DE69222742T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Dicke dünner Schichten - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Dicke dünner SchichtenInfo
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung eines Parameters einer dünnen Schicht auf einer Probenoberfläche, wobei folgendes vorgesehen ist:
- Mittel zur Erzeugung eines Prüfstrahls
- Mittel zur Fokussierung des Prüfstrahls, der in wesentlichen normal zur Probenoberfläche steht, derart, daß verschiedene Strahlen innerhalb des fokussierten Prüfstrahls eine Aufweitung von Einfallswinkelaufweitung bewirken
- Mittel zur Verzögerung der Phase eines Polarisationszustandes im Prüfstrahl bezüglich der Phase eines Polarisationszustandes in Prüfstrahl Polarisationsmittel zur Erzeugung von Interferenz zwischen den beiden Polarisationszuständen im Prüfstrahl, nachdem der Prüfstrahl von der Probenoberfläche reflektiert wurde
- Empfängermittel zur Messung der Leistung des reflektierten Prüfstrahls entlang zweier orthogonaler Achsen, nachdem er die Verzögerungs- und Polarisationsmittel durchlaufen hat; und
- Prozessormittel für die Bestimmung eines Parameters der dünnen Schicht auf der Probenoberfläche
- Es gibt ein beträchtliches Interesse an der Entwicklung von Systemen zur genauen Messung der Dicke von dünnen Schichten und von optischen Konstanten dieser dünnen Schichten. Dieser Bedarf ist besonders akut in der Halbleiterprokuktion, wo die Dicke von Dünnschicht Oxidlagen auf Siliziumsubstraten gemessen wird. Für eine sinnvolle Nutzung muß die Meßvorrichtung in der Lage sein, die Schichtdicke mit einen hohen Genauigkeitsgrad zu bestimmen und die Messungen innerhalb sehr lokalisierter Gebiete vorzunehmen (d.h. im α-Bereich). Eine solche Vorrichtung, die diese Ziele erreicht, wurde vor kurzem unter der Handelsmarke Optiprobe vorgestellt. Das Verfahren, welches in dieser Vorrichtung für die Messungen genutzt wird, ist detailliert in den U.S. Patent Nr. 4 999 014 (und Europäisches Patent Nr. 0 397 388) beschrieben.
- Wie in diesem Patent beschrieben, wird ein hochleistungsfähiges, sphärisches Mikroskopobjektiv genutzt, um den im wesentlichen normal zur Probenoberfläche stehenden Prüfstrahl auf eine Weise zu fokussieren, daß eine Einfallswinkelaufweitung erreicht wird. Ein Array von diskreten Photodetektorelementen dient zur Messung der Intensität der einzelnen Strahlen innerhalb des reflektierten Prüfstrahls. Diese einzelnen Strahlen entsprechen diskreten Einfallswinkeln bezüglich der Probenoberfläche. Unter Ausnutzung der winkelabhängigen Intensitätsmessungen kann der Prozessor die Parameter der dünnen Schicht bestimmen. Parameter wie die Schichtdicke und der Brechungsindex können mit den Fresnelschen Gleichungen bestimmt werden.
- Einige der in Patent Nr. 4 999 014 beschriebenen grundlegenden Konzepte wurden erweitert, um eine hochauflösende Ellipsometervorrichtung zu entwickeln, die im gemeinsamen U.S. Patent Nr 5 042 951 und in der Europäischen Patent Anmeldung Nr. 90307799.1, Veröffentlichung Nr. 0 396 409, beschrieben ist. In dieser Vorrichtung, welche eine Vorrichtung der am Beginn dieses Dokumentes definierten Art ist, wurde die durch die Reflexion von der Probenfläche verursachte Änderung des Polarisationszustandes im Prüfstrahl analysiert, so daß die herkömmlichen ellipsometrischen Parameter zur Bestimmung der Probe genutzt werden konnten. Wie in dem oben zitierten Patent, umfaßte die Detektoranordnung in der Ellipsometervorrichtung ein Array von diskreten Detektorelementen, so daß winkelabhängige Intensitätsmessungen vorgenommen werden
- Die beiden oben beschriebenen Vorrichtungen liefern Information über Dünnschichtlagen. Wie jedoch in den beiden oben genannten Patenten beschrieben wird, kann man eine zusätzliche Genauigkeit dadurch erhalten, daß man nicht nur die winkelabhängige Intensität der Strahlen mit einer Array oder Anordnung diskreter Elemente mißt, sondern zusätzlich die volle Leistung des reflektierten Prüfstrahls (probe bean). Der Vorteil der Messung der vollen Leistung des reflektierten Prüfstrahls besteht darin, daß ein wesentlich besseres Signal zu Rauschverhältnis vorgesehen wird. Es sei ferner bemerkt, daß die Messung der vollen Leistung des reflektierten Prüfstrahls nicht zur Bestimmung der Dünnschicht allein verwendet werden könnte, da dieses Signal nicht linear ist, sondern sich abhängig von der Dicke sinusförmig verändert. Wenn jedoch die angenäherte Dicke unter Verwendung von winkelabhängigen Intensitätsmessungen abgeleitet werden kann, so kann die tatsächliche Dicke genauer bestimmt werden unter Verwendung der zusätzlichen Vollleistungsmessung.
- In der Praxis wurde bei Verwendung sowohl der winkelabhängigen Intensitätsdetektion und der vollen Prüfstrahlleistungsdetektion eine genaue Messung der Dicke und der optischen Konstanten dünner Schichten bis hinab zu 100Å erreicht. Unterhalb 100Å sind die Interferenzeffekte der Schicht so gering, daß das mit dem Diskret-Element- Photodetektor assoziierte Signal zu Rauschverhältnis die Analyse durch winkelabhängige Intensitätsmessungen schwierig macht. Zudem ist die Empfindlichkeit der Standard-Vollleistungsmessung in dem Bereich (Region) unterhalb 100Å ebenfalls niedrig.
- Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine Möglichkeit zur Messung der Dicke von Schichten von weniger als 100Å Dicke vorzusehen.
- Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der optischen Konstanten von Schichten mit weniger als 100Å Dicke vorzusehen.
- Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung eine Vorrichtung vorzusehen, um Parameter einer dünnen Schicht mit einer Auflösung im Mikronmaßstab vorzusehen.
- Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren oder eine Vorrichtung vorzusehen, und zwar zur Verwendung in Verbindung mit vorhandenen Systemen, um die Messung der Dicke und optischer Konstanten dünner Schichten zu ermöglichen.
- Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittel derart konfiguriert sind, daß die erwähnten Meßsignale unabhängige Signale sind, und zwar von entsprechenden Bereichen entlang von zwei orthogonalen Achsen, und jedes Signal repräsentiert die integrierte Intensität empfangen durch den entsprechenden Bereich.
- Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein sphärisches Hochleistungsmikroskop verwendet, um den Strahl eng in wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Probe zu fokussieren, um eine Aufweitung oder Spreizung der Einfallswinkel zu schaffen. Der Proben- oder Meßstrahl wird vorzugsweise auf einen Punkt fokussiert, der kleiner als ein Mikron im Durchmesser ist. Der Meßstrahl ist anfangs linear polarisiert. Eine Viertelwellenlängenplatte wird dazu verwendet, um die Phase eines Polarisationszustands des reflektierten Probenoder Meßstrahls um neunzig Grad zu verzögern.
- Der reflektierte Strahl wird sodann durch einen Linearpolarisator geleitet, um zwischen den zwei Polarisationszustandskomponenten Interferenz zu erzeugen. Die Leistung des Strahls wird durch einen Photodetektor entlang zweier orthogonaler Achsen gemessen. Eine Quadzelle mit vier radial angeordneten Quadranten wird verwendet. Jeder Quadrant empfängt alle Strahlen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln und erzeugt ein Ausgangssignal der Gesamtleistung, das in effektiver Weise die Winkelintensitätsmessungen integriert. Wie weiter unten im Einzelnen beschrieben werden wird, ist wegen der Geometrie der optischen Komponenten die Leistung in jedem Quadranten die gleiche mit Ausnahme eines Terms, der positiv sein wird für einen Satz von diametral entgegengesetzten Quadranten und negativ für die übrigen Quadranten. Durch Subtrahieren der Summe der Ausgangsrößen der diametral entgegengesetzten Quadranten kann ein Signal erhalten werden, welches zur Dicke der dünnen Schicht linear proportional ist.
- Da das Signal in jedem Quadranten des Detektors seine Größe von der Leistung in einen gesamten Quadranten des Strahls ableitet, wird das Signal zu Rauschverhältnis besser als das was erhalten wird, wenn nur kleine diskrete Detektoren verwendet werden, die die Intensität nur an bestimmten Punkten innerhalb des Strahls messen. Da die Messung ferner Information über einen Bereich von Einfallswinkeln enthält, ist das Signal außerordentlich empfindlich im Bereich der Dünnschichtdicke unterhalb 100Å. Dieses Resultat kann mit dem geringen Pegel der Empfindlichkeit verglichen werden, wie er in Standard- Vollleistungsnessung verfügbar ist.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgesehen zur Auswertung eines Parameters einer dünnen Schicht auf der Oberfläche einer Probe wobei folgenden vorgesehen ist:
- Erzeugung eines Probenstahles von Strahlung (Prüfstrahl); Fokussieren des Prüfstrahls im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Probe derart, daß verschiedene Strahlen (Einzelstrahlen) innerhalb des Prüfstrahls eine Aufweitung oder Spreizung von Einfallswinkeln erzeugen;
- Verzögern der Phase eines Polarisationszustandes im Prüfstrahl bezüglich der Phase des anderen Polarisationszustandes im Prüfstrahl;
- derartiges Polarisieren des Prüfstrahls nachdem der Prüfstrahl von der Probenoberfläche reflektiert wurde, um so eine Interferenz zwischen zwei Polarisationszuständen im Prüfstrahl zu erzeugen;
- darauffolgende Messung der Leistung des reflektierten Prüfstrahls entlang zwei orthogonalen Achsen;
- Auswertung eines Parameters der dünnen Schicht auf der Probe basierend auf der gemessenen Leistung dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Messens und Auswertens den Schritt des Erzeugens von unabhängigen Meßsignalen umfaßt, und zwar aus entsprechenden Strahldetektierbereichen entlang zweier orthogonaler Achsen, wobei jedes Signal die integrierte Intensität empfangen durch den entsprechenden Bereich repräsentiert.
- Obwohl sich die Empfindlichkeit dieses Verfahrens ähnlich zu der Vollleistungsmessung sinusförmig mit der Dicke verändert, wurde festgestellt, daß die in Rede stehende Messung auch oberhalb 100Å brauchbar ist. Insbesondere bei Schichtdickenbereichen zwischen null und 5000Å ist die Empfindlichkeit dieses Verfahrens in denjenigen Bereichen am größten, wo die Vollleistungsmessung ein Minimum ist. Demgemäß kann das vorliegende Verfahren in vorteilhafter Weise mit den winkelabhängigen Messungen ausgeübt werden, die oben beschrieben wurden, um auf diese Weise die Analyse dicker Bereiche zu verfeinern, wo die Gesamtleistungsmessung weniger empfindlich ist.
- Da diese Möglichkeit die Winkelintensitätsmessungen integriert, wird die durch Messung einzelner Strahlen verfügbare Information verloren gehen. Somit würde eine detaillierte Analyse der Parameter von sehr dünnen Schichten basierend auf dieser Messung alleine schwierig. Die aus dieser Lösungsmöglichkeit abgeleiteten Messungen können mit bekannten Proben verglichen werden, um eine hochgenaue Einschätzung der bestimmten Parameter sehr dünner Schichten zu liefern. In den meisten Fällen sind die auszuwertenden unbekannten Parameter die Dicke der dünnen Schicht. Wenn die Dicke bekannt ist, so kann das System dazu verwenden, andere optische Konstanten zu bestimmen wie beispielsweise den Brechungsindex der Dünnschicht.
- Die Erfindung wird nunmehr anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; in der Zeichnung zeigt:
- Fig. 1 ein Blockdiagramm einer die Erfindung verkörpernde Vorrichtung;
- Fig.2 ein schematisches Diagramm der Oberfläche eines Quadzellenphotodetektors verwendet in der Vorrichtung der Fig. 1;
- Fig.3 eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Veränderung der Amplitude des Ausgangssignals bezüglich oder abhängig von der Oxidschichtdicke für einen Detektor, der die Gesantreflektivität mißt, und für einen der Signale aus den vier Quadranten (Quad-Zellendifferenzsignal) mißt;
- Fig.4 eine vergrößerte Version der graphischen Darstellung der Fig. 3, wobei das Signal in dem Bereich der Oxidschichtdicke unterhalb 500Å dargestellt ist;
- Fig. 5 ein Blockdiagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels konfiguriert zur Minimierung von Fehlern infolge von Asymmetrien in dem Prüfstrahl.
- Es seien nunmehr bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben.
- Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 10 ist zur Auswertung der Dicke einer Dünnschichtlage 12 auf einer Probe 14 konstruiert. Insbesondere ist die Vorrichtung in der Lage, die Dicke einer Dünnschichtoxidlage auf einem Siliziumsubstrat zu messen.
- Die Vorrichtung 10 weist einen Laser 20 auf und zwar zur Erzeugung eines Proben- oder Prüfstrahls 22 von Strahlung. Eine geeignete Laserquelle ist eine Festkörperlaserdiode, die einen linear polarisierten Strahl emitiert. Ein derartiger Laser ist von der Firma Toshiba erhältlich, und zwar unter der Modellnummer TLD 9211 mit 3 Milliwatt Ausgangsleistung bei 670nm.
- Der Prüfstrahl 22 wird zur Probe 14 in mit einem 50/50 Strahlteiler 24 gewendet. Der Prüfstrahl ist auf die Oberfläche der Probe mit einer Linse 26 fokussiert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Linse 26 durch ein sphärisches Mikroskopobjektiv definiert und zwar mit einer hohen numerischen Appertur in der Größenordnung von 0.90 NA. Die hohe numerische Appertur bewirkt die Erzeugung einer großen Ausweitung oder Sprelzung von Einfallswinkeln bezüglich der Probenoberfläche. Die Punktgröße ist in der Größenordnung von einem Mikron Durchmesser.
- Ein Bruchteil der Prüfstrahlleistung läuft auch durch den Teiler 24 und fällt auf einen Einfallsleistungsdetektor 30. Der Einfallsleistungsdetektor 30 dient zur Überwachung von Fluktuationen in der Ausgangsleistung des Probenlasers. Wie unten diskutiert, kann der Einfallsleistungsdetektor modifiziert werden, um Meßfehler zu minimieren, die in Folge von Asymmetrien des Strahls entstehen.
- Von der Oberfläche der Probe reflektiertes Licht läuft durch den Teiler 24 zum Photodetektor 40. Vor Erreichen des Detektors 40 wird der Strahl durch eine Viertelwellenlängenplatte 42 geleitet, um die Phase eines der Polarisationszustände des Strahls um 90 Grad zu verzögern. Es sei bemerkt, daß die Viertelwellenlängenplatte im Strahlenpfad vor dem auf die Probe auftreffenden Prüfstrahl angeordnet sein könnte, so daß das System mit zirkular polarisierten Licht arbeiten würde.
- Die letztgenannte Lösungsmöglichkeit könnte einige Vorteile bei der Reduzierung der Aberationen erzeugt durch die Linse 26 haben. Während eine Phasenverzögerung von 90 Grad das gewünschte oder Sollsignal maximiert, würden zusätzlich andere Zwischenpegel bei der Verzögerung möglich sein.
- Der Strahl läuft dann durch einen Linearpolarisator 44, der bewirkt, daß die zwei Polarisationszustände des Strahls miteinander interferieren oder in Interferenz kommen. Um das erwünschte oder Sollsignal zu maximieren, sollte die Polarisatorachse mit einem Winkel von 45 Grad bezüglich der schnellen und langsamen Achsen der Viertelwellenlängenplatte 42 orientiert sein.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Detektor 40 derart konfiguriert, daß er von Bereichen oder Regionen entlang zwei orthogonalen Achsen unabhängige Signale erzeugt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dieses Ziel durch die Verwendung eines Quadzellenphotodetektors erreicht. Wie in Fig. 2 gezeigt, weist die Detektoroberfläche vier radial angeordnete Quadranten 52, 54, 56 und 58 auf. Jeder Quadrant erzeugt ein Ausgangssignal proportional zur Größe der Leistung des Prüfstrahls, der auf den Quadranten auftrifft. Dieses Signal repräsentiert eine Integration der Intensitäten sämtlicher Strahlen (Einzelstrahlen) mit unterschiedlichen Einfallswinkeln bezüglich der Probenoberfläche. Obwohl diese Integrationslösung oder -lösungsmöglichkeit verglichen mit einer Analyse individueller oder einzelner Strahlen einen gewissen Informationsgehaltsverlust zur Folge hat, liefert die Komposit- oder zusammengesetzte Lösung eine signifikant größere Empfindlichkeit durch das verbesserte Signal zu Rauschverhalten.
- Der Prüfstrahl 22 sollte auf den Detektor zentriert sein, so daß jeder Quadrant ein Viertel jedes Prüfstrahls auffängt. Der Prüfstrahl sollte den Detektor "unterfüllen".
- Wie oben bemerkt, hat die Geometrie der optischen Elemente die Schaffung eines Signalansprechens zur Folge, daß verarbeitet werden kann, um ein Ergebnis zu bilden, daß sich linear mit der Schichtdicke verändert. Dieses Ansprechen kann aus der folgenden Analyse verstanden werden, die unter Bezugnahme auf linear polarisiertes Licht beschrieben wird. Wie oben erwähnt, kann das System auch mit zirkular polarisiertem Licht arbeiten.
- In der folgenden Analyse wird angenommen, daß das elektrische Feld des einfallenden Lichtes die Form Ei(r,φ)êx hat, wobei r der Radialabstand von der Mitte des Strahls ist, und wobei φ der Winkel relativ zur x-Achse ist. Nach dem Durchgang durch die Objektivlinse 26, dem Reflektieren von der Probenoberfläche und der Rückkehr durch die Linse wird das elektrische Feld räumlich abhägig und die folgende Form haben:
- wobei êx und êy die Einheitsvektoren längs der x und y Achsen sind, Rp der komplexe p-Wellenamplitudenreflexionskoeffizient ist, und Rs der komplexe s-Wellenamplitudenreflexionskoeffizient ist. Die Radialposition innerhalb des Strahls, r, steht in Beziehung mit dem Einfallswinkel auf die Probe Θ, und zwar durch den Ausdruck r=dsinΘ, wobei d die Brennweite der Objektivlinse ist. Rp und Rs sind Funktionen von Θ und sind unabhängig von φ.
- Wenn der Strahl 22 durch die Viertelwellenlängenverzögerungsplatte 42 orientiert derart, daß die x-Komponente um 90 Grad bezüglich γ-Komponente verzögert ist, gelaufen ist, und so dann durch den Linearpolarisierer 44 orientiert mit einem Winkel α gegenüber der x-Achse gelaufen ist, so wird das elektrische Feld die folgende Form haben:
- Die Lichtintensität ist gleich dem Quadrat der Feldstärke, IR= ER ². IR kann in Termen der ellipsometrischen Parameter Ψ und δ durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden:
- Durch Ausführen der Entwicklung von ER ² wird folgendes erhalten:
- Für sehr dünne Schichten ist Ψ unabhängig von der Dicke und δ ist linear proportional zur Dicke. Somit ist der letzte Tem in der obigen Gleichung von größtem Interesse. Wie oben bemerkt, wird dieser Term maximiert, wenn der Analysatorwinkel α 45 Grad ist.
- Die Gesamtleistung, die auf jeden Quadranten des Photodetektors auftrifft, ist gleich dem Integral von IR über den Quadranten. Wenn der einfallende Laserstrahl Ii zirkular symmetrisch ist, so wird die Leistung in jedem Quadranten durch folgendes gegeben:
- Das Vorzeichen des zweiten Integrals ist für die Quadranten 54 und 58 positiv, und für die Quadranten 52 und 56 negativ. Wenn die Signale von den Quadranten 52 und 56 summiert werden und von der Summe der Signale von den Quadranten 54 und 58 subtrahiert werden, so hat der Rest eine einfache Form, die linear proportional zur Schichtdicke für dünne Schichten ist:
- Für sehr dünne Schichten (Filme) oder δ gilt dann:
- Die graphischen Darstellungen der Fig. 3 und 4 veranschaulichen die Variation oder Veränderung des Ausgangssignals S mit der Dicke für eine Siliziumoxid (SiO&sub2;) Schicht auf einem Silizium-(Si)Substrat. Es wurde angenommen, daß der einfallende Laserstrahl ein Gaussisches Intensitätsprofil hatte, und daß die numerische Appertur der Objektivlinse 0.9 war. Zum Vergleich ist die Summe der vier Quadranten auch gezeigt, die der Gesamtreflektivitätsmessung entspricht wie sie in den oben genannten Patenten beschrieben ist.
- Diese Kurven demonstrieren die überlegene Empfindlichkeit des Quad-Zellendifferenzsignals für Schichten dünner als 100Å. Sie zeigen auch, daß die Summen- und Differenzsignalverfahren komplimentär sind. Insbesondere dann, wenn das Differenzsignal auf einer Spitze oder im Tal ist, kommen somit wo die Dickenempfindlichkeit ein Minimum ist, hat das Gesamtreflektivitätssignal eine steile Neigung. Umgekehrt, wenn das Gesamtreflektivitätssignal auf einer Spitze oder in einem Tal ist, hat das Differenzsignal eine steile Neigung. Durch die Verwendung einer Kombination der zwei Verfahren ist es somit mögich, die Signal zu Rauschvorteile der Großflächendetektion für alle Dicken von 0Å bis mindestens 5000Å auszunutzen Um die Analyse auszuführen, werden die Ausgangssignale vom Detektor 40 an einen Prozessor 60 geliefert. Der Prozessor stellt die Differenz zwischen den Summen der Signale von diametral entgegengesetzt liegenden Quadranten 52, 56 und 54, 58 fest. Der Differenzwert kann mit einer Eichtabelle von Werten für bekannte Dicken verglichen weren. Wie man aus Fig. 4 erkennt, ergibt es eine signifikante Veränderung im Signal in dem Bereich unterhalb 500Å, so daß genaue Messungen gemacht werden können. Im Falle wo die Dicke der Schicht bekannt ist, könnte das Differenzsignal dazu verwendet werden, um andere optische Konstanten der Schicht zu bestimmen, insbesondere den Brechungsindex und den Auslöschungskoeffizienten.
- Im allgemeinsten Sinn liefert das Quad-Zellendifferenzsignal eine einzige sehr genaue Messung des ellipsometrischen Parameters δ (wenn man sehr dünne Schichten mißt), der in Beziehung steht mit der optischen Dicke (nt) in dünnen Schichten und dem Auslöschungskoeffizienten des Substrats und kann dazu verwendet werden, jeden Parameter auszuwerten. Für dickere Schichten oder Filme ist die durch das Quad-Zellendifferenzsignal gelieferte Information eine komplizierte Funktion von Ψ, und δ, aber es verbleibt der Punkt, daß das Differenzsignal zur Verfeinerung der Berechnung irgendeiner unbekannten Größe (Dicke, Berechnungsindex oder Auslöschungskoeffizient) verwendet werden kann, wenn die anderen bekannt sind.
- Es ist in Betracht gezogen, daß die erfindungsgemäße Lösungsmöglichkeit in den Vorrichtungen eingesetzt wird, die in den oben genannten Patenten beschrieben sind. Dieser Einbau kann unmittelbar erfolgen, da die oben beschriebenen Vorrichtungen bereits mit den meisten Elementen ausgerüstet sind, die notwendig sind für die Durchführung der vorliegenden Erfindung. Insbesondere weisen die zwei bekannten Vorrichtungen einen Vollleistungsdetektor (Element 340 in beiden Patenten) auf.
- Dieser Standardvollleistungsdetektor kann durch einen Quad-Zellendetektor ersetzt werden. Man erkennt, daß dann, wenn eine Vollleistungsmessung gewünscht ist, alle vier Quadranten summiert werden können. Wenn im Gegensatz dazu ein Differenzsignal gemäß der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösungsmöglichkeit erwünscht ist, dann kann der Prozessor die Summen von diametral entgegengesetzt liegenden Quadranten subtrahieren. Die bekannten Vorrichtungen würden ferner dadurch modifiziert werden, daß man die entsprechenden Verzögerungs und Polarisierelemente hinzufügt.
- Es ist ins Auge gefaßt, daß für Schichten mit Dicken größer als 100Å die anfängliche Auswertung auf winkelabhängigen Intensitätsmessungen basiert würde. Eine Verfeinerung der Messung würde dadurch ausgeführt werden, daß man entweder die Vollleistungsmessung oder die erfindungsgemäße Differenzmessung verwendet. Die Wahl wird auf der Empfindlichkeit des Signals in dem bestimmten gemessenen Dickenbereich basieren.
- Die oben angegebene mathematische Analyse geht von der Annahme aus, daß der Prüfstrahl zirkulär symmetrisch oder unabhängig von φ war.Wenn dies nicht der fall ist, heben sich die vorderen Ausdrücke in der Gleichung (5) beim Subtrahieren nicht auf und es verbleibt ein Restterm oder ausdruck, der eine Versetzung (offset) bei den Dünnschichtmessungen einführt und dadurch die Interpretation der Ergebnisse kompliziert. Ferner kann der Restterm das Signal zu Rauschverhältnis der Vorrichtung verschlechtern, da er den Rauschpegel erhöht ohne nützliche Information über die Schichtdicke beizutragen. Verschiedene Signalverarbeitungssignale können zur Minimierung derartiger Fehler verwendet werden.
- Eine Lösungsmöglichkeit zur Minimierung derartiger Fehler würde die sein, den Linearpolarisator 44 zu verdrehen oder rotieren, und die Signale bei α=0º und α=90º aufzuzeichnen. aus dem Ausdruck für IR, Gleichung (5) erkennt man, daß folgendes gilt:
- Durch Subtrahieren der 0º und 90º Signale von dem 45º Signal kann der Term proportional zu kleinem δ isoliert werden. Da die Subtraktion für jeden individuellen oder einzelnen Quadranten durchgeführt wird, wird die zirkuläre Asymmetrie das Ergebnis nicht beeinflussen. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann die Verdrehung des Polarisators 44 unter der Steuerung des Prozesses 60 erfolgen.
- Eine zweite Lösungsmöglichkeit ist in Fig. 5 veranschaulicht. Bei dieser Lösungsmöglichkeit werden zwei identische Quad-Zellendetektoren 70 und 72 gleichzeitig verwendet, um die rechts- und links- zirkulären Komponenten des reflektierten Strahls zu messen. Dies kann am direktesten dadurch erreicht werden, daß man den endgültigen oder finalen Linearpolarisierer 44 durch einen polarisierenden Strahlenteiler 74 ersetzt. Nach dem Durchtritt durch den polarisierenden Strahlenteiler 74 werden zwei Strahlen erzeugt. Ein Strahl ist die Rechts- Komponente und der andere ist die Links-Komponente. Die die zwei Quad-Zellen treffende Leistung ist identisch mit Ausnahme eines Vorzeichenwechsels in dem Term der linear in klein δ ist. Durch diese Anordnung erzeugt eine Subtraktion des durch einen Quadranten in einem Detektor erzeugten Signals vom durch den entsprechenden Quadranten im anderen Detektor erzeigten Signals ein Ergebnis, daß für dünne Schichten linear ist. Das Signal kann durch eine Quadrant um Quadrant Subtraktion und Summierung des Ergebnisses maximiert werden.
- Obwohl jede der zwei obigen Techniken die Entfernung der gegenüber kleinem ö unempfindlichen Terme garantiert, ist der verbleibende Lineartern noch immer durch irgendeine Asymmetrie des Strahls durch seine Abhängigkeit von Ii (r,φ) gewichtet. Für den größten Teil kann die r und φ Abhängigkeit des einfallenden Lichtes durch Messung der Signale von bekannten Proben und durch Vergleichen dieser mit der Theorie berechnet werden. Um aber dynamische Änderungen des einfallenden Strahles verfolgen zu können, ist es notwendig, die Einfallsintensität mit einem gesonderten Photodetektor zu überwachen.
- In den in obigen Patenten beschriebenen Vorrichtungen mißt ein einziger Photodetektor die Gesamtintensität des Einfallstrahls, um die Effekte der Veränderung der Intensität des durch den Laser erzeugten Strahls zu entfernen. Dieses Konzept kann durch Modifizieren des Einfallstrahldetektors zu einem Quad-Zelldetektor (als 30 in Fig.1 gezeigt) erweitert werden. Durch Verwendung eines Quad- Zellendetektors können auch kleine Änderungen in der Symmetrie des einfallenden Strahles gemessen werden. Durch individuelles Normalisieren der Signale von den Quadranten des Detektors 40 mit der gemessenen Einfallsleistung in entsprechenden Quadranten des Detektors 30 können die Effekte der Symmetrieänderungen stark reduziert werden.
- Zusammenfassend kann man sagen, daß die Erfindung sich auf ein Verfahren einer Vorrichtung zur Auswertung eines Parameters einer Dünnschicht bezieht. Die Vorrichtung weist einen linearpolarisierten Proben- oder Sondenlaserstrahl auf, der eng oder stark auf die Probenoberfläche fokussiert ist, um eine Spreizung oder Ausweitung der Einfallswinkel zu erzeugen. Der reflektierte Proben- oder Sonden- bzw. Prüfstrahl wird durch eine Viertelwellenlängemplatte und einen Linearpolarisator geleitet, bevor er auf einen Quad-Zellenphotodetektor auftrifft. Die Ausgangssignale vom Photodetektor repräsentieren eine Integration der Intensität einzelner Strahlen mit verschiedenen Einfallswinkeln. Dadurch daß man die Differenz zwischen den Summen der Ausgangssignale der diametral entgegengesetzt liegenden Quadranten nimmt, kann ein Wert erhalten werden, der sich linear mit der Film- oder Schichtdicke für sehr dünne Schichten verändert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in Verbindung mit anderen bekannten Vorrichtungen verwendet werden, um die Empfindlichkeit für dickere Schichten zu erhöhen.
- Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, könnten verschiedene Änderungen und Modifikationen durch den Fachmann vorgenommen werden ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Claims (25)
1. Vorrichtung zum Auswerten eines Parameters einer
dünnen Schicht auf der Oberfläche einer Probe, wobei
folgendes vorgesehen ist:
Mittel (20) zur Erzeugung eines Prüfstrahls
(Strahlungs-Sondenstrahls);
Mittel (26) zum Fokusieren des Prüfstrahls im
wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Probe
derart, daß verschiedene Strahlen innerhalb des
fokusierten Prüfstrahls eine Spreizung oder einen
Bereich von Einfallswinkeln erzeugen;
Mittel (42) zum Verzögern der Phase eines
Polarisationszustandes im Prüfstrahl bezüglich der Phase des
anderen Polarisationszustandes im Prüfstrahl;
Polarisiermittel (44) zur Erzeugung von Interferenz
zwischen den zwei Polarisationszuständen in dem
Probenstrahl nachdem der Prüfstrahl von der Oberfläche
der Probe reflektiert ist;
Detektormittel (40) zum Messen der Leistung des
reflektierten Prüfstrahls längs zweier orthogonaler
Achsen, nachdem er durch die Verzögerungs- und
Polarisiermittel (42, 44) gelaufen ist; und
Prozessormittel (60) zum Auswerten eines Parameters
der dünnen Schicht auf der Probe basierend auf von
den Detektormitteln (40) abgegebenen Meßsignalen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittel (40)
derart konfiguriert sind, daß die Meßsignale
unabhängige Signale von entsprechenden Bereichen
entlang zweier orthogonaler Achsen sind, und wobei
jedes Signal die durch den entsprechenden Bereich
empfangene integrierte Intensität repräsentiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektormittel (40) ein Photodetektor sind,
und zwar mit vier radial angeordneten Quadranten
(52, 54, 56, 58) derart, daß im Betrieb jeder
Quadrant
ein Ausgangssignal erzeugt, welches eine
Integration sämtlicher darauf einfallender Strahlen
repräsentiert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Prozessormittel (60) durch Berechnen der
Differenz zwischen den Summen der Ausgangssignale
von diametral entgegengesetzten Quadranten einen
Meßwert ableiten.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Parameter die Dicke der dünnen Schicht ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Parameter eine optische Konstante der dünnen
Schicht ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Konstante der Brechungsindex der
dünnen Schicht ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Konstante der
Absorptionskoeffizient der dünnen Schicht ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verzögerungsmittel durch eine
Viertel-Wellenlängenplatte (42) definiert sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Prüfstrahl vor dem Fokusieren auf die
Probenoberfläche linear polarisiert wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Polarisiermittel (44) ein Linearpolarisator
sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Prozessormittel (60) ferner den
abgeleiteten Meßwert mit bekannten Werten in einer
Eichtabelle vergleichen, um den Parameter der
Dünnschichtlage zu bestimmen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Viertel-Wellenplatte (42) im
Strahlungspfad, nachdem der Strahl von der Probe
reflektiert ist, positioniert ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Achse der erwähnten Polarisationsmittel
(44) unter einem Winkel von 45º bezüglich der Achsen
der Viertel-Wellenplatte (42) orientiert ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Prozessormittel (60) ferner
die Polarisationsmittel (44) verdrehen und
zusätzliche Messungen von den Detektormitteln (40)
aufzeichnen, wenn die Achse der Polarisationsmittel
(44) sowohl auf Null und 90 Grad bezüglich einer
Achse der Viertel-Wellenlängenplatte (42) orientiert
ist, wobei die zusätzlichen Messungen verwendet
werden, um die Messungen zu normalisieren, die gemacht
wurden, als die Polarisationsmittel (44) unter einem
45º Winkel orientiert waren, wodurch die auf die
Asymmetrien in dem Prüfstrahl zurückzuführenden
Fehler minimiert werden.
15. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch
einen zweiten mit dem ersten Photodetektor (70)
identischen Photodetektor (72) mit vier radial
angeordneten Quadranten, wobei die Polarisiermittel (74)
durch einen Polarisierstrahlteiler definiert sind,
und zwar zum Erzeugen von zwei Partialstrahlen mit
rechts- und linkszirkularen Komponenten, wobei einer
der Partialstrahlen durch den ersten Photodetektor
(70) gemessen wird, und wobei der andere
Partialstrahl durch den zweiten Photodetektor (72) gemessen
wird, wobei ferner die Prozessormittel, die durch
die zwei Photodetektoren (70, 72) erzeugte
Ausgangsgröße verwenden, um die Messungen zu normalisieren
und die Effekte der Asymmetrien des Prüfstrahls zu
minimieren.
16. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch
einen Einfallsstrahlphotodetektor (30) zur Messung
der Leistung des Prüfstrahls bevor er die Probe
erreicht, und wobei der Einfallsstrahlphotodetektor
(30) vier radial angeordnete Quadranten aufweist und
die erwähnten Prozessormittel (60), die durch den
Einfallsstrahlphotodetektor (30) erzeugte
Ausgangsgröße zur Normalisierung der Messung des
reflektierten Strahlphotodetektor (40) verwenden, um die
Effekte der Asymmetrien im Prüfstrahl zu minimieren.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fokusiermittel (26) geeignet sind,
den Prüfstrahl auf eine Punktgröße von ungefähr ein
Mikron im Durchmesser zu fokusieren.
18. Verfahren zum Auswerten eines Parameters einer
dünnen Schicht (oder eines dünnen Films) auf der
Oberfläche einer Probe, wobei folgendes vorgesehen
ist:
Erzeugen (20) eines Prüfstrahls aus Strahlung;
Fokusierung (26) des Prüfstrahls im wesentlichen
senkrecht zur Oberfläche der Probe derart, daß
verschiedene Strahlen innerhalb des fokusierten
Prüfstrahls eine Spreizung der Einfallswinkel
erzeugen;
Verzögern (42) der Phase eines
Polarisationszustandes im Prüfstrahl bezüglich der Phase des anderen
Polarisationszustandes im Prüfstrahl;
Polarisieren (44) des Prüfstrahls nachdem der
Prüfstrahl von der Oberfläche der Probe reflektiert
wurde, derart, daß eine Interferenz zwischen den
zwei Polarisationszuständen im Prüfstrahl erzeugt
wird;
darauffolgende Messung (40) der Leistung des
reflektierten Prüfstrahls entlang zweier orthogonaler
Achsen; und
Auswerten eines Parameters der dünnen Schicht der
Probe basierend auf der gemessenen Leistung, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schritte des Messens und
Auswertens den Schritt des Erzeugens unabhängiger
Meßsignale aus entsprechenden
Strahldetektionsbereichen entlang von zwei orthogonalen Achsen
umfaßt, wobei jedes Signal die integrierte, durch
die entsprechende Region empfangene Intensität
repräsentiert.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß der Parameter die Dicke der dünnen Schicht ist.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß der Parameter eine optische Konstante der dünnen
Schicht ist.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Konstante der Brechungsindex der
dünnen Schicht ist.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Konstante der
Absorptionskoeffizient der dünnen Schicht ist.
23. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch das
Vorsehen eines Prüfstrahls mit linear polarisierter
Strahlung und ferner dadurch gekennzeichnet, daß die
Phase des einen Polarisationszustandes im Prüfstrahl
bezüglich der Phase des anderen
Polarisationszustandes im Prüfstrahl um 90 Grad verzögert ist;
wobei
der Prüfstrahl linear polarisiert ist nachdem er
Prüfstrahl von der Oberfläche der Probe reflektiert
ist; wobei
die Leistung des reflektierten Prüfstrahls in vier
radial angeordneten Quadranten gemessen wird; wobei
von jedem Quadranten ein Ausgangssignal erzeugt
wird, das proportional zur Leistung des auf den
Quadranten einfallenden Prüfstrahls ist; und wobei
durch Berechnung der Differenz zwischen den Summen
der Ausgangsgrößen der diametral entgegengesetzten
Quadranten ein Meßwert abgeleitet wird, der zur
Auswertung der Dicke der dünnen Schicht auf der
Probe verwendet wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23 gekennzeichnet durch den
Schritt des Vergleichens des erwähnten abgeleiteten
Meßwertes mit bekannten Werten in einer Eichtabelle
zur Bestimmung der Dicke der dünnen Filmschicht
(Dünnschichtlage).
25. Verfahren nach Anspruch 18 oder 23, dadurch
gekennzeichnet, daß der Prüfstrahl auf eine Punktgröße von
ungefähr ein Mikron im Durchmesser fokusiert wird.
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