DE4301889A1 - Verfahren zum Bestimmen charakteristischer Größen transparenter Schichten mit Hilfe der Ellipsometrie - Google Patents
Verfahren zum Bestimmen charakteristischer Größen transparenter Schichten mit Hilfe der EllipsometrieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die ellipsometrische Bestimmung
transparenter dünner Schichten im Nanometerbereich, insbe
sondere für die Anwendung in der Optik und in der Halblei
tertechnik.
Bei den bekannten Ellipsometern wird eine Probe mit einem
linear polarisierten Laserstrahl bestrahlt, wozu ein Laser
mit einem Polarisator und einem Kompensator angeordnet ist.
Der Laserstrahl fällt schräg auf die Probe, wird an deren
Oberfläche reflektiert und als elliptisch polarisierter
Strahl über einen rotierenden Analysator auf einen Fotode
tektor gerichtet. Die Ausgangssignale des Fotodetektors
werden in der Regel einem Rechner zur Auswertung der Meßsi
gnale zugeführt. Gemessen wird bei der Ellipsometrie die
Änderung des Polarisationszustandes des reflektierten
Lichtes. Das Reflektionsverhältnis aus parallel und senk
recht polarisiertem Licht ist u. a. eine Funktion
der Schichtdicke (DE-OS 39 26 184, DE-OS 41 08 329).
Der Vorteil der Ellipsometrie im Vergleich z. B. zur Photome
trie besteht darin, daß die unabhängige Messung von zwei
Parametern in einem Meßvorgang möglich ist, z. B. der Dicke
und des Brechungsindex. Weiterhin ist eine schnelle Messung
mit hoher Genauigkeit möglich.
Der Nachteil einfacher Ellipsometer, die bei einer Wellen
länge arbeiten, besteht darin, daß man keine spektralen
Informationen erhält und daß die Messung der Schichtdicke
nur innerhalb einer ellipsometrischen Periode möglich ist.
Wenn kein Aussage über die Periode vorhanden ist, kann auch
keine Aussage zur absoluten Schichtdicke gemacht werden.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die hohe Meßgenau
igkeit von der Filmdicke abhängig ist, wenn der Brechungsin
dex unbekannt ist. Der Zusammenhang wird in der Fig. 1
dargestellt. Dort sind die ellipsometrischen Winkel Psi und
Delta für unterschiedliche Brechungsindices dargestellt. Im
Bereich des Fokus, der bei einem Delta von 180° liegt, also
bei der Messung von Schichten mit einer Dicke von ca. 220
bis 340 Nanometer, ist die unabhängige Messung der Schicht
dicke und des Brechungsindex nicht möglich.
Für die Dickenmessung an transparenten Schichten sind
weiterhin Spektralphotometer bekannt (DE-OS 39 26 184). Bei
diesen wird die zu untersuchende Schicht mit weißem Licht,
d. h. mit Licht eines genügend großen Wellenlängenbereiches
bestrahlt. Wird eine derartige Strahlung von einer transpa
renten Schicht reflektiert, legen die an der vorderen und
hinteren Grenzfläche reflektierten Anteile unterschiedliche
Wege zurück.
Bei ihrer Überlagerung entstehen Interferenzen, d. h. in
Abhängigkeit von der optischen Schichtdicke und Wellenlänge
wird die reflektierte Strahlung entweder verstärkt oder
geschwächt bzw. ausgelöscht. Das Reflexionsvermögen ist
eine Funktion des Produktes Brechungsindex mal Schicht
dicke, so daß bei bekanntem Brechungsindex die Schichtdicke
ermittelt werden kann.
Bei der Messung mit dem Spektralphotometer besteht der
Nachteil, daß die gleichzeitige Bestimmung sowohl der
Schichtdicke als auch des Brechungsindex wegen der spektra
len Abhängigkeit vom Brechungsindex nicht in einer Messung
möglich ist.
Die genannten Nachteile lassen sich durch die Verwendung
eines Spektro-Ellipsometers vermeiden. Bei diesem werden
die Messungen in einem kontinuierlich durchstimmbaren
Spektrum durchgeführt.
Der Nachteil des Spektro-Ellipsometers besteht aber darin,
daß dessen Aufbau sehr aufwendig und dadurch teuer ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der ellipsome
trischen Messung von transparenten Filmen auf reflektieren
den Substraten bei einer Wellenlänge oder bei wenigen
diskreten Wellenlängen mindestens zwei charakteristische
Größen des Filmes, wie z. B. Schichtdicke und Brechungsindex
sowie die Dispersion, mit hoher Genauigkeit auch
bei Schichtdicken zu bestimmen, bei denen mindestens eine
der charakteristischen Größen mit ellipsometrischen Messun
gen bei einer Wellenlänge oder wenigen diskreten Wellenlän
gen bisher nicht bzw. ungenau zu ermitteln gewesen ist, und
zusätzlich die spektrale Abhängigkeit der charakteristi
schen Größen zu ermitteln.
Erfindungsgemäß wird das durch die Merkmale des Anspruchs 1
erreicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst minde
stens ein Paar der ellipsometrischen Winkel Psi und Delta
bei mindestens einem Einfallswinkel der Lichtstrahlung auf
die Probe für mindestens eine Ellipsometerwellenlänge
gemessen, aus denen mit an sich bekannten Beziehungen
mindestens eine charakteristische Größe des zu vermessenden
transparenten Films für eine Ellipsometerperiode ermittelt
wird. In einem zweiten Schritt wird photometrisch die wel
lenlängenabhängige Reflexion der Probe in dem interessieren
den Wellenlängenbereich gemessen und daraus mit einer
bekannten Beziehung unter Zuhilfenahme einer im ersten
Schritt bei der oder den diskreten Ellipsometerwellenlängen
ermittelten charakteristischen Größe des transparenten
Films als Startwert die spektrale Abhängigkeit der charakte
ristischen Größen bestimmt.
Im ersten Schritt kann als charakteristische Größe die
Schichtdicke d und der Brechungsindex n des zu vermessenden
Films für eine Ellipsometerperiode ermittelt werden, wobei
die ellipsometrische Ordnung zunächst unbekannt ist. Mit
Hilfe der im zweiten Schritt ermittelten wellenlängenabhän
gigen Reflexion der Probe wird anschließend mit einer
bekannten Beziehung unter Annahme des konstanten und aus
dem ersten Schritt bestimmten Brechungsindex näherungsweise
die absolute Schichtdicke bestimmt. In einem weiteren
Schritt wird mit der im zweiten Schritt bestimmten absolu
ten Schichtdicke unter Zuhilfenahme der im ersten Schritt
ermittelten Schichtdicke die im zweiten Schritt ermittelte
Schichtdicke mit Hilfe einer bekannten Beziehung in ihrer
Genauigkeit verbessert. Mit dieser Schichtdicke und dem
ellipsometrisch bestimmten Brechungsindex als Startwert
wird schließlich mit einer bekannten Beziehung die spektra
le Abhängigkeit des Brechungsindex bestimmt.
Für den Fall, daß der Ellipsometerwinkel Delta im Bereich
von 180° liegt, und damit aus den gemessenen Ellipsometer
winkeln Psi und Delta nur das Produkt des Brechungsindex
und der Schichtdicke n×d genau ermittelt werden kann, die
Einzelgrößen n und d aber nur ungenau ermittelt werden
können, werden erfindungsgemäß in einem ersten Schritt der
Brechungsindex n und die Schichtdicke d ellipsometrisch mit
der verfahrensbedingten großen Ungenauigkeit ermittelt. In
einem zweiten Schritt wird die wellenabhängige Reflexion
spektralphotometrisch gemessen. In einem dritten Schritt
wird mit diesem gemessenen Reflexionswert und dem ellipsome
trisch ermittelten Brechungsindex nach einer bekannten
Beziehung ein genauerer Wert der Schichtdicke ermittelt.
Mit dieser neu ermittelten Schichtdicke und dem ellipsome
trisch ermittelten Brechungsindex wird in einem vierten
Schritt ein verbesserter Wert des Brechungsindex ermittelt.
In einem fünften Schritt wird mit diesem verbesserten Wert
des Brechungsindex ein verbesserter Wert der Schichtdicke
ermittelt. Die im vierten und fünften Schritt angegebenen
Verfahrensschritte werden iterativ solange fortgesetzt, bis
die zu ermittelnden Werte der Schichtdicke und des Bre
chungsindex konstant bleiben und damit beide Werte mit
ellipsometrischer Genauigkeit bestimmt sind.
Die bekannte Beziehung zwischen dem Brechungsindex und den
übrigen Größen lautet:
n = ne + a (w2 - we 2) + b (w4 - we 4)
ne = n0 + a we 2 + b we 4
wobei bedeuten:
n | |
Brechungsindex des Films | |
ne | Brechungsindex, der ellipsometrisch bei einer Wellenlänge ermittelt worden ist. |
n₀, a, b | Dispersions-Koeffizienten |
w | Wellenzahl |
we | Ellipsometer-Wellenzahl, bei der gemessen wird |
Anhand von Diagrammen sollen die Zusammenhänge erläutert
werden. Es zeigen:
Fig. 1 die Darstellung der ellipsometrischen
Winkel Psi und Delta bei unterschiedlichen
Brechungsindices,
Fig. 2 den Verlauf des Fehlers des Brechungsindex
für unterschiedliche Ellipsometerwinkel.
Aus der Fig. 2 ist die Abhängigkeit der Schichtdicke von
der Genauigkeit der Messung des Brechungsindex n ersicht
lich. Es ist zu erkennen, daß bei Halbperioden und Peri
oden, d. h. wenn der Ellipsometerwinkel 180° oder ganzzahli
ge Vielfache davon betragen, der Brechungsindex ellipsome
trisch nur sehr ungenau bestimmt werden kann. Dieser Nach
teil wird durch das erfindungsgemäße Verfahren beseitigt.
Bei der Einwinkelmessung wird der Verlauf 11 des Fehlers
erzielt, der die genannten großen Fehler bei den Halbperi
oden und Perioden hat. Bei der Mehrwinkelmessung reduziert
sich der Fehler auf den Verlauf 12. Mit dem erfindungsgemä
ßen Verfahren wird der Fehlerverlauf 13 erreicht und damit
eine Fehlerminimierung bei den Halbperioden und Perioden.
Claims (3)
1. Verfahren zum Bestimmen charakteristischer Größen trans
parenter Schichten mit Hilfe der Ellipsometrie, dadurch
gekennzeichnet, daß zunächst mindestens ein Paar der ellip
sometrischen Winkel Psi und Delta bei mindestens einem Ein
fallswinkel der Lichtstrahlung auf die Probe für mindestens
eine Ellipsometerwellenlänge gemessen wird, aus denen mit
an sich bekannten Beziehungen mindestens eine charakteristi
sche Größe des zu vermessenden transparenten Films für eine
Ellipsometerperiode ermittelt wird, daß in einem zweiten
Schritt spektralphotometrisch die wellenlängenabhängige Re
flexion der Probe in dem interessierenden Wellenlängenbe
reich gemessen und daraus mit einer bekannten Beziehung
unter Zuhilfenahme einer im ersten Schritt bei der oder den
diskreten Ellipsometerwellenlängen ermittelten charakteri
stischen Größe des transparenten Films als Startwert die
spektrale Abhängigkeit der charakteristischen Größen be
stimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
im ersten Schritt als charakteristische Größe die Schicht
dicke d und der Brechungsindex n des zu vermessenden Films
für eine Ellipsometerperiode ermittelt wird, wobei die el
lipsometrische Ordnung zunächst nicht ermittelbar ist, daß
mit Hilfe der im zweiten Schritt ermittelten wellenlängenab
hängigen Reflexion der Probe anschließend mit einer bekann
ten Beziehung unter Annahme des konstanten und aus dem
ersten Schritt ermittelten Brechungsindex näherungsweise
die absolute Schichtdicke bestimmt wird, daß in einem weite
ren Schritt mit der im zweiten Schritt bestimmten absoluten
Schichtdicke unter Zuhilfenahme der im ersten Schritt
ermittelten Schichtdicke die im zweiten Schritt ermittelte
Schichtdicke mittels einer bekannten Beziehung in ihrer
Genauigkeit verbessert wird, und daß mit dieser Schicht
dicke und dem ellipsometrisch bestimmten Brechungsindex als
Startwert schließlich mit einer bekannten Beziehung die
spektrale Abhängigkeit des Brechungsindex bestimmt wird.
3. Verfahren zum Bestimmen charakteristischer Größen trans
parenter Schichten mit Hilfe der Ellipsometrie, dadurch
gekennzeichnet, daß für den Fall, daß der Ellipsometerwin
kel Delta im Bereich von 180° liegt, und damit aus den ge
messenen Ellipsometerwinkeln Psi und Delta nur das Produkt
des Brechungsindex und der Schichtdicke n×d genau ermit
telt werden kann, die Einzelgrößen n und d aber nur ungenau
ermittelt werden können, in einem ersten Schritt der Bre
chungsindex n und die Schichtdicke d ellipsometrisch mit
der verfahrensbedingten großen Ungenauigkeit ermittelt
werden, daß in einem zweiten Schritt die wellenlängenabhän
gige Reflexion spetralphotometrisch gemessen wird, daß in
einem dritten Schritt mit diesem gemessenen Reflexionswert
und dem ellipsometrisch ermittelten Brechungsindex nach
einer bekannten Beziehung ein genauerer Wert der Schicht
dicke ermittelt wird, daß mit dieser neu
ermittelten Schichtdicke und dem ellipsometrisch ermittel
ten Brechungsindex in einem vierten Schritt ein verbesser
ter Wert des Brechungsindex ermittelt wird, daß in einem
fünften Schritt mit diesem verbesserten Wert des
Brechungsindex ein verbesserter Wert der Schichtdicke
ermittelt wird, und daß die im vierten und fünften Schritt
angegebenen Verfahrensschritte iterativ solange fortgesetzt
werden, bis die zu ermittelnden Werte der Schichtdicke und
des Brechungsindex konstant bleiben und damit beide Werte
mit ellipsometrischer Genauigkeit bestimmt sind.
Priority Applications (3)
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