DE69225117T2 - Apparat zur Messung der Dicke von dünnen Filmen - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Dicke eines dünnen Films oder einer dünnen Schicht und insbesondere auf ein elektro-optisches System, welches die Dicke einer äußeren Siliziumschicht eines Silizium/Siliziumdioxid/Silizium-(Si/SiO&sub2;/Si) strukturierten Halberleiterwafers mißt.
Beschreibung des Standes der Technik
• In einer besonderen Anwendung, in der die vorliegende Erfindung besonders praktisch ist, enthält ein Silizium-auf-Isolator-(SOI)Halbleiterwafer typischerweise eine Si/SiO&sub2;/Si-Sandwichstruktur, die durch Wachsen eines Siliziumdioxidfilms auf einer Oberfläche auf jedem von zwei Siliziumwafern und durch Zusammenbonden der zwei Siliziumdioxidschichtoberflächen bei hoher Temperatur hergestellt ist. Es ist klar, daß andere Materialien, wie z.B. Siliziumnitrid, für das Isolatormaterial verwendet werden können, und daß andere Materialien für das Wafermaterial verwendet werden können. In einer derartigen Anwendung ist eine der beiden äußeren Siliziumoberflächen der Sandwichstruktur auf eine Durchschnittsdicke von einigen um mechanisch abgeschliffen und poliert. Dieser mechanische Prozeß ergibt unglücklicherweise große räumliche Variationen in der Dicke dieser äußeren Siliziumschicht über der Oberfläche des Wafers. Um diese räumlichen Variationen zu reduzieren, wird eine Dickenfehlerkarte benötigt, die die Ungleichförmigkeiten in der Dicke dieser äußeren Siliziumschicht über die gesamte Waferoberfläche anzeigt, um einen weiteren Mikropolierprozeß zu initialisieren.
• Eine Sequenz des Messens der räumlichen Variationen in der Dicke der äußeren Siliziumschicht, gefolgt durch dünner Machen und Polieren dieser Oberfläche durch Mikropolieren muß möglicherweise mehrmals ausgeführt werden, bevor die gesamte äußere Siliziumschicht die gewünschte Dicke erreicht. Um die Kosten zu reduzieren und die Produktion anzuheben, ist die Messung von mindestens 400 Punkten auf einer Waferoberfläche in 60 Sekunden wünschenswert.
• Derzeitige kommerzielle Instrumente liefern jedoch typischerweise Schichtdickenmessungen nur an einem einzigen Punkt auf einer Oberfläche. Diese Instrumente verwenden eine Fokussierlinse oder ein Faserbündel, um die Filmoberfläche lokal mit einem Strahl monochromatischen Lichts zu beleuchten, und einen Gitter- oder Prismaspektrograph, um an jedem Punkt die spektrale Reflektivität der Oberfläche zu messen. In allen Fällen müssen diese spektralen Reflektivitätsdaten der Oberfläche aufgrund von Variationen des Einfallswinkels, verursacht durch die f-Zahl des Beleuchtungsstrahls, korrigiert werden.
• Diese kommerziellen Instrumente können ausgebaut werden, um eine gesamte Waferoberfläche durch Bewegen entweder des Meßinstruments oder des Wafers in einer kontrollierten Art abzudecken. Die Zeit, die diese Instrumente benötigen, um die Schichtdicke des dünnen Films an einem einzelnen Punkt zu bestimmen, liegt jedoch in der Größenordnung von einigen Minuten, und die Charakterisierung einer gesamten Filmoberfläche an mindestens 400 Meßpunkten übersteigt die Zeit bei weitem, die für eine effektive Waferherstellung erwünscht ist.
• Die WO-A-90 11487 beschreibt eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere eine Vorrichtung zum Messen von Schichtdickenprofilen von Gebieten, die durch ein Mikroskop beleuchtet sind, unter Verwendung eines Verfahrens zur Berechnung, welches genaue Kenntnis von dem wellenlängenabhängigen Verhalten der Materialeigenschaften benötigt.
• In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Messen der Dicke einer Materialschicht gemäß Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektro-optisches Abbildungssystem zur wirksamen Bestimmung der Schichtdicke einer dünnen Schicht, beispielsweise eines Wafers, über eine volle Apertur. Ungleichförmigkeiten in dieser Schichtdicke werden durch Messung der Eigenschaften der Reflektivität für eine volle Apertur einer Waferoberfläche und durch Vergleich dieser gemessenen Reflektivitätsdaten mit Referenz-Reflektivitätsdaten unter Verwendung numerischer Iteration oder durch Verwendung eines Kalibrationswafers mit bekannten Schichtdicken erhalten.
• Um die Reflektivitätscharakteristika einer Waferschicht effizient zu messen, wird eine gefilterte, weiße Lichtquelle verwendet, um eine Sequenz von ausgerichteten, monochromatischen Lichtstrahlen bei einigen verschiedenen Wellenlängen zu erzeugen. Diese ausgerichteten, monochromatischen Strahlen werden individuell auf die gesamte Oberfläche des Wafers ausgerichtet, und es treten kohärente Wechselwirkungen zwischen diesem Licht auf, und es wird von den physikalischen Bindungen in der Waferstruktur reflektiert. Als Folge dieser Wechselwirkungen wird auf der Oberfläche des Wafers für jeden auftreffenden Strahl und folglich somit für jede Wellenlänge ein Interferenzmuster gebildet.
• Ein reflektiertes Bild jedes Interferenzmusters wird auf eine Detektorreihe beispielsweise einer Kamera mit ladungsgekoppelten Elementen (CCD) projiziert, wo dann die volle Apertur dieses Bildes aufgefangen wird. Das Interferenzmusterbild wird durch digitalisierende Pixel in der CCD-Kamera-Detektorreihe, die dem vorhandenen Bild entsprechen, aufgefangen. Eine Reflektivitätskarte der gesamten Waferoberfläche wird aus diesem eingefangenen Interferenzmusterbild erzeugt. Einige Reflektivitätskarten werden von jedem vermessenen Wafer erzeugt, um Mehrdeutigkeiten in der Dicke zu eliminieren, welche von äußeren Schichten herrühren können, die Phasendicken größer als 2π aufweisen.
• Die Referenz-Reflektivitätsdaten für einen Wafer können durch eine theoretische Kalkulation oder durch die Verwendung eines Kalibrationswafers erhalten werden. Das theoretische Verfahren besteht aus der numerischen Berechnung von Referenz- Reflektivitätseigenschaften, basierend auf angenommenen Werten für die intrinsischen optischen Eigenschaften des Wafermaterials. Alternativ kann ein Kalibrationswafer mit einem bekannten Dickenprofil aus derselben Materialmenge aufgebaut werden, die zur Herstellung des zu vermessenden Wafers verwendet wird. In dem dieser Kalibrationswafer dem Meßverfahren der vorliegenden Erfindung ausgesetzt wird, werden die Referenz-Reflektivitätsdaten für den bekannten Wafer erhalten.
• Der Vergleich zwischen den gemessenen Reflektivitätsdaten und den Referenz- Reflektivitätsdaten kann dann durch einen Computer ausgeführt werden. Durch Ausführen dieses Vergleichs kann der Computer eine Kartierung der Schichtdicke oder eine Kartierung der Ungleichförmigkeiten der Schichtdicke über eine volle Apertur des Wafers zur Verfügung stellen.
• Ein erstes Bedürfnis ist es, ein ökonomisches Mittel zum Messen der äußeren Schichtdicke auf einer Waferoberfläche zur Verfügung zu stellen.
• Ein weiteres Bedürfnis ist es, ein effektives Mittel zum Messen von Schichtdicken zur Verfügung zu stellen.
• Ein weiteres Bedürfnis ist es, ein hoch genaues Mittel zum Messen von Schichtdicken zur Verfügung zu stellen.
• Ein weiteres Bedürfnis ist es, ein Mittel zum Messen von Waferschichtdicken ohne mechanische Abtastung der Waferoberfläche zur Verfügung zu stellen.
• Ein weiteres Bedürfnis ist es, ein Mittel zum Messen von Schichtdicken von dünnen Schichtstrukturen im allgemeinen zur Verfügung zu stellen, unter der Voraussetzung, daß die Strukturmaterialien bekannt sind und eine ausreichende Anzahl von Wellenlängen verwendet werden.
• Noch ein weiteres Bedürfnis ist es, ein ökonomisches Mittel zum Messen der äußeren Siliziumschichtdicke einer SOI-Halbleiterwaferoberfläche zur Verfügung zu stellen.
• Ein weiteres Bedürfnis ist es, ein effizientes Mittel zum Messen äußerer Siliziumschichtdicken zur Verfügung zu stellen.
• Ein weiteres Bedürfnis ist es, ein hoch genaues Mittel zum Messen äußerer Siliziumschichtdicken zur Verfügung zu stellen.
• Ein weiteres Bedürfnis ist es, ein Mittel zum Messen der äußeren Siliziumschichtdicken von SOI-Halbleiterwafern ohne mechanische Abtastung zur Verfügung zu stellen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Waferschichtdickenmeßinstrumentes.
• Figur 2 ist ein Querschnitt eines SOI-Halbleiterwafers.
• Figur 3 ist eine Draufsicht auf eine CCD-Kamera-Detektorreihe, die einen Waferbildumriß und einige Referenzoberflächenbildumrisse zeigt.
• Figur 4 ist eine Draufsicht auf einen Kalibrationswafer mit einer gestuften äußeren Schichtoberfläche.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
• Ein elektro-optisches System zum Messen einer Schichtdicke eines Wafers 24 ist in der Figur 1 dargestellt. Zum Zwecke dieser Beschreibung wird die Messung einer äußeren Siliziumschicht eines SOI-Halbleiterwafers 24 beschrieben.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine weiße Lichtquelle zur Verfügung, welche eine kreisförmige Apertur 14 enthält, die durch eine Halogenlampe 10 und eine Kollektivlinse 12 bestrahlt wird. Das Licht, welches durch die Apertur 14 tritt, trifft auf eine Kollimatorlinse 16 auf, um einen Strahl 15 aus parallel ausgerichtetem Licht zu bilden. Die Größe der Apertur bestimmt die Feldwinkel in dem Abschnitt des parallel ausgerichteten Lichtes des optischen Systems, und die Orientierung ist so gewählt, um einem Aperturbild zu erlauben, auf den SOI-Wafer 24 projiziert zu werden. Es sollte festgehalten werden, daß die Kollektivlinse 12 durch einen faseroptischen Lichtleiter ersetzt werden kann.
• Die weiße Lichtquelle wird durch eine Serie von Schmalbandfiltern 17 spektral gefiltert, nominal mit einer Bandbreite von 30-50 Å, in dem parallel ausgerichteten Strahl 15 angeordnet. Die Serie der Filter 17 ist um die Peripherie einer rotierenden Filterradanordnung 18 angeordnet, wodurch eine entsprechende Serie von parallel ausgerichteten, monochromatischen Lichtstrahlen 19 erzeugt wird. Die Wellenlängen dieser parallel ausgerichteten, monochromatischen Lichtstrahlen 19 reicht von 550 nm bis 950 nm. Die Anordnung der Filterradanordnung 18 in einem Abschnitt 15 parallel ausgerichteten Lichtes minimiert die spektrale Aufweitung des gefilterten Strahls 19, verursacht durch den durch die Größe der Apertur 14 definierten Feldwinkel. Ein Paar von elektronischen Signalen 32 wird durch die Filterradanordnung 18 erzeugt, um als Zeitreferenz 33 für einen digitalisierenden Schaltkreis 34 zu dienen. Eines dieser Signale zeigt den Beginn einer Filterradumdrehung an, während das andere Signal den Beginn jeder Filterperiode anzeigt.
• Eine zweite Kollimatorlinse 20 bildet ein monochromatisches Bild der Apertur 14 an einem Punkt 21 in einer Brennebene einer dritten Kollimatorlinse 22 ab. Die dritte Kollimatorlinse 22 erzeugt einen parallel ausgerichteten Strahl 23, welcher die volle Apertur des SOI-Wafers 24 mit 100 mm Durchmesser beleuchtet. Eine Erweiterung dieser Waferbeleuchtungstechnik auf Wafer von 150 mm bis 200 mm Durchmesser erfordert ebenfalls, daß die Größe der dritten Kollimatorlinse 22 mit der Wafergröße übereinstimmt. Es sei festgestellt, daß ein Monochromator die Halogenlampe 10, die Kollektivlinse 12, die ersten beiden Kollimatorlinsen 16, 20 und das Schmalbandfilterrad 18 ersetzen kann, unter der Voraussetzung, daß die Drehrate des Monochromators zwischen den verschiedenen Wellenlänge ausreichend hoch ist, bis zu zwanzig verschiedenen Wellenlängen in weniger als einer Sekunde.
• In der Figur 2 ist ein Querschnitt eines SOI-Halbleiterwafers 24 dargestellt. Der Wafer 24 ist in einer Sandwichstruktur aufgebaut, bestehend aus einer mechanisch polierten, äußeren Siliziumschicht 40, einer inneren Siliziumdioxid(SiO&sub2;)-Schicht 42 und einem Siliziumwafersubstrat 44. Diese Sandwichstruktur erzeugt drei Grenzflächen 46, 48, 50, von denen Licht, welches auf die äußere Siliziumschicht 40 auftrifft, reflektiert werden kann. Die Reflektivitätseigenschaften dieser Grenzflächen 46, 48, 50 basieren auf den intrinsischen optischen und physikalischen Eigenschaften des Halbleitermatenals in jeder Schicht 40, 42, 44 des SOI-Wafers 24. Diese Eigenschaften bestehen aus dem Absorptionskoeffizienten α, dem Brechungsindex n und der Dicke t der Matenalschichten 40, 42, 44. Für einen SOI- Wafer wird angenommen, daß der Absorptionskoeffizient α der SiO&sub2;-Schicht 42 Null beträgt. Im allgemeinen ist es jedoch erlaubt, daß der Absorptionskoeffizient von Null verschieden ist, vorausgesetzt er ist bekannt.
• Wenn die Oberfläche des SOI-Wafers 46 mit parallel ausgerichtetem, monochromatischem Licht des Strahls 23 beleuchtet wird, tritt eine Serie von kohärenten Interaktionen auf, wenn dieses Licht zwischen den drei Materialgrenzflächen 46, 48, 50 der SOI-Struktur 24 reflektiert wird. Diese Wechselwirkungen erzeugen ein wellenlängenabhängiges Interferenzmuster, welches auf der Oberfläche des Wafers sichtbar ist. Die Reflektivität an jedem Punkt auf dem Wafer wird durch viele Reflektionen zwischen den drei Oberfläche und durch die Stärke ihrer physikalischen Eigenschaften n&sub1;, α&sub1;, t&sub1; und n&sub2;, α&sub2;, t&sub2; als auch von den Eigenschaften des Substrates ns, αs bestimmt. In dem einzigartigen Fall einer SOI-Waferstruktur sind die Substratindizes mit denen der äußeren Filmindizes identisch (ns = n&sub2;, αs = α&sub2;), da beide aus einkristallinem Silizium gefertigt sind. Die Waferreflektivität bei jeder Wellenlänge kann explizit als eine Funktion der äußeren Filmdicke berechnet werden, wenn alle anderen Parameter bekannt sind; das umgekehrte Problem der Berechnung der Dicke aus einer einzeln gemessenen Reflektivität ist jedoch mehrdeutig. Diese Mehrdeutigkeit wird durch die Tatsache erzeugt, daß die gemessene Reflektivität zwischen maximalen und minimalen Werten oszilliert, wenn die äußere Filmdicke angehoben wird, da die Phasendicke (n&sub2;t&sub2;) mit Vielfachen von π/4 ansteigt. Dieses mehrwertige Problem macht eindeutig die Berechnung des Wertes von t&sub2; aus einer einzelnen Reflektivitätsmessung unmöglich. Die Verwendung von vielen Wellenlängenmessungen kann prinzipiell das Multiwertproblem überwinden, aber das wellenlängenabhängige Verhalten der Materialeigenschaften muß sehr genau bekannt sein, da sonst bei diesen Dickenberechnungen große Fehler auftreten.
• Ein Alternativweg ist ein statistischer, bei dem gemessene Reflektivitätsdaten bei verschiedenen Wellenlängen mit einer Bibliothek von berechneten spektralen Daten für die gleichen Wellenlängen auf der Basis einer Anpassung mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate verglichen wird. In dem Fall eines SOI-Wafers wird die Bibliothek der Spektren für alle Werte der ußeren Schichtdicke berechnet, und die Auswahl wird durch Auswählen der äußeren Schichtdicke durchgeführt, welche den Fit der kleinsten Quadrate minimiert.
• In der Figur 1 wird ein Kollimatorlicht-Bild des Interferenzmusters von der Oberfläche des SOI-Wafers 24 weg reflektiert und durch die dritte Kollimatorlinse 22 zurückgeworfen. Diese dritte Kollimatorlinse 22 projiziert ein gebündeltes Bild des zurückgeworfenen Interferenzmusters auf einen nicht auf der Achse liegenden Spiegel 26. Dieser Spiegel 26 ist an einem Punkt 25 in der Brennebene der dritten Kollimatorlinse 22 entlang der Position des Aperturbildes an einem Brennpunkt 21 angeordnet. Die Trennung dieser beiden Brennpunkte 21, 25 kann durch eine leichte laterale Verschiebung in der optischen Achse der dritten Kollimatorlinse 22 bezüglich der optischen Achse der Kollektivlinse 12 und der beiden ersten Kollimatorlinsen 16, 20 kontrolliert werden. Genauso kann der Wafer 24 um einen kleinen Winkel, kleiner als 1º, gedreht werden, um den gleichen Effekt zu erzielen. Dieses Bildtrennschema vermeidet die Verwendung eines Strahlteilers, welcher metallische Beschichtungen mit den begleitenden optischen Verlusten enthält.
• Der nicht auf der Achse liegende Spiegel 26 wird dazu verwendet, das reflektierte Interferenzmusterbild von dem Wafer 24 auf eine abschließende Kollimatorlinse 28 umzulenken. Diese abschließende Kollimatorlinse 28 projiziert einen Kollimatorstrahl 29, welcher ein Bild des Interferenzmusters enthält, auf eine CCD-Kamera-Detektorreihe 31. Es sollte festgehalten werden, daß die Filterradanordnung 18 ebenfalls in diesen Kollimatorstrahl 29 eingebracht werden kann, unter der Voraussetzung, daß der Feldwinkel, welcher etwa 15-mal größer ist als der Feldwinkel in dem Kollimatorstrahl 23, welcher den Wafer 24 beleuchtet, durch die Schmalbandfilter toleriert werden kann.
• In der Figur 3 ist die CCD-Kamera-Detektorreihe 31 mit einem Bild eines skalierten SOI-Waferumrisses 52, einem Paar von Referenzausrichtungsbildern 54 und einem Paar von Referenzreflektionsbildern 56 dargestellt, die auf seine Oberfläche projiziert sind. Diese Referenzbilder werden durch Anordnen von Referenzausrichtungsmarkierungen und Referenzreflektionsoberflächen entlang der gleichen Ebene gebildet, die auch die Oberfläche des SOI-Wafers 24 enthält. Diese Referenzen liefern von ihren Oberflächen Reflektionen, wenn sie mit einem ausgerichteten Lichtstrahl 23 von der dritten Kollimatorlinse 22 bestrahlt werden. Ähnlich dem SOI-Wafer-Interferenzmuster werden Bilder dieser reflektierten Referenzen durch die dritte Kollimatorlinse 22 zurückgeworfen und möglicherweise auf die CCD- Kamera-Detektorreihe 31 projiziert. Die Referenzausrichtungsmarkierungen liefern eine Hilfe bei der Waferausrichtung, während die Referenzreflektionsoberflächen dazu dienen, die CCD-Signale zu normalisieren, so daß die tatsächlichen Waferreflektivitäten berechnet werden können.
• In der Figur 1 enthält der Kollimatorstrahl 29, welcher durch die letzte Kollimatorlinse 28 gebildet ist, ein Bild des reflektierten Interferenzmusters. Dieses Bild wird auf die CCD-Kamera-Detektorreihe 31 projiziert und durch die CCD-Kamera 30 eingefangen. Eine Reflektivitätskarte wird dann durch Digitalisieren der CCD-Pixel- Signale, die dem projizierten Interferenzmusterbild entsprechen, mit Hilfe eines digitalisierenden Schaltkreises 34 erzeugt. Diese Rohdaten der Reflektivität können normalisiert werden, um Variationen in der Pixelsensitivität zu eliminieren und können durch Durchschnittsbildung der Signale über Blöcke von Pixeln in der Größe reduziert werden, um den räumlichen Beschränkungen des nachfolgenden chemischen Mikropolierprozesses angepaßt zu sein. Bei der Bestimmung der Dicke t&sub2; der äußeren Siliziumschicht des SOI-Wafers 24 kann entweder ein numerisches Berechnungsverfahren oder ein SOI-Kalibrationswafer verwendet werden. Beide Methoden benötigen die Verwendung eines Computers 36.
• Das numerische Verfahren der Bestimmung der äußeren Siliziumschichtdicke t&sub2; besteht darin, daß Werte für die Dünnschichtkonstanten n&sub1;, α&sub1;, t&sub1;, n&sub2;, α&sub2;, n&sub3; und α&sub3; angenommen werden und die spektralen Reflektivitäten für einen Satz von Wellenlängen berechnet werden, die dem monochromatischen Licht entsprechen, welches durch die gefilterte weiße Lichtquelle erzeugt wird. Die Berechnung wird für eine Anzahl von verschiedenen äußeren Schichtdicken t&sub2; ausgeführt und sollte unter der Voraussetzung, daß die anfänglichen Annahmen über die Dünnschichtkonstanten richtig sind, nur einmal berechnet werden. Diese Berechnung liefert ein Satz von Reflektivitätswerten Rc (λ&sub1;, λ&sub2;, ... λn, t&sub2;) für Dicken, die von dem dünnsten bis zu dem dicksten angenommenen Wert der äußeren Siliziumschicht reichen. Diese berechneten spektralen Reflektivitäten werden dann mit den gemessenen Reflektivitätsdaten Rm (λ&sub1;, λ&sub2;, ...λn, t&sub2;) an spezifischen Punkten auf dem Wafer unter Verwendung einer quadratischen Mittelwertsübertragungsfunktion (rms) der Form
• verglichen.
• Diese Übertragungsfunktion wird für verschiedene Werte von t&sub2; berechnet, bis eine minimale oder beste Anpassung gefunden ist, welche wiederum die optimale Dicke anzeigt. Es ist natürlich klar, daß andere Übertragungsfunktionen zur Anpassung der Muster - wenn gewünscht - verwendet werden könne.
• Unbekannte Variationen in einer der angenommenen Dünnschichtkonstanten können dafür sorgen, daß Fehler durch den Berechnungsprozeß als Fehler der äußeren Schichtdicke durchlaufen. Solche Quellenfehler erster Ordnung schließen das Fehlen des Wissens um die innere SiO&sub2;-Schichtdicke t&sub1; über die Waferapertur und dispersive Effekte des Brechungsindex n&sub1; von Silizium ein. Wenn der Wert der Übertragungsfunktion zu groß ist, eine schlechte Anpassung andeutend, dann müssen neue, berechnete spektrale Reflektivitäten erzeugt werden, um einen dichteren Satz von t&sub2;-Dicken zu erhalten, iteriert mit den Absorptionskoeffizienten α&sub2;, α&sub3; und den Brechungsindizes n&sub2;, n&sub3; der äußeren Siliziumschicht 40 bzw. des Siliziumsubstrates 44, oder des Brechungsindex n&sub1; und der Dicke t&sub1; der SiO&sub2;- Schicht 42.
• Das zweite Verfahren zur Bestimmung der äußeren Siliziumschichtdicke besteht darin, einen Satz von spektralen Reflektivitäten eines SOI-Kalibrationswafers 58 zu erzeugen, welcher eine abgestufte äußere Oberfläche gemäß Figur 4 aufweist, bei der jede quadratische Fläche 59 des Wafers eine unterschiedliche, bekannte, äußere Siliziumschichtdicke aufweist. Es ist bevorzugt, daß der Wafer mindestens 500 Referenzquadrate aufweist, um den gewünschten Bereich von Dicken der äußeren Schicht abzudecken. Dieser Wafer 58 kann für Dicken der äußeren Siliziumschicht durch Verwendung eines Stylus-Profilometers bis auf eine Siliziumdicke von Null kalibriert werden. Der Kalibrationswafer 58 wird aus derselben Materialmenge hergestellt und wird denselben Herstellungsbedingungen ausgesetzt, wie der der Messung unterliegende Wafer 24. Daher sollten die intrinsischen optischen Eigenschaften des Kalibrationswafers sowie der Absorptionskoeffizient und der Brechungsindex als auch das dispersive Verhalten mit denen des getesteten Wafers 24 übereinstimmen.
• Die spektralen Reflektivitäten des Kalibrationswafers 58 werden erhalten, indem dieser Wafer dem Meßverfahren der vorliegenden Erfindung ausgesetzt wird. Die spektralen Reflektivitäten werden in dem Computer 36 gespeichert und als Referenz zum Vergleich mit den spektralen Reflektivitäten eines gemessenen SOI- Wafers 24 verwendet. Der Kalibrationswafer 58 weist Referenzreflektivitäten für mindestens 500 verschiedene äußere Siliziumschichtdicken auf und die Referenzreflektivität, die der Reflektivität an jedem Punkt auf der Oberfläche des gemessenen SOI-Wafers 24 am nächsten kommt, zeigt die Dicke der äußeren Siliziumschicht an diesem Punkt an.
• Obwohl beide Verfahren das Ziel erreichen, eine 400 Punkt-Messung der äußeren Siliziumschichtdicke in weniger als 60 Sekunden durchzuführen, ist das Verfahren des Kalibrationswafers möglicherweise genauer als der numerische Weg, aufgrund der Ähnlichkeit der intrinsischen optischen Eigenschaften zwischen dem Kalibrationswafer 58 und dem zu messenden SOI-Wafer 24. Das Verfahren mit dem Kalibrationswafer würde jedoch die Fähigkeit einer On-Line-Herstellung erfordern, um einen neuen Kalibrationswafer 58 herzustellen, wenn der zugrundeliegende Waferprozeß entscheidend verändert wird.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Messen der Dicke eines vorbestimmten Gebietes einer Schicht (40) eines transparenten Materials mit einer vorderen Oberfläche und einer rückseitigen Oberfläche, wobei die Vorrichtung enthält:

Mittel (10, 16, 20) zum Bestrahlen der vorderen Oberfläche der Schicht (40) mit einem Strahl (23) aus monochromatischer Strahlung, so daß von den vorderen und rückseitigen Oberflächen reflektierte Strahlung ein Interferenzmuster bildet, welches mit der zu messenden Dicke korrespondiert, wobei der Strahl monochromatischer Strahlung ein ausgerichteter Strahl (23) ist und die Bestrahlungsmittel (10, 16, 20) Mittel (20) zum Aufweiten eines Strahls (19) aus monochromatischer Strahlung enthalten, um den ausgerichteten Strahl (23) zu bilden, welcher die Größe des vorbestimmten Gebietes aufweist; und

Mittel zum gleichzeitigen Leiten der von dem gesamten, vorbestimmten Gebiet reflektierten Strahlung auf einen Detektor (30) zum Detektieren des Interferenzmusters;

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum gleichzeitigen Leiten der reflektierten Strahlung auf den Detektor (30) enthalten:

Mittel (22) zum Fokussieren des durch die Schicht (40) reflektierten Interferenzmusters, entlang eines Weges, welcher sich von dem des abgestrahlten Strahls (23) unterscheidet, auf einen Brennpunkt (25);

einen Spiegel (26) zum Leiten des reflektierten Interferenzmusters von dem Brennpunkt in Richtung auf den Detektor (30); und

Mittel (28) zum Erzeugen eines zweiten, ausgerichteten Strahls (29), welcher zwischen dem Spiegel (26) und dem Detektor (30) in dem Weg des reflektierten Interferenzmusters angeordnet ist;

und dadurch, daß die Vorrichtung weiterhin Mittel (34, 36) zum Vergleichen des Interferenzmusters mit einem Satz von Referenz-Interferenzmustern, die bekannten Dicken entsprechen, und zum Liefern einer Ausgabe enthält, welche der Dicke des vorbestimmten Gebietes der Schicht (40) entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (30) weiterhin eine aktive Oberfläche einer Kamera aus ladungsgekoppelten Elementen enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Schmalbandfilter (17), welcher in einem Strahlungs- Strahl zum Erzeugen der monochromatischen Strahlung angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel (18) zum sequentiellen Anordnen einer Vielzahl von Schmalbandfiltern (17) in einem Strahlungs-Strahl zum Erzeugen der monochromatischen Strahlung, wobei jeder Schmalbandfilter (17) eine andere einzelne Wellenlänge der Strahlung hindurchläßt, wodurch Mehrdeutigkeiten eliminiert werden, die auftreten, wenn die Schichtdicke ein Vielfaches einer bestimmten Wellenlänge ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Vergleichen der Interferenzmuster Digitalisiermittel (34) zum Digitalisieren der Ausgabe des Detektors (30), Mittel zum Empfangen der digitalisierten Ausgabe des Detektors (30) und zum Vergleichen der Ausgabe mit dem Satz von Referenz-Interferenzmustern und Mittel (36) zum Liefern einer Ausgabe enthalten, welcher einer Dickenkarte der Schichtdicke entspricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (36) zum Liefern der Ausgabe eingerichtet sind, um eine Übertragungsfunktion des quadratischen Mittellwertes der gemessenen Schichtreflektivitäten bei jeder der Vielzahl von ausgewählten Strahlungswellenlängen in bezug auf die theoretischen Reflektivitäten für jedes Element der von dem Detektor (30) beobachteten Schicht zu verwenden.