Способ контроля параметров пленочного покрытия в процессе изменения толщины пленки на подложке и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области контроля параметров пленочных покрытий в процессе их осаждения на подложку. Изобретение позволяет расширить диапазон анализируемых толщин слоев и обеспечивает возможность определения плотности растущего покрытия за счет выбора длины волны зондирующего излучения и угла падения излучения. Устройство состоит из установки для нанесения пленки, источника излучения, коллимационной системы и детектора. Способ выполняется путем облучения образца потоком рентгеновского излучения с длиной волны λ под углом скольжения q_o, выбираемыми на основе неравенств где Θ_c - угол Брюстера, константа для данного материала и данной длины волны рентгеновского излучения; μ(λ) - линейный коэффициент фотоэлектрического поглощения материала покрытия, константа для данного материала на определенной длине волны λ ; I_o - интенсивность падающего на подложку пучка рентгеновского излучения определяется параметрами источника рентгеновского излучения /величина известная/; d₁ - минимальная толщина анализируемого покрытия; d₂ - максимальная толщина, до которой проводят анализ; x - заданная, относительная погрешность измерения интенсивности, константа; t - время одного измерения и одновременной регистрации отраженного сигнала, по числу осцилляций которого определяют толщину покрытия, а по их контрастности (К) и среднему значению (М) (система 7) определяют микрошероховатость и плотность покрытия. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

Изобретение относится к области технологии тонких пленок, а именно к способу контроля параметров пленочных покрытий в процессе роста пленки на подложке (in situ мониторинг) и может найти применение на этапе отработки технологии осаждения пленочного покрытия с целью получения необходимой скорости роста пленки, уменьшения шероховатости ее поверхности и достижения плотности, соответствующей плотности данного материала, а также в процессе серийного нанесения покрытий в качестве средства контроля толщины пленки и конечных значений шероховатости и плотности.

Известен способ контроля толщины пленки методом лазерной интерферометрии, заключающийся в том, что подложку в процессе нанесения покрытия или его травления освещают монохроматическим светом с длиной волны (λ) из видимого диапазона [1] В результате интерференции света, отраженного от поверхности растущей пленки и от границы раздела пленка-подложка, коэффициент отражения осциллирует с увеличением или уменьшением толщины пленочного покрытия. Зная длину волны лазерного излучения и угол падения света на подложку, можно определить толщину нанесенного или удаленного слоя и показатель преломления (n).

Недостатком данного способа является то, что определить показатель преломления n можно только у материалов с низким коэффициентом поглощения (a) (например, SiO₂, Al₂O₃ и т.п.), поскольку a = 4πk/λ [2] где k мнимая часть показателя преломления. Для большинства металлов и полупроводников k > 1,5, так что в слое толщиной в одну длину волны интенсивность света уменьшается по крайней мере в миллион раз, и осцилляции коэффициента отражения не выявляются. Следовательно, для сильнопоглощающих материалов невозможно определить n.

невозможно контролировать покрытия с субмикронными толщинами (≈0,1 мкм). Минимальное значение толщины пленочного покрытия (d), которое может быть измерено, определяется выражением d = λ/4n В частности, для λ 0,63 мкм и n 1,5 будем иметь d 0,1 мкм.

Наиболее близким к описываемому является способ, заключающийся в том, что обучение системы подложка-пленка в процессе роста пленки на подложке проводят рентгеновским излучением с длиной волны в диапазоне l 30 67А [3] Этот способ осуществляют с помощью известного устройства, в котором источник зондирующего излучения и детектора размещены внутри рабочего объема установки для напыления пленок.

Данный способ контроля параметров пленочных покрытий включает в себя анализ осцилляций интенсивности отраженного от пленки рентгеновского пучка, обусловленных изменением разности фаз волн, отраженных поверхностью пленки (наружной) и подложки (внутренней), Если угол скольжения рентгеновского пучка q_o существенно больше критического угла Брюстера Θ_c характерного для материала пленки (sinΘ_c ~ λ) то с ростом толщины пленки d интерференционные пики чередуются с периодом d = λ/2sinΘ_o. (1) Этот известный способ позволяет в процессе роста пленки по количеству осцилляций и по их контрастности определять толщину пленки (d), микрошероховатость поверхности (σ), а также мнимую часть (k) диэлектрической проницаемости (ε = 1 - δ + ik) материала пленки, задавшись табличным значением реальной части δ Известное устройство устанавливают непосредственно в вакуумной камере для осаждения покрытий так, что оно жестко связано с корпусом камеры. Угол падения рентгеновского пучка, q_o, на образец регулируют путем изменения наклона столика образца.

Это известное устройство позволяет проводить мониторинг коэффициента отражения покрытия, наносимого методом термического или электронно-лучевого испарения, когда источник испаряемого вещества расположен на расстоянии не менее 5 см от подложки, а скорость осаждения пленки составляет ≈ 1А/с.

Недостатками этого способа и устройства являются (1) невозможность определения истинного значения реальной части диэлектрической проницаемости (δ), а следовательно, и плотности (r) растущего слоя ((ρ ~ δ)) из-за большого вклада фактора поглощения в уменьшение амплитуды осцилляций и среднего значения коэффициента отражения; (2) невозможность анализа слоев атомного масштаба (d < 30А), поскольку первый интерференционный пик появляется лишь при толщине d > λ/2 (см. ф-лу (1)), и интенсивность его весьма низка [3] (3) расположение источника зондирующего излучения (электронной пушки с мишенями) непосредственно в технологической установке, что приводит к загрязнению образца материалом мишени, а мишени материалом напыляемой пленки;
(4) жесткое закрепление источника в корпусе установки, т.е. необходимость регулировки угла падения пучка путем наклона столика с образцом;
(5) необходимость высокого вакуума для работы электронной пушки, используемой для получения зондирующего рентгеновского пучка;
(6) малая плотность потока мягкого (λ > 20А) зондирующего излучения, что обусловливает недостаточную интенсивность отраженного сигнала в начале осаждения пленки (при толщине < 30 А).

Указанные недостатки известного способа и устройства в совокупности не позволяют
(1) в принципе определять экспериментально основную характеристику растущего слоя его плотность;
(2) использовать способ и устройство при получении сверхтонких слоев (менее 30 А) или многослойных структур со сверхтонкими слоями;
(3) использовать устройство при осуществлении ряда методов нанесения покрытий, при которых источник распыления и подложка находятся в непосредственной близости (магнетронное распыление, сэндвич-метод газофазной эпитаксии и т.п.), поскольку угол падения зондирующего излучения не может быть больше 15^o, а изменение угла наклона столика в процессе осаждения недопустимо, так как это привело бы к неравномерному распределению наносимого материала по поверхности подложки;
(4) использовать устройство в газонаполненных установках;
(5) производить мониторинг при большой скорости роста (> 10А/с) из-за недостаточной интенсивности отраженного сигнала (т.е. необходимости большого времени набора импульсов при каждом шаге регистрации).

В основу изобретения положена задача осуществить такие условия in situ мониторинга рентгеновского коэффициента отражения, при которых существенно расширяется диапазон анализируемых толщин слоя и обеспечивается возможность определения плотности пленки в процессе ее роста.

Поставленная задача решается тем, что длина волны зондирующего излучения (l) и угол скольжения (q_o) выбираются в соответствии с тремя следующими условиями. 1} Условие минимального затухания осцилляций
Согласно формулам Френеля для отражательной способности единичной пленки [3] затухание осцилляций из-за поглощения в пленке при углах падения Θ_o ≫ Θ_c определяется экспонентой, включающей мнимую часть показателя преломления
exp[-(4πd/λ)Im(n sinΘ_o)],
где Im(n sinΘ_o) = (1 - δ)k/sinΘ_o
k = λμ/4π, а μ - линейный коэффициент поглощения.

Условие "слабого" поглощения

или

Условие 1} должно выполняться вплоть до максимального значения толщины пленки. II} Условие, обеспечивающее заданную точность измерения интенсивности сигнала.

При Θ_o ≫ Θ_c коэффициент отражения можно представить асимптотическим выражением [4]

где при
,
тогда интенсивность отраженного сигнала при угле падения Θ_o ≫ Θ_c

где I_o абсолютная интенсивность пучка, падающего на поверхность образца.

Чтобы обеспечить измерение интенсивности с заданной относительной ошибкой ζ, экспозиция D = I·τ(τ время одного измерения) в каждой точке измерения должна быть такой, чтобы выполнялось условие
Отсюда
sin²Θ_c/4sin²Θ_o·ζ(I_o·τ)^1/2 > 1, (5)
что задает ограничение по углу падения

Время экспозиции τ определяется характерным временем T изменения исследуемой системы, так что t < T.

Условие II} ограничивает возможность увеличения q_o из-за падения интенсивности отраженного пучка. Кроме того, Θ_o может быть ограничено конструкционными особенностями напылительной установки. Например, при магнетронном распылении из-за близкого расположения источника и подложки Θ_o не может быть больше 15 20^o. III} Условие, определяющее минимальную толщину анализируемого слоя.

ОграничениеII} по величине Θ_o, связанное с потерей интенсивности отраженного сигнала, приводит к ограничению по толщине анализируемого слоя при исследовании с применением длины волны λ, так как период следования осцилляций отраженного излучения d = λ/2sinΘ_o. Отсюда минимальная толщина анализируемого слоя при возможности расчета характеристик пленки, начиная с 1/2 волны осцилляций,

Анализ отраженного сигнала проводят, например, следующим образом.

При выполнении критерияI} обусловленное поглощением в материале уменьшение среднего значения коэффициента отражения и амплитуды осцилляций можно не учитывать и записать выражение для минимального (R_min) и максимального (R_max) значений коэффициента отражения (R=I/I_o) в упрощенном виде

где "±" соответствуют R_min, R_max в зависимости от знака величины (δ_s- δ_f) разности оптических постоянных соответственно подложки и пленки; D_f = exp{-(4πσsinΘ_o/λ)²/2} фактор Дебая-Валлера [3] где σ абсолютная величина шероховатости пленки. d_f и D_f являются медленно изменяющимися функциями толщины пленки d, и их можно принять постоянными в пределах одной полуволны. Тогда отношение среднего значения <R> системы "пленка на подложке" к коэффициенту отражения от чистой подложки R_s

Используя (6) и (7), получим величину контрастности осцилляций

Из системы уравнений (7) и (8) получим выражения для оптической константы пленки

и шероховатости пленки

Знак "-" перед конем выбран из условия, что контрастность обращается в нуль (осцилляции исчезают), когда оптические константы пленки и подложки одинаковы (δ_s- δ_f) ~ 0
Уравнения (9) и (10) позволяют по экспериментальным значениям среднего коэффициента отражения (М) и контрастности осцилляций определить по интервалу Δd = λ/4sinΘ_o (по одной полуволне) величину плотности пленки.

где SA и Σz соответственно суммарный атомный вес и заряд молекулы. Шероховатость поверхности определяется по величине фактора Дебая-Валлера D_f

Лучший вариант осуществления изобретения.

Для осуществления предлагаемого способа на базе действующей технологической установки (вакуумная камера для магнетронного распыления, фиг. 1, поз. 1) устанавливают предлагаемое устройство, представляющее собой диагностический модуль, состоящий из рентгеновской трубки (2), коллимационной системы (3), детектора с входной щелью (8), блока регистрации (9) и компьютера (10). Трубку и коллиматор можно перемещать по дуге металлического каркаса (4) так, чтобы монохроматизированный пучок через бериллиевое окно (5) попадал на поверхность образца (6). Отраженный сигнал выходит через второе бериллиевое окно (7), и его регистрируют сцинтилляционным счетчиком (8).

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. В соответствии с заданным диапазоном толщин анализируемого слоя [d₁, d₂] табличными значениями оптических констант материала пленки (δ, μ) и инструментальными параметрами ( τ I_o) производят численное решение системы неравенствI}II}III} Прежде всего определяют диапазон длин волн, при использовании которых можно обеспечить анализ параметров пленки в интервале толщин, перекрывающем заданный [d₁, d₂] Для этого из системы неравенствоI}II}III} исключают sinΘ_o. Используя уравнение sinΘ_c = δ^1/2 [4] получим

где d_min и d_max соответственно минимальная и максимальная толщина пленки, которую можно проанализировать в излучении с длиной волны λ, B = (I_oτ)^1/4·ζ^1/2/2 инструментальный параметр (константа, определяемая условиями эксперимента). Уравнения (13) и (14) преобразуем, используя (11) при условии

При выборе длины волны из найденного диапазона предпочтение отдают излучению с той длиной волны, применение которой обеспечивает максимальное значение инструментального параметра B.

После выбора длины волны определяют значение угла скольжения Θ_o Для получения максимально возможного отраженного сигнала угол Θ_o должен быть как можно меньше. Система неравенствI}III} в заданном интервале толщин покрытий [d₁, d₂] удовлетворяется при выборе наибольшего из значений

После этого рентгеновский пучок с длиной волны λ и интенсивностью I_o вводят в камеру и направляют на поверхность подложки под углом скольжения q_o. Интенсивность излучения, отраженного от подложки, регистрируют счетчиком и фиксируют на экране дисплея как исходную точку (I_s) кривой I(τ) По мере нанесения пленки и роста ее толщины, d, за счет интерференции излучения, отраженного от верхней и нижней границ пленки, возникают осцилляции интенсивности. Обработанные компьютером значения экспериментальной интенсивности наблюдают на экране дисплея в виде временной зависимости I(τ) Временной интервал Δτ_m следования осцилляций Δτ_m = τ_m+1- τ_m (m номер осцилляции) зависит от скорости роста V_m = Δd/Δτ_m. Поскольку приращение толщины Δd, соответствующее изменению фазы на 2π, задается формулой (1), усредненную по интервалу Dt_m скорость роста можно определить как
V_m= λ/(2sinΘ_o·Δτ_m). (19)
Суммарную толщину пленки в любой момент времени рассчитывают из экспериментальной кривой I(τ) по формуле
d(τ) = mΔd + V_m(τ - τ_m). (20)
Значения плотности (ρ_f) и шероховатости σ рассчитывают по контрастности осцилляций путем решения обратной задачи после идентификации каждого нового максимума на экспериментальной кривой.

Пример 1. Необходимо произвести определение толщины, плотности и шероховатости в процессе роста углеродоподобной пленки (r_табл ≈ 2 г/см³) на кремниевой подложке в установке магнетронного распыления в диапазоне толщин от 20 А до 2 мкм. Задана относительная ошибка ζ < 0,05 при времени измерения в одной точке t 1,2
Используя значения массового коэффициента поглощения из [6] рассчитаем по формуле (16) значения d_max для излучений с различными длинами волн (таблица 1).

Из таблицы 1 следует, что анализ углеродоподобной пленки до толщины 2 мкм возможен с применением излучения с длиной волны l < 2,75А.

В качестве источников излучения с длиной волны l < 2,75А были выбраны трубки типа БСВ-22 для рентгеноструктурного анализа с анодами их хрома (l 2,29А), меди (l 1,54А), молибдена (l 0,71А) и серебра (l 0,56А). Измерения I_o, произведенные при напряжении на трубке 40 кВ, позволили вычислить значения инструментального параметра B, а также d_min по формуле (15) (таблица 2).

Из таблицы 2 следует, что условию d_min наилучшим образом удовлетворяет длина волны рентгеновского излучения 1,54 А. При работе в этом излучении полностью перекрывается заданный диапазон толщин [d₁, d₂]
После выбора длины волны 1,54 А выбираем наибольшее из значений q_o, вычисленных по формулам (17) и (18). (Эти значения соответственно составляют 1,1^o и 0,107^o). Выбираем Θ_o 1,1^o.

На фиг. 2 приведена экспериментальная кривая зависимости рентгеновского коэффициента отражения от толщины углеродоподобной пленки, нанесенной на кремниевую пластину методом магнетронного распыления со скоростью V 6 А/с. Глубина первого минимума интенсивности кривой I(d) соответствует рассчитанной теоретически при плотности пленки ρ 1,7 г/см³, однако контрастность следующего за ним пика сильно занижена по сравнению с теоретической кривой. При этом почти вдвое уменьшено и среднее по полупериоду значение интенсивности. Это означает, что на начальной стадии роста происходят резкие изменения параметров растущей пленки. Расчеты по уравнениям (8 12) позволяют выявить резкий рост плотности и шероховатости при увеличении толщины до 50 А. В дальнейшем, вплоть до d 200 А плотность пленки и шероховатость ее поверхности возрастают медленно (фиг. 3), что свидетельствует о стабилизации процесса роста.

Пример 2. Скорость наращивания углеродоподобной пленки сократили втрое (V ≈ 2 А/с) и пытались получить более толстую пленку, не допуская развития рельефа. В начале процесса эксидистантное расположение пиков (фиг. 4а) свидетельствовало о строгом постоянстве скорости роста (V 1,7 А/с), а весьма медленное уменьшение их контрастности о незначительном развитии ростового рельефа. Однако на 150-й секунде при достижении толщины 240 А в процессе произошел сбой, о чем свидетельствовало исчезновение шестого пика (момент сбоя на фигурах отмечен стрелкой). Из фиг. 4б видно, что плотность и шероховатость поверхности после сбоя не изменялись.

Пример 3. Анализ параметров углеродных пленок в процессе осаждения и травления.

Осаждение проводили в аналогичных условиях. Максимальная толщина пленки составляла 70 А. Время измерения в каждой точке было выбрано равным 1,2 с. Выбор угла падения q_o 1^o и излучения λ 1,54 А был проведен аналогичным образом (фиг. 5, кривая 1).

Травление проводили в плазме ВЧ- разряда в кислороде. Полученная кривая I(t) (фиг. 5, кривая 2) представляет собой почти зеркальное отображение кривой, получаемой при нанесении пленки. О полном удалении пленки с поверхности подложки свидетельствует возвращение интенсивности на исходный уровень до начала роста I_s и неизменность этого уровня при дальнейшем травлении. Из таблицы 3 видно, что травление полученной пленки происходит с большей скоростью, чем осаждение.

На фиг. 1 показана схема устройства для контроля параметров пленочного покрытия в процессе роста тонкой пленки на подложке: 1 технологическая установка; 2 источник излучения; 3 коллимационная система; 4 - металлический каркас; 5 входное окно; 6 образец; 7 выходное окно; 8 - детектор; 9 блок регистрации; 10 компьютер; 11 источник распыления; на фиг. 2 экспериментальная (1) и теоретическая (2) кривые зависимости интенсивности отражения от времени нанесения углеродоподобной пленки на кремниевую пластину; на фиг. 3 изменение плотности (r) и микрошероховатости (s) при росте толщины углеродоподобной пленки от 5 до 200 А; на фиг. 4 (а) зависимость интенсивности отражения от времени при осаждении со скоростью 2 А/с; (б) значения плотности r и шероховатости s в зависимости от толщины пленки; на фиг. 5 временная зависимость интенсивности отраженного сигнала в процессе нанесения (1) и стравливания (2) углеродоподобной пленки.

Формула изобретения

1. Способ контроля параметров пленочного покрытия в процессе изменения толщины пленки на подложке, включающий облучение образца зондирующим потоком рентгеновского излучения с длиной волны λ под углом скольжения q_o и регистрацию отраженного сигнала, по числу осцилляций которого определяют толщину покрытия, а по их контрастности микрошероховатость, отличающийся тем, что длину волны λ, и угол скольжения Θ_o, зондирующего излучения выбирают в диапазоне, определяемом системой неравенств
sinΘ_o > d₂·μ(λ);

sinΘ_o > λ/4d₁,
где μ(λ) - линейный коэффициент поглощения материала пленки;
d₁ минеральная толщина анализируемого слоя материала;
d₂ максимальная толщина, до которой производят анализ;
Θ_c - угол Брюстера;
ζ - заданная относительная погрешность измерения интенсивности;
I₀ интенсивность пучка монохроматического излучения, падающего на образец;
τ - время одного измерения.

2. Устройство для контроля параметров пленочного покрытия в процессе изменения толщины пленки на подложке, содержащее источник рентгеновского излучения, коллимационную систему и детектор, отличающееся тем, что в качестве источника рентгеновского излучения использована рентгеновская трубка с характеристическими линиями анода, расположенными в структурном диапазоне длин волн 0,5 2,75А.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в стенках установки для нанесения пленочного покрытия выполнены окна, заполненные материалом, слабо поглощающим рентгеновское излучение, например бериллием, источник, коллимационная система и детектор размещены вне рабочего объема установки для нанесения пленки и расположены с возможностью прохождения зондирующего потока рентгеновского излучения через окна.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что источник с входным коллиматором размещены с возможностью прецизионного вращения вокруг оси, лежащей в плоскости образца и проходящей через его центр, а также параллельного перемещения относительно этой оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6