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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren zur Messung
von Eigenschaften einer Probe mit den folgenden Schritten:
- – Bestrahlen
eines Teils der Probe mit einem Anregungsmuster, das mindestens
eine räumliche Phase
und räumliche
Periode hat,
- – Beugen
eines Teils eines Sondenstrahlenbündels weg von einer Oberfläche der
Probe,
- – Erkennen
des gebeugten Teils des Sondenstrahlenbündels mit einem optischen Detektor,
um ein lichtinduziertes Signal zu erzeugen, und
- – Verarbeiten
des lichtinduzierten Signals, um eine Eigenschaft der Probe zu bestimmen.
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Die
Erfindung bezieht sich auch allgemein auf Geräte zum Ausführen derartiger Verfahren.
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Ein
vollkommen optisches Messverfahren mit der Bezeichnung impulsstimulierte
thermische Streuung (Impulsive Stimulated Thermal Scattering, ISTS)
misst eine Vielzahl von verschiedenen Materialeigenschaften, zum
Beispiel die Schichtdicke. Bei der ISTS überlappen sich zwei oder mehr
Anregungslaserstrahlenbündel
von einem Anregungslaser zeitlich und räumlich auf einer Oberfläche einer Probe,
um ein räumlich
variierendes optisches Interferenzmuster zu bilden. Das Anregungslaserstrahlenbündel besteht
aus einer Reihe von kurzen (z.B. wenige hundert Pikosekunden) optischen
Impulsen mit einer Wellenlänge
innerhalb des Absorptionsbereichs der Probe. Das Anregungsmuster
verfügt über abwechselnde „helle" (d.h. konstruktive
Interferenz) und „dunkle" (d.h. destruktive
Interferenz) elliptische Regionen mit einem Abstand, der von der
Wellenlänge
der Laserstrahlenbündel
und dem Winkel zwischen ihnen abhängt. Die hellen Regionen des
Musters erwärmen
die Probe und veranlassen sie dazu, sich thermisch auszudehnen.
Hierdurch werden kohärente,
sich entgegengesetzt ausbreitende akustische Wellen verursacht,
deren Wellenlänge
und Richtung dem Muster entsprechen.
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Bei
opaken Schichten (z.B. Metallschichten) erzeugen die akustischen
Wellen ein zeitabhängiges Welligkeitsmuster
auf der Schichtoberfläche,
das mit einer oder mehreren akustischen Frequenzen (typischerweise
wenige hundert Megahertz) oszilliert. Die akustische Frequenz hängt von
Schichteigenschaften wie Dicke, Dichte und Elastizitätsmodul
ab. Ein Sondenstrahlenbündel
wird dann von der Welligkeit weggebeugt, um eine Reihe von Signalstrahlenbündeln zu
bilden, die jeweils mindestens eine bestimmte Beugungsordnung darstellen
(z.B. die Ordnungen +1, –1,
+2 oder –2).
Die Signalstrahlenbündel
oszillieren in der Intensität
mit der akustischen Frequenz oder einem Vielfachen hiervon, oder
mit Summen oder Differenzen von akustischen Frequenzen, wenn mehrere
vorhanden sind. Ein oder mehrere Signalstrahlenbündel werden erkannt und überwacht,
um die Eigenschaften der Probe zu messen.
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Der
Einsatz von ISTS zum Messen der Schichtdicke und einer Vielfalt
an anderen Eigenschaften ist zum Beispiel in der angemeldeten und erschienenen
US-amerikanischen
Patentschrift Nr. 5.633.711 (mit dem Titel MEASUREMENT OF MATERIAL
PROPERTIES WITH OPTICAL INDICED PHONONS); in der US-amerikanischen
Patentschrift Nr. 5.546.811 (mit dem Titel OPTICAL MEASUREMENT OF
STRESS IN THIN FILM SAMPLES) und in dem US-amerikanischen Dokument
mit der Seriennummer 08/783.046 (mit dem Titel METHOD AND DEVICE
FOR MEASURING FILM THICKNESS, eingereicht am 15. Juli 1996) beschrieben.
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Die
mit ISTS gemessene Schichtdicke kann als ein Parameter zur Qualitätssteuerung
während und/oder
nach der Herstellung von mikroelektronischen Vorrichtungen verwendet
werden. Bei diesen Vorrichtungen werden dünne Schichten aus Metall und
Metalllegierungen auf Siliziumwafern aufgebracht und als elektrische
Leiter, als adhäsionsfördernde
Schichten und Diffusionsgrenzen genutzt. Metallschichten aus Kupfer,
Wolfram und Aluminium werden zum Beispiel als elektrische Leiter
und Verbindungen benutzt, Titan und Tantal als adhäsionsfördernde
Schichten und Titan:Nitrid und Tantal:Nitrid als Diffusionsgrenzen.
Die Dickeschwankungen in den Metallschichten kann ihre elektrischen
und mechanischen Eigenschaften modifizieren und dadurch das Leistungsvermögen der
Vorrichtungen, in denen sie eingesetzt werden, beeinträchtigen.
Um Metallschichten in einem Herstellungsprozess effizient zu überwachen,
müssen
daher ISTS-Schichtdickenmessungen außerordentlich wiederholbar,
präzise und
genau sein. Dieses Verfahren ist durch die folgenden zusätzlichen
Schritte gekennzeichnet:
- – Dithering der räumlichen
Phase des Anregungsmusters,
- – während des
Dithering-Prozesses Wiederholen des Bestrahlens, Beugens und Detektierens
bei einer räumlichen
Phase, die sich von der ersten genannten räumlichen Phase unterscheidet,
um mindestens ein zusätzliches
lichtinduziertes Signal zu erzeugen, und
- – Mittelung
aller lichtinduzierten Signale, um ein gemitteltes lichtinduziertes
Signal zu erhalten, und Verarbeiten des gemittelten lichtinduzierten Signals,
um eine Eigenschaft der Probe zu bestimmen.
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Durch
Dithering der räumlichen
Phase des Anregungsmusters und Durchführen einer Messung für jede Phase
des Anregungsmusters erzielt man eine erhebliche Verbesserung der
Verfahren. Das Dithering der räumlichen
Phase kann durch „Dithering" eines optischen
oder mechanischen Elements in dem für ISTS verwendeten System realisiert
werden. In diesem Fall ist „Dither" definiert als jegliche Bewegung
oder Modulation einer Komponente, die eine räumliche Phase des Anregungsmusters ändert. Durch
Mittelung aller lichtinduzierten Signale erhält man ein gemitteltes lichtinduziertes
Signal. In der bevorzugten Ausführungsform
besteht das Muster aus abwechselnden hellen und dunklen Regionen
wie oben beschrieben, die ungefähr
parallel sind. Eine Änderung
der räumlichen
Phase des Anregungsmusters bedeutet, dass die Positionen der hellen
und dunklen Regionen des Anregungsmusters gemeinsam relativ zu der
Oberfläche
der Probe bewegt werden. Die Änderung
der räumlichen
Phase infolge des Dither erfolgt vorzugsweise in einer Richtung
senkrecht zur Ausrichtung der langen Achse der elliptischen hellen
und dunklen Regionen. Die Ausdrücke „Phase" und „räumliche
Phase" werden hier
in Hinblick auf das Anregungsmuster austauschbar verwendet.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Gerät zum Ausführen des Verfahrens und das
Folgendes umfasst: eine erste Lichtquelle, die einen optischen Anregungsimpuls
erzeugt; ein optisches System, das so ausgerichtet ist, dass es
den optischen Anregungsimpuls empfängt, ihn in mindestens zwei
optische Impulse aufteilt und mindestens zwei optische Impulse auf
eine Oberfläche
der Probe fokussiert, um ein Anregungsmuster zu erzeugen, das mindestens eine
räumliche
Phase und räumliche
Periode hat; eine zweite Lichtquelle, die ein Sondenstrahlenbündel erzeugt,
welches von der Probe weggebeugt wird; einen optischen Detektor,
der den weggebeugten Teil des Sondenstrahlenbündels erkennt, um ein lichtinduziertes
Signal zu erzeugen; und einen Prozessor, der konfiguriert ist, um
das lichtinduzierte Signal von dem optischen Detektor zu verarbeiten
und eine Eigenschaft der Probe zu bestimmen, gekennzeichnet durch
eine Phasen-Dithering-Komponente, die die räumliche Phase des Anregungsmuster
einem Dithering unterzieht, während
die Probe gemessen wird; wobei der Prozessor weiterhin konfiguriert ist,
um das Wiederholen des Bestrahlens, des Beugens und des Detektierens
bei einer räumlichen
Phase zu steuern, die sich von der ersten genannten räumlichen
Phase unterscheidet, um mindestens ein zusätzliches lichtinduziertes Signal
zu erzeugen; und wobei der Prozessor auch konfiguriert ist, um alle lichtinduzierten
Signale zu mitteln, um somit ein gemitteltes lichtinduziertes Signal
zu erlangen, und um das gemittelte lichtinduzierte Signal zu verarbeiten, um
eine Eigenschaft der Probe zu bestimmen.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
genannt.
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Die
Erfindung bietet viele Vorteile. Im Allgemeinen wird durch den Einsatz
von Dithering zum Variieren der Phase des Anregungsmusters während einer
Messung die Genauigkeit der ISTS-basierten Dickenmessungen verbessert:
selbst sehr rauhe Schichten oder Schichten mit Regionen, die Bereiche enthalten,
welche die Strahlung streuen, können
genau gemessen werden. Bei dieser Anwendung erkennt ISTS kleine
Schwankungen in der Dicke von dünnen
Schichten, die ihre Funktionen in mikroelektronischen Vorrichtungen
beeinträchtigen
können.
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Die
Verbesserung der Genauigkeit ist vor allem bei Mehrpunktmessungen
offensichtlich. Diese Messungen umfassen die Durchführung von
Dickenmessungen von mehreren Punkten innerhalb eines gegebenen Bereichs.
Beispiele für
Mehrpunktmessungen sind unter anderem: 1) „Linien-Scans", mit denen mehr
als ein Punkt auf einer Linie auf der Oberfläche einer Schicht gemessen
wird, z.B. entlang des Durchmessers oder Randes einer Schicht; und
2) „Konturkarten" basierend auf einer
zweidimensionalen Anordnung von Punkten, die in einem Bereich (z.B.
einem Kreis, Quadrat oder Rechteck) auf der Schicht gemessen werden.
Während
dieser Mehrpunktmessungen wird durch das Dithering einer Komponente
des optischen Systems die Standardabweichung der von jedem Punkt
gemessenen Dicke verringert und dadurch die Gesamtgenauigkeit der Messung
erhöht.
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In
einem allgemeineren Sinn verbessert die Erfindung ein vollkommen
optisches, berührungsloses
Messverfahren, das die Dicke von dünnen Schichten in ein- und
mehrschichtigen Strukturen effizient misst, zum Beispiel ISTS. Die
Dickewerte können
dann benutzt werden, um einen Herstellungsprozess (z.B. Herstellung
einer mikroelektronischen Vorrichtung) zu steuern. Das Gerät verfügt über alle
Vorteile der optischen Metrologie: jede Messung erfolgt berührungslos,
schnell (typischerweise weniger als 1 oder 2 Sekunden pro Punkt)
und abgesetzt (das optische System kann bis zu 10 cm oder mehr von
der Probe entfernt sein), und sie kann über eine kleine Region (nur
ca. 20 Mikron) durchge führt
werden. Neben der Schichtdicke können
durch die Anwendung des Dithering auch andere Eigenschaften genauer gemessen
werden.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung werden ohne Anspruch auf Vollständigkeit
unter Bezugnahme auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen
erläutert.
Es zeigen:
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1A ein
optisches System zur Durchführung
der ISTS-Messung, das eine geditherte Phasenmaske gemäß der Erfindung
umfasst;
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1B eine
Nahansicht der geditherten Phasenmaske aus 1A;
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1C eine
schematische Seitenansicht des Musters auf der Phasenmaske aus 1A;
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2A eine
Darstellung der Signalintensität als
Funktion der Zeit für
eine Signalwellenform, die von einer Kupfer/Tantal:Nitrid/Oxid-Struktur
auf einem Siliziumwafer gemessen wurde;
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2B die
Fourier-Transformation von 2A;
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3A und 3B Darstellungen
der Schichtdicke als Funktion einer Position erzeugt von einer linearen
Mehrpunktmessung, die mit bzw. ohne Dithering der Phasenmaske aus 1A durchgeführt wurde;
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4A eine
schematische Seitenansicht einer geditherten Probenhalterung;
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4B eine
schematische Seitenansicht eines geditherten Anregungslasers; und
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4C eine
schematische Seitenansicht eines akusto-optischen Modulators, der
das Anregungsstrahlenbündel
erfindungsgemäß dem Dithering
unterzieht.
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Bezug
nehmend auf die 1A–C nutzt ein optisches System 50 ISTS,
um die Dicke einer dünnen
Schicht 10 zu messen, die auf ein Substrat 11 aufgebracht
ist. Ähnliche
optische Systeme sind in den US-amerikanischen Patentschriften 5.633.711 (mit
dem Titel MEASUREMENT OF MATERIAL PROPERTIES WITH OPTICALLY INDICED
PHONONS); 5.546.811 (mit dem Titel OPTICAL MEASUREMENT OF STRESS
IN THIN FILM SAMPLES) und dem Dokument US.SN 08/783.046 (mit dem
Titel METHOD AND DEVICE FOR MEASURING FILM THICKNESS, eingereicht
am 15.7.1996) beschrieben. Das System 50 umfasst einen
Laser 52, der einen Anregungsimpuls 12 emittiert,
der zum Beispiel einen Strahlenteiler 65 durchquert. Der
Strahlenteiler 65 reflektiert einen Teil des Impulses in
einen langsamen Fotodetektor 67, um einen elektrischen
Impuls zu erzeugen, der ein Datenerfassungssystem (nicht in der
Figur abgebildet) auslöst.
Der Rest des Anregungsimpulses 12 durchquert den Strahlenteiler 65 und
trifft auf ein kollimierendes Linsensystem 60 und ein fokussierendes
Linsensystem 64 auf, zum Beispiel eine zylindrische Linse,
die den Impuls auf eine Phasenmaske 62 fokussiert.
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Bezug
nehmend auf die 1B–1C und gemäß der Erfindung
ist die Phasenmaske 62 an einer motorgetriebenen Bühne 16 angebracht,
die während
der Messung ein Dithering in Vor- und Rückwärtsrichtung durchführt, um
die Maske 62 horizontal relativ zu der Ausbreitung des
Anregungsimpulses 12 zu verschieben. Wie durch den Pfeil 63' angegeben,
wird das Dithering typischerweise in einer zeitabhängigen,
periodischen Weise (z.B. einer sinusförmigen Weise) durchgeführt. Während des
Dithering bestrahlt der Anregungsimpuls 12 ein Muster 66 auf der
Phasenmaske 62, die aus Glas besteht, welches so geätzt wurde,
dass es die Regionen 88a, 88b mit unterschiedlicher
Dicke enthält.
Wie durch den Pfeil 67 in 1C angegeben,
sind die Regionen 88a, 88b in der Ebene der Maske
des Laserimpulses 12 durch einen Abstand (typischerweise
zwischen 1 und 50 Mikron) voneinander getrennt, der kleiner ist
als eine Brennfleckgröße. Die
Brennfleckgröße ist typischerweise
elliptisch mit Abmessungen von ca. 20 × 200 Mikron; die lange Achse
der Ellipse erstreckt sich orthogonal zu den Ausmaßen der
Regionen 88a, 88b. Während typischer Anwendungen
wird die Phasenmaske mit einer Geschwindigkeit von ca. 50 Mikron/s über einen
Bereich von ca. 0,01 mm–2,0
mm vorwärts
und rückwärts verschoben.
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Der
Bereich des Dithering entspricht typischerweise dem Abstand des
Musters auf der Phasenmaske, oben als zwischen 1 und 50 Mikron liegend
beschrieben. Im Allgemeinen wird bevorzugt, dass das Dithering der
Phasenmaske die räumliche Phase
des Anregungsmusters auf inkrementelle Weise von 0° bis 180° oder einem
Vielfachen hiervon variiert. Da das Anregungsmuster vorzugsweise
eine Sequenz von parallelen hellen und dunklen Regionen ist, bedeutet
dies, dass sich während
des Dithering die hellen Regionen dorthin bewegen, wo die dunklen
Regionen waren, und dass sich die dunklen Regionen dorthin bewegen,
wo die hellen Regionen waren, und wieder zurück.
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Bei
dieser Konfiguration beugt das Muster 66 den Impuls 12 in
zwei Anregungsimpulse 12a, 12b, die in einem Winkel θ von der
Maske 62 divergieren. Während
des Betriebs bewirkt das Dithering der Phasenmaske, dass die Position
der Regionen 88a, 88b zeitabhängig relativ zu dem elliptischen
Laserfleck variiert. Dieser Prozess moduliert die optische Phase jedes
Anregungsimpulses 12a, 12b und damit die Phase
der hellen und dunklen Regionen des Anregungsmusters, wenn sich
die Anregungsimpulse auf der Probenoberfläche überlappen. Während einer
typischen Messung erfolgt das Ditherung mit einer Frequenz (typischerweise
100–1000
Hz), die höher
ist als die Datenerfassungsfrequenz (typischerweise 10–500 Hz)
der ISTS-Messung, so dass innerhalb jedes Dithering-Zyklus mehrere ISTS-Messungen durchgeführt werden.
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Erneut
Bezug nehmend auf 1A divergieren die Anregungsimpulse 12a, 12b von
der Phasenmaske 62 und bestrahlen ein achromatisches Linsenpaar 70 mit
einer Brennweite f. Das Linsenpaar 70 fokussiert die Impulse 12a, 12b unter
dem gleichen Winkel θ auf
die Schicht 10, unter dem die Impulse von der Phasenmaske
divergieren. Das Linsenpaar 70 überlappt die Impulse auf einer
Oberfläche 49 der
Schicht 10, so dass eine optische Interferenz entsteht,
um ein räumlich
periodisches Anregungsmuster 15 zu bilden. Das Muster 15 weist
ungefähr
50 abwechselnde helle und dunkle Regionen auf. Das Linsenpaar befindet
sich in einem Abstand von 2f von der Phasenmaske entfernt, so dass
das Anregungsmuster 15 eine räumliche Frequenz hat, die der
räumlichen
Frequenz des Musters 66 auf der Phasenmaske entspricht
(d.h. das achromatische Linsenpaar führt ca. eine 1:1-Bildgebung durch).
Das Dithering der Phasenmaske wie oben beschrieben justiert die
räumliche
Phase des Anregungsmusters relativ zu der Probe auf zeitabhängige Weise, ändert aber
nicht seine räumliche
Frequenz.
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Während einer
ISTS-Messung absorbiert die Schicht die hellen Regionen in dem Muster 15 und dehnt
sich daraufhin thermisch aus, um sich entgegengesetzt ausbreitende
akustische Wellen zu verursachen. Die akustischen Wellen bilden
ein „transientes
Grating", das die
Oberfläche
der Schicht bei der akustischen Frequenz modifiziert (z.B. durch
Erzeugen einer zeitabhängigen
Oberflächenwelligkeit
oder Brechungsindexänderung).
Einmal initiiert, werden die akustischen Wellen mit einem Sondenstrahlenbündel 20 gemessen,
das von einem Sondenlaser 54 emittiert wird. Das Sondenstrahlenbündel 20 durchquert
eine kollimierende Linse 55 und eine Linse 71, die
das Strahlenbündel
so fokussiert, dass es die Oberfläche der Schicht bei oder nahe
dem Muster bestrahlt. Ein Teil des Sondenstrahlenbündels wird von
den Oberflächenwellen
weggebeugt, um ein gebeugtes Signalstrahlenbündel 20' zu bilden, das eine Linse 76 durchquert
und auf einen schnellen Fotodetektor 80 auftrifft. Der
Fotodetektor 80 erkennt das gebeugte Strahlenbündel 20' und erzeugt
ein lichtinduziertes elektrisches Signal, das durch das Datenerfassungssystem
verarbeitet wird, um eine Datenabtastung zu erzeugen, die mit der
akustischen Frequenz moduliert wird. Der Ausdruck „Datenabtastung" wird hier verwendet,
um eine einzelne Messung anzugeben.
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Während einer
typischen Messung mittelt ein Computer (nicht in der Figur abgebildet)
mehrere Datenabtastungen (typischerweise 50–500 Abtastungen) von einem
einzelnen Fleck, um eine Signalwellenform 100 zu erzeugen,
wie sie in 2A dargestellt ist. Bei dieser
Anwendung wird also die Phasenmaske innerhalb der ISTS-Messung einem
Dithering unterzogen. Die mittelwertbildenden Datenabtastungen führen auf
diese Weise zu Daten mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis (typischerweise
1 Teil auf 100.000). Die in 2A gezeigte
Signalwellenform 100 wurde von einer nominellen 5185-Angström-Kupfer/250-Angström/1000-Angström Oxid-Struktur
auf einem Siliziumwafer gemessen und zeigt eine ISTS-Signalintensität SI (in
Millivolt) als Funktion der Zeit T (in Nanosekunden). Die Fourier-Transformation 101 der
Signalwellenform 100 ist durch die Kurve in 2B dargestellt.
Diese Figur zeigt die Leistung P (in willkürlichen Einheiten) als Funktion
der Frequenz Fr (in MHz). Diese Daten geben an, dass die Frequenz
der Signalwellenform und damit die Frequenz der akustischen Mode
in diesem Fall ca. 270 MHz beträgt.
Um die Schichtdicke zu bestimmen, wird diese akustische Frequenz
durch einen Computer gemeinsam mit dem Inversen des Abstands zwischen
den hellen und dunklen Regionen des Anregungsmusters (d.h. dem Wellenvektor)
und der Dichte des Films sowie den Schallgeschwindigkeiten analysiert,
wie in den oben erwähnten
Referenzschriften beschrieben. Der Analyseprozess ist zum Beispiel
in der US-amerikanischen Patentschrift 5.633.711 beschrieben. Die
Messungen können
bei einzelnen oder mehreren Punkten entlang der Probenoberfläche erfolgen.
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Die 3A und 3B zeigen,
wie das Dithering der Phasenmaske die positionsabhängige Dickenmessung
mit dem oben beschriebenen Verfahren verbessert. Auf der y-Achse
ist in beiden Figuren die Dicke Th (in Angström) aufgetragen und auf der
x-Achse der Abstand (in mm). Die Daten für die Figuren wurden anhand
der in 2 beschriebenen Probe über einen
linearen Abstand von 0,035 mm mit Dithering (3A) und
ohne Dithering (3B) erfasst. Um die positionsabhängigen Dickenmessungen
durchzuführen,
wurde alle 0,5 Mikron eine ISTS-Messung vorgenommen. Wie aus den
Daten hervorgeht, ist die Messung der Schichtdicke mit einer geditherten
Phasenmaske gleichmäßiger (mit
einem Gesamtbereich von ca. 75 Angström) als eine ähnliche
Messung ohne Dithering (mit einem Gesamtbereich von mehr als 2000
Angström).
Der Fachkundige wird sofort erkennen, dass die Dickenablenkungen
in 3b keine genaue Darstellung der Dicke der Kupferschicht
sind, während
die in 3a gezeigten typischer sind.
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Andere
Ausführungsformen
liegen im Rahmen der oben beschriebenen Erfindung. Mit anderen Worten,
es können
andere Komponenten des optischen Systems be wegt oder verändert werden,
um die gewünschte
Variation der räumlichen
Phase des Anregungsmusters zu erzielen. In jedem Fall wird bevorzugt,
die Komponente einem solchen Dithering zu unterziehen, dass die
räumliche
Phase des Anregungsmusters zwischen 0° und 180° variiert.
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Insbesondere
Bezug nehmend auf 4A kann die Phase des Anregungsmusters
auf zeitabhängige
Weise justiert werden, indem man eine Probenhalterung 13 verschiebt,
die das Dithering horizontal in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ausführt (wie
durch den Pfeil 14 angegeben). Dieses Verfahren ist analog
dem Dithering der Phasenmaske, da es die räumliche Phase des Anregungsmusters 15 relativ
zur Probenoberfläche 49 justiert.
In diesem Fall wird die Probenhalterung 13 über eine
Strecke und mit einer Geschwindigkeit verschoben, die den für die geditherte
Phasenmaske aus den 1A und 1B beschriebenen
Werten ähnlich
sind.
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Bezug
nehmend auf 4B werden in einer anderen Ausführungsform
des Anregungslasers 52, ein Spiegel (nicht abgebildet),
eine Linse (nicht abgebildet) oder eine Kombination von diesen oder
anderen Komponenten in dem optischen System gedithert (wie durch
den Pfeil 17 angegeben), um das gleiche Ergebnis wie beim
Dithering der Phasenmaske wie oben beschrieben zu erhalten. Wieder
sind der Bereich und die Geschwindigkeit des Dithering ähnlich wie
unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschrieben.
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Im
Allgemeinen erfolgt das Dithering durch Bewegen eines Elements des
Systems (z.B. der Phasenmaske) mit einer motorbetriebenen Bühne oder dergleichen,
die jede Art von elektrischem Signal empfängt. Das Signal kann eine sinusförmige, sägezahnförmige, rechteckige,
zufällige
oder eine andere Art von Wellenform zwischen 0,1 und 1000 Hz haben.
Die motorbetriebene Bühne
kann durch jede bewegliche Komponente ersetzt werden, zum Beispiel eine
piezoelektrische Vorrichtung.
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Wie
in 4C dargestellt, kann das Dithering alternativ
erfolgen, indem ein elektro-optischer (z.B. Pockels-Zelle) oder
akusto-optischer (z.B. Bragg-Zelle) Modulator 47 in den
Pfad von einem der Anregungsimpulse aus 4B platziert
wird. In diesem Fall variiert der Modulator, wie dies in der Technik
bekannt ist, die Phase des eintreffenden Impulses 12 und
erzeugt gleichzeitig zwei Anregungsimpulse 12a, 12b.
Wenn sie sich auf der Probe überlappen, bilden
diese Impulse ein Anregungsmuster, das als Funktion der Zeit variiert.
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In
einer anderen Ausführungsform
können andere
optische Systems als in 1 dargestellt
verwendet werden, die eine Phasenmaske zum Erzeugen eines Anre gungsfeldes
zum Anregen akustischer Wellen benutzen, und es kann eine Reflexionsmode-Geometrie zum Messen
der Wellen verwendet werden. Derartige Systems werden zum Beispiel
in dem Dokument US.SN 08/885.555 (mit dem Titel IMPROVED TRANSIENTGRATING
METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING MATERIAL PROPERTIES) beschrieben.
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Auf ähnliche
Weise kann die Phasenmaske durch ein ähnliches optisches Beugungselement
ersetzt werden, zum Beispiel eine Amplitudenmaske, ein Beugungsgitter,
einen elektro-optischen Modulator oder irgendeine Kombination oder
dergleichen hiervon, um die Strahlenbündel zu erzeugen, die das Anregungsmuster
bilden. Das Beugungselement kann Muster umfassen, die gleichzeitig
mehr als eine räumliche
Frequenz erzeugen, ein Anregungsmuster, das nicht-periodisch ist,
oder ein Anregungsmuster, das helle Regionen enthält, die
andere Formen als eine Reihe von parallelen Linien sind. Das Beugungselement
kann zum Beispiel ein Anregungsmuster erzeugen, das aus einer Reihe
von konzentrischen Kreisen, Ellipsen oder anderen Formen besteht.
Andere akzeptable Muster für
Beugungsmasken sind in der US-amerikanischen Patentschrift 5.734.470
mit dem Titel DEVICE AND METHOD FOR TIME-RESOLVED OPTICAL MEASUREMENTS
beschrieben. In derartigen Fällen
kann das Dithering von Komponenten zu einer Veränderung in dem Anregungsmuster
führen,
die sich etwas von der Veränderung
unterscheidet, die für
die parallelen hellen und dunklen Regionen beschrieben wurde. Dennoch
kann eine Bewegung eines derartigen Anregungsmusters bei einer etwas
höheren
Frequenz als der Datenerfassungsfrequenz mit vorteilhaften Auswirkungen
erreicht werden.
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Auf ähnliche
Weise kann jeder geeignete Laser verwendet werden, um Anregungs-
und Sondenstrahlung zu erzeugen. Typischerweise sind die Anregungs-
und Sondenlaser ein diodengepumpter Nd:YAG/Cr+4:YAG-Mikrochip-Laser
bzw. ein Diodenlaser, obwohl andere Laser verwendet werden können. Der
Anregungslaser kann zum Beispiel ein Titan:Saphir-, Chrom:LISAF-,
Ring- oder Faserlaser sein.
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Bei
noch weiteren Ausführungsformen
kann die Signalwellenform analysiert werden, um andere Eigenschaften
der Probe als die Dicke zu bestimmen. Zum Beispiel kann die akustische
Frequenz benutzt werden, um Adhäsion,
Dichte, Steifigkeit, Elastizität, Oberflächenrauheit
und andere mechanische oder physikalische Eigenschaften einer dünnen Schicht
zu bestimmen. Zusätzlich
können,
Delaminierung, andere Teile der Signalform als die Frequenz, analysiert werden,
um andere Eigenschaften der Probe zu bestimmen. Zum Beispiel kann
die Gestalt der Wellenform analysiert werden, um den Grad der Adhä sion, Oberflächenrauheit
oder die Zusammensetzung von einer oder mehreren der Schichten in
der Struktur zu bestimmen.
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Andere
Eigenschaften, die anhand der Wellenform gemessen werden können, sind
unter anderem Eigenschaften von ionenimplantierten Siliziumwafern,
zum Beispiel die Konzentration und Energie der implantierten Ionen.
Messungen dieser Eigenschaften sind zum Beispiel in den Dokumenten US.SN
08/783.046 (mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING IONS
IMPLANTED IN SEMICONDUCTOR MATERIALS) und US.SN 08/885.555 (mit
dem Titel IMPROVED METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING IONS IMPLANTED
IN SEMICONDUCTOR MATERIALS) beschrieben.
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Verfahren
und Gerät
der Erfindung können eingesetzt
werden, um eine Vielzahl von Strukturen zu messen. Zum Beispiel
ist das Verfahren besonders effizient für die Bestimmung der Dicke
von Metallschichten in der Mikroelektronik-Industrie. Derartige
Metallschichten sind unter anderem Aluminium, Kupfer, Wolfram, Titan,
Tantal, Titan:Nitrid, Tantal:Nitrid, Gold, Platin, Niob und Legierungen
hiervon. Diese Metalle können
in einschichtigen und mehrschichtigen Strukturen enthalten sein.
Andere Materialien, die gemessen werden können, sind unter anderem Halbleiter
(z.B. Silizium, GaAs und Derivate hiervon), Polymere, diamantartige
Beschichtungen und vergrabene transparente Schichten.
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Noch
weitere Ausführungsformen
liegen im Rahmen der folgenden Ansprüche.