RU2602421C1 - Способ определения температуры пористого слоя по изменениям показателя преломления при адсорбции - Google Patents

Способ определения температуры пористого слоя по изменениям показателя преломления при адсорбции Download PDF

Info

Publication number
RU2602421C1
RU2602421C1 RU2015139494/28A RU2015139494A RU2602421C1 RU 2602421 C1 RU2602421 C1 RU 2602421C1 RU 2015139494/28 A RU2015139494/28 A RU 2015139494/28A RU 2015139494 A RU2015139494 A RU 2015139494A RU 2602421 C1 RU2602421 C1 RU 2602421C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
porous layer
refractive index
dependence
porous
Prior art date
Application number
RU2015139494/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Аскар Анварович Резванов
Олег Павлович Гущин
Евгений Сергеевич Горнев
Константин Петрович Могильников
Михаил Родионович Бакланов
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники"
Priority to RU2015139494/28A priority Critical patent/RU2602421C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2602421C1 publication Critical patent/RU2602421C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/306Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/3065Plasma etching; Reactive-ion etching
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0003Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiant heat transfer of samples, e.g. emittance meter

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области измерений температуры тонких поверхностных слоев, в частности пористого диэлектрического слоя в химической промышленности (катализ), при изготовлении оптических и химических сенсоров, а так же в процессе криогенного травления диэлектриков в технологии микроэлектроники. Заявлен бесконтактный способ измерения температуры пористого слоя, характеризующийся тем, что температура пористого слоя определяется по калибровочным графикам зависимости показателя преломления пористого слоя от температуры при постоянном давлении паров выбранных химических соединений, адсорбирующихся в пористом слое, рассчитанным на основе экспериментальных графиков зависимости показателя преломления пористого слоя от относительного давления летучих паров в этом слое при комнатной температуре. Технический результат - повышение точности получаемых результатов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Область техники
Изобретение относится к области измерений температуры тонких поверхностных слоев, в частности пористого диэлектрического слоя в химической промышленности (катализ), при изготовлении оптических и химических сенсоров, а так же при криогенном травлении в технологии микроэлектроники.
Уровень техники
Из предшествующего уровня техники известен способ определения температуры поверхности с помощью термохромных пленочных датчиков температуры, содержащий термохромный индикатор на жидкокристаллической пленке, оптически связанный с осветителем, включающим в себя источник света и конденсор, светофильтр с регулируемой длиной волны пропускания, блок управления светофильтром, многоэлементный фотоприемник, регистратор, соединенный с блоком управления светофильтром, объектив, расположенный между фотоприемником и термохромным индикатором и блок выделения максимума сигнала, входы которого соединены с фотоприемником, а выходы - с регистратором, а с целью повышения точности измерения, в него введены дополнительный фотоприемник, установленный после светофильтра с регулируемой длиной волны пропускания, и блок регулировки чувствительности многоэлементного фотоприемника, вход которого соединен с выходом дополнительного фотоприемника [1]. Недостатком этого способа является отсутствие низкотемпературных термохромных датчиков температуры и необходимость их нанесения на поверхность.
Также известно устройство бесконтактного измерения температуры, содержащее оптическую систему, на оптической оси которой расположен блок спектрального разложения, формирующий изображение спектра излучения на поверхности детектора, выход которого соединен с процессорным блоком, отличающееся тем, что детектор выполнен в виде матрицы приемников, границы которой превышают возможные перемещения границ изображения спектра излучения, а выход каждого из приемников через детектор соединен с соответствующим входом процессорного блока, выполненного с возможностью поиска максимального значения выходного сигнала приемника по матрице приемников, возможностью определения максимального значения производной выходных сигналов приемников по матрице приемников и возможностью вычисления температуры по отношению максимального значения производной выходных сигналов по матрице приемников к максимальному значению выходного сигнала приемника по матрице приемников с учетом коэффициента пропорциональности [2]. Этот способ предназначен для измерения нагретых поверхностей, вплоть до очень высоких температур. Недостатком этого способа является сложность, недостаточная точность, а в некоторых случаях и невозможность измерения криогенных температур.
Известен способ применения эллипсометрии для измерения температуры кремния в среде с быстрой термической обработкой. Эта методика основана на эллипсометрических измерениях показателя преломления кремния, а затем определения температуры пластины по известной температурной зависимости показателя преломления. С помощью компьютера, эллипсометрическая система выполняет insitu измерения на подложке тонких пленок в различных атмосферах, при температурах до 1450 K. В качестве источника света используется лазер [3]. Но данный метод не применим для измерения температуры диэлектриков, так как изменения оптических констант диэлектриков незначительны.
В микроэлектронной технологии в настоящее время решаются вопросы по интеграции low-k материалов с диэлектрической постоянной меньше чем 2.5 для суб-10 нм технологических норм. Однако их интеграция встречает значительные трудности, так как пористые low-k диэлектрики деградируют в процессах плазмохимического травления при формировании линий под металлизацию. Активные частицы плазмы диффундируют в поры и изменяют структуру стенки пор. В результате, low-k материал становится гидрофильным при обработке в плазме C6F6, C7F8, C4F8 и значение диэлектрической постоянной возрастает в связи с адсорбцией воды. Недавно изобретенный метод криогенного травления диэлектриков позволяет защитить стенки пор low-k диэлектрика от значительного повреждения их в процессе плазменного травления. Когда травление происходит при низких температурах, реагенты и продукты травления конденсируются в порах и защищают их от проникновения активных радикалов плазмы [4]. Важной проблемой является разработка стандартного подхода для определения истиной температуры пористого слоя. Образец, при травлении, охлаждается с одной стороны, и так как материал пористый, то в нем возникает большой градиент температур, что влечет за собой сложность измерения температуры пленки практическим методом. Используя результаты работ по эллипсометрической порометрии [5], мы можем получить графики зависимости показателя преломления пористого слоя от относительного давления при адсорбции/десорбции толуола или других паров в порах low-k диэлектрика при комнатной температуре.
Предлагается бесконтактный способ измерения температуры пористого слоя, характеризующийся тем, что температура пористого слоя определяется по калибровочным графикам зависимости показателя преломления пористого слоя от температуры при постоянном давлении паров выбранных химических соединений, адсорбирующихся в пористом слое, рассчитанным на основе экспериментальных графиков зависимости показателя преломления пористого слоя от относительного давления летучих паров в этом слое при комнатной температуре.
Цель изобретения
Целью настоящего предлагаемого изобретения является разработка способа измерения температуры пористого слоя на поверхности, используя расчетные зависимости показателя преломления пористого слоя от температуры при постоянном давлении паров, отвечающего современным требованиям по точности, чистоте и доступности в микроэлектронном производстве. Поставленная цель достигается в способе бесконтактного измерения температуры пористого слоя, характеризующемся тем, что температура пористого слоя определяется по калибровочным графикам зависимости показателя преломления пористого слоя от температуры при постоянном давлении паров выбранных химических соединений, адсорбирующихся в пористом слое, рассчитанным на основе экспериментальных графиков зависимости показателя преломления пористого слоя от относительного давления летучих паров в этом слое при комнатной температуре, в частности, выбранные химические вещества могут адсорбироваться в порах low-k диэлектриков на кремниевой подложке, кроме того, в качестве исходного графика зависимости показателя преломления от давления летучих паров может применяться график зависимости показателя преломления от относительного давления летучих паров при адсорбции толуола в пористом слое при комнатной температуре, а в качестве калибровочных графиков зависимости показателя преломления от температуры - графики зависимости показателя преломления от температуры C6F6, C7F8, C4F8.
Осуществление изобретения
Рассмотрим процесс определения температуры пористого слоя на конкретном примере. Исходными данными для определения температуры слоя является график зависимости показателя преломления от относительного давления летучих паров при адсорбции толуола (C7H8), полученный при комнатной температуре, а в результате расчетов будут получены графики зависимости показателя преломления от температуры при адсорбции соединений гексафторбензола (C6F6), октафтортолуола (C7F8) и октафторциклобутана (C4F8) для разных давлений. График зависимости показателя преломления пористого слоя от относительного давления летучих паров при адсорбции толуола измеряется для данного пористого слоя и является экспериментальной зависимостью, которая не может быть представлена в аналитическом виде, а только в виде таблицы или графика. Соответственно, калибровочные графики зависимости показателя преломления пористого слоя от температуры также будет получены в виде таблицы или графика.
На Фиг. 1 представлена зависимость показателя преломления пористого слоя от относительного давления летучих паров при адсорбции толуола в порах диэлектрической пленки на кремниевой подложке при комнатной температуре. Такая пористая пленка используется в современной микроэлектронике как low-k диэлектрик для изоляции проводников в сверхбольших интегральных схемах. Представленная зависимость является исходной для расчетов калибровочных графиков зависимости показателя преломления пористого слоя от температуры соединений C6F6, C7F8, C4F8.
Основой для такого расчета являются представления об адсорбции паров летучих жидкостей в пористых материалах [6]. Согласно этим представлениям, адсорбция в пористых материалах определяется размерами пор, молекулярными характеристиками адсорбирующейся жидкости (адсорбата), относительным давлением паров адсорбата (отношением текущего давления к давлению насыщенных паров адсорбата над плоской поверхностью) и температурой. При изменении относительного давления в пористом материале заполнены те поры, радиус мениска адсорбата в которых меньше радиуса Кельвина, который определяется уравнением:
Figure 00000001
Здесь Rk - радиус Кельвина, γ - поверхностное натяжение адсорбата, V - молекулярный объем, R - газовая постоянная, T - температура, P - текущее давление, Po - давление насыщенных паров адсорбата. Таким образом, для получения калибровочной зависимости показателя преломления от температуры необходимо на оси абсцисс поставить вместо относительного давления паров - температуру пористой пленки и перенормировать ось ординат, для получения соответствующего показателя преломления. Причем, необходимо вместо давления паров толуола поставить температуру пленки таким образом, чтобы в этой точке у них совпадал радиус Кельвина. То есть мы совмещаем точки на оси X в соответствии с уравнением:
Figure 00000002
В формуле (2) левая часть - это радиус Кельвина из экспериментальной зависимости, а правая - из калибровочной. Как видно из этой формулы, для пересчета нам надо знать зависимости от температуры поверхностного натяжения γ1(T1), молярного объема Vm1(T1) и давления паров P1(T1). Теперь, используя уравнение Антуана, мы можем рассчитать зависимость давления паров от температуры для интересующей нас области. Расчет плотности производится по формуле (3):
Figure 00000003
где ρ0 - постоянная плотность при температуре плавления Tmel. Температурный коэффициент α вычисляется по наклону прямой, полученной в результате интерполяции точек зависимости ρ(T) для известной области температур. Молярный объем получается из отношения (4):
Figure 00000004
Поверхностное натяжение можно посчитать с помощью (5):
Figure 00000005
где k - постоянный коэффициент, Tcrit - критическая температура. Таким образом, мы можем получить относительно значения давления для интересующих нас химических соединений, переписав формулу (2) в следующем виде:
Figure 00000006
где γ0, Vm0 - для толуола при T=25°C.
Для перенормировки оси ординат будем считать, что поляризуемость пористого слоя можно определить как сумму двух слагаемых - поляризуемости твердого каркаса, которая не меняется в процессе адсорбции, и изменяющейся поляризуемости объема пор при заполнении их адсорбатом. Если выразить поляризуемость через показатель преломления, то мы получаем уравнение, связывающее заполненный объем пор V и эффективный показатель преломления neff во время адсорбции:
Figure 00000007
где ns - показатель преломления пустой матрицы, nads - показатель преломления адсорбата.
Приравнивая заполненный объем пор для разных адсорбатов, мы получаем связь между эффективными показателями преломления в следующем виде:
Figure 00000008
Которое можно преобразовать так:
Figure 00000009
Обозначив правую часть уравнения (11) как A, получаем окончательное выражение для расчета neff2:
Figure 00000010
Таким образом, перенормируя ось X на графике зависимости показателя преломления пористого слоя от относительного давления летучих паров при адсорбции толуола в соответствии с формулой (6) для некоторого значения давления паров выбранного адсорбата, а ось Y в соответствии с формулой (10), мы получим калибровочные графики адсорбции для данного пористого слоя. По получившимся калибровочным графикам адсорбции можно определить температуру пористой пленки, то есть каждой величине показателя преломления будет соответствовать истинная температура пористого слоя, в котором происходит адсорбция.
Измерение температуры тонкого слоя пористого диэлектрика имеет большое значение для химической промышленности (катализ), при изготовлении оптических и химических сенсоров, а так же для других областей, где применяются пористые материалы. В частности, измерение температуры тонкого пористого слоя важно в процессе криогенного травления диэлектриков в технологии микроэлектроники.
Наибольший интерес для процессов криогенного травления в современной микроэлектронике представляет диапазон температур от -10°C до -150°C. На Фиг. 2-4 представлены расчетные графики зависимости показателя преломления пористого слоя от температуры при адсорбции C6F6, C7F8, C4F8 в пористых пленках на кремнии. Как видно из этих рисунков, указанный диапазон температур с запасом перекрывается калибровочными графиками адсорбции этих соединений.
Графические изображения, поясняющие сущность изобретения:
Фиг. 1 - График зависимости показателя преломления пористого слоя от относительного давления летучих паров при адсорбции толуола
Фиг. 2 - График зависимости показателя преломления пористого слоя от температуры при адсорбции C6F6 при разных значениях давления в камере
Фиг. 3 - График зависимости показателя преломления пористого слоя от температуры при адсорбции C7F8 при разных значениях давления в камере
Фиг. 4 - График зависимости показателя преломления пористого слоя от температуры при адсорбции C4F8 при разных значениях давления в камере.
Список литературы
[1] Свечников Сергей Васильевич, Каменской Александр Соломонович, Богданович Виктор Борисович, «Устройство для измерения температуры поверхности», патент RU №993048, 11.12.1977.
[2] Бодров Владимир Николаевич, Мельников Борис Сергеевич, Обидин Геннадий Иванович, «Устройство бесконтактного измерения температуры», патент RU №2213942, 10.10.2003.
[3] Y.J. Van der Meulen and N.С. Hien, J. Opt. Soc. Am., 64, 804, 1974.
[4] M.R. Baklanov, F. Iacopi, S. Vanhaelemeersch. PROTECTIVE TREATMENT FOR POROUS MATERIALS, patent US 8,540,890 B2, Sept 24, 2013.
[5] Mogilnikov K., Polovinkin V., Dultsev F., Baklanov M., “Determination of pore size distribution in thin films by ellipsometric porosimetry,” J. Vac. Sci. Tecnol. B, vol. 18, №3, pp. 1385-1391, 2000.
[6] Карнаухов А.П. “Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов”, Новосибирск, “Наука”, 1999.

Claims (3)

1. Бесконтактный способ измерения температуры пористого слоя, характеризующийся тем, что температура пористого слоя определяется по калибровочным графикам зависимости показателя преломления пористого слоя от температуры при постоянном давлении паров выбранных химических соединений, адсорбирующихся в пористом слое, рассчитанным на основе экспериментальных графиков зависимости показателя преломления пористого слоя от относительного давления летучих паров в этом слое при комнатной температуре.
2. Бесконтактный способ измерения температуры по п. 1, отличающийся тем, что выбранные химические вещества адсорбируются в порах low-k диэлектриков на кремниевой подложке.
3. Бесконтактный способ измерения температуры по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исходного графика зависимости показателя преломления от относительного давления летучих паров применяется график зависимости показателя преломления от относительного давления при адсорбции толуола в пористом слое при комнатной температуре, а в качестве калибровочных графиков зависимости показателя преломления от температуры применяются графики зависимости показателя преломления от температуры C6F6, C7F8, C4F8.
RU2015139494/28A 2015-09-17 2015-09-17 Способ определения температуры пористого слоя по изменениям показателя преломления при адсорбции RU2602421C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015139494/28A RU2602421C1 (ru) 2015-09-17 2015-09-17 Способ определения температуры пористого слоя по изменениям показателя преломления при адсорбции

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015139494/28A RU2602421C1 (ru) 2015-09-17 2015-09-17 Способ определения температуры пористого слоя по изменениям показателя преломления при адсорбции

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2602421C1 true RU2602421C1 (ru) 2016-11-20

Family

ID=57760065

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015139494/28A RU2602421C1 (ru) 2015-09-17 2015-09-17 Способ определения температуры пористого слоя по изменениям показателя преломления при адсорбции

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2602421C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2213942C1 (ru) * 2002-12-27 2003-10-10 Бодров Владимир Николаевич Устройство бесконтактного измерения температуры
US20050148202A1 (en) * 2002-06-20 2005-07-07 Ludger Heiliger Method for sealing porous materials during chip production and compounds therefor
US8540890B2 (en) * 2011-11-15 2013-09-24 Imec Protective treatment for porous materials
US20150076109A1 (en) * 2013-09-17 2015-03-19 Imec Vzw Protection of porous substrates before treatment

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050148202A1 (en) * 2002-06-20 2005-07-07 Ludger Heiliger Method for sealing porous materials during chip production and compounds therefor
RU2213942C1 (ru) * 2002-12-27 2003-10-10 Бодров Владимир Николаевич Устройство бесконтактного измерения температуры
US8540890B2 (en) * 2011-11-15 2013-09-24 Imec Protective treatment for porous materials
US20150076109A1 (en) * 2013-09-17 2015-03-19 Imec Vzw Protection of porous substrates before treatment

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
РЕЗВАНОВ А.А., ГУЩИН О.П., ГОРНЕВ Е.С. и др., "ИЗОБАРЫ АДСОРБЦИИ ФТОРУГЛЕРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ВЫБРАННЫХ ДЛЯ КРИОГЕННОГО ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ LOW-K ДИЭЛЕКТРИКОВ", журнал ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА.СЕРИЯ 3:МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, Издательство: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники", номер 1(157), 2015, с.49-57. ЛЕОНОВ И.А., МОГИЛЬНИКОВ К.П., ПЧЕЛЯКОВ О.П., ";ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКАЯ ПОРОМЕТРИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ, журнал ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, Издательство: Академический научно-издательский, производственно-полиграфический и книгораспространительский центр Российской академии наук "Издательство "Наука" номер 9, 2003, с. 17-23;. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Waxler et al. Effect of pressure and temperature on the refractive indices of benzene, carbon tetrachloride, and water
US10041873B2 (en) Porosity measurement of semiconductor structures
Gieseler et al. Evaluation of tunable diode laser absorption spectroscopy for in‐process water vapor mass flux measurements during freeze drying
Ortega Densities and refractive indices of pure alcohols as a function of temperature
EP1032816B1 (en) Apparatus and method for determining porosity
KR101656436B1 (ko) 박막 웨이퍼의 막두께 분포 측정 방법
US6485872B1 (en) Method and apparatus for measuring the composition and other properties of thin films utilizing infrared radiation
US10281263B2 (en) Critical dimension measurements with gaseous adsorption
Brassé et al. Optical constants of Titan aerosols and their tholins analogs: Experimental results and modeling/observational data
US20170314912A1 (en) Measurement Of Semiconductor Structures With Capillary Condensation
US8248621B2 (en) Method for optical characterisation
Gauthier et al. Gas thermal conductivity measurement using the three-omega method
US10408775B2 (en) Sensor arrangements and methods of operating a sensor arrangement
RU2602421C1 (ru) Способ определения температуры пористого слоя по изменениям показателя преломления при адсорбции
Gaidukasov et al. Application of the Tikhonov Regularization Method in Problems of Ellipsometic Porometry of Low-K Dielectrics
JP5478022B2 (ja) 温度依存性を補償する方法及び装置
Krzyżanowska et al. Ellipsometric study of refractive index anisotropy in porous silicon
Faoro et al. Determination of the refractive index of liquids at cryogenic temperature
US6605482B2 (en) Process for monitoring the thickness of layers in a microelectronic device
TW201602514A (zh) 光學式膜厚量測方法
JP2007085857A (ja) 表面プラズモン共鳴スペクトル測定装置におけるデータ校正方法
Hanisch et al. Origin of optical anisotropy in planar polymer waveguides
Khelifa Effect of Measurement of Dew Point Temperature in Moist Air on the Absorption Line at 1392.53 nm of Water Vapor
Gaidukasov et al. Investigation of Gas Condensation in Pores of Nanoporous Dielectrics in Cryogenic Etching Conditions
Özcan et al. Simultaneous determination of the thickness and refractive index dispersion of dielectric films by the Paul wavelet transform