RU2006985C1 - Способ измерения и контроля параметров слоев микросхем и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Использование: в контрольно-измерительной технике, в частности в устройствах для измерения и контроля параметров пленок и микросхем в электронике, магнитооптике, оптоэлектронике, а также в производстве полупроводниковых, пленочных и гибридных микросхем. Сущность изобретения: для измерения параметров используют явление генерации второй гармоники (ВГ) при отражении лазерного излучения от контролируемой поверхности, обладающего высокой чувствительностью к кристаллографической структуре приповерхностных слоев и физико-химическим процессам в нем. Способ предусматривает измерение зависимости отношения интенсивностей рассеянного излучения на основной частоте и частоте ВГ от угла поворота подложки и при ее перемещении с последующим сравниванием полученных данных с эталонным образцом. Это сравнение показывает степень однородности слоя. 2 с. п. и 10 з. п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, используемой в производстве приборов и устройств на основе тонкопленочных структур для микроэлектроники, магнитооптики, оптоэлектроники, в особенности в производстве полупроводниковых, пленочных и гибридных микросхем.

Известен оптический способ определения параметров микросхем, основанный на явлении интерференции монохроматического излучения (1), по которому лазерное излучение, сфокусированное до ≈ 100 мкм, падает на пленку, расположенную на подложке и подвергаемую травлению. Излучение испытывает отражение от двух поверхностей пленки. Отраженное излучение регистрируется, преобразуется в электрический сигнал и поступает в компьютер. Система позволяет производить сканирование лазерного луча. Изменение интенсивности отраженного излучения при травлении поверхности и после него позволяет контролировать толщину пленки, определять ее пространственную неоднородность.

Недостатками способа являются ограниченность контролируемых параметров, невозможность измерения толщины пленки меньшей длины волны светового излучения, низкая точность измерения.

Известен нелинейно-оптический способ измерения дозы имплантации, по которому предлагается регистрировать интенсивность отраженного от полупроводниковой пластины лазерного излучения на частоте третьей гармоники.

Недостаток способа состоит в ограниченности контролируемых параметров.

Наиболее близким по техническому решению и возможному применению является способ (3), основанный на регистрации рассеянного лазерного излучения от поверхности подложки с микросхемой или пленкой при сканировании лазерного луча или перемещении подложки и связанный с обработкой интенсивности регистрируемого рассеянного излучения компьютером к фиксированному положению подложки.

К недостаткам способа относится ограниченность контролируемых параметров, низкая чувствительность к кристаллографической структуре поверхности, ее физико-химическому состоянию, незначительная разрешающая способность и точность измерения по контролируемым параметрам.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей оптических способов измерения и контроля параметров пленок и микросхем, создание способа прямого, дистанционного, неразрушающего измерения и контроля, обладающего высокой чувствительностью к состоянию технологического слоя на поверхности подложки, дающего оперативную, быстро обрабатываемую и легко интерпретируемую информацию о состоянии технологического слоя с высокой точностью и разрешением, что позволяет создать на основе способа универсальную высокоэффективную автоматизированную систему контроля качества в производстве микросхем, тонкопленочных структур.

Цель достигается за счет использования явления генерации второй гармоники (ВГ) при отражении лазерного излучения от контролируемой поверхности.

Сравнение с прототипом показывает, что указанная совокупность отличительных признаков не содержится в аналогах, откуда следует, что данное техническое решение удовлетворяет критерию "новизна".

Сопоставление с прототипом выявило, что данное техническое решение не содержит совокупности отличительных признаков прототипа. Таким образом, техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Изобретение основано на следующих физических явлениях. Воздействие мощного импульсного лазерного излучения на частоте ω на границу двух сред приводит к ее поляризации

=

, в которой выделяется линейная поляризация единицы объема приграничного слоя

=

, пропорциональная вектору напряженности электромагнитного поля

падающего лазерного излучения,

- тензор линейной восприимчивости границы раздела, и нелинейная поляризация единицы объема приграничного слоя

=

+

+ . . . , нелинейно зависящая от напряженности электромагнитного поля

,

,

. . . - тензоpы нелинейной восприимчивости второго, третьего и более высоких порядков. Интенсивность отраженного излучения пропорциональна квадрату модуля возбуждаемой поляризации границы раздела двух сред. Таким образом, в отклике границы, кроме излучения на основной частоте, существуют вклады на частотах кратных основной частоте (гармоники), определяемые нелинейной поляризацией

. .

В процессе генерации ВГ эффективная поляризация приграничного слоя на частоте ВГ представляет собой ряд по степеням малого параметра μ =

≪ 1.0 , где a ≈ 1

= 1,0 нм - размер области нелокальности взаимодействия, равного атомному масштабу, λ ≈ 1,0 мкм - порядок длины волны зондирующего излучения в оптическом диапазоне,

=

(μ^o)

+

(μ¹)

+O(μ²) где первый член описывает генерацию ВГ при дипольном излучении;

- тензор третьего ранга квадратичной восприимчивости при дипольном излучении, второй член - при квадрупольном излучении, включая магнитодипольное излучение;

- тензор четвертного ранга квадратичной восприимчивости при квадрупольном излучении. Кроме того, генерация ВГ происходит на нелинейностях третьего порядка при дополнительном воздействии постоянного электрического поля

= (

)

, где

- тензор нелинейной восприимчивости третьего порядка;

- внешнее постоянное электрическое поле.

Тензоры нелинейной восприимчивости

,

,

определяются симметрией кристаллической решетки, межатомными взаимодействиями, поэтому нелинейные взаимодействия излучения с веществом, в частности, генерация второй гармоники при отражении, позволяют исследовать структурные свойства кристалла, их симметрию, величины межатомных взаимодействий.

Генерация ВГ определяется свойствами технологического слоя. В среде без центра инверсии основной вклад в генерацию дает дипольное излучение и, следовательно, вторым членом в разложении

по малому параметру μ << 1 можно пренебречь. Отклик на частоте ВГ для таких кристаллов имеет наибольшую величину. К средам без центра инверсии относятся составные кристаллы GaAs, InP, InAs и другие. В центросимметричных кристаллах (с центром инверсии), к которым относятся собственные кристаллы Si, Ge, металлы, тензор квадратичной восприимчивости при дипольном излучении равен нулю в объеме идеального кристалла и отличен от нуля в областях с нарушенной кристаллической структурой, связанной с отклонением от центросимметричности, например, на поверхности кристалла, в местах нахождения примесей, дефектов. Отклик приграничного слоя в центросимметричных кристаллах при дипольном излучении мал, поэтому значителен отклик квадрупольного излучения. В целом отклик на частоте ВГ от кристалла с центром инверсии на несколько порядков меньше, чем от кристалла без центра инверсии, причем величина прямо связана с отклонениями кристаллической решетки от идеальной центросимметричности. Постоянное электрическое поле

также значительно изменяет квадратичную восприимчивость среды, так как (

)=

. Таким образом, внешнее электрическое поле позволяет модулировать отклик на частоте ВГ и, следовательно, дает дополнительную информацию о свойствах приповерхностного слоя.

Отраженный от границы двух сред сигнал на частоте ВГ формируется в области, где происходит замещение падающего излучения на прошедшее, эффективная толщина которой
d = min{

;

} , где λ(ω), λ(2ω)- длина волны излучения на основной и частоте ВГ;
κ(ω), κ(2ω) - коэффициент поглощения на основной частоте и частоте ВГ. Из этих двух величин выбирается минимальная, так как генерация ВГ идет по всему слою, где происходит замещение падающей волны на прошедшую, т. е. в слое толщиной λ(ω)[2πκ(ω)] ^-1. После сформирования прошедшей волны отраженная волна не генерируется. До поверхности кристалла в отраженном сигнале на частоте ВГ доходит вся сформированная волна только, если λ(ω)[2πκ(ω)] ^-1 > λ(2ω)[2πκ(2ω)] ^-1. В противном случае генерация ВГ происходит в слое толщиной λ (2ω)[2πκ(2ω)] ^-1, так как остальная часть волны с больших глубин поглощается веществом. Таким образом, за счет изменения длины волны лазерного излучения варьируется глубина зондируемого слоя, что применяется для исключения отклика от глубоких уровней, границ раздела в технологическом слое на подложке.

Интенсивность ВГ, отраженной от приповерхностного слоя подложки, связана со структурными свойствами кристалла, толщину которого выбирают так, что она совпадет с толщиной технологического слоя. Это позволяет по изменению интенсивности ВГ, зная исходное состояние поверхности подложки и внешнее воздействие, диагностировать изменения в технологическом слое.

Кристаллографическая структура поверхности определяется по ориентационной зависимости ВГ, т. е. зависимости интенсивности линейно-поляризованной ВГ J_2ω при фиксированной линейной поляризации падающего излучения на основной частоте от угла поворота φ подложки вокруг нормали к поверхности

в месте падения лазерного луча. Кристаллы Si, Ge имеют симметрию m3m, а их грань (100) имеет симметрию 4m, грань (111) - 3m. Соответствующие смметричные ограничения на тензор нелинейной восприимчивости приводят к тому, что интенсивность ВГ для этих граней кристалла имеет вид
J_2ω ⁽¹⁰⁰⁾≈ | A+Bcos4φ| ²и
J_2ω ⁽¹¹¹⁾ ≈ | C+Dcos3φ| ², где А, В, С, D определяются физическими свойствами кристаллов, выбором линейной поляризации падающего излучения на основной частоте и регистрируемого излучения на частоте ВГ. В частности, при S- (или Р-) поляризации падающего излучения на основной частоте Р- и S-поляризации отраженного излучения на частоте ВГ А = С = 0, и тогда для грани кристалла (100) J_2ω ^SS ≈ | cos4φ| ²и для грани кристалла (111) J_2ω ^SS ≈ | cos3φ| ² .

В ориентационных зависимостях выделяют два вклада: анизотропный, изменяющийся при вращении подложки и определяемый для граней (100) и (111) кубического кристалла коэффициентами В ≠0, D ≠0, и изотропный, не изменяющийся при вращении подложки и определяемый коэффициентами А и С.

В ориентационной зависимости ВГ изотропный вклад равен нулю для любой поверхности кристалла, поэтому, выбирая такое ориентационное положение подложки, что анизотропный вклад равен нулю, получаем равенство нулю полного отклика поверхности на частоте ВГ J_2ω ^SS( φ= const) = 0, что используется для повышения точности измерения интенсивности ВГ при перемещении подложки или во время внешнего воздействия на поверхность, так как в областях подложки, где нарушается кристаллическая структура, появляется дополнительный вклад в интенсивность отраженного излучения на частоте ВГ и J_2ω ^SS ( φ= const) ≠0.

Пространственная фиксация положения подложки, при котором достигается максимум или минимум в ориентационной зависимости ВГ позволяет определить кристаллографические направления на поверхности монокристалла. Перемещением подложки определяют однородность кристаллографической структуры подложки, выделяют области поликристалличности и аморфизации.

Средний размер монокристаллов в поликристаллической фазе измеряют следующим образом. С помощью шаблона формы изменяют диаметр лазерного луча, для каждого значения диаметра луча снимают ориентационную зависимость ВГ и находят диаметр, при котором возникает ориентационная зависимость ВГ. Этот диаметр лазерного луча соответствует среднему размеру монокристалла в поликристаллической фазе. Если при уменьшении диаметра луча до размеров ≈0,1 λ ориентационная зависимость не появляется, то приходят к выводу, что состояние аморфное.

В ориентационной зависимости ВГ J_2ω ^SS(φ ) отсутствует изотропная часть (S. S-запрет). С другой стороны нарушение S. S-запрета, т. е. выполнение условия, чтобы линейные поляризации на основной частоте и ВГ отличались от S-поляризации, приводит к появлению изотропного вклада. Такое нарушение S. S-запрета происходит на неоднородностях поверхности. При отражении излучения на частоте ВГ от шероховатой поверхности в ориентационной зависимости J_2ω ^SS( φ) появляется изотропный вклад, величина которого пропорциональна величинe топографической неоднородности, а анизотропный вклад не изменяется, т. е. если J_2ω ^SS ≈ | D x cos3 φ | ² для гладкой поверхности кристалла (111), то J_2ω ^SS≈ E+ | D x cos3 φ| ² для шероховатой поверхности. Неоднородность поверхности пропорциональна величине Е. Таким образом, по изотропному вкладу в J_2ω ^SS ( φ) судят о топографических однородностях обработанной поверхности кристалла.

Интенсивность отраженного излучения на частоте ВГ связана с кристаллической структурой поверхностного слоя, поэтому любое ее нарушение приводит к изменению интенсивности отраженного излучения на частоте ВГ. Изменения кристаллической структуры происходят при легировании, имплантации полупроводниковой подложки, при механической обработке, термическом окислении и других воздействиях. Регистрируя изменение интенсивности ВГ до и после воздействия или во время воздействия, судят о величине воздействия. О величине изменений в кристаллографической структуре судят по параметрам ориентационной зависимости ВГ: максимальным значениям в ориентационной зависимости J_2ω ^max(1), J_2ω ^max(2), . . . , минимальному значению (изотропному вкладу) J_2ω ^min и по их относительным значениям. В частности, для грани (100) кристалла класса m3m с ориентационной зависимостью ВГ J_2ω≈ | А + В cos4 φ| ² отношение
α= [J_2ω ^max(1)-J_2ω ^min] /[J_2ω ^max(2)-J_2ω ^min] при любых комбинациях S- и Р-поляризаций излучения на основной частоте и ВГ для идеальной поверхности кристалла σ = 1, так как J_2ω ^max(1)= J_2ω ^max(2). Внешнее воздействие приводит к σ≠1 и по отклонению σ от единичного значения судят о величине внешнего воздействия. Адсорбция молекул и микрочастиц на поверхность пленки и подложки изменяют нелинейные свойства границы раздела подложка-технологическая среда. К таким изменениям приводят остатки фоторезиста на поверхности микросхемы, пылинки, молекулы органических растворителей, остатки металлизации и другие объекты на поверхности. По возрастанию отклика поверхности на частоте ВГ на величину J_2ω ^A определяют плотность адсорбированных молекул и частиц, если известны их нелинейные свойства так как <n>~ ( J_2ω ^A)^1/2, где <n> - усредненная плотность адсорбированных молекул и частиц.

На измерении интенсивности отраженного излучения на частоте ВГ строится измерение толщины диэлектрической пленки, для этого диэлектрическую пленку на подложке помещают в электрохимическую ячейку с химически нейтральным раствором электролита, например 0,1 моль/л раствор NaCl, и прикладывают разность электрических потенциалов Δφ между подложкой и электролитом. Основная часть разности потенциалов падает на диэлектрической пленке, в которой перпендикулярно ее поверхности возникает постоянное электрическое поле Е₀ = Δφ /h, где h толщина диэлектрической пленки. Изменение интенсивности ВГ
ΔJ_2ω= J_2ω(Δφ≠0)-
-J_2ω(Δφ= 0)≈(h)^-2 | Δφ = const, где J_2ω(Δφ= 0), J_2ω(Δφ≠0) интенсивность ВГ при отсутствии поля в пленке и его присутствии.

Таким образом, по изменению интенсивности отраженного излучения на частоте ВГ определяется толщина диэлектрической пленки, в том числе при h << λ.

Сущность изобретения заключается в том, что линейно-поляризованный луч лазера определенной интенсивности с помощью линз, зеркал и диафрагм направляют на контролируемый поверхностный слой расположенный на подложке, подложку перемещают по двум взаимно перпендикулярным направлениям в плоскости подложки, рассеянное поверхностным слоем излучение направляют на приемник излучения, вырабатываемый сигнал поступает в компьютер, который обрабатывает и сравнивает их с данными от эталонного образца, выдает информацию о состоянии контролируемого слоя.

Из спектра отраженного луча выделяют излучение на частоте второй гармоники, при этом осуществляют вращение подложки вокруг нормали к контролируемому поверхностному слою в центре падения лазерного луча при фиксированном положении подложки, в отраженном луче регистрируют интенсивность линейно-поляризованного излучения на частоте второй гармоники относительно интенсивности падающего лазерного луча на основной частоте, по интенсивности отраженного излучения на частоте второй гармоники относительно интенсивности падающего лазерного луча на основной частоте в зависимости от угла поворота подложки определяют локальную кристаллографическую ориентацию пленки Ленгмюра-Блоджетта, монокристаллической пленки и поверхностного слоя подложки. На основе результатов измерения выбирают определенное ориентационное положение подложки относительно плоскости падения лазерного луча.

По значению и изменению интенсивности отраженного излучения на частоте второй гармоники относительно интенсивности падающего лазерного луча на основной частоте при перемещении подложки определяют: локальную величину топографической неоднородной поверхности, локальную плотность адсорбированных молекул, микрочастиц на поверхности подложки, локальную плотность дефектов на границе раздела между полупроводником и диэлектрической пленкой, локальную плотность структурных дефектов в технологическом слое на подложке, величину механических напряжений на границе раздела двух фазовых состояний в технологическом слое на подложке, локальную плотность примеси в технологическом слое на полупроводниковой подложке.

Результаты, полученные от эталонного образца, сравнивают с данными, полученными от контролируемого образца, за счет чего осуществляют контроль качества тонкой обработки поверхностного слоя на подложке, очистки поверхности подложки от адсорбированных молекул, микрочастиц, качества маскирующей, изолирующей, защитной диэлектрической, проводящей металлической пленок, окон вскрытия в маскирующей, изолирующей, защитной диэлектрической, проводящей металлической пленках, однородности распределения примесей по поверхности полупроводниковой подложки в технологическом слое, механических напряжений в технологическом слое на подложке, монокристалличности пленки и приповерхностного слоя подложки, а также выявляют области поликристаллизации и аморфизации.

По изменению интенсивности отраженного излучения на частоте второй гармоники относительно интенсивности падающего лазерного луча на основной частоте контролируют процессы травления пленки и поверхностного слоя подложки, легирования и имплантации полупроводниковой подложки, напыления металлической пленки, термического окисления пленки и подложки, нанесения покрывающего слоя.

Для того, чтобы повысить точность измерения за счет сведения к нулю полного отраженного сигнала для идеальной структуры поверхности кристалла фиксируют поляризацию падающего лазерного луча на основной частоте, выбирают пространственную ориентацию подложки относительно плоскости падения лазерного луча так, чтобы абсолютная величина интенсивности отраженного S-поляризованного излучения на частоте второй гармоники равнялась нулю.

С целью повышения точности измерения выбирают форму и размеры падающего лазерного луча на основной частоте в соответствии с формой и размерами контролируемой структуры на поверхности подложки, которая генерирует излучение на частоте второй гармоники, что исключает генерацию второй гармоники от слоев, не несущих полезной информации.

Для повышения точности измерения путем изменения длины волны падающего лазерного излучения выбирают глубину генерации второй гармоники в приповерхностном слое, что исключает генерацию второй гармоники от более глубоких уровней и границ в технологическом слое.

Чтобы увеличить точность измерения за счет повышения абсолютной величины интенсивности отраженого излучения на частоте второй гармоники, во время измерения проводят дополнительное облучение верхних слоев микросхемы и пленки излучением на частоте, достаточной для активации верхних слоев микросхемы и пленки, что приводит к росту регистрируемого сигнала на частоте второй гармоники.

С целью повышения оперативности, достоверности и точности измерения толщины диэлектрической пленки, подложку с диэлектрической пленкой помещают в химически нейтральный электролит, прикладывают разность электрических потенциалов между подложкой и электролитом, по изменению интенсивности отраженного излучения по частоте второй гармоники относительно интенсивности падающего лазерного луча на основной частоте по установленной зависимости от разности электрических потенциалов определяют толщину диэлектрической пленки.

С целью повышения оперативности, достоверности и точности измерения среднего размера области монокристалличности, уменьшают диаметр падающего лазерного луча на основной частоте, по появлению ориентационной зависимости интенсивности отраженного излучения на частоте второй гармоники относительно интенсивности падающего лазерного луча на основной частоте определяют средний размер монокристаллов вплоть до перехода в аморфное состояние.

На фиг. 1 показано устройство для осуществления способа.

Устройство содержит твердотельный импульсный лазер 1, нелинейный элемент 2, пластинку λ /4 (3), поляризатор 4, элементы 2, 3 и 4 образуют систему 5 формирования луча, систему 6 линз с шаблоном 7 формы, поворотное зеркало 8, диафрагмированное 3% -зеркало 9, приемник 10 излучения на основной частоте, фокусирующую систему 11 линз, подложку 12 с пленкой, микросхемой и другими структурами, поворотный двухкоординатный столик Х-Y, φ 13, защитный фильтр 14, анализатор 15, селективный фильтр 16, приемник 17 излучения, дополнительный 18 лазер, систему 19 обработки и управления, содержащую компьютер, устройства сопряжения и синхронизации, элементы 14-17 образуют систему 20 регистрации.

Линейно-поляризованное излучение лазера 1 поступает в систему 5. Нелинейный элемент 2 вводится при необходимости изменения длины волны лазерного излучения. Излучение, проходящее через пластинку λ /4 (3), изменяет свою поляризацию с линейной на круговую. Поляризатор 4 выделяет линейно-поляризованное излучение определенной ориентации. Вращением поляризатора 4 осуществляется поворот линейной поляризации излучения. Данные о положении поляризатора 4 поступают в компьютер.

Далее излучение поступает в систему 6 линз, расширяющую, а затем сжимающую луч до определенных размеров. В расширенную часть луча вводится шаблон 7 формы и размера, о выборе которого поступает сигнал в компьютер. Форма и размеры луча определяются контролируемой операцией. В случае снятия ориентационных зависимостей форма луча на контролируемой поверхности имеет форму круга, что позволяет уменьшить искажения, связанные с конечными размерами луча. При контроле сложных поверхностных структур на подложке используют их шаблон, тем самым выделяется сигнал только от контролируемой части структуры, что позволяет повысить точность измерения.

Лазерный луч определенной формы, отражаясь от зеркала 8, проходя через диафрагмированное 3% -зеркало 9 с коэффициентом отражения 3% , поступает в фокусирующую систему 11, а 3% излучения, отраженного от зеркала 9, падает на приемник 10 излучения с целью контроля мощности падающего излучения на основной частоте, сигнал с которого поступает в компьютер.

Основной лазерный луч поступает в систему 11 смещенным относительно глазной оси линзы на четверть диаметра линзы, которая фокусирует излучение на подложке 12. Отраженное излучение собирается системой 11 на зеркало 9, полностью отражающее излучение в систему 20 регистрации. В системе регистрации излучение проходит через защитный фильтр 14, отсекающий излучение на основной частоте. Анализатор 15 выделяет излучение фиксированной линейной поляризации, данные о положении которого поступают в компьютер. Селективный фильтр 16 выделяет узкую спектральную полосу в области ВГ. Линейно-поляризованное излучение на частоте ВГ регистрируется приемником 17 излучения, сигнал с которого поступает в компьютер.

Подложка с расположенной на ней структурой размещается на двухкоординатном столике 13 с автоматическим перемещением в плоскости подложки и возможностью вращения вокруг нормали

к поверхности. Данные об ориентации подложки и ее перемещениях поступают в компьютер. Дополнительное облучение производится лазером 18.

Принцип работы устройства заключается в следующем. Общую частоту установки задает синхронизирующий генератор, который запускает лазер 1, системы регистраций 10,20. Для повышения отношения сигнал/шум, сигналы от приемников 10 и 17 поступают только во время действия лазерного импульса. Данные из системы 5 о длине волны зондирующего излучения и о положении поляризатора поступают через блоки сопряжения в компьютер. Из системы 6 поступают данные о выбранном шаблоне, из системы 13 поступают координаты подложки X, Y, φ , из системы 11 поступают данные о выбранной линзе, которая определяет угол падения и отражения лазерного луча, из системы 20 поступают сигналы о положении анализатора 15.

В случае нежелательности вращения подложки осуществляется синхронизованный поворот поляризатора 4 и анализатора 15 при фиксированной угловой разности их ориентационного положения. Такое вращение аналогично вращению подложки при фиксированных ориентациях анализатора и поляризатора.

По полученным данным вырабатывается оперативная информация о качестве подложки, процессов на ней.

П р и м е р 1. Определение локальной кристаллографической ориентации монокристаллической пластины. Монокристаллическую пластину помещают в установку контроля, в которой она вращается в своей плоскости и в каждом положении измеряется интенсивность ВГ. Положения пластины, при которых достигается максимум и минимум интенсивности, связаны с кристаллографической ориентацией (фиг. 2). Параметры лазерного излучения даны ниже.

П р и м е р 2. Контроль окон вскрытия в пленке на подложке. Контроль окончании процесса травления основан на различии интенсивности отраженного излучения на частоте ВГ от чистой подложки и от подложки с пленкой. В частности, при стравливании слоя окисла SiO₂ с поверхности кристаллического Si интенсивность ВГ падает в 5 раз при стравливании последних моноатомных слоев окисла, начиная с толщины ≈0,5 нм. В 10 раз падает интенсивность ВГ при полном удалении пленки серебра с поверхности кристаллического кремния для падающего излучения лазера с длиной волны 1,064 мкм, длительности лазерного импульса 10 нс, пиковой мощности 0,1 МВт/см², частоте повторения импульсов лазера 10 Гц и угле падения лазерного луча 60 град. Результаты измерения сравниваются с эталонными значениями.

П р и м е р 3. Определение неоднократности поверхности. Регистрация неоднократности поверхности монокристаллической пластины Ge осуществлялась по появлению вклада на частоте ВГ для изотропной составляющей. Идеальность поверхностного слоя достигалось тонкой полировкой образца. Размер неоднородностей не превышал 0,5 нм. В этом случае отклик поверхности на частоте ВГ был равен минимуму при ориентации подложки, определяемой согласно примеру 1. При электрохимическом травлении поверхности на ней появились неоднородности поверхности, что ведет к росту интенсивности ВГ (фиг. 3). Параметры излучения соответствуют значениям по периметру 2.

П р и м е р 4. Измерение толщины слоя окисла. На фиг. 4 представлена зависимость интенсивности отклика на частоте ВГ в зависимости от толщины диэлектрического слоя в логарифмическом масштабе при двух значениях прикладываемой разности потенциалов φ₁ = 0,03 В и φ₁ = 1,10 В для окисла кремния SiO₂ на монокристаллической пластине Si, по которым определяется толщина слоя.

В современной электронике широко внедряются тонкопленочные технологии и организация замкнутого (без контакта с воздухом на промежуточных стадиях) цикла производства интегральных приборов. Это обеспечивает резкое увеличение объема электронной продукции, ее качества, а также степени микроминиатюризации за счет реализации принципа трехмерной интеграции. Актуальны поиск и разработка новых эффективных дистанционных неразрушающих методов контроля технологического процесса на всех его стадиях от входного качества кристаллических пластин до контроля выполнения отдельных технологических операций. Использование для этих целей методов электронной и ионной спектроскопии, рентгеноструктурного анализа или туннельной микроскопии не представляется возможным в связи с трудностью сопряжения с технологическим процессом. Оптические методы легко вводятся в технологический процесс, но их чувствительность не удовлетворяет потребности технологов. Предлагаемый способ соединяет в себе достоинства названных выше способов. Он позволяет проводить технологический контроль на всех стадиях процесса одним устройством. Другие методы применяются только при наладке технологической цепочки с целью сравнения и уточнения данных, полученных с помощью устройства. В предлагаемом устройстве данные о состоянии поверхности представляются в цифровом виде, что исключает субъективность ее оценки, которое существует в оптическом способе контроля по видимому изображению поверхности. Он позволяет проводить как локальный при фокусировке лазерного луча до размеров порядка длины волны излучения, так и интегральный контроль по всему элементу микросхемы, когда используется несфокусированное излучение лазера. С помощью устройства можно автоматизировать процесс контроля и проводить его в реальном времени процесса производства электронной продукции, что не позволяет делать ни один из других способов контроля. Это также дает возможность полностью автоматизировать производство электронной продукции, используя результаты контроля для изменения технологических условий производства в реальном времени.

Все вышеназванное позволяет получить большую выгоду при внедрении способа в производство.

Предлагаемый способ контроля позволяет повысить производительность технологического контроля, создать автоматизированную систему управления качеством производства пленочных структур для микроэлектроники, магнитооптики, оптоэлектроники, увеличить выход качественной продукции. Это основано на том, что предлагаемый способ является прямым, так как в технологическом процессе изменяются структурные свойства кристалла, которые определяют величину интенсивности отраженного излучения на частоте ВГ, оперативным, так как обрабатываются два -три параметра отраженного излучения на частоте ВГ, неразрушающим, так как длительность и частота следования импульсов излучения выбираются такими, чтобы при высокой пиковой мощности исключить разрушения поверхности кристалла, дистанционным, так как диапазон длин волн излучения на основной частоте и частоте ВГ, используемого для контроля, не требует специальной окружающей среды вокруг контролируемого образца, кроме прозрачности в этом диапазоне длин волн, высокочувствительным к физико-химическому состоянию поверхности и процессов на ней, так как генерация ВГ при отражении чувствительна к кристаллической структуре поверхности, комплексным, так как контроль осуществляется сразу по нескольким параметрам.

Кроме того, способ обладает высокой разрешающей способностью и точностью измерения, позволяет выбирать толщину контролируемого технологического слоя. (56) 1. Патент США N 4618262, кл. G 01 B 11/02, 1986.

2. Патент США N 4755049, кл. G 01 B 11/02, 1990.

3. Патент США N 4732473, кл. G 01 N 21/88, 1988 (прототип).

Claims (12)

1. Способ измерения и контроля параметров слоев микросхем, включающий воздействие на слой, нанесенный на подложку, линейно поляризованным сфокусированным лазерным лучом, перемещение подложки в собственной плоскости, измерение интенсивности падающего и рассеянного слоем излучения, сравнение с параметрами эталонного образца и определение на его основе однородности слоя, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и информативности способа, дополнительно измеряют интенсивность излучения на частоте второй гармоники (ВГ), поворачивают подложку относительно плоскости падения луча, измеряют зависимость отношения интенсивностей рассеянного излучения на основной частоте и на частоте ВГ от угла поворота подложки и определяют по ней локальную кристаллографическую ориентацию слоя в месте падения луча, затем фиксируют угол поворота подложки и определяют однородность слоя по сравнению с эталонным образцом по изменению отношений интенсивностей при перемещении подложки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, фиксируют такой угол поворота подложки, при котором интенсивность рассеянного слоем излучения на частоте ВГ нулевая.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения локальности измерений, падающий лазерный луч пропускают через шаблон, имеющий форму и размеры элемента контролируемого слоя.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности, достоверности измерений и обеспечения возможности измерения профиля распределения параметров по глубине слоя, изменяют длину волны падающего излучения.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью увеличения полезного сигнала, дополнительно облучают слой лазерным излучением с длиной волны, вызывающей фотоактивацию носителей в приповерхностном слое.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности измерения дополнительно толщины диэлектрических слоев до 1 мкм, подложку с контролируемым слоем помещают в химически нейтральный электролит, прикладывают между подложкой и электролитом разность потенциалов, последовательно изменяют ее величину, а толщину слоя определяют по угловой зависимости отношения интенсивностей при различных значениях разности потенциалов.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности измерения размеров монокристаллов, последовательно уменьшают диаметр лазерного пятна, а угловую зависимость интенсивностей измеряют при каждом значении диаметра луча.

8. Устройство для измерения и контроля параметров слоев микросхем, содержащее последовательно расположенные лазер, систему формирования луча с фокусирующими и юстировочными элементами, приемник и преобразователь излучения, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и разрешающей способности, на выходе лазера дополнительно размещены четвертьволновая пластина и поляризатор, а перед приемником излучения последовательно расположены селективный фильтр и анализатор.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что, с целью повышения локальности измерений, в систему формирования луча дополнительно введен шаблон, имеющий форму и размеры контролируемого элемента слоя.

10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что, с целью обеспечения возможности измерения профиля распределения параметров по глубине слоя, на выходе лазера размещают нелинейный элемент.

11. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что, с целью усиления полезного сигнала, содержит дополнительный лазер, длина волны которого достаточна для фотоактивации контролируемых слоев и расположение которого выбрано из условия, что его излучение не попадает на приемник излучения.

12. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что, с целью обеспечения возможности измерения толщины слоев диэлектрика, оно дополнительно содержит электрохимическую ячейку.

Images