Способ контроля параметров пленочных покрытий и поверхностей в реальном времени и устройство его осуществления

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля объектов. Устройство состоит из источника рентгеновского излучения и системы регистрации, соединенных с технологической системой. Устройство выполнено с возможностью облучения образца одновременно волнами разной длины, а система регистрации регистрирует отраженное излучение одновременно и независимо двух или большего числа длин волн. Способ выполняется путем облучения образца потоком рентгеновского излучения с двумя длинами волн и одновременной регистрации отраженного потока рентгеновского излучения на этих длинах волн. При этом по наблюдению осцилляции зеркально-отраженного луча определяют изменение толщины пленочного покрытия. Плотность и шероховатость пленки рассчитывается путем подгонки точек на теоретических зависимостях к точкам на экспериментальных зависимостях. Техническим результатом изобретения является возможность получения более объективной информации о топографии поверхности пленочного покрытия и плотности растущего слоя непосредственно при проведении технологического процесса. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области технологии тонких пленок, а именно к способам контроля параметров пленочных покрытий и поверхностей в процессе получения, обработки или другого воздействия (т.е. в реальном времени). Сущность способа состоит в постоянном наблюдении за состоянием физического объекта в течение всего времени воздействия на него. Способ может использоваться при проведении ионно-плазменных, вакуумных и др. технологических процессов для исследования кинетики изменения физических свойств создаваемых пленочных покрытий и(или) поверхностей, отработки технологии их получения, определения скорости роста пленки, толщины нанесенного покрытия, его плотности, шероховатости поверхности пленочного покрытия, а также изменения шероховатости поверхности материала в процессе его очистки, полировки, травления и т.д.

Кроме того, с его помощью можно осуществлять управление технологическим процессом, например останавливать процесс получения пленочных покрытий при достижении ими заданной толщины или определять момент окончания травления.

Известен способ малоугловой рентгеновской дифракции, заключающийся в освещении образца потоком монохроматического рентгеновского излучения с длиной волны λ под разными углами Θ и измерении коэффициента отражения R = f(Θ) [1]. Наиболее распространенным является вариант способа, в котором исследуемая пластина поворачивается на угол от нуля до нескольких градусов, в то время как детектор перемещается с двойной угловой скоростью. Этот способ называется Θ-2Θ сканирование. В качестве анализирующего излучения используются волны длиной По полученной экспериментальной зависимости можно рассчитать толщину пленки, ее декремент преломления {декремент преломления (δ) есть действительное слагаемое комплексной диэлектрической проницаемости (ε) ε = 1-δ+lγ, где γ - коэффициент поглощения и шероховатость поверхности (σ) как пленки, так и подложки}. Декремент преломления в рентгеновском диапазоне пропорционален плотности материала ρ). Недостатком способа является то, что этот способ не применим для исследования слоев непосредственно в технологическом процессе, так как время проведения одного измерения зависимости R = f(Θ) велико.

Известно устройство для измерения R = f(Θ), включающее источник рентгеновского излучения, коллимационную систему, детектор и прецизионную систему их перемещения в пространстве. Данная система позволяет проводить измерения R = f(Θ) с высокой точностью изменения Θ. Однако требуется прецизионное оборудование для вращения образца и детектора, которое не совместимо с технологическим оборудованием.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, заключающийся в измерении коэффициента отражения от системы пленка-подложка при изменении толщины пленки (d). В основу способа положен принцип периодического изменения коэффициента отражения рентгеновского луча от системы пленка-подложка при изменении толщины пленки, обусловленный изменением разности фаз волн, проходящих через пленку [2-4]. Регистрируя зависимость R=f(d), можно по экстремумам определить изменение толщины пленочного покрытия, а по изменению контраста осцилляции и изменению среднего значения коэффициента отражения можно рассчитать изменение среднеквадратической шероховатости поверхности пленки (σ_п) и декремента преломления (δ).

Недостатком данного способа является то, что о толщине, шероховатости и плотности покрытия судят только по изменению зеркально-отраженного от подложки луча (т.е. на основе только одного измерения). Это позволяет прецизионно контролировать только изменение толщины пленочного покрытия. Изменение значений σ_п и ρ приводит в общем случае к одинаковым изменениям на регистрируемой зависимости R= f(d). Поэтому не всегда можно рассчитать значения σ_п и ρ. Известно устройство для контроля параметров пленочных покрытий в процессе роста пленки на подложке, включающее источник рентгеновского излучения с длиной волны λ (характеристическими линиями анода, расположенными в структурном диапазоне длин волн расположенный под углом Θ к подложке, коллимационную систему и детектор, регистрирующий зеркально-отраженный луч. Источник и детектор размещены вне рабочего объема камеры для нанесения пленки, а вход падающего пучка внутрь установки и выход отраженного пучка осуществляют через окна из материала, слабо поглощающего рентгеновское излучение, например бериллия. Источник вместе с входным коллиматором и детектором размещены с возможностью прецизионного вращения вокруг оси, лежащей в плоскости образца и проходящей через его центр, а также плоскопараллельного перемещения относительно этой оси.

Недостатком данного устройства является то, что регистрируется только один зеркально-отраженный луч на одной длине волны. Это не позволяет однозначно определять шероховатость поверхности пленочного покрытия и его плотность.

Раскрытие изобретения.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в получении объективной информации не только о толщине пленочного покрытия, но и о его плотности и шероховатости поверхности непосредственно во время проведения технологического процесса осаждения или травления или иного воздействия, приводящего к изменению его параметров как для слабопоглощающих, так и для сильнопоглощающих рентгеновское излучение материалов.

Это достигается за счет того, что облучение образца осуществляется потоком рентгеновского излучения одновременно двух длин волн; одновременно с регистрацией отраженного излучения регистрируется степень его поляризации и вторичные электромагнитный и электронный поток, поочередно на каждой длине волны направленного на образец рентгеновского излучения; что регистрацию отраженного излучения проводят под несколькими различными углами внутри телесного угла 0-π/2; облучение образца осуществляется потоком расходящегося рентгеновского излучения, сфокусированного в плоскость поверхности образца с одновременной регистрацией степени его поляризации и вторичных электромагнитного и электронного потоков, поочередно на каждой длине волны направленного на образец рентгеновского излучения.

Устройство выполнено с возможностью облучения образца одновременно двумя или большим числом длин волн, а система регистрации регистрирует отраженное излучение одновременно и независимо двух или более длин волн, под одним или несколькими различными углами внутри телесного угла 0-π/2; устройство содержит дополнительные детекторы, регистрирующие вторичное электромагнитное излучение и вторичный поток электронов.

Облучение образца на двух длинах волн одновременно (с достаточно близкими значениями λ позволяет регистрировать две зависимости R₁ = f(d, ρ, σ, λ₁) и R₂ = f(d, ρ, σ, λ₂). Следовательно, объем информации, получаемый от образца в технологическом процессе, удваивается. В результате можно не только более точно рассчитать толщину пленочного покрытия, но и однозначно рассчитать значения плотности и шероховатости. Облучение образца можно осуществить как двумя независимыми рентгеновскими источниками, так и одним источником, излучающим две длины волны.

Если одновременно с регистрацией зеркально-отраженного излучения (на двух длинах волн) проводить регистрацию степени его поляризации, вторичного электромагнитного потока (рентгенофлюресцентного излучения) или электронного потока (фотоэлектронов и оже-электронов), то можно провести элементный анализ пленочного покрытия и определить анизотропию в оптических свойствах.

Если проводить регистрацию не только зеркально-отраженного излучении, но и рассеянного (диффузно-рассеянного) излучения, то можно получить информацию о изменении топографии поверхности пленочного покрытия или поверхности самого образца.

При отражении рентгеновского луча от поверхности объекта контроля наблюдается не только зеркально-отраженный луч, но и рассеянное (диффузное) излучение. Рассеянное излучение возникает за счет того, что поверхность не является идеально гладкой, а имеет некоторый рельеф. Это излучение распределено в широком интервале углов. Именно в форме углового распределения диффузно-рассеянного излучения заключена информация о характере (высоте, распределении и т.д.) шероховатостей на поверхности. Следовательно, измерив индикатрису рассеяния (т. е. распределение отраженного излучения в широком интервале углов ΔΘ-R = f(Θ), включая зеркально-отраженное излучение), можно рассчитать параметры, характеризующие рельеф поверхности (т.е. среднюю квадратическую высоту шероховатостей, распределение шероховатостей по высоте, их шаг и т. д.). Проводя подобные измерения непосредственно в технологическом процессе, можно контролировать изменение топографии поверхности в реальном времени. При этом использование двух или большего числа длин волн рентгеновского излучения позволяет рассчитать не только шероховатость поверхности, но и корреляционную длину. Это особенно важно при исследовании сложных объектов, в частности многослойных непериодических металлических покрытий.

Угловое распределение рассеянного излучения помимо топографии поверхности будет зависеть также от угла падения и длины волны первичного рентгеновского излучения. В частности, если угол падающего на образец излучения Θ больше критического угла полного внешнего отражения Θ_c (ПВО), то индикатриса рассеяния будет иметь два пика: один в направлении зеркального отражения (т. е. также под углом Θ), а другой под углом близким к Θ_c (пик Ионеды). Угловое положение пика Ионеды слабо зависит от угла падения первичного излучения и топографии поверхности. Интенсивность и форма пика Ионеды зависит от топографии поверхности.

Если образец облучается расходящимся потоком рентгеновского излучения в диапазоне углов от Θ₁ до Θ₂ (Θ₁ и Θ₂<Θ_c), то возможности данного способа могут быть существенно расширены. В этом случае зеркально-отраженный поток будет также расходящимся. Измерив коэффициенты отражения на разных длинах волн, получим две угловые зависимости коэффициента отражения R₁ = f(Θ, λ₁) и R₂ = f(Θ, λ₂) в момент времени (t_i), на основе которых можно рассчитать d, σ, ρ. Если угол падения и угловая расходимость луча подобраны таким образом, чтобы отпечаток луча занимал всю плоскость поверхности образца, то регистрируя зеркально-отраженное излучение с помощью позиционно-чувствительного детектора, можно получать информацию о протекании процессов от разных точек на поверхности образца. В частности, если образец облучается не параллельным, а расходящимся потоком рентгеновского излучения в диапазоне углов от Θ₁ до Θ₂ (Θ₁ и Θ₂<Θ_c), то зеркально отраженный поток будет также расходящимся. При этом луч, зеркально-отраженный под произвольным углом Θ_i, будет содержать информацию от конкретной точки на плоскости образца.

Способ иллюстрируется следующими чертежами.

Фиг. 1. Схема технологической системы с устройством контроля параметров пленочных покрытий и поверхностей.

1 - вакуумная камеры; 2 - источник осаждения; 3 - заслонка, 4 - система газонапуска; 5 - направление откачки; 6 - объект контроля; 7 - подложкодержатель; 8 - электродвигатель; 9 - высокочастотный генератор; 10 - бериллиевые окна; 11 - источник рентгеновского излучения; 12 - система формирования луча; 13 - система регистрации; 14 - компьютер.

Фиг.2. Схемы реализации способа контроля параметров пленочных покрытий: а - регистрация только зеркально отраженного от образца излучений; б - регистация как зеркально отраженного, так и рассеянного излучения; с - регистрация зеркально отраженного излучения и вторичного электромагнитного излучения и электронного потока; д - облучение образца расходящимся рентгеновским излучением, сфокусированным в плоскости поверхности образца.

1 - источник рентгеновского излучения с двумя длинами волн; 2 - детектор рентгеновского излучения; 3 - исследуемый образец (подложка, которая подвергается обработке или на которой происходит рост пленочного покрытия); 4 - детектор, регистрирующий рассеянное излучение; 5 - детекторы, регистрирующие вторичное электромагнитное излучение и электронный поток; 6 - позиционно-чувствительный детектор; 7 - фокусирующее зеркало; 8 - система формирования луча, состоящая из коллиматора, щелей и др. оптических элементов.

Фиг. 3. Зависимость интенсивности зеркально-отраженного луча от времени осаждения углеродной пленки на кремниевую подложку: Фиг.4. Рассчитанные значения плотности (ρ) и шероховатости (σ) в зависимости от толщины пленки.

Лучший вариант осуществления изобретения Таким образом, сущность предлагаемого способа состоит в следующем. На поверхность исследуемого объекта под углом Θ с расходимостью ΔΘ направляют поток рентгеновского излучения с длинами волн λ₁ и λ₂. Во время технологического процесса осаждения или травления пленочного покрытия с проводится регистрация коэффициентов зеркально-отраженного излучения на двух длинах волн R₁ и R₂ одновременно от времени проведения процесса осаждения пленочного покрытия. Получают две экспериментальные зависимости R₁ = f(d, ρ, σ, λ₁) и R₂ = f(d, ρ, σ, λ₂). По осцилляциям на зависимостях R₁ и R₂ определяют изменение толщины пленочного покрытия. Определив значение d, рассчитывают значения ρ и σ, по изменению контраста осцилляции зеркально-отраженных лучей и изменению их среднего значения рассчитывают плотность материала.

Расчет параметров пленки начинается после появления первого экстремума на зависимости R₁ = f(d, ρ, σ, λ₁)(λ₁<λ₂). После этого расчет δ и σ можно провести различными способами, в частности путем подгонки значений на теоретических зависимости к значениям на экспериментальных зависимостях R₁ = f(d, ρ, σ, λ₁) и R₂ = f(d, ρ, σ, λ₂). Для осуществления предлагаемого способа на технологическую систему (фиг. 1), состоящую из вакуумной камеры (1) и встроенных в нее источника осаждения (2) с заслонкой (3), систему газонапуска (4) и систему откачки (5), подложкодержателя (7), соединенного с электродвигателем (8) и высокочастотным генератором (9), установлен диагностический модуль, состоящий из источника рентгеновского излучения (11), системы формирования луча (12) и системы регистрации (13), соединенной с компьютером (14). Рентгеновское излучение вводится внутрь вакуумной камеры через бериллиевое окно (10), попадает на поверхность объекта исследования (6), закрепленного на подложкодержателе (7). Отраженное от поверхности образца рентгеновское излучение выходит через второе бериллиевое окно (10) и регистрируется системой регистрации (13).

Для осуществления данного способа берется рентгеновская трубка, у которой анод выполнен из сплава двух материалов (например, серебра и меди) или на поверхность однородного анода нанесена тонкая пленка другого материала. В последнем случае лучший результат будет получен, если материал анода излучает характеристическое излучение с меньшей длиной волны, чем осажденная на него пленка. Примером может служить анод молибдена покрытый медной пленкой
Важно отметить, что разные материалы имеют как разный потенциал возбуждения характеристического излучения, так и разную интенсивность излучения. Кроме того, волны с меньшей длиной имеют меньший коэффициент отражения при одинаковом угле падения. Поэтому химический состав материала анода или толщину нанесенной на него пленки подбирают таким образом, чтобы интенсивности излучений разных длин волн, отраженных от подложки, были приблизительно одинаковыми.

В общем случае интенсивность коротковолнового излучения, выходящего из рентгеновской трубки, должна быть выше. Это достигается за счет большего процентного отношения данного материала в аноде (или большей толщина пленки второго материала на аноде) и подбором условий возбуждения рентгеновского излучения, оптимальных именно для коротковолнового излучения (в частности, соответствующим выбором энергии электронов, которыми облучают анод).

Для одновременной регистрации рентгеновского излучения с двумя длинами волн берется детектор, имеющий необходимое энергетическое разрешение (например, газовый детектор или полупроводниковый детектор).

Отметим, что число используемых длин волн может быть больше двух, или может быть выбран непрерывный спектр рентгеновского излучения.

В общем случае, имея два уравнения R₁ = f(d, ρ, σ, λ₁) и R₂ = f(d, ρ, σ, λ₂) для коэффициентов отражения на разных длинах волн, мы не можем определить все неизвестные параметры. Однако задача облегчается тем, что ρ и σ слабо влияют на положение экстремумов. Расчет параметров пленки можно провести разными способами, в частности методом подгонки теоретических зависимостей к экспериментальным.

Пример 1. Определение d, ρ, σ в процессе осаждения тонкой углеродной пленки на пластину кремния.

Образец (6) крепится к подложкодержателю (7). Рентгеновское излучение с направляется на образец под углом 1 градус с расходимостью ΔΘ≤0.02° (параллельный пучок). Детектор регистрирует отраженное излучение. Вакуумная камера откачивается до остаточного давления 10^-2 мм рт. ст. Далее в камеру через систему газонапуска (4) напускается углеродосодержащий газ (C₆H₁₂) и устанавливается рабочее давление.

Далее включается ВЧ-генератор (9) и происходит рост углеродной пленки на подложке. Экспериментальные зависимости интенсивности отраженного излучения для λ₁ и λ₂ от времени проведения процесса осаждения углеродной пленки показаны на фиг.3 а. Видно, что в процессе роста углеродной пленки зависимости интенсивности отраженного излучения от времени осциллируют с разной периодичностью. Так как γ = 10^-8, то поглощением рентгеновского излучения в углеродной пленке можно пренебречь.

Контролировать толщину пленки можно по точкам экстремумов на зависимости R=f(t) и точкам перегиба, которые расположены между экстремумами.

Период повторения осцилляции (L), и угол падения рентгеновского луча (Θ), и длина волны (λ) связаны уравнением Вульфа-Брэгга [5]:

В частности, при осцилляции на зависимости R₁ = f(d, ρ, σ, λ₁) будут повторяться при увеличении толщины пленки на (d= L•m, где m - порядок интерференционного максимума), а при осцилляции на зависимости и R₂ = f(d, ρ, σ, λ₂) будут повторяться при увеличении толщины пленки на
После достижения толщины процесс роста пленки был остановлен. Рассчитанные значения ρ и σ показаны на фиг. 4. Из фиг. 4 видно, что при росте пленки происходило увеличение плотности пленки. При этом шероховатость поверхности пленки изменилась слабо.

Способ и устройство могут быть реализованы в условиях промышленного производства. Способ применим для контроля параметров поверхностей и однослойных или многослойных пленочных покрытий в случаях, когда их изменение осуществляется за счет изменения толщины пленочного покрытия, а также температуры, обучения электромагнитным излучением или потоком заряженных или нейтральных частиц.

Данный способ можно считать одним из самых универсальных методов контроля параметров тонких пленок, так как он не чувствителен к параметрам вакуумного технологического процесса (методу осаждения, давлению, к составу рабочего газа, параметрам плазмы и т. д.), типу пленки (можно исследовать процесс роста любого металла, полупроводника или диэлектрика) и виду материала подложки. В то же время проведение измерений не оказывает влияния на технологический процесс.

ЛИТЕРАТУРА
1. E.Spiller, Soft X-ray Optics, SPIE Optical Engineering Press, 1994.

2. I. F. Mikhailov, V.I.Pinegin, V.V.Sleptsov, A.M.Baranov, Cryst. Res. Technol., 1995, v. 30, N 5, p. 643-649.

3. A.M.Baranov, S.A.Tereshin, I.F.Mikhailov, Proc. SPIE, 1996, v. 2863, p. 359-367.

4. Патент РФ 2087861 от 13.07.95.

5. Зеркальная рентгеновская оптика, Л.: "Машиностронние", 1989, 463 с.

Формула изобретения

1. Способ контроля параметров пленочных покрытий и шероховатости поверхности в реальном времени, включающий облучение объекта контроля потоком рентгеновского излучения под углом Θ с расходимостью ΔΘ, выходящего из источника рентгеновского излучения и регистрацию отраженного от поверхности образца излучения, отличающийся тем, что облучение образца осуществляется потоком рентгеновского излучения одновременно двух или более длин волн.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с регистрацией отраженного излучения регистрируется степень его поляризации и вторичные электромагнитный и электронный потоки, поочередно на каждой длине волны направленного на образец рентгеновского излучения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что регистрацию отраженного излучения проводят под несколькими различными углами внутри телесного угла 0-π/2.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение образца осуществляется потоком расходящегося рентгеновского излучения, сфокусированного в плоскость поверхности образца с одновременной регистрацией степени его поляризации и вторичных электромагнитного и электронного потоков, поочередно на каждой длине волны направленного на образец рентгеновского излучения.

5. Устройство для контроля параметров пленочных покрытий и шероховатости поверхности в реальном времени, включающее источник рентгеновского излучения, систему формирования рентгеновского луча и систему его регистрации, имеющие возможность плоскопараллельного перемещения в плоскости образца (х-у сканирование) и углового перемещения (Θ-сканирование), соединенные с технологической системой, обеспечивающей изменение параметров пленочных покрытий и поверхностей, отличающееся тем, что источник рентгеновского излучения излучает две или большее число длин волн, а система регистрации регистрирует отраженное излучение двух или более длин волн, под одним или несколькими различными углами внутри телесного угла 0-π/2 одновременно и независимо.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно содержит дополнительные детекторы, регистрирующие вторичное световое излучение и вторичный поток электронов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4