устройство для определения толщины и оптических свойств слоев в процессе их формирования

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ И ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЛОЕВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ, содержащее оптический блок с закрепленными в нем источником излучения, светоделительным зеркалом, последовательно расположенными по ходу луча, прошедшего от источника через светоделительное зеркало, первым интерференционным фильтром, первой линзой, первым фотоприемником и последовательно расположенными по ходу луча, отраженного от светоделительного зеркала в сторону формирующего слоя, а затем снова прошедшего через светоделительное зеркало, вторым интерференционным фильтром, второй линзой, вторым фотоприемником, а также первый и второй усилители постоянного тока и систему регистрации и обработки сигналов, соединенную с выходами усилителей, отличающееся тем, что в него введены инфракрасный светофильтр, расположенный перед вторым интерференционным фильтром, первый поляризатор, расположенный перед первым интерференционным фильтром, второй поляризатор, расположенный перед инфракрасным светофильтром, узел визуальной настройки, первый и второй предварительные усилители, два металлических корпуса и мишень, причем поверхности линз выполнены матированными, а второй поляризатор, инфракрасный светофильтр, второй интерференционный фильтр, вторая линза, второй фотоприемник и второй предварительный усилитель закреплены жестко относительно друг друга во втором металлическом корпусе, который установлен с возможностью вращения вокруг оси луча, переотраженного от исследуемого слоя и прошедшего светоделительное зеркало, первый поляризатор, первый интерференционный фильтр, первая линза, первый фотоприемник и первый предварительный усилитель закреплены жестко относительно друг друга в первом металлическом корпусе, установленном с возможностью вращения вокруг оси луча, прошедшего светоделительное зеркало, узел визуальной настройки содержит плиту с направляющими пазами и отверстием для прохождения излучения источника, размещенную с возможностью перемещения и фиксации положения относительно луча, планку, расположенную в пазах плиты с возможностью перемещения и имеющую два фиксированных положения, на которой установлены соответственно второй металлический корпус с вторым фотоприемником и мишень в виде матированного стеклянного диска с перекрестием, выход первого фотоприемника соединен с входом первого предусилителя, выход которого соединен с входом первого усилителя, выход второго фотоприемника соединен с входом второго предусилителя, выход которого соединен с входом второго усилителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй предусилители выполнены по схеме высокоточного преобразователя фототок напряжение на термостабильных пассивных элементах и двух операционных усилителях, инвертирующий и неинвертирующий входы первого операционного усилителя являются входом предусилителя, при этом инвертирующий вход соединен с первым выводом первого резистора, а неинвертирующий вход соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, второй вывод первого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с выходом первого операционного усилителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с первым выводом четвертого резистора и первым выводом пятого резистора, второй вывод четвертого резистора соединен с шиной нулевого потенциала, а второй вывод пятого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, который является выходом предусилителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля формирования структур с полупроводниковыми, диэлектрическими и металлическими слоями в микроэлектронном производстве.

Известны устройства для измерения толщины диэлектрических и эпитаксиальных слоев в ходе их образования, содержащие оптический блок и систему регистрации и обработки сигналов, при этом оптический блок включает источник анализирующего излучения, интерференционные светофильтры, полупрозрачные и поворотные зеркала и фотоприемники (Информационный листок N 24-83 и 26-83 Саратовского ЦНТИ, 1983).

Эти устройства характеризуются низкой точностью определения толщины слоев за счет недостаточной помехозащищенности оптического и электрического сигналов.

Наиболее близким к предлагаемому является измерительное устройство для контроля толщины пленки, содержащее оптический блок с закрепленными в нем источником излучения, светоделительным зеркалом, интерференционными светофильтрами, линзами и фотоприемниками, а также два усилителя, выходы которых соединены с системой регистрации и обработки сигналов (Быстров Ю.А. Колгин Е. А. и Котлецов Б.Н. Технологический контроль размеров в микроэлектронном производстве. М. Радио и связь, 1988, с.267).

Это устройство также характеризуется относительно большой погрешностью определения толщины, которая связана с недостаточной защищенностью сигнала от фоновых засветок, механической вибрации и электрических помех.

Цель изобретения повышение точности определения толщины и оптических свойств слоев.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее оптический блок с закрепленными в нем источником излучения, светоделительным зеркалом, последовательно расположенными по ходу луча, прошедшего от источника через светоделительное зеркало, первым интерференционным фильтром, первой линзой, первым фотоприемником и последовательно расположенными по ходу луча, отраженного от светоделительного зеркала в сторону формирующегося слоя, а затем снова прошедшего через светоделительное зеркало, вторым интерференционным фильтром, второй линзой, вторым фотоприемником, а также первый и второй усилители постоянного тока, выходы которых соединены с системой регистрации и обработки сигналов, введены инфракрасный светофильтр, расположенный перед вторым интерференционным светофильтром, первый поляризатор, расположенный перед интерференционным светофильтром, второй поляризатор, расположенный перед инфракрасным фильтром, узел визуальной настройки, первый и второй предварительные усилители, причем поверхности линз выполнены матированными, а второй поляризатор, инфракрасный фильтр, второй интерференционный фильтр, вторая линза, второй фотоприемник и второй предусилитель закреплены жестко относительно друг друга в металлическом корпусе, который установлен с возможностью вращения вокруг оси луча, проходящего через перечисленные оптические элементы, первый поляризатор, первый интерференционный фильтр, первая линза, первый фотоприемник и первый предусилитель закреплены жестко относительно друг друга в металлическом корпусе, установленном с возможностью вращения вокруг оси луча, проходя через перечисленные оптические элементы, узел визуальной настройки содержит плиту с направляющими пазами с отверстием для прохождения излучения источника, размещенную с возможностью перемещения и фиксации положения относительно луча, планку, расположенную в пазах плиты с возможностью перемещения, имеющую два фиксированных положения, на которой установлены металлический корпус с вторым фотоприемником и мишень в виде матированного стеклянного диска с перекрестием, выход первого фотоприемника соединен с входом первого предусилителя, выход которого соединен с входом первого усилителя, выход второго фотоприемника соединен с входом второго предусилителя, выход которого соединен с входом второго усилителя.

Введение в устройство дополнительно инфракрасного светофильтра, поляризаторов, предусилителей, узла визуальной настройки, использование линз с матированными поверхностями, размещение оптических элементов определенным образом жестко относительно друг друга в металлическом корпусе, установленном с возможностью вращения вокруг оси луча, возможность определенных перемещений плиты и планки узла визуальной настройки и его конструкция, а также соединение фотоприемников с усилителями через предусилители позволяет повысить точность определения толщины и оптических свойств слоев.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство, оптический блок и схема соединения с усилителями и системой регистрации; на фиг. 2 вид А на фиг. 1; на фиг. 3 принципиальная схема предварительного усилителя.

Устройство содержит оптический блок, включающий основание 1, источник 2 излучения, светоделительное зеркало 3, поляризаторы 4 и 9, интерференционные светофильтры 5 и 11, инфракрасный светофильтр 10, матированные линзы 6 и 12, фотоприемники 7 и 13, предварительные усилители 8 и 14, металлические корпусы 20 и 21 для размещения оптических элементов, фотоприемников и предусилителей, плиту 18 с направляющими пазами и отверстием для прохождения излучения источника, планку 19, расположенную в пазах плиты, мишень 22 в виде матированного стеклянного диска с перекрестием.

Устройство также содержит усилители 15 и 16 постоянного тока и систему 17 регистрации и обработки сигналов.

Устройство работает следующим образом.

Анализирующее излучение от источника 2, в качестве которого может быть использован, например, Не-Ne-лазер, частично проходит через светоделительное зеркало 3, первый поляризатор 4, первый интерференционный светофильтр 5, первую линзу 6 с матированными поверхностями и попадает на чувствительную площадку первого фотоприемника 7, например фотодиода типа ФД-7К. Электрический сигнал с первого фотоприемника поступает на вход первого предварительного усилителя 8, с выхода которого подается на вход первого усилителя 16, и после усиления поступает на один из входов системы регистрации и обработки сигналов. Часть анализирующего излучения, первоначально отраженная светоделительным зеркалом, попадает в реакционную камеру на поверхность формирующегося слоя (не показано) и отражается им. Отраженная формирующимся слоем часть анализирующегося излучения, несущая информацию о толщине и оптических свойствах этого слоя, проходит через светоделительное зеркало 3, второй поляризатор 9, инфракрасный светофильтр 10, второй интерференционный светофильтр 11, вторую линзу с матированными поверхностями 12 и попадает на чувствительную площадку второго фотоприемника 13 (ФД-7К). Электрический сигнал с второго фотоприемника поступает на вход второго предварительного усилителя 14, с выхода которого попадает на вход второго усилителя 15, и после усиления поступает на один из входов системы регистрации и обработки сигналов. В системе регистрации и обработки сигналов по заданным алгоритмам анализируется временная зависимость величины отношения двух сигналов и проводится вычисление толщины и показателя преломления формирующегося слоя в реальном масштабе времени.

Измерение величины отношения двух сигналов за счет использования двухканальной системы измерений в рассматриваемом устройстве позволяет исключить погрешности, связанные с временной нестабильностью мощности излучения применяемого светового источника (лазера). Назначением интерференционных фильтров 5 и 11 является исключение засветки чувствительных площадок фотоприемников фоновым излучением. Эти фильтры подбираются с максимальным пропусканием на длине волны анализирующего излучения. Однако в спектре пропускания интерференционных фильтров кроме основной полосы существует длинноволновая полоса, уровень пропускания которой может быть соизмерим с Т_макс, где Т_макс коэффициент пропускания интерференционного фильтра на рабочей длине волны. Например, интерференционный фильтр на длину волны 0,63 мкм имеет длинноволновую полосу с коэффициентом пропускания Т_g 60% на 1,14 мкм и полушириной на уровне 0,5Т_g, равной 0,05 мкм.

Для широкого класса технологических процессов контролируемый слой осаждается на нагретую подложку, которая является широкополосным источником инфракрасного излучения. Доля этого фонового излучения формирующейся структуры проходит через интерференционный фильтр за счет наличия побочной длинноволновой полосы и попадает на чувствительную площадку второго фотоприемника 13. Эта фоновая засветка приводит к изменению регистрируемого сигнала и увеличению погрешности в определении толщины и показателя преломления осаждаемого слоя. Для исключения погрешности перед вторым интерференционным фильтром располагают отрезающий инфракрасный светофильтр 10. Например, при длине волны анализирующего излучения 0,63 мкм и использовании соответствующего интерференционного фильтра в качестве дополнительного инфракрасного светофильтра можно использовать пластину цветного стекла типа СЗС-24 или СЗС-25 толщиной 2-5 мкм. Такой дополнительный фильтр практически полностью не пропускает излучение, начиная с длины волны 0,9 мкм, в то же время пропускание этого фильтра на 0,63 мкм превышает 60%

Введение поляризаторов в измерительный и опорный каналы оптического блока позволяет плавно изменять мощность падающих на фотоприемники световых потоков и тем самым обеспечивает при необходимости вывод усилителей из режима ограничения. Использование поляризаторов в сочетании с регулировками усиления позволяет устанавливать уровни сигналов на выходе усилителей, необходимые для работы системы регистрации и обработки в оптимальном режиме, и, тем самым уменьшить погрешность измерений. Поляризаторы закреплены в плоскости, перпендикулярной оптической оси, жестко относительно фотоприемников и других оптических элементов в металлических корпусах. Вращая металлические корпусы 20 и 21 (фиг. 1) вокруг оптических осей измерительного и опорного каналов, можно регулировать мощность падающих на чувствительные площадки фотоприемников световых потоков. При такой конструкции отпадает необходимость в специальных устройствах, обеспечивающих вращение поляризаторов вокруг оси луча относительно неподвижного приемника излучения.

Использование линз с матированными поверхностями уменьшает погрешность, связанную с механической вибрацией устройства и неоднородной чувствительностью фотоприемников по площади приемной площадки. Действительно, при использовании обычных линз световой поток анализирующего излучения фокусируется на локальную область чувствительной площадки фотоприемника. При механических вибрациях, приводящих к отклонению от ортогонального положения формирующегося слоя по отношению к анализирующему излучению, сфокусированный световой поток хаотически попадает на разные локальные области приемной площадки, которые отличаются по чувствительности друг от друга, что и приводит к погрешности при измерениях регистрируемого сигнала. Матированная линза рассеивает световой поток и обеспечивает равномерную засветку всей чувствительной площадки фотоприемника, тем самым уменьшая погрешность измерения при вибрации.

Предлагаемая конструкция узла визуальной настройки позволяет оперативно и точно совмещать центр чувствительной площадки фотоприемника измерительного канала с осью падающего на нее светового потока, отраженного от формирующегося слоя. Повышение точности настройки приводит к увеличению отношения сигнал-шум и к уменьшению погрешности измерений.

Настройка осуществляется следующим образом:

перемещая плиту 18, совмещают ось отраженного от формирующегося слоя светового потока с перекрестием матированного стеклянного диска 22;

фиксируют это положение плиты 18 с помощью прижимного винта (фиг. 1);

перемещая планку 19 в пазах плиты 18, устанавливают ее во второе фиксированное положение, при котором световой поток попадает на центр чувствительной площадки фотоприемника 13.

Введение в устройство предварительных усилителей 8 и 14 и их размещение в металлических корпусах 20 и 21 в непосредственной близости к соответствующим фотоприемникам позволяет повысить помехозащищенность электрического сигнала и обеспечить его уровень, достаточный для работы усилителей 15 и 16 в оптимальном режиме. Предусилители выполнены по схеме высокоточного преобразователя фототок напряжение на термостабильных пассивных элементах и двух операционных усилителях (фиг. 2).

В предлагаемой схеме предусилителя в качестве первого операционного усилителя используется микросхема типа 544УД1, а в качестве второго операционного усилителя микросхема типа 140УД14.

Предлагаемое устройство определения толщины и оптических свойств слоев в процессе их формирования позволяет контролировать толщину осаждаемых диэлектрических (SiO₂, Si₃N₄) и полупроводниковых (Al_xGa_1-xAs) слоев с абсолютной погрешностью не более 20 , что подтверждают результаты независимых измерений на эллипсометре. Погрешность определения толщины слоев при использовании устройства по прототипу находится в диапазоне от 50 до 250 .

Таким образом, предлагаемое устройство более чем в 2 раза повышает точность определения толщины слоев в ходе технологических процессов их формирования по сравнению с прототипом и может быть эффективно использовано при контроле субмикронных структур с жестко заданными номиналами толщин слоев.