precise determination of the thickness of thin layers plays a role for many modern manufacturing processes play an important role; this is particularly true for the fabrication of integrated circuits in which layer thicknesses are measured in absolute terms must be determined or changes in layer thickness are to be determined during etching processes or occur during growth processes.

Zur Messung transparenter Schichten, die auf einem reflektierenden Substrat liegen, sind interferometrische Meßverfahren bekannt, bei denen die durch Interferenz bedingte Änderung der reflektierten Intensität ausgewertet wird; Beispiele hierfür sind in den Artikeln "Journal Applied Physics" 32, Seite 744 1961 oder "Solid State Electronics" Band 13, Seite 957 (1970) zu finden.For measuring transparent layers on a reflective Substrate lie, interferometric measuring methods are known in which the by Interference-related change in the reflected intensity is evaluated; Examples for this, the articles "Journal Applied Physics" 32, page 744 1961 or "Solid State Electronics "Volume 13, page 957 (1970).

Derartige Verfahren lassen sich jedoch nicht ohne weiteres einsetzen, wenn Ätz- oder Aufwachsgeschwindigkeiten von undurchsichtigen Materialien gemessen werden sollen; in derartigen Fällen benötigen die wegen ihrer Genauigkeit beliebten interferometrischen Methoden eine Referenzfläche für die Reflexion des Bezugsstrahls, die vom betreffenden Verfahrensschritt nicht beeinflußt und während der gesamten Meßdauer mechanisch stabil ist. Die letztgenannte Forderung verlangt im allgemeinen eine enge Nachbarschaft zwischen Meßpunkt und Referenzfläche, setzt damit aber die Referenzfläche selbst dem oft aggressiven Verfahrensschritt aus.However, such methods cannot be used without further ado, when measuring etch or growth rates of opaque materials should be; in such cases need the popular because of their accuracy interferometric methods a reference surface for the reflection of the reference beam, which is not influenced by the relevant process step and during the entire process Measurement duration is mechanically stable. The latter requirement generally demands a close proximity between the measuring point and the reference surface, but this sets the Reference surface itself from the often aggressive process step.

Ein Beispiel für Probleme dieser Art bietet das sogenannte reaktive lonenätzen, bei dem eine in der Ätzkammer selbst untergebrachte Referenz fläche von der Ätzatmosphäre ebenfalls angegriffen wird.An example of problems of this kind is offered by the so-called reactive Ion etching, in which a reference surface housed in the etching chamber itself is also attacked by the etching atmosphere.

Zur Umgehung dieses Problems wird in der Deutschen Offenlegungsschrift 28 28 507. vorgeschlagen, zur Ätzratenbestimmung undurchsichtiger Materialien eine Anordnung zu verwenden, bei der ein Teil des undurchsichtigen Substrats von einer transparenten Maske bedeckt wird; die vom Ätzmittel nicht angegriffene Grenzschicht zwischen transparenter Maske und Substrat dient dann als Referenz fläche für den Bezugsstrahl. Der Bezugsstrahl wird aber nicht nur an der Grenzfläche Maske-Substrat reflektiert, sondern auch an der Oberfläche der Maske, so daß der Bezugsstrahl selbst eine infolge Interferenz zwischen diesen beiden Strahlanteilen sich ändernde Intensität aufweist. Dieser sich ändernde Referenzstrahl interferiert nun seinerseits mit dem an der geätzten Oberfläche reflektierten Meßstrahl, so daß ein sehr kompliziertes und schwer auszuwertendes Meßsignal entsteht.To circumvent this problem, the German Offenlegungsschrift 28 28 507. proposed to determine the etching rate of opaque materials Arrangement to use where part of the opaque substrate is from a transparent mask is covered; the boundary layer not attacked by the etchant between the transparent mask and substrate then serves as a reference surface for the Reference ray. The reference beam is not only located at the mask-substrate interface but also on the surface of the mask so that the reference beam itself an intensity that changes as a result of interference between these two beam components having. This changing reference beam now in turn interferes with the on the etched surface reflected measuring beam, so that a very complicated and difficult to evaluate measurement signal arises.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Meßverfahren der obengenannten Art so zu verbessern, daß die Auswertung der Meßsignale wesentlich erleichtert wird und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.The present invention therefore has the task of providing a measuring method of the type mentioned above so that the evaluation of the measurement signals is essential is facilitated and to specify a facility for carrying out the method.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 3 gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.This object is characterized by that in claims 1 and 3 Invention solved; Refinements of the invention are characterized in the subclaims.

Das hier vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine weitgehende Trennung der an den verschiedenen Grenzschichten reflektierten Strahlen und erlaubt so die ungestörte Messung der momentanen sich ändernden Schichtdicke der Maske einerseits und der Höhenänderung der geätzten Oberfläche ande- rerseits. Die Signalauswertung bei beiden Teilmessungen erfolgt mit einer Einrichtung, die Phasendifferenzen zwischen den verwendeten Teilstrahlen genau bestimmt.The method proposed here enables extensive separation of the rays reflected at the various boundary layers and thus allows the undisturbed measurement of the momentary changing layer thickness of the mask on the one hand and the change in height of the etched surface on the other hand. the Signal evaluation for both partial measurements is carried out with a device, the phase differences precisely determined between the partial beams used.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert.An embodiment of the invention will now be based on drawings explained in more detail.

Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Strahlenverlauf bei der vorgeschlagenen Teilmessung zur Bestimmung der momentanen Schichtdicke der transparenten Maske, Fig. 2 den prinzipiellen Strahlenverlauf bei der vorgeschlagenen Teilmessung zur Bestimmung der momentanen Höhenlage der geätzten Oberfläche, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Fig. 1 und 2.They show: FIG. 1 the basic beam path in the proposed one Partial measurement to determine the current layer thickness of the transparent mask, Fig. 2 shows the basic beam path in the proposed partial measurement for Determination of the current height of the etched surface, FIG. 3 a schematic Representation of a device for carrying out the method according to FIGS. 1 and 2.

In Fig. 1 soll ein Substrat 10, beispielsweise Silizium in einem Bereich B abgeätzt werden; der Bereich B wird durch eine Atzmaske 11 definiert, die beispielsweise aus einem Photolack oder Siliziumdioxid SiO2 besteht. Das Material der Atzmaske muß so gewählt sein, daß es für die zur interferometrischen Messung verwendete Strahlung durchlässig ist (Brechungsindex n) und vom Ätzmedium möglichst wenig angegriffen wird. In Fig. 1 ist ein Zustand dargestellt, in dem die freie Oberfläche des undurchsichtigen Materials um den Betrag t abgeätzt wurde und die momentane Dicke der Maske 5 den Wert tm aufweist. Das hier vorgeschlagene interferometrische Verfahren wird sich hauptsächlich für den Einsatz in Trockenätzapparaturen eignen, es läßt sich aber auch mit geringen Modifikationen beim Naßätzen verwenden.In Fig. 1, a substrate 10, for example silicon in one area B to be etched off; the area B is defined by an etching mask 11, for example consists of a photoresist or silicon dioxide SiO2. The material of the etching mask must be chosen so that it is suitable for the radiation used for interferometric measurement is permeable (refractive index n) and is attacked as little as possible by the etching medium will. In Fig. 1, a state is shown in which the free surface of the opaque Material was etched off by the amount t and the current thickness of the mask 5 den Has value tm. The interferometric method proposed here will work mainly for use in dry etching equipment, it but can also be used for wet etching with minor modifications.

Zur Messung der momentanen Ätztiefe t des undurchsichtigen s Materials schlägt die Erfindung nun vor, in einem ersten Schritt die Dicke der Maskendicke tm zu bestimmen und in einem zweiten Schritt die Phasendifferenz zwischen zwei Strahlen, die an der Grenzfläche Maske-Substrat bzw. an der geätzten Oberfläche des Substrats reflektiert werden. Aus dem sich ändernden Gangunterschied dieser beiden Strahlen und der gemessenen momentanen Maskendicke läßt sich dann die momentane Ätztiefe t5 bestimmen.To measure the instantaneous etching depth t of the opaque material the invention now proposes, in a first step, the thickness of the mask thickness to determine tm and in a second step the phase difference between two beams, those at the mask-substrate interface or at the etched surface of the substrate be reflected. From the changing path difference of these two rays and the measured instantaneous mask thickness can then be used to determine the instantaneous etching depth determine t5.

Der Strahlenverlauf zur Bestimmung der Maskendicke ist in Fig. 1 dargestellt. Zur Messung werden zwei polarisierte Strahlen J1 und J2 verwendet, deren Polarisationsrichtung senkrecht zur bzw. in der Einfallsebene liegen. Der Einfallswinkel E beider Strahlen wird so gewählt, daß er dem Brewsterschen Winkel des Maskenmaterials entspricht. Bei diesen Verhältnissen erfährt der in der Einfalls ebene polarisierte Strahl J2 beim Auftreffen auf die Maskenoberfläche keine Reflexion, sondern tritt vollständig in die Maske ein, wird an der Grenzfläche Maske-Substrat vollständig reflektiert und tritt danach wieder unter dem Brewsters'chen Winkel aus der Schicht aus. Der senkrecht zur Einfallsebene polarisierte Strahl J1 wird dagegen zum überwiegenden Teil an der Oberfläche der Maske 11 reflektiert. Die beiden austretenden Strahlen J1' und J2' weisen nun einen Gangunterschied fm (Phasendifferenz) auf, der von der Dicke tm der Maske und deren Brechungsindizes in folgender Weise abhängt: Aus diesem Phasenunterschied kann nun (bei bekannter Anfangsdicke der Maske) die momentane Maskendicke bestimmt werden, entweder mit den üblichen interferometrischen Methoden (Auszählen von Hell-Dunkelübergängen) oder mit einer phasenempfindlichen Auswertemethode, wie sie beispielsweise in der Deutschen Patentanmeldung 28 51 750 beschrieben ist.The beam path for determining the mask thickness is shown in FIG. 1. Two polarized beams J1 and J2 are used for the measurement, the polarization directions of which are perpendicular to or in the plane of incidence. The angle of incidence E of both beams is chosen so that it corresponds to the Brewster angle of the mask material. With these conditions, the plane of incidence polarized beam J2 does not experience any reflection when it hits the mask surface, but enters the mask completely, is completely reflected at the mask-substrate interface and then exits the layer again at Brewster's angle the end. In contrast, the beam J1 polarized perpendicular to the plane of incidence is for the most part reflected on the surface of the mask 11. The two exiting beams J1 'and J2' now have a path difference fm (phase difference), which depends on the thickness tm of the mask and its refractive indices in the following way: The current mask thickness can now be determined from this phase difference (if the initial thickness of the mask is known), either with the usual interferometric methods (counting light-dark transitions) or with a phase-sensitive evaluation method, as described, for example, in German patent application 28 51 750.

Die zuletztgenannte Auswertemethode beruht auf der Kompensation des Phasenunterschieds beider kollateraler Strahlen mit einem elektrooptischen Kristall und erlaubt eine außerordentlich hohe Meßgenauigkeit.The last-mentioned evaluation method is based on the compensation of the Phase difference of both collateral beams with an electro-optical crystal and allows an extremely high measurement accuracy.

In Fig. 2 ist der prinzipielle Strahlenverlauf für den zweiten Schritt des vorgeschlagenen Meßverfahrens dargestellt; dazu wird bei sonst unveränderten Bedingungen der senkrecht zur Einfallsebene polarisierte Strahl J1 parallel so verschoben (Jll), daß er nicht mehr auf die Maske, sondern auf die geätzte Oberfläche des undurchsichtigen Substrats fällt, wo er reflektiert wird, und somit bezüglich des Referenzstrahls J2' eine Phasenverschiebung erhält, die von der momentanen Ätztiefe ts abhängt. Diese Phasenverschiebung läßt sich folgendermaßen ausdrücken: wobei A = momentaner Strahlabstand zwischen J2 und J11 Da die momentane Dicke tm der Maske aus dem ersten Meßschritt bekannt ist, ergibt die Auswertung des Meßsignals nach Fig. 2 eindeutig die momentane Atztiefe t5.In Fig. 2 the basic beam path for the second step of the proposed measuring method is shown; to this end, with otherwise unchanged conditions, the beam J1 polarized perpendicular to the plane of incidence is shifted in parallel (Jll) so that it no longer falls on the mask but on the etched surface of the opaque substrate, where it is reflected, and thus with respect to the reference beam J2 ' receives a phase shift that depends on the instantaneous etching depth ts. This phase shift can be expressed as follows: where A = instantaneous beam spacing between J2 and J11. Since the instantaneous thickness tm of the mask is known from the first measuring step, the evaluation of the measurement signal according to FIG. 2 clearly results in the instantaneous etching depth t5.

Neben der Bestimmung der jeweiligen Atztiefen ergibt die laufend durchgeführte Messung auch sofort die momentanen Atzgeschwindigkeiten.In addition to the determination of the respective etching depths, the continuously performed Immediately measure the current etching speeds.

Fig. 3 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfahrens. Das polarisierte Ausgangsbündel eines Lasers 30.durchsetzt einen unter 450 dazu orientierten Polarisator 31. und geLangt in eine elektrooptische Einrichtung (z. B. eine Kerr-Zelle), die bei Anlegen einer Spannung einen der beiden aus dem Polarisator 31 austretenden polarisierten Strahlen parallel zu sich verschiebt. In dem vorliegenden Fall ist die Einrichtung so justiert, daß der senkrecht zur Einfallsebene polarisierte Strahl J1 bei Anlegen einer Spannung parallel verschoben wird (J11), der parallel zur Einfallsebene polarisierte Strahl J2 aber unverändert bleibt. Der Strahl J2 wird auf einen Teil des zu ätzenden Objekts gerichtet, der von der Maske 11 bedeckt ist, und die Auslenkung des' Strahles J1 (J11) so gewählt, daß dieser abwechselnd auf die Maske und den geätzten Teil des Substrats 10 fällt. Die beiden anhand von Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Meßschritte können somit rasch hintereinander durchgeführt werden. Die an der Maske bzw. dem geätzten Substrat reflektierten Strahlen J1' bzw. J11' und J2' werden über eine Sammellinse 33 auf eine Detektoreinrichtung 34 gerichtet, wo ihre relative Phasendifferenz durch einen elektrooptischen Kompensator bestimmt wird.Fig. 3 shows a device for performing the on the basis of Fig. 1 and 2 described procedure. The polarized output beam of a laser 30. penetrated a polarizer 31 oriented at 450 to it and ends up in an electro-optical one Device (e.g. a Kerr cell) which, when a voltage is applied, one of the two from the polarizer 31 emerging polarized rays moves parallel to itself. In the present case, the device is adjusted so that the perpendicular to Plane of incidence polarized beam J1 shifted in parallel when a voltage is applied becomes (J11), but the beam J2 polarized parallel to the plane of incidence remains unchanged remain. The beam J2 is directed to a part of the object to be etched, the is covered by the mask 11, and the deflection of the beam J1 (J11) is chosen so that this falls alternately on the mask and the etched part of the substrate 10. The two measuring steps described with reference to FIGS. 1 and 2 can thus be carried out quickly be carried out one after the other. Those on the mask or the etched substrate Reflected rays J1 'or J11' and J2 'are incident on a converging lens 33 a detector device 34 directed, where their relative phase difference by a electro-optical compensator is determined.

Das beschriebene Meßverfahren kann auch zur Ätzendpunktbestimmung (Prozeßüberwachung) eingesetzt werden.The measuring method described can also be used to determine the etching endpoint (Process monitoring) can be used.

Bei rauhen Atzoberflächen im Bereich B ist es vorteilhaft, große Einfallswinkel zu verwenden, um die Störung der Interferenz gering zu halten; dies kann erreicht werden, wenn die Maskenschicht einen großen Brechungsindex (und damit einen großen Brewster-Winkel) aufweist.In the case of rough etched surfaces in area B, it is advantageous to use large angles of incidence to be used to keep the disturbance of the interference low; this can be achieved if the mask layer has a large refractive index (and thus a large Brewster's angle).

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E Procedure for measuring changing Thick opaque materials, the surface of which is partially covered with a transparent one Layer is covered, and in which the phase difference between light rays is measured that of the surface of the opaque material on the one hand and the boundary layer reflected between the transparent layer and the opaque material on the other hand are, characterized in that a first, polarized in the plane of incidence, Ray (J2) at Brewster's angle (t) on a point of the transparent Layer is directed, and that a second ray (J1), which is perpendicular to the plane of incidence is polarized, in a first measuring step on the transparent layer and in a second measuring step (J11) directed to the opaque material to be measured and that from the phase difference of the reflected rays in the first step the thickness of the transparent layer and, in the second step, the thickness of the removed Layer of opaque material is determined.

2. The method according to claim 1, characterized in that the implementation the first and the second measuring step are repeated periodically.

3. Device for performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that for the periodic deflection of the perpendicular to the plane of incidence polarized measuring beam (J1) an electro-optical device (32) is provided.

4. Device according to claim 3, characterized in that the determination the phase difference between measuring (J1 ', J11') and reference beam (J2) by electro-optical Phase compensation takes place.