DE69021813T2

DE69021813T2 - Apparat und Verfahren für die Ausmessung von dünnen mehrschichtigen Lagen.

Info

Publication number: DE69021813T2
Application number: DE69021813T
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Fukazawa; Ryo Hattori; Seizi Nishizawa; Tokuzi Takahashi
Original assignee: Jasco Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Jasco Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-09-25
Filing date: 1990-09-24
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2010-09-25
Also published as: EP0420113A2; US5227861A; DE69033111T2; EP0420113A3; DE69033111D1; EP0650030B1; DE69021813D1; EP0650030A2; EP0420113B1; EP0650030A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer mehrlagigen Dünnschicht und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren, die in der Lage sind, die Dicke und den Grenzzustand jeder Lage einer mehrlagigen Dünnschicht, die Z.B. durch Epitaxie eines Halbleiterkristalls ausgebildet ist, auf zerstörungsfreie und berührungslose Weise zu bestimmen.

Beschreibung des Standes der Technik

Im allgemeinen wird ein Interferenzphänomen von Licht zum zerstörungsfreien und beruhrungslosen Messen der Dicke einer Dünnschicht verwendet. Der Leser sei auf die Patent Abstracts of Japan, Band 11, Nr. 29 (P-540) [2476], vom 28.01.87 und die JP-A-61200407 (Hitachi Ltd.) vom 05.09.86 verwiesen.
Zum Beispiel wird eine Probe mit Halbleiter-Dunnschichtlägen 2, 3 und 4 betrachtet, die, wie in Fig. 1 gezeigt, auf einem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet sind, auf dessen Oberfläche ein vorbestimmter Lichtstrahl 5 unter einem Einfallswinkel Θ auftrifft. Die Bezugsziffern 6, 7, 8 und 9 bezeichnen eindimensionale, von der Oberfläche der Dünnschichtlagen 2, 3 und 4 bzw. des Substrats 1 reflektierte Lichtkomponenten. Die Dicken und Brechungsindizes der Dünnschichtlagen 2, 3 und 4 werden mit (d1, n1), (d2, n2) bzw. (d3, n3) bezeichnet, und der Brechungsindex des Substrats 1 wird als ns bezeichnet.
Die von der Oberfläche der jeweiligen Dünnschichtlagen 2, 3 und 4 und des Substrats 1 reflektierten Lichtkomponenten 6, 7, 8 und 9 erzeugen Phasendifferenzen aufgrund der jeweiligen optischen Weglänge und werden miteinander kombiniert, um miteinander an der Oberfläche der Probe zu interferieren. Wenn die i-te Dünnschichtlage von oben als i-te Lage definiert ist (wobei i eine ganze Zahl ist), wird die optische Wegdifferenz δi zwischen der von der Oberfläche der oberen Lage reflektierten Lichtkomponente 6 und der an der Grenzschicht der i-ten Lage und der (i+1)-ten Lage reflektierten Lichtkomponente durch fol gende Formel ausgedrückt:
Dickeninformationen der entsprechenden Dünnschichtlagen 2, 3 und 4 können durch Analysieren eines räumlichen Diagramms eines reflektierten Lichtstrahls erhalten werden, der durch Zusammenfügen der entsprechenden reflektierten Lichtkomponenten mit Phasendifferenzen δi ausgebildet ist.
Im allgemeinen ist herkömmlicherweise ein Verfahren zum Bestim men der Schichtdicke aus der Analyse von Interferenzstreifen eines Reflexionsinterferenzspektrums der Dünnschicht gewählt worden. Dieses Verfahren ist für die Schichtstruktur wirksam, die aus einer einzigen Lage besteht, jedoch kann es nicht praktisch für eine Schichtstruktur angewendet werden, die aus meh reren Lagen besteht, da es sehr schwierig ist, jeden Interferenzstreifen zu trennen und zu analysieren.
Das Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopieverfahren (FTIR-Verfahren), das die Fourier-Analyse anwendet, ist als ein Verfahren zum zerstörungsfreien und berührungslosen Messen der Dicke einer mehrlagigen Dünnschicht vorgeschlagen worden. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus und zeigt ein optisches System A einer Vorrichtung zum Bestimmen einer mehrlagigen Dünnschicht, die das FTIR-Verfahren anwendet, und Fig. 3 ist eine allgemeine Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus der Vorrichtung.
Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, wird ein infraroter Lichtstrahl in einem vorbestimmten Wellenzahlbereich von einer Lichtquelle 10 ausgesendet. Der Wellenzahlbereich des infraroten Lichtstrahls wird in Abhängigkeit von den Kristallmaterialien eingestellt, die die mehrlagige Dünnschicht einer Probe 11 bilden, z.B. auf 12000-2000 cm&supmin;¹ für AlGaAs-Serien und auf 8000-1000 cm&supmin;¹ für InGaAsP-Serien.
Der von der Lichtquelle 10 ausgesendete Lichtstrahl wird durch einen asphärischen Spiegel 12 in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt, der dann einem Michelson-Interferometer 13 zugeführt wird.
Das Michelson-Interferometer 13 weist folgendes auf: einen Strahlteiler 14, um den einfallenden parallelen Lichtstrahl in zwei Strahlen zu teilen, nämlich in einen hindurchgehenden Lichtstrahl und einen reflektierten Lichtstrahl, einen feststehenden Spiegel 15 zum Reflektieren des hindurchgehenden Lichtstrahls des Strahlteilers 14, einen bewegbaren Spiegel 16 zum Reflektieren des reflektierten Lichtstrahls des Strahlteilers 14, und einen Antrieb 17, um den bewegbaren Spiegel 16 mit einer konstanten Geschwindigkeit in der durch den Pfeil in Fig. 2 gezeigten Richtung zu versetzen.
Der parallele Lichtstrahl, der auf das Michelson-Interferometer 13 einfällt, wird durch den Strahlteiler 14 in zwei Strahlen geteilt, nämlich in den hindurchgehenden Lichtstrahl und den reflektierten Lichtstrahl. Wenn der hindurchgehende Lichtstrahl und der reflektierte Lichtstrahl durch den feststehenden Spie gel 15 bzw. den bewegbaren Spiegel 16 reflektiert werden, kehren sie wieder zu dem Strahlteiler 14 zurück und werden zusammengefügt, so daß sie miteinander an dessen Oberfläche interferieren. Da der bewegbare Spiegel 16 durch den Antrieb 17 mit einer konstanten Geschwindigkeit in die durch den Pfeil in Fig. 2 gezeigte Richtung versetzt wird, werden der hindurchgehende Lichtstrahl und der reflektierte Lichtstrahl zusammengefügt, wobei ihre optischen Wegdifferenzen kontinuierlich verändert werden. Somit ist das Interferenzucht, das an dem Strahlteiler 14 synthetisiert werden soll, ein Lichtstrahl, der zeitlich in Ahängigkeit von der Bewegung des bewegbaren Spiegels 16 mit konstanter Geschwindigkeit moduliert ist. Der Interferenzlichtstrahl wird zu einem optischen System 18 zum Beleuchten einer Probe 11 herausgeführt.
Der dem optischen System 18 zugeführte Interferenzlichtstrahl wird an der Oberfläche der Probe 11 durch einen asphärischen Spiegel 19 konvergent gemacht, um den Ausnutzungsgrad der Lichtstrahlenergie zu verbessern. Wie vorstehend beschrieben, wird der von der Probe 11 reflektierte Lichtstrahl der Interferenz unterworfen, die durch die Schichtstruktur der Probe 11 bedingt ist, und wird durch einen asphärischen Spiegel 20 an der lichtempfangenden Oberfläche eines Fotodetektor 21 konvergent gemacht.
So wird ein Interferogramm (d.h. ein räumliches Diagramm einschließlich Rauschen) von dem Fotodetektor 21 gemessen. Das von dem Fotodetektor 21 gemessene Interferogramm wird einer Fourier-Transformation durch die Fourier-Transformationseinrichtung B unterworfen, um ein Reflexionsspektrum zu erhalten. Als nächstes filtert eine Filtereinrichtung C das Reflexionsspektrum, um solche Wellenzahlbereiche daraus zu entfernen, die keine photometrische Empfindlichkeit haben. Das gefilterte Reflexionsspektrum wird einer Fourier-Rücktransformation durch eine Fourier-Rücktransformationseinrichtung D unterworfen, um ein räumliches Diagramm ohne Rauschen zu erhalten.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines räumlichen Diagramms, das durch die Verwendung der mehrlagigen Dünnschichtprobe der Fig. 1 erhalten wurde. In Fig. 4 bezeichnet die Abszisse den Bewegungsabstand des bewegbaren Spiegeis 16, und die Ordinate bezeichnet die Interferenzintensität des reflektierten Lichtstrahls. Wie in Fig. 4 gezeigt, erscheinen in dem räumlichen Diagramm Ausschläge 22 bis 25, die durch die wechselseitige Verstärkung des gesamten Lichts aufgrund der Interferenz verursacht werden, wenn die optische Wegdifferenz durch die Bewegungsposition des bewegbaren Spiegels 16 mit den durch die Formel (1) bezeichneten optischen Wegdifferenzen der entsprechenden reflektierten Lichtkomponenten übereinstimmt. Die Entfer nungen zwischen den jeweiligen Ausschlägen entsprechen den optischen Wegdifferenzen der jeweiligen reflektierten Lichtkomponenten.
In dem Beispiel der Fig. 4 erscheint jeder der seitlichen Ausschläge 23, 24 und 25 entsprechend den reflektierten Lichtkomponenten 7, 8 und 9 (in Fig. 1) der jeweiligen Lagen symmetrisch, wobei der zentrale Ausschlag 22 entsprechend dem von der Oberfläche der Probe (oder der Dünnschicht 2) reflektierten Lichtkomponente 6 als Ursprung genommen wird. Wenn die Entfernungen vom zentralen Ausschlag 22 zu den jeweiligen seitlichen Ausschlägen 23, 24 und 25 als Li (i = 1, 2, 3) bezeichnet werden, so stimmen die optischen Wegdifferenzen δi der jeweiligen reflektierten Lichtkomponenten mit dem Wert 2Li überein, der die Länge der beiden Wege des bewegbaren Spiegels 16 bezeichnet. Dementsprechend kann die folgende Formel aus der vorstehenden Formel (1) erhalten werden:
wobei die Brechungsindizes n und der Einfallswinkel Θ bekannt sind. Deshalb können die Dicken d. der jeweiligen Lagen durch die Formel (2) berechnet werden, falls die Entfernungen Li zwischen den Ausschlägen durch Verwendung des vorstehenden räumlichen Diagramms ermittelt werden.
Eine Auswertungseinrichtung E der Fig. 3 kann somit die Wellenform des vorstehenden räumlichen Diagramms analysieren, um die Dicken der jeweiligen Lagen der mehrlagigen Dünnschicht zu mes sen. Darüber hinaus können zusätzlich zu den Dicken der jeweiligen Lagen Grenzzustände der jeweiligen Lagen aus der Steilheit der Wellenformen, z.B. der seitlichen Ausschläge 23 bis 25, ausgewertet werden.
In der herkömmlichen Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht, die wie vorstehend erwähnt aufgebaut ist, wird ein optisches System eines konvergierenden Systems als optisches System 18 zum Beleuchten der Probe, wie vorstehend beschrieben, verwendet. Der Zweck dieser Verwendung besteht darin, durch Konvergentmachen des von dem Michelson-Interferometer 13 ausgesendeten Interferenzlichtstrahls auf der Oberfläche der Probe 11 die Intensität des Meßlichts zu erhöhen, das auf den Fotodetektor 21 auftreffen soll, die Charakteristik des Rauschabstandes des Detektionssignals zu verbessern und zu versuchen, die Meßzeit zu verkürzen, und dergleichen.
Wenn das optische System 18 des konvergierenden Systems verwendet wird, ist der Einfallswinkel Θ des Lichtstrahls 5, der auf die Oberfläche der Probe in Fig. 1 projiziert wird, in der Praxis gleichmäßig um diesen Wert herum verteilt. Folglich wird eine Schwankung in den Wegen des hindurchgehenden Lichts der jeweiligen Dünnschichtlagen 2 bis 4 erzeugt, und einfallende Wellenflächen werden in einem bestimmten Bereich verteilt. Somit wird die Interferenzintensität verschlechtert, und die Ausschlagwellenformen in dem räumlichen Diagramm sind verwischt und breit, so daß eine Verschlechterung der Auflösung, der Meß genauigkeit und dergleichen bewirkt wird. Insbesondere beim Messen der Dünnschicht führt eine leichte Veränderung der Intensitätsverteilung wegen Meßfehlern und dergleichen zu einer Änderung der Wellenform des räumlichen Diagramms, da das räumliche Diagramm eine ziemlich glatte Intensitätsverteilung hinsichtlich der Wellenzahl zeigt. Folglich weichen die Ausschlagpositionen ab, und die angrenzenden Ausschläge überlappen einander, so daß eine Schwankung bei den Meßwerten der Filmdicke bewirkt wird, und die Meßgrenzdicke der Dünnschicht wird groß.
Dementsprechend können die Formeln (1) und (2) nicht in einer unveränderten Form verwendet werden. Es ist notwendig, die Verteilung des Einfallswinkels Θ und die Abweichungscharakteristiken der Reflexion in Betracht zu ziehen.
Bei der herkömmlichen Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dunnschicht wird das Reflexionsspektrum in der Fourier-Rücktransformationseinrichtung D in das räumliche Diagramm durch eine Fourier-Cosinus-Rücktransformation mittels eines Cosinus- Terms umgewandelt, wie es in der folgenden Formel (3) gezeigt ist:
wobei R( ) die reflektierte Lichtintensität, f( ) die Filterfunktion, die Wellenzahl (1/cm), X die Entfernung (cm) und s bzw. e die photometrischen Wellenzahlgrenzen sind.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines räumlichen Diagramms, in dem die jeweiligen Dünnschichtlagen 2, 3 und 4 der Probe eine Dicke von 0,503 um, 0,314 um bzw. 1,136 um aufweisen. Wie in Fig. 5 gezeigt, können die Ausschlagspitzen an den Positionen erkannt werden,, die den Interferenzen der jeweiligen Schichten entsprechen.
Da, wie vorstehend beschrieben, das Reflexionsspektrum der Fourier-Cosinus-Rücktransformation nur mit dem Cosinus-Term unterworfen wird, kann die Ausschlagwellenform, die in dem räumlichen Diagramm erscheint, eine Gegenphase mit Aufwärts-/Abwärts- Ausschlagspitzen aufweisen, die den Filterbedingungen (z.B. der Form der Filterfunktion f( ) und einem Filter-Wellenzahlbereich) entspricht. Wenn die Schicht, die gemessen werden soll, dünn ist, überlappen die Ausschlagwellenformen, die Aufwärts/Abwärts-Spitzen aufweisen, einander, wie es z.B. in dem räumlichen Diagramm der Fig. 6 gezeigt ist. Folglich wird jede Spitze durch eine synthetisierte Wellenform verschluckt, so daß es schwierig ist, die Spitzenwertpositionen abzulesen.
In dem Verfahren zum Messen der Schichtdicke mittels des FTIR- Verfahrens ist ein photometrischer Wellenzahlbereich ( s - e) ein Hauptfaktor, der die Dünnschicht-Meßgrenzen bestimmt. In dem Rahmen des photometrischen Wellenzahlbereiches, der haupt sächlich durch ein photometrisches optisches System bestimmt wird, ist es wichtig, die Spitzenwertpositionen aus den Ausschlagwellenformen in dem räumlichen Diagramm abzulesen. Beim Stand der Technik jedoch zeigen die Ausschlagwellenformen selbst einen Instabilitätsfaktor hinsichtlich der Aufwärts/Abwärts-Phase, welcher ein Faktor ist, der der Dünnschicht- Dickenmessung eine Grenze auferlegt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer mehrlagigen Dünnschicht, wobei die Dicke der mehrlagigen Dünnschicht und der Grenzzustand jeder Lage auf zerstörungsfreie und berührungslose Weise bestimmt werden. Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 bis 5 definiert.
Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer mehrlagigen Dünnschicht anzugeben, die bzw. das die mehrlagige Dünnschicht genauer und zuverlässig auf zerstörungsfreie und berührungslose Weise bestimmen kann.
Bei der Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht nach einem ersten Aspekt und dem Verfahren zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht nach einem dritten Aspekt wird der Interferenzlichtstrahl in den parallelen Strahl mit einem vorbestimmten Strahldurchmesser geformt und trifft auf die Probenoberfläche, so daß die Schwankung beim Einfallswinkel Θ bezüglich der Probe und an der Einfallsoberfläche merklich reduziert werden kann. Folglich nähern sich die hindurchgehenden Lichtwege in der mehrlagigen Dünnschicht einem in Fig. 1 gezeigten idealen System unendlich an, und das räumliche Diagramm, das erhalten werden soll, enthält genaue Informationen der mehrlagigen Dünnschichtlage. Deshalb können die Formeln (1) und (2) in einer unveränderten Form für die Analyse verwendet werden.
Bei der Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht nach einem zweiten Aspekt und dem Verfahren zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht nach einem vierten Aspekt können sowohl gerade als auch ungerade Funktionskomponenten in dem räumlichen Diagramm, die in dem begrenzten Wellenzahlbereich des Reflexi onsspektrums erscheinen, durch die komplexe Transformation genau transformiert werden. Alle Ausschlagwellenformen auf dem räumlichen Diagramm zeigen dieselbe Phase durch die Potenztransformation. Folglich kann, verglichen mit dem Fall, daß die Fourier-Cosinus-Rücktransformation ausgeführt wird, mehr Information in demselben photometrischen Wellenzahlbereich eingeführt werden, so daß der unstabile Faktor der Ausschlagwellenform-Phase eliminiert wird. Somit werden die Trenngenauigkeit der Ausschlagwellenform und die Dünnschicht-Meßgrenzen verbessert.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden klarer anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

- Fig. 1 ist eine typische Ansicht, die die optischen Wege eines primären reflektierten Lichtstrahls an jeder Schicht zeigt, wenn ein Lichtstrahl auf eine mehrlagige Dünnschichtstruktur projiziert wird;
- Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus, den ein optisches System einer herkömmlichen Vorrichtung zum Bestimmen einer mehrlagigen Dünnschicht zeigt;
- Fig. 3 ist eine allgemeine Darstellung des Aufbaus der herkömmlichen Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht;
- Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines räumlichen Diagramms, das mittels einer mehrlagigen Dünnschichtprobe der Fig. 1 erhalten wird;
- Fig. 5 und 6 zeigen räumliche Diagramme, die jeweils durch eine herkömmliche Fourier-Cosinus-Rücktransformation erhalten werden;
- Fig. 7 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus, den ein optisches System einer Vorrichtung zum Bestimmen einer mehrlagigen Dünnschicht entsprechend einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- Fig. 8 ist eine allgemeine Darstellung des Aufbaus, den die Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht entsprechend der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- Fig. 9 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus, den das optische System der Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht entsprechend einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- Fig. 10 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus, den das optische System der Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht entsprechend einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- Fig. 11 ist eine allgemeine Darstellung des Aufbaus, den die Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht entsprechend einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
- Fig. 12 zeigt ein räumliches Diagramm, das durch eine Fourier-Leistungsrücktransformation mit komplexer Potenz entsprechend der vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 7 ist eine schematische Konstruktionsansicht, die ein op tisches System einer Vorrichtung zum Bestimmen einer mehrlagigen Dünnschicht gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und Fig. 8 zeigt eine allgemeine Darstellung ihres Aufbaus.
Wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt, umfaßt die Vorrichtung zum Be stimmen der mehrlagigen Dünnschicht ein ersten optisches System A1 und ein zweites optisches System A2.
Das erste optische System A1 besteht aus einer Lichtquelle 10, einem asphärischen Spiegel 12 und einem Michelson-Interferometer 13, und diese Bestandteile sind den entsprechenden Teilen der Fig. 2 ähnlich. Der Wellenzahlbereich der Lichtquelle 10 beträgt jedoch 32000-0 cm&supmin;¹, was breiter als der herkömmliche Bereich ist.
Das zweite optische System A2 projiziert einen Interferenzlichtstrahl ausgehend von dem Nichelson-Interferometer 13 im ersten optischen System A1 als einen parallelen Strahl mit einem vorbestimmten Strahldurchmesser auf eine Probe 11 und detektiert den Interferenzlichtstrahl, der von der Probe 11 reflektiert wird, in einem Fotodetektor, um ein Interferogramm zu schaffen. Das zweite optische System A2 umfaßt eine Aperturblende 27, Planspiegel 28 und 29, einen asphärischen Spiegel 30 und den Fotodetektor 21.
Der von dem Michelson-Interferometer 13 ausgehende Interferenzlichtstrahl wird durch die Aperturblende 27 in einen parallelen Strahl mit einem Durchmesser von einigen Millimetern umgewan delt, der für die Dünnschichtmessung geeignet ist, und wird durch den Planspiegel 28 auf die Probe 11 projiziert. Das von der Probe 11 reflektierte Licht wird durch den Planspiegel 29 gleichmäßig reflektiert und durch den asphärischen Spiegel 30 auf dem lichtempfangenden Teil des Fotodetektors 21 konvergent gemacht, damit es darin in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Somit kann das Interferogramm gemessen werden.
Die weiteren Verarbeitungen sind jenen nach dem Stand der Technik ähnlich. D.h., das durch den Fotodetektor 21 gemessene Interferogramm wird durch die Fourier-Transformationseinrichtung B Fourier-transformiert, so daß ein Reflexionsspektrum erhalten wird. Nachdem das Reflexionsspektrum gefiltert worden ist, um Wellenzahlbereiche ohne photometrische Empfindlichkeit daraus durch die Filtereinrichtung C zu entfernen, wird damit eine Fourier-Cosinus-Rücktransformation durch die Fourier-Rücktransformationseinrichtung D ausgeführt, um ein räumliches Diagramm zu erhalten. Durch die Verwendung des so erhaltenen räumlichen Diagramms bestimmt die Auswertungseinrichtung E die Dicke der mehrlagigen Dünnschicht und dergleichen.
Wenn die spektroskopische Fourier-Transformationsanalyse in der Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht ausgeführt wird, wird ein Daten-Abtastintervall auf 1/4 und weiterhin auf 1/8 der He-Ne-Laserwellenlänge (6328 Å) eingeengt, um die Trennanalyse der mehrlagigen Schicht zu ermöglichen, während man herkömmlicherweise 1/2 derselben verwendet hat. Ande rerseits wird der Wellenzahlbereich der Spektrenberechnung auf 32000-0 cm&supmin;¹ ausgeweitet.
Der weitere Aufbau der Vorrichtung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ähnlich dem der herkömmlichen Vorrichtung, und deshalb sind dieselben Bezugsziffern denselben oder entsprechenden Teilen zugewiesen und deren überflüssige Beschreibung wird hier weggelassen.
Bei der Vorrichtung dieser bevorzugten Ausführungsform wird der vom ersten optischen System A1 ausgehende Interferenzlichtstrahl zu einem parallelen Strahl mit einem vorbestimmten Strahldurchmesser ausgebildet und trifft auf die Oberfläche der Probe 11 durch ein zweites optisches System A2, so daß die Schwankung beim Einfallswinkel Θ und bei der Einfallsfläche merklich reduziert ist. Folglich können die hindurchgehenden Lichtwege in der mehrlagigen Dünnschicht ein in Fig. 1 gezeigtes ideales System unendlich annähern, und das räumliche Diagramm, das erhalten werden soll (in Fig. 4), kann genaue Informationen der mehrlagigen Dünnschicht liefern.
Deshalb können die Dicke und der Grenzzustand jeder Schicht in der mehrlagigen Dünnschicht genau bestimmt werden. Wenn dann die spektroskopische Fourier-Transformationsanalyse ausgeführt wird, so wird das Daten-Abtastintervall hinsichtlich des Bewegens des bewegbaren Spiegels 16 verkürzt, und der Wellenzahlbereich der Datenberechnung wird stark vergrößert. Deshalb kann die Dicke jeder Lage der ziemlich dünnen mehrlagigen Schicht genau analysiert werden.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus, den das optische System der Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in Fig. 9 gezeigt, umfaßt die Vorrichtung ein zweites optisches System A2, um den vom ersten optischen System A1 ausge henden Interferenzlichtstrahl auf die Probe 11 als parallelen Strahl mit einem vorbestimmten Strahldurchmesser zu projizieren.
Das zweite optische System A2 weist Planspiegel 32, 36, 37, 38 und 39, asphärische Spiegel 33, 35 und 34 und eine Aperturblende 34 auf.
Der vom ersten optischen System A1 ausgehende Interferenzlichtstrahl wird, wenn er von dem Planspiegel 32 gleichmäßig reflek tiert worden ist, einmal durch den asphärischen Spiegel 33 konvergent gemacht. Der konvergent gemachte Lichtstrahl passiert die Aperturblende 34 zum Verbessern der Kollimation, um wiederum von dem asphärischen Spiegel 35 in einen parallelen Strahl umgewandelt zu werden. Der parallele Strahl wird von den Planspiegeln 36 und 37 auf die Probe 11 projiziert. Der von der Probe 11 reflektierte Interferenzlichtstrahl wird, wenn er durch die Planspiegel 38 und 39 gleichmäßig reflektiert worden ist, auf der lichtempfangenden Oberfläche des Fotodetektors 21 von dem asphärischen Spiegel 40 konvergent gemacht.
Der weitere Aufbau der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist ähnlich der der ersten bevorzugten Ausführungsform. Dieselbe Wirkung wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform kann mit der zweiten bevorzugten Ausführungsform erhalten werden.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus, den das optische System der Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in Fig. 10 gezeigt, verwendet die Vorrichtung ein optisches System zum Beleuchten, das eine Cassegrain-Struktur als zweites optisches System A2 aufweist, mit dem der von dem ersten optischen System A1 ausgehende Interferenzlichtstrahl in einem weiteren Bereich konvergent gemacht werden kann, um in einen parallelen Strahl umgewandelt zu werden.
Das zweite optische System A2 umfaßt asphärische Spiegel 42 und 46, eine Aperturblende 43 und einen Sammeispiegel 44 mit einer elliptischen reflektierenden Oberfläche und einen Hyperbolspiegel 45 (oder angenähert einen Konvexspiegel).
Der vom ersten optischen System A1 ausgehende Interferenzlichtstrahl wird einmal von dem asphärischen Spiegel 42 konvergent gemacht und tritt durch die Aperturblende 43 hindurch, um die Kollimation zu verbessern. Die Sammelposition von dem asphärischen Spiegel 42 entspricht der einen Fokusposition der elliptischen reflektierenden Oberfläche des Sammelspiegels 44. In seiner anderen Fokusposition ist der Hyperbolspiegel 45 angeordnet. Der nach dem Durchgang durch die Aperturblende 43 divergierende Lichtstrahl wird durch den Sammelspiegel 44 wieder konvergent gemacht und von dem Hyperbolspiegel 45 reflektiert, um daran zu einem parallelen Strahl umgewandelt zu werden. Der so erzeugte parallele Strahl wird auf die Probe 11 projiziert, und der von der Probe 11 reflektierte Interferenzlichtstrahl wird auf der lichtempfangenden Oberfläche des Fotodetektors 21 durch den asphärischen Spiegel 46 konvergent gemacht.
Der weitere Aufbau der dritten bevorzugten Ausführungsform ist ähnlich der der ersten bevorzugten Ausführungsform. Dieselbe Wirkung wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform kann mit der dritten bevorzugten Ausführungsform erhalten werden.
Bei den vorstehend beschriebenen ersten bis dritten bevorzugten Ausführungsformen wird die spektroskopische Fourier-Transformationsanalyse nur an dem Interferogramm der mehrlagigen Dünnschichtprobe durchgeführt, um das räumliche Diagramm zu schaffen. Jedoch kann das räumliche Diagramm auch durch das nachfolgend beschriebene Verfahren erzeugt werden.
Vor der Messung des Interferogramms der mehrlagigen Dünnschichtprobe 11 wird z.B. ein anderes Interferogramm auf die gleiche oben beschriebene Art durch Verwenden einer Standardprobe gemessen, bei der Gold auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, und in einem Speicher gespeichert. Die Interferogrammdaten der Standardprobe werden aus dem Speicher in der erforderlichen Weise ausgelesen und Fourier-transformiert, um de ren Reflexionsspektrum zu ermitteln. Das Reflexionsspektrum der Standardprobe wird vom Reflexionsspektrum der mehrlagigen Dünnschichtprobe 11 subtrahiert, um ein Differenzspektrum zu finden.
Das Differenzspektrum wird durch eine Datenverarbeitungseinrichtung gefiltert, um Rausch-Wellenzahlbereiche daraus zu entfernen. Die Fourier-Rücktransformation wird mit dem gefilterten Differenzspektrum durchgeführt, um das räumliche Diagramm zu erhalten. Mit diesem Verfahren kann ein räumliches Diagramm erhalten werden, in dem ein Zentralausschlag eliminiert ist, so daß dadurch die mehrlagige Dünnschicht genauer bestimmt werden kann.
Fig. 11 zeigt allgemein den Aufbau der Vorrichtung zum Bestimmen der mehrlagigen Dünnschicht gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 11 bezeichnen die Bezugszeichen A bis C und E dieselben Teile wie bei der herkömmlichen Vorrichtung.
In der bevorzugten Ausführungsform wird das gefilterte Reflexionsspektrum mittels einer komplexen Potenz-Fourier-Rücktransformationseinrichtung F transformiert, um das räumliche Diagramm zu schaffen. Die komplexe Transformation ist eine gewöhnliche Grundtechnik in der Fourier-Transformationsspektroskopie. Jedoch hat es bisher kein Beispiel dafür gegeben, das die kom plexe Potenz-Transformation auf den Fall anwendet, in dem das Reflexionsspektrum in das räumliche Diagramm Fourier-rücktransformiert wird, und zwar mit dem Zweck, die Dicke einer mehrlagigen Halbleiterdünnschicht zu messen.
In der komplexen Potenz-Fourier-Rücktransformationseinrichtung F gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn das Reflexionsspektrum in das räumliche Diagramm Fourier-rücktransformiert wird, die komplexe Potenz-Transformation mit e(j2π x) einschließlich eines Cosinus-Terms und eines Sinus-Terms, wie in der folgenden Formel (4) gezeigt, durchgeführt:
wobei R( ) die reflektierte Lichtintensität, f( ) die Filterfunktion, die Wellenzahl (1/cm), X der Abstand (cm) und s bzw. e die photometrischen Wellenzahlgrenzen sind.
Als nächstes wird die Schichtdicke einer Probe mit einer mehr lagigen auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Halbleiterdünnschicht gemessen, um ausgewertet zu werden. Die verwendete Probe umfaßt AlxGa1-xAs (x = 0,5 mit einer Dicke von 0,35 um), AlxGa1-xAs (x = 0,1 mit einer Dicke von 0,1 um) und AlxGa1-xAs (x = 0,5 mit einer Dicke von 1,4 um) als Halbleiterdünnschichten 2, 3 bzw. 4 auf der Anordnung gemäß Fig. 1, die auf einem GaAs-Substrat als Halbleitersubstrat auf der Anordnung gemäß Fig. 1 ausgebildet sind. Das räumliche Diagramm, das mit der komplexen Potenz-Fourier-Rücktransformationseinrichtung F gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird, ist in Fig. 12 gezeigt, und das räumliche Diagramm, das mit der herkömmlichen Fourier-Cosinus-Rücktransformationseinrichtung D erhalten wird, ist in Fig. 6 gezeigt.
Bei der Fourier-Cosinus-Rücktransformation, die in Fig. 6 gezeigt ist, ist es schwierig, die Spitzenwertpositionen abzulesen, wenn zwei Ausschlagwellenformen einander in einer unsym metrischen Wellenform überlappen. Die unsymmetrische Wellenform ist empfindlich für Filterzustände in der Fourier-Rücktransformation und ändert ihre Gestalt in subtiler Weise, so daß es praktisch unmöglich ist, die Spitzenwerte von dieser Wellenform zu finden, um die Schichtdicke zu erhalten. Andererseits sind in dem in Fig. 12 gezeigten räumlichen Diagramm gemäß der vorliegenden Erfindung die Ausschlagwellenformen offensichtlich getrennt, obwohl die Intervalle zwischen den Spitzenwertpositionen nur ungefähr 0,1 um betragen.
Das in Fig. 12 gezeigte räumliche Diagramm ist ein stabiles räumliches Diagramm, das ausreicht, um es für die praktische Schichtdickenmessung zu verwenden. Verglichen mit dem räumlichen Diagramm mittels der herkömmlichen Fourier-Cosinus-Rücktransformation kann die Meßgenauigkeit der Schichtdicke deswe gen verbessert werden, weil mehr Information in dem räumlichen Diagramm mit der komplexen Potenz-Fourier-Rücktransformation vorhanden ist und jede Ausschlagwellenform die gleiche Phase erhält.
Bei der vorstehenden bevorzugten Ausführungsform können das erste optische System A1 und das zweite optische System A2 der Fig. 8 das optische System A in Fig. 11 ersetzen. In einem sol chen Fall kann die Dünnschicht bis zu einer Dicke von ungefähr 0,1 um gemessen werden, und zwar unter den photometrischen Bedingungen, bei denen 0,2 um der Grenzwert bei der Vorrichtung gemäß Fig. 8 ist.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 bis 5 definiert.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke einer mehrlagigen Dünnschicht, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

- ein erstes optisches System (A1), um zwei Lichtstrahlen in einem vorgegebenen Wellenzahlbereich zu erzeugen und diese auszusenden, während ihre optischen Weglängenunterschiede kontinuierlich verändert werden, um einen Interferenzlichtstrahl zu erzeugen;

- ein zweites optisches System (A2), um den von dem ersten optischen System (A1) emittierten Interferenzlichtstrahl auf eine mehrlagige Dünnschichtprobe (11) zu projizieren und den von der Probe (11) reflektierten Interferenzlichtstrahls abzutasten, um ein Interferogramm zu erzeugen;

- eine Fourier-Transformationseinrichtung (B), um das Interferogramm einer Fourier-Transformation zu unterwerfen, um ein Reflexionsspektrum zu bilden;

- eine Filtereinrichtung (C) zum Filtern des Reflexionsspektrums;

- eine Fourier-Rücktransformationseinrichtung (D), um das gefilterte Reflexionsspektrum einer Fourier-Rücktransformation zu unterwerfen, um ein räumliches Diagramm zu bilden; und

- eine Auswertungseinrichtung (E) zum Bestimmen der Dicke der mehrlagigen Dünnschichtprobe (11) auf der Basis des räumlichen Diagramms,

dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische System (A2) folgendes aufweist:

- eine Parallelstrahl-Erzeugungseinrichtung, um den von dem ersten optischen System (Al) emittierten Interferenzlichtstrahl in einen Parallelstrahl umzuwandeln, der einen vorgegebenen Strahldurchmesser besitzt, und um den Parallelstrahl auf die mehrlagige Dünnschichtprobe (11) zu projizieren; und

- eine Konvergenzeinrichtung, um den von der mehrlagigen Dünnschichtprobe (11) reflektierten Interferenzlichtstrahl auf einen Fotodetektor (21) konvergent zu machen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

- eine Aperturblende (27), um den von dem ersten optischen System (A1) emittierten Interferenzlichtstrahl in einen Parallelstrahl umzuwandeln, der einen vorgegebenen Strahldurchmesser besitzt;

- einen ersten Planspiegel (28), um den Parallelstrahl zu reflektieren und zu der mehrlagigen Dünnschichtprobe (11) zu führen;

- einen zweiten Planspiegel (29), um den von der mehrlagigen Dünnschichtprobe (11) reflektierten Interferenzlichtstrahl zu reflektieren; und

- einen asphärischen Spiegel (30), um den von dem zweiten Planspiegel (29) reflektierten Interferenzlichtstrahl auf den Fotodetektor (21) konvergent zu machen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1,

- einen ersten Planspiegel (32), um den von dem ersten optischen System (A1) emittierten Interferenzlichtstrahl zu reflektieren;

- einen ersten asphärischen Spiegel (33), um den von dem ersten Planspiegel (32) reflektierten Interferenzuchtstrahl konvergent zu machen;

- eine Aperturblende (34), die in einer Konvergenzposition des Interferenzlichtstrahles angeordnet ist;

- einen zweiten asphärischen Spiegel (35), um den durch die Aperturblende (34) hindurchtretenden Interferenzlichtstrahl in einen Parallelstrahl umzuwandeln;

- eine erste Planspiegelgruppe (36, 37), um den Parallelstrahl sequentiell zu reflektieren und auf die mehrlagige Dünnschichtprobe (11) zu projizieren;

- eine zweite Planspiegeigruppe (38, 39), um den von der mehrlagigen Dünnschichtprobe (11) reflektierten Interferenzlichtstrahl sequentiell zu reflektieren; und

- einen dritten asphärischen Spiegel (40), um den von von der zweiten Planspiegelgruppe (38, 39) emittierten Interferenzlichtstrahl auf den Fotodetektor (21) konvergent zu machen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,

- einen ersten asphärischen Spiegel (42) , um den von dem ersten optischen System (A1) emittierten Interferenzlichtstrahl konvergent zu machen;

- eine Aperturblende (43), die in einer Konvergenzposition des Interferenzlichtstrahles angeordnet ist;

- einen Sammelspiegel (44) mit einer elliptischen Reflexionsfläche, um den durch die Aperturblende (43) hindurchgetretenen Interferenzlichtstrahl auf seine reflek tierende Oberfläche zu reflektieren, um den Interferenzlichtstrahl an einer Brennpunktposition mit Bezug auf die reflektierende Oberfläche konvergent zu machen;

- einen Hyperbolspiegel (45), der an einer Brennpunktposition des Sammelspiegels (44) angeordnet ist, um den von dem Sammelspiegel (44) reflektierten Interferenzlichtstrahl in einen Parallelstrahl umzuwandeln, um den Parallelstrahl auf die mehrlagige Dünnschichtprobe (11) zu projizieren; und

- einen zweiten asphärischen Spiegel (46), um den von der mehrlagigen Dünnschichtprobe (11) reflektierten Interferenzlichtstrahl auf den Fotodetektor (21) konvergent zu machen.

5. Verfahren zum Bestimmen der Dicke einer mehrlagigen Dünnschicht, das folgende Schritte aufweist:

- einen ersten Schritt, in dem zwei Lichtstrahlen in einem vorbestimmten Wellenzahlbereich erzeugt und emittiert werden, während ihre optische Weglängenunterschiede kontinuierlich verändert werden, um einen Interferenzlichtstrahl zu erzeugen;

- einen zweiten Schritt, im dem der in dem ersten Schritt erzeugte Interferenzlichtstrahl auf eine mehrlagige Dünnschichtprobe (11) projiziert und der von der Probe (11) reflektierte Interferenzlichtstrahl abgetastet wird, um ein Interferogramm zu bilden;

- einen dritten Schritt, in dem das Interferogramm einer Fourier-Transformation unterzogen wird, um ein Reflexionsspektrum zu erzeugen;

- einen vierten Schritt, in dem das Reflexionsspektrum ge filtert wird;

- einen fünften Schritt, in dem das gefilterte Reflexionsspektrum einer Fourier-Rücktransformation unterzogen wird, um ein räumliches Diagramm zu erzeugen; und

- einen sechsten Schritt, in dem die Dicke der mehrlagigen Dünnschichtprobe (11) auf der Basis des räumlichen Diagramms ermittelt wird;

dadurch gekennzeichnet,

daß der in dem ersten Schritt erzeugte Interferenzuchtstrahl in einen Parallelstrahl mit einem vorbestimmten Strahldurchmesser umgewandelt wird, der auf die mehrlagige Dünnschichtprobe (11) projiziert wird, und

daß der von der Probe (11) reflektierte parallele Interferenzlichtstrahl konvergent gemacht und in dem zweiten Schritt abgetastet wird.