DE60018932T2

DE60018932T2 - Schichtdickenmessung mittels inelastischer elektronenstreuung

Info

Publication number: DE60018932T2
Application number: DE60018932T
Authority: DE
Inventors: A. Leonid VASILYEV; E. Charles BRYSON; Robert Linder; Sergey Borodyansky; Dmitri Ki Yachko
Original assignee: FEI Co
Current assignee: FEI Co
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2020-06-23
Also published as: WO2001004574A1; EP1192416B1; ATE291731T1; AU5759400A; TW457362B; DE60018932D1; JP2003504609A; EP1192416A1; US6399944B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen die Messung von Schichtdicken. Die Erfindung betrifft insbesondere eine solche Messung unter Verwendung eines Elektronenanalysators. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Dicke einer Schicht gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und einen Schichtdickenanalysator mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 13.
STAND DER TECHNIK
Viele technologisch fortschrittlichen Vorrichtungen beruhen auf Verbundstrukturen mit einer sehr dünnen, im wesentlichen planaren Schicht, die ein Substrat aus einem anderen Material bedeckt. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung ist ein Magnetaufzeichnungs- oder -lesekopf, der eine aktive Oberflächenschicht aus einem ferromagnetischen Material aufweist. Ferromagnetische Materialien mit hoher Leistung auf der Basis beispielsweise schwererer Elemente wie z.B. Kobalt sind häufig spröde und unterliegen einer Oxidation, so daß es übliche Praxis ist, die ferromagnetische Schicht mit einer sehr dünnen Schutzschicht, häufig aus einem Material auf Kohlenstoffbasis wie z.B. Diamant, zu bedecken. Die Leistung und Haltbarkeit solcher Vorrichtungen hängt jedoch vom Herstellungsprozeß zur Erzeugung einer Dicke der Deckschicht innerhalb eines relativ schmalen Bereichs ab. Wenn die Struktur ein elektromagnetischer Sensor ist, muß die Beschichtungsdicke eng gesteuert werden, um die Sensorleistung nicht zu verschlechtern.
Viele Dickenmeßverfahren stehen zur Verfügung, um solche Schichtdicken zu messen, die häufig im Bereich von 1 bis 150 nm liegen. Optische Verfahren sind einfach, aber ihre Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften sowohl der Schicht als auch des Substrats schließen ihre Verwendung für eine gewisse Kombination aus. Die Auger-Elektronenspektroskopie, die nachstehend beschrieben werden soll, wird üblicherweise für die Zusammensetzungssteuerung verwendet und kann im Prinzip zum Messen einer Schichtdicke verwendet werden. Sie ist jedoch insgesamt zu langsam zur Verwendung in einer Produktionsumgebung, wenn die Schichtdicke 3 nm übersteigt, und ist bei Dicken oberhalb 5 nm praktisch nutzlos. Die Abtastelektronenmikroskopie ist unkompliziert, aber es ist ein sehr langsames Verfahren und erfordert die Zerlegung der getesteten Probe. Eine häufige Abtastung in einer Produktionsumgebung erfordert ein schnelles, zerstörungsfreies Verfahren.
Die Elektronenspektroskopie ist ein gut bekanntes Verfahren zum Charakterisieren der Atombestandteile in einem Feststoff. Briggs et al. haben eine vollständige Bezugsquelle in Practical Surface Analysis, Band 1, Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy, 2. Ausg. (Wiley, 1990), herausgegeben. In der typischen Praxis der Auger-Spektroskopie wird der Feststoff mit einem Elektronenstrahl im niedrigen keV-Bereich von Energien geprüft und erzeugt ein Sekundärelektron durch einen Auger-Übergangsprozeß mit einer gut definierten Augen-Energie E_AUGER. Bei der Auger-Spektroskopie stößt die Prüfstrahlung ein Elektron einer inneren Schale von einem Atom aus. Dann fällt beim Auger-Übergang ein erstes Elektron einer äußeren Schale in die Leerstelle der inneren Schale und ein zweites Elektron einer äußeren Schale wird ausgestoßen, welches die Energiedifferenz trägt. Das Spektrometer analysiert die Energie des ausgestoßenen Elektrons als Auger-Energie E_AUGER. Die Auger-Energie E_AUGER ist größtenteils für jedes Atom eindeutig, hauptsächlich von der Atomzahl Z abhängig. Somit kann die gemessene Elektronenenergie verwendet werden, um die Zusammensetzung des Materials zumindest nahe seiner Oberfläche zu bestimmen. Diese Energien liegen im allgemeinen im Bereich von einigen hundert eV bis zu einigen keV für die typische Praxis der Auger-Elektronenspektroskopie. Um das Auger-Signal zu verstärken, wird die Primärenergie Ep gewöhnlich zweimal oder mehr der Auger-Energie E_AUGER gemacht. Die Auger-Elektronenspektroskopie ermöglicht eine sehr schnelle und sehr genaue Messung von Schichtdicken bis zu etwa 30 nm. Andere Arten von Elektronenspektroskopie sind mit einer ähnlichen Anlage möglich und die Technologie liegt nahe der Elektronenmikroskopie.
Aus US 5 280 176 ist ein Röntgenstrahl-Photoelektronen-Emissionsverfahren bekannt, das die Bestimmung der Dicke einer dünnen Schicht in mehrlagigen Proben ermöglicht. Mit einem Verfahren von US 5 280 176 kann eine Probe mit einer oberen Schicht und einer darunterliegenden Substratschicht analysiert werden, um die Dicke der oberen Schicht zu bestimmen, jedoch nur vorausgesetzt, solange ihre Brechungsindizes ausreichend voneinander verschieden sind. Überdies müssen die kritischen Einfallswinkel für jede Schicht bekannt sein. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, funktioniert das Verfahren in der folgenden Weise: Die Probe wird in einer ausgepumpten Kammer mit einer vorbestimmten festen Orientierung in Bezug auf einen Energieanalyse-Elektronendetektor abgestützt. Ein Röntgenstrahl wird auf die Probe in einem speziellen streifenden Einfallswinkel in Bezug auf die Probe gerichtet. Der Einfallswinkel wird in Bezug auf die Proben derart gesteuert, daß er auf einem Winkel zwischen dem kritischen Winkel der ersten Schicht und dem kritischen Winkel der zweiten Schicht gehalten werden kann, wodurch die Photoelektronen-Emissionsintensität von der ersten Schicht und der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht verstärkt wird. Photoelektronen-Emissionsdaten werden gesammelt, die eine Energieverteilung der erfaßten Photoelektronenemission darstellen. Die Daten werden dann ausgewertet, um Spitzen in der Emission von jeder Schicht zu ermitteln. Die Amplituden der Spitzen werden dann mit analogen Spitzendaten für bekannte Dicken verglichen, um die Dicke der oberen Schicht zu ermitteln. 5 von US 5 280 176 zeigt ein Beispiel einer solchen Analyse unter Verwendung einer oberen Schicht aus Nickeloxidation auf einer darunterliegenden Nickelsubstratschicht.
Ein allgemeines Elektronenspektrometer ist in 1 schematisch dargestellt. Andere geometrische Beziehungen können verwendet werden. Eine Elektronenkanone 10 emittiert einen Primärstrahlungsstrahl 12 mit der Energie E_p in Richtung einer zu testenden Probe 14, die auf einem Halter 15 abgestützt ist. Ein Elektronenenergieanalysator 16 empfängt einen Strahl 18 von Sekundärelektronen, die von der Probe 14 emittiert werden und durch die Energie E_s gekennzeichnet sind. Die niedrigen Elektronenenergien erfordern, daß der gesamte Analysator auf sehr hohen Vakuumniveaus betrieben wird. Der Sekundärstrahl 18 ist gewöhnlich räumlich sehr breit. Der Elektronenenergieanalysator 16 weist typischerweise einen räumlich festen Eintrittsschlitz 20 auf, um den Winkel zwischen dem Analysator 16 und der Probe 14 festzulegen, und er analysiert intern die Sekundärenergie E_s mittels einer elektrostatischen Verzögerungseinrichtung oder eines magnetischen Analysators oder einer anderen Einrichtung. Obwohl der Elektronenanalysator 16 in einigen automatisierten Anwendungen eine kleine Anzahl von experimentell bestimmten Parametern ausgibt, gibt der typische Analysator auf einem gewissen Niveau ein Energiespektrum aus, aus dem die Energiestelle von einer oder mehreren Spitzen gewonnen wird. Solche Elektronenspektrometer sind sehr häufig als Auger- oder ESCA-Spektrometer gut bekannt und sind von verschiedenen Quellen, einschließlich Physical Electronics (PHI), einer Abteilung von Perkin-Elmer in Eden Prairie, Minnesota, Vacuum Generators of the United Kingdom und Omicron in Delaware, kommerziell erhältlich.
Obwohl Elektronen häufig als Prüfstrahlung verwendet werden, können andere Arten von Strahlung ähnliche Effekte erzeugen, beispielsweise Röntgenstrahlen oder Positronen.
Einer der experimentellen Haupteffekte in der Elektronenspektroskopie ist das Hintergrundrauschen, das durch unelastische Streuung der Primärelektronen (wenn eine Elektronenquelle verwendet wird) und von Sekundärelektronen, wenn sie durch das Material zwischen seiner Oberfläche und ihren Wechselwirkungspunkten mit den Bestandteilsatomen des Materials hindurchtreten, eingeführt wird. Alle Elektronen erleiden sowohl elastische als auch unelastische Zusammenstöße. Unelastisch gestreute Elektronen weisen eine breite Verteilung von Energien auf, die mit der Energie E_p des Prüfstrahls beginnt und sich nach unten erstreckt.
Primärelektronen, die zur Auger-Spektroskopie verwendet werden, weisen typischerweise Energien von einigen keV auf, während die Auger-Übergänge typischerweise unterhalb 1 keV liegen. Ein Elektron mit 1 keV weist einen mittleren freien Weg in einem Feststoff von etwa 3 nm auf; ein Elektron mit 3 keV 15 nm. Röntgenstrahlen weisen eine signifikant tiefere Eindringung auf. Ferner unterliegen Auger-Sekundärelektronen derselben Art von unelastischer Streuung. Viele technischen Artikel haben versucht, die Effekte der unelastischen Streuung zu erklären und zu quantifizieren, um das Auger-Spektrum zu gewinnen. Andere technische Artikel haben die unelastische Streuung als Weg zum Messen der Streuquerschnitte zwischen Elektronen verwendet. Die elastische Streuung hängt von der mittleren Atomzahl Z des Materials ab und ist in Materialien mit höherem Z stärker.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen und zerstörungsfreien Bestimmen der Dicke einer Überschicht aus einem Material, die über einer Unterschicht aus einem anderen Material mit einer anderen effektiven Atomzahl ausgebildet ist. Eine Quelle für Primärstrahlung, beispielsweise Elektronen mit keV oder Röntgenstrahlen, erzeugt ein breites Spektrum von unelastisch gestreuten Sekundärelektronen. Das Spektrum von Sekundärelektronen, die durch die Überschicht der Testprobe emittiert werden, wird gemessen und mit ähnlichen Spektren für Bezugsproben mit bekannten Dicken der Überschicht verglichen, um dadurch die Überschichtdicke in der Testprobe zu bestimmen. Die Vorrichtung kann im Fall, daß Elektronen die Primärstrahlung sind, von herkömmlichen Elektronenspektrometern abgeleitet sein.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Verhältnisse der Intensität eines Teils des Spektrums von unelastisch gestreuten Elektronen zu jener von elastisch gestreuten Elektronen für sowohl die Bezugs- als auch die Testproben gemessen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Elektronenspektrometers.
2 ist ein Kurvenbild der Beziehung von Sekundärelektronenspektren, einschließlich unelastischer Streuung, und der Dicke eines Überzugs.
3 ist ein Kurvenbild der Beziehung zwischen der Spektralintensität bei einer festen Energie in 2 zur Beschichtungsdicke.
4 ist ein Ablaufdiagramm der Verwendung von Sekundärelektronenspektren, um die Dicke des Überzugs zu ermitteln.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Unter den zweckmäßigen Bedingungen stellt das Spektrum für unelastisch gestreute Sekundärelektronen ein schnelles zerstörungsfreies Verfahren zum Ermitteln der Dicke einer dünnen Schicht bereit, die auf einem Substrat mit einer signifikant anderen Atomzahl abgeschieden ist. Elektronenspektren sind in 3 für verschiedene unterschiedliche Dicken einer Schicht auf Kohlenstoffbasis, die auf einem magnetischen Substrat abgeschieden ist, welches aus schwereren ferromagnetischen Übergangselementen wie z.B. Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel usw. mit vielleicht signifikanten Bruchteilen von schweren Seltenerdelementen wie z.B. Neodym und Samarium besteht, dargestellt. Die Intensitätsskala ist in willkürlichen Einheiten und spiegelt die Tatsache wider, daß der Sekundärelektronenfluß hinsichtlich der Energie analysiert wird, bevor er durch einen Elektronenzähler wie z.B. eine Elektronenvervielfacherröhre erfaßt wird. Die dargestellten Spektren wurden jedoch auf die Intensität einer Spitze 30 normiert, die der elastischen Streuung des Primärelektrons zugeordnet ist.
Kohlenstoff weist eine Atomzahl von 6 auf, während die vier angeführten Übergangselemente Atomzahlen zwischen 25 und 28 aufweisen. Die Seltenerdelemente sind noch viel schwerer.
Für eine Primärelektronenenergie E_p von 2 keV liegen die nicht dargestellten Übergangsmetall-Auger-Spitzen im Bereich von 700 bis 800 eV, das heißt weit unterhalb des dargestellten Energiebereichs. Diese Auger-Spitzen werden bei Beschichtungsdicken von 3 nm oder weniger leicht aufgelöst, aber für dickere Beschichtungen führt die unelastische Streuung eine bedeutende Schwierigkeit beim Gewinnen der Auger-Spitzen ein.
Die unelastische Streuung erzeugt rauschartige Spektren bei Energien zwischen den Auger-Spitzen und der Primärelektronenenergie. Im dargestellten Beispiel entspricht die elastische Spitze 30 bei etwa 1,95 keV der Primärelektronenenergie. Ein Minimum 32 zumindest für die dünneren Beschichtungen trennt die elastische Spitze 30 und eine breite Verteilung für unelastisch gestreute Elektronen. Bei der Auger-Spektroskopie wird die Optik typischerweise eingestellt, um eine sehr schmale, starke elastische Spitze 30 zu erzeugen, die wesentlich höher ist als die unelastischen Spektren. Die unelastischen Spektren wurden in 2 durch Verstimmen des Spektrometers betont.
Wie dargestellt, nimmt die relative Intensität der unelastischen Spektren gegenüber jener der elastischen Spitze 30 in einer regelmäßigen Weise mit zunehmender Kohlenstoffschichtdicke zwischen 0 und 6 nm zu. Die dargestellten Daten sind auf eine Einheitsintensität der elastischen Spitze 30 normiert. Wenn die Intensität bei einer festen Sekundärelektronenenergie von der elastischen Spitze 30 entfernt gemessen wird, ist diese Intensität ein Maß für die Schichtdicke. Die Intensität bei 1700 eV entlang einer Linie 36 gleicher Energie von 2 ist beispielsweise als Kurve 38 in 3 für die verschiedenen Schichtdicken aufgetragen. Unter denselben Meßbedingungen ist der Wert der Sekundärelektronenintensität mit der Beschichtungsdicke korreliert.
Folglich ist ein Verfahren in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Messen einer unbekannten Schichtdicke im Ablaufdiagramm von 4 dargestellt. In Schritt 40 wird eine Anzahl von Bezugsproben mit einer mehreren bekannten Dicken aufweist und ein Substrat aus einem zweiten Material bedeckt. Die Kombination der zwei Materialien sollte dieselbe sein oder zumindest nahe der Materialkombination für die zu testenden Proben liegen. Die Anregungsstrahlenergie und die Auflösung des Spektrometers sollten bei der Dickenmessung auch dieselben sein wie bei der Kalibrierung. Die Dicken sollten sich über den erwarteten Bereich von beim Testen zu erfahrenden Dicken erstrecken. In dem in 2 dargestellten Beispiel lagen die Dicken im Bereich von Null (keine Beschichtung) bis 60 nm in Schritten von ungefähr 10 nm. Beim Herstellen der Bezugsspektren können die Beschichtungsdicken durch ein beliebiges bekanntes Verfahren gemessen werden, einschließlich Abtastelektronenmikrographien von zerlegten Proben, da sie bei der Herstellung der Bezugsspektren und Kalibrierung der Messung der Testproben nur einmal gemessen werden müssen.
In einer Fortsetzung des Kalibrierungsschritts 40 wird ein Sekundärelektronen-Energiespektrum für jede Probe mit bekannter Beschichtungsdicke gemessen. Gemäß dem Beispiel von 3 muß planmäßig die Intensität von nur einer einzelnen Energie gemessen werden. Ein breiteres Spektrum ist jedoch bevorzugt, sowohl um die Gültigkeit der Daten festzustellen als auch eine raffiniertere Parametergewinnung zu verwenden, wie später beschrieben wird. Die mehreren Bezugsspektren werden gespeichert oder analysiert, um einen kleineren Satz von Parametern zu erzeugen, die zur Verwendung bei später erfaßten Testspektren gespeichert werden.
In Schritt 42 wird ein Sekundärelektronenspektrum für eine Testprobe mit einer unbekannten Beschichtungsdicke gemessen. Die Testprobe sollte dieselbe Kombination von Substrat- und Beschichtungszusammensetzungen wie die Bezugsproben aufweisen. Dies ist ein zerstörungsfreier Test, der relativ schnell als Anhängsel an eine Produktionslinie durchgeführt werden kann.
In Schritt 44 wird das in Schritt 42 erhaltene Testspektrum mit den in Schritt 40 erhaltenen Bezugsspektren korreliert. In dem einfachen Intensitätsmodell von 3 muß diese Korrelation nur die Intensität für das Testspektrum bei derselben Energie, wie es für die Bezugsspektren durchgeführt wurde (1700 eV in 3), mit vielleicht einer Multiplikationskonstante, um Differenzen in der Meßdauer oder der Primärstrahlintensität widerzuspiegeln, ermitteln.
In Schritt 46 wird die Beschichtungsdicke aus den Ergebnissen des Testspektrums ermittelt. In dem einfachen Beispiel von 3 setzt die dargestellte Kurve 38 die gemessene Energie bei 1700 eV mit der Schichtdicke in Beziehung.
Nachdem die Beschichtungsdicke für eine Testprobe ermittelt wurde, kann eine weitere Testprobe mit der Probenkombination von Materialien ohne einen Bedarf, die Messung der Bezugsspektren zu wiederholen, getestet werden.
Das obige Beispiel nimmt an, daß sich die unelastischen Spektren aus der unelastischen Streuung der Primärelektronen ergeben. Vorteilhafterweise liegt das gemessene Spektrum zwischen der elastischen Spitze und den Auger-Spitzen. Ähnliche Ergebnisse werden erhalten, wenn die unelastischen Spektren für die unelastische Streuung der Auger-Elektronen gemessen werden. In diesem Fall erstrecken sich die unelastischen Spektren zu niedrigeren Energien als der Auger-Energie.
Die erfindungsgemäße Dickenmessung hängt davon ab, daß die effektive Atommasse Z der Beschichtung von jener des unter der Beschichtung liegenden Substrats im wesentlichen verschieden ist. Dieser Unterschied verursacht sehr signifikante Unterschiede im Verhältnis zwischen der elastischen und der unelastischen Streuung, die als relatives Verhältnis des Hintergrundes zur elastischen Streuung bei einer Energie, die von der elastischen Spitze weit genug weg ist, erfaßt werden können. Im allgemeinen begünstigen Materialien mit hohem Z die elastische Streuung von Elektronen. Im Fall einer Beschichtung auf Kohlenstoffbasis über einem Übergangsmetallsubstrat (niedriges Z über hohem Z) entsteht das unelastische Spektrum aus der Beschichtung. Im Fall von hohem Z über niedrigem Z wird die unelastische Streuung im Substrat durch die elastische Streuung in der Beschichtung gemäßigt. Die Beschichtung und das Substrat können gewisse überlappende Elementzusammensetzungen aufweisen, aber die Erfindung ist immer noch anwendbar, wenn zwei getrennte Teile des Periodensystems durch wesentliche Bruchteile in den zwei Schichten getrennt dargestellt werden. Es wird ferner erkannt, daß das Substrat eine Schicht mit einer Dicke von zumindest ungefähr der relevanten Elektronenabsorptions- oder -streulänge sein kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann am bereits beschriebenen herkömmlichen Analysator von 1 mit Hinzufügung gewisser Rechen- und Steuerfähigkeiten ausgeführt werden. Ein Computer 50 empfängt das Ausgangssignal des Elektronenenergieanalysators 16 und verwendet es zum Berechnen der Eigenschaften der Elektronenspektren, die beim Quantifizieren der Schichtdicke verwendet werden. In den nachstehend beschriebenen drei Analysebeispielen ist die einzelne Eigenschaft entweder die Intensität bei einer festen Energie, ihr Verhältnis zur elastischen Spitze oder die Energie der Spitze. Mehr als eine Eigenschaft kann verwendet werden. Ein Speicher 52 wie z.B. ein Halbleiterspeicher oder eine Magnetplatte oder eine andere Art von anderer verfügbarer Datenspeichervorrichtung oder Datenspeichermedium ist mit dem Computer 50 verbunden und speichert für jede der Bezugsbeschichtungen sowohl die Dicke der Bezugsbeschichtungen als auch die Werte der Dickeneigenschaften für alle Bezugsbeschichtungen. Wenn eine Testprobe gemessen wird, berechnet der Computer 50 nicht nur ihre Eigenschaftswerte, sondern korreliert dann auch diese Werte mit jenen der Bezugsbeschichtungen, die im Speicher 52 gespeichert sind, um die Beschichtungsdicke der Testprobe zu ermitteln. Der Computer 50 gibt den Wert der experimentell ermittelten Beschichtungsdicke aus.
Der Computer 50 und der Speicher 52 können ein Teil der Steuerinstrumentenausrüstung sein, die bereits für den herkömmlichen Analysator bereitgestellt ist, mit zusätzlicher Software, die zum Durchführen der erforderlichen Steuerung und Berechnungen geschrieben ist. Alternativ können die durch den Elektronenanalysator hergestellten Spektren auf einen separaten Computer für eine gleichzeitige oder verzögerte Berechnung der Beschichtungsdicke heruntergeladen werden. Es wird erkannt, daß die Bezugsdaten nicht in Tabellenform gespeichert werden müssen, sondern durch Parameter zur Kurvenanpassung der Bezugsdaten oder durch andere Datendarstellungen, die die Elektronenspektren mit der Beschichtungsdicke verknüpfen, dargestellt werden können. Dieselbe Vorrichtung mit zusätzlicher Programmierung kann verwendet werden, um die Bezugsspektren herzustellen.
Die von der Kurve 38 von 3 bereitgestellte Ein-Energie-Korrelation ist nicht bevorzugt. Die gemessenen Intensitäten unterliegen Schwankungen, die nicht leicht zu messen oder zu steuern sind, einschließlich Rauschen verschiedener Arten. Die riesige Mehrheit der Energiespektren wird ignoriert. Eine komplexere Datenreduktion unter Verwendung von mehr gemessenen Punkten ist bevorzugt. Wie durch die Normierung der Spektren von 2 vorgeschlagen, kann beispielsweise das Verhältnis von unelastischen Daten zu unelastischen Daten für sowohl die Bezugs- als auch die Testproben genommen werden und die Verhältnisse werden beim Ermitteln der Beschichtungsdicke für die Testprobe verglichen. Insbesondere kann die elastische Spitze durch Integrieren der Spektren über ein Energieband 56, das in 2 dargestellt ist und das sich vom Minimum 32 bei etwa 1930 eV zur Primärenergie E_p bei 2000 eV erstreckt, gemessen werden. Ebenso kann die unelastische Streuung durch Integrieren der Spektren über ein Energieband 58 mit ähnlicher Breite, jedoch mit niedrigerer Energie, beispielsweise um 1300 eV, gemessen werden. Im Fall von niedrigem Z über hohem Z liegt das unelastische Energieband 58 vorzugsweise über 50% der Primärenergie E_p und bevorzugter in einem Bereich von etwa 20 bis 30% niedriger als die Primärenergie. Die Verhältnisse der zwei Intensitäten weisen ein Verhalten ähnlich jenem von 3 auf. Die Verwendung der Verhältnisse unterdrückt jedoch Rauschen, eine übliche Instrumentenabweichung und unterschiedliche Meßzeiträume.
Bei einer weiteren Methode weisen die Bezugsspektren von 2 zumindest für dickere Beschichtungen Energiespitzen auf, die mit der Beschichtungsdicke entlang der Linie 60 variieren. Die Spitzenpositionen für sowohl Bezugs- als auch Testproben können durch Kurvenanpassung einer großen Anzahl von Punkten in jedem Spektrum erhalten werden. Vorteilhafterweise ist die Spitzenposition gegen Schwankungen in den Ausrüstungseigenschaften und im Betrieb relativ unempfindlich, solange die relativen Geometrien gleich bleiben und die Energiegenauigkeit aufrechterhalten wird. Somit kann die Spitzenposition für die Testprobe mit der Dicke der Beschichtungen in den Bezugsproben korreliert werden.
Eine andere und möglicherweise komplexere Kurvenanpassung kann durchgeführt werden, um die Beschichtungsdicke aus den Bezugsdaten zu gewinnen.
Das beschriebene Beispiel der Erfindung hängt von der Primärstrahlung und ihrer Absorptionslänge als die durch die Primärstrahlung erzeugten Sekundärelektronen ab. Die relative Intensität der elastischen Streuung im Sekundärspektrum der Überschicht muß sich signifikant von jener im Sekundärspektrum der Unterschicht unterscheiden. Diese Bedingung wird gewöhnlich durch die zwei Materialien mit signifikant verschiedenen Atommassen im Durchschnitt erfüllt. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel weist die Überschicht eine niedrigere Atommasse auf als die Unterschicht. Die sich sanft verändernden Sekundärstreuspektren von 2 ergeben sich daraus, daß die gemessenen Elektronenenergien nicht mehr als 90% der Primärelektronenenergie sind, aber über der Auger-Energie sowohl in der Beschichtung als auch im Substrat liegen. Die Dicke der gemessenen Schicht sollte nicht signifikant größer sein als die Streulänge für entweder die anfänglichen oder die gestreuten Sekundärelektronen in diesem Material, da ansonsten wenige Elektronen die Oberfläche erreichen würden. Die Energie der Prüfelektronen oder Röntgenstrahlen oder einer anderen Strahlung kann angesichts der erwarteten Dicken der Beschichtung eingestellt werden, so daß ein beträchtlicher Teil der Prüfstrahlung durch die Beschichtung hindurchgelangt.
Die Erfindung stellt somit einen schnellen und zerstörungsfreien Test der Dicke einer Beschichtung bereit. Sie kann an einer herkömmlichen spektroskopischen Anlage mit nur unkomplizierten und einfachen Modifikationen ausgeführt werden.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf die unelastische Streuung von Auger-Elektronen beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht notwendigerweise so begrenzt.

Claims

Verfahren zum Messen einer Dicke einer Schicht aus einer ersten Zusammensetzung, die über einem Material aus einer zweiten Zusammensetzung ausgebildet ist, mit den Schritten: a) Vorsehen einer Vielzahl von Bezugsproben (14) mit jeweils einer Schicht aus der ersten Zusammensetzung und mit bekannter Dicke, die über einem Material aus der zweiten Zusammensetzung ausgebildet ist; b) für jede der Bezugsproben, Messen (40) eines Sekundärelektronenspektrums (E_s) in einem Energiebereich, wobei die Sekundärelektronen von jeder der Bezugsproben ausgesandt werden, indem sie durch eine Art von Primärstrahlung (Ep) angeregt werden, wodurch eine Vielzahl von Bezugs-Sekundärelektronenspektren erhalten werden, wobei jedes Bezugsspektrum mit einer Schichtdicke gekennzeichnet ist; c) für eine Testprobe (14) mit einer Schicht aus der ersten Zusammensetzung, die über einem Material mit der zweiten Zusammensetzung ausgebildet ist, Messen (42) eines Sekundärelektronenspektrums (E_S) in einem Energiebereich, wobei die Sekundärelektronen von der Testprobe ausgesandt werden, indem sie durch die Art von Primärstrahlung (Ep) angeregt werden, wodurch ein Test-Sekundärelektronenspektrum erhalten wird; und d) durch Vergleichen (44) des Test-Sekundärelektronenspektrums mit den Bezugs-Sekundärelektronenspektren, Bestimmen (46) einer Dicke der Schicht der Testprobe (14); dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugs-Sekundärelektronenspektren von Schritt b) und das Test-Sekundärelektronenspektrum von Schritt c) einen Energiebereich umfassen, der durch unelastische Streuung dominiert ist, und in Schritt d) Spektren verglichen werden, die durch unelastische Streuung dominiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Art von Primärstrahlung (Ep) eine erste Energie aufweist und Sekundärelektronen mit einer zweiten Energie durch einen unelastischen Streuprozeß erzeugt, und wobei die Testspektren in einem Energiebereich zwischen 10 und 50% niedriger als die erste Energie erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Art von Primärstrahlung (Ep) Elektronen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei sich der Energiebereich zwischen 20 und 30% niedriger als die erste Energie erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Art von Primärstrahlung (14) Elektronen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Art von Primärstrahlung (14) Röntgenstrahlen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schicht eine Beschichtung auf Kohlenstoffbasis umfaßt und das Material mit einer zweiten Zusammensetzung ein ferromagnetisches Material umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das ferromagnetische Material Kobalt umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt b) und Schritt c) die Anregung durch eine Art von Primärstrahlung die Bestrahlung mit Elektronen umfaßt und die Messung eines Sekundärelektronenspektrums die Messung von Intensitäten umfaßt, wobei in Schritt d) Elektronenintensitäten verglichen werden und die Elektronenintensität oder -intensitäten, die mit der Testprobe am besten übereinstimmen, bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Meßschritt (42) die Intensität in einem Energieband mißt, das sich zwischen 10 und 50% unterhalb der Primärenergie erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Energieband über einer Auger-Energie der Elektronen in der Beschichtung liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Messung von Intensitäten die Messung von mindestens einer Intensität von Elektronen umfaßt, die von der Testprobe (14) ausgesandt werden, wobei die Elektronen Energien in einem Energiebereich aufweisen, einschließlich hauptsächlich unelastisch gestreuter Sekundärelektronen; und wobei das Vergleichen (44) des Test-Sekundärelektronenspektrums mit den Bezugs-Sekundärelektronenspektren das Vergleichen der mindestens einen gemessenen Intensität von Elektronen von der Testprobe mit vorab aufgezeichneten Bezugsprobendaten bezüglich Intensitäten von Elektronen in einem Energiebereich, einschließlich hauptsächlich unelastisch gestreuter Sekundärelektronen, umfaßt.
Schichtdickenanalysator mit: einer Quelle (10) für Primärstrahlung (Ep) zum Aussenden der Primärstrahlung in Richtung einer Testprobe (14); einem Elektronenenergieanalysator (16) zum Empfangen von Strahlung (Es) von der Testprobe (14); einem für einen Computer zugänglichen Speicher (52) zum Speichern mindestens eines charakteristischen Werts für jede einer Vielzahl von Bezugsproben, welcher von Messungen eines Sekundärelektronenspektrums abgeleitet ist und mit einer jeweiligen Dicke einer Beschichtung der Bezugsproben korreliert ist; einem Prozessor (50), der dazu programmiert ist, ein Ausgangssignal des Elektronenenergieanalysators (16) zu empfangen, um mindestens einen charakteristischen Wert zu erzeugen, der von Messungen eines Sekundärelektronenspektrums abgeleitet ist, und um den mindestens einen charakteristischen Wert für die Testprobe (14) mit dem mindestens einen charakteristischen Wert der Bezugsproben (14) zu korrelieren, wodurch eine Dicke einer Beschichtung der Testprobe (14) bestimmt wird; dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenenergieanalysator (16) dazu ausgelegt ist, eine Strahlung (Es), einschließlich unelastisch gestreuter Elektronen, zu empfangen; und der mindestens eine charakteristische Wert von Messungen von unelastisch gestreuten Elektronen abgeleitet ist.
Schichtdickenanalysator nach Anspruch 13, wobei die Quelle (10) für Primärstrahlung (Ep) eine Elektronenquelle ist.
Schichtdickenanalysator nach Anspruch 14, wobei die Elektronenquelle (10) dazu ausgelegt ist, Elektronen innerhalb eines Energiebandes, das 2 keV umfaßt, auszusenden.
Schichtdickenanalysator nach Anspruch 14, wobei: der für den Computer zugängliche Speicher (52) dazu ausgelegt ist, für jede einer Vielzahl von Bezugsproben (14) mindestens einen charakteristischen Wert zu speichern, der von Messungen von unelastisch gestreuten Elektronen mit Energien zwischen 10% und 50% niedriger als die Primärstrahlung (Ep), die die Sekundärelektronen (Es) verursacht hat, abgeleitet ist; und der Prozessor (50), der dazu programmiert ist, ein Ausgangssignal des Elektronenenergieanalysators zu empfangen, dazu programmiert ist, mindestens einen charakteristischen Wert entsprechend den unelastisch gestreuten Sekundärelektronen mit Energien zwischen 10% und 50% niedriger als die Primärstrahlung (Ep), die die Sekundärelektronen (Es) verursacht hat, zu erzeugen und den mindestens einen charakteristischen Wert für die Bezugsproben (14) zu korrelieren, wodurch eine Dicke einer Beschichtung der Testprobe (14) bestimmt wird.
Schichtdickenanalysator nach Anspruch 14, wobei der Prozessor (50), der dazu programmiert ist, ein Ausgangssignal des Elektronenenergieanalysators (16) zu empfangen und mindestens einen charakteristischen Wert entsprechend unelastisch gestreuten Sekundärelektronen (Es) zu erzeugen, dazu programmiert ist, einen charakteristischen Wert zu erzeugen, der die Anzahl von Elektronen darstellt, die bei einem Energiewert erfaßt werden.
Schichtdickenanalysator nach Anspruch 14, wobei der Prozessor (50), der dazu programmiert ist, ein Ausgangssignal des Elektronenenergieanalysators (16) zu empfangen und mindestens einen charakteristischen Wert entsprechend unelastisch gestreuten Sekundärelektronen (Es) zu erzeugen, dazu programmiert ist, charakteristische Werte zu erzeugen, die die Anzahl von Elektronen darstellen, die bei mehreren Energiewerten erfaßt werden.
Schichtdickenanalysator nach Anspruch 14, wobei der Prozessor (50), der dazu programmiert ist, ein Ausgangssignal des Elektronenenergieanalysators (16) zu empfangen und mindestens einen charakteristischen Wert entsprechend unelastisch gestreuten Sekundärelektronen (Es) zu erzeugen, dazu programmiert ist, charakteristische Werte zu erzeugen, die die Verhältnisse der Intensität eines Teils des Spektrums von unelastisch gestreuten Elektronen zu jener von elastisch gestreuten Elektronen darstellen.