RU2036418C1 - Device to determine thickness and optical properties of layers in process of their formation - Google Patents
Device to determine thickness and optical properties of layers in process of their formation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2036418C1 RU2036418C1 SU5051487A RU2036418C1 RU 2036418 C1 RU2036418 C1 RU 2036418C1 SU 5051487 A SU5051487 A SU 5051487A RU 2036418 C1 RU2036418 C1 RU 2036418C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- photodetector
- input
- lens
- filter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля формирования структур с полупроводниковыми, диэлектрическими и металлическими слоями в микроэлектронном производстве. The invention relates to measuring technique and can be used to control the formation of structures with semiconductor, dielectric and metal layers in microelectronic production.
Известны устройства для измерения толщины диэлектрических и эпитаксиальных слоев в ходе их образования, содержащие оптический блок и систему регистрации и обработки сигналов, при этом оптический блок включает источник анализирующего излучения, интерференционные светофильтры, полупрозрачные и поворотные зеркала и фотоприемники (Информационный листок N 24-83 и 26-83 Саратовского ЦНТИ, 1983). Known devices for measuring the thickness of dielectric and epitaxial layers during their formation, containing an optical unit and a system for recording and processing signals, while the optical unit includes a source of analyzing radiation, interference filters, translucent and rotary mirrors and photodetectors (Information sheet N 24-83 and 26-83 Saratov Central Scientific Research Institute, 1983).
Эти устройства характеризуются низкой точностью определения толщины слоев за счет недостаточной помехозащищенности оптического и электрического сигналов. These devices are characterized by low accuracy in determining the thickness of the layers due to insufficient noise immunity of the optical and electrical signals.
Наиболее близким к предлагаемому является измерительное устройство для контроля толщины пленки, содержащее оптический блок с закрепленными в нем источником излучения, светоделительным зеркалом, интерференционными светофильтрами, линзами и фотоприемниками, а также два усилителя, выходы которых соединены с системой регистрации и обработки сигналов (Быстров Ю.А. Колгин Е. А. и Котлецов Б.Н. Технологический контроль размеров в микроэлектронном производстве. М. Радио и связь, 1988, с.267). Closest to the proposed one is a measuring device for monitoring the film thickness, containing an optical unit with a radiation source fixed to it, a beam splitter mirror, interference light filters, lenses and photodetectors, as well as two amplifiers whose outputs are connected to a signal recording and processing system (Bystrov Yu. A. Kolgin, E.A. and Kotletsov, B.N., Technological Size Control in Microelectronic Production (Moscow: Radio and Communications, 1988, p. 267).
Это устройство также характеризуется относительно большой погрешностью определения толщины, которая связана с недостаточной защищенностью сигнала от фоновых засветок, механической вибрации и электрических помех. This device is also characterized by a relatively large error in determining the thickness, which is associated with insufficient signal protection from background light, mechanical vibration, and electrical noise.
Цель изобретения повышение точности определения толщины и оптических свойств слоев. The purpose of the invention is to increase the accuracy of determining the thickness and optical properties of the layers.
Цель достигается тем, что в устройство, содержащее оптический блок с закрепленными в нем источником излучения, светоделительным зеркалом, последовательно расположенными по ходу луча, прошедшего от источника через светоделительное зеркало, первым интерференционным фильтром, первой линзой, первым фотоприемником и последовательно расположенными по ходу луча, отраженного от светоделительного зеркала в сторону формирующегося слоя, а затем снова прошедшего через светоделительное зеркало, вторым интерференционным фильтром, второй линзой, вторым фотоприемником, а также первый и второй усилители постоянного тока, выходы которых соединены с системой регистрации и обработки сигналов, введены инфракрасный светофильтр, расположенный перед вторым интерференционным светофильтром, первый поляризатор, расположенный перед интерференционным светофильтром, второй поляризатор, расположенный перед инфракрасным фильтром, узел визуальной настройки, первый и второй предварительные усилители, причем поверхности линз выполнены матированными, а второй поляризатор, инфракрасный фильтр, второй интерференционный фильтр, вторая линза, второй фотоприемник и второй предусилитель закреплены жестко относительно друг друга в металлическом корпусе, который установлен с возможностью вращения вокруг оси луча, проходящего через перечисленные оптические элементы, первый поляризатор, первый интерференционный фильтр, первая линза, первый фотоприемник и первый предусилитель закреплены жестко относительно друг друга в металлическом корпусе, установленном с возможностью вращения вокруг оси луча, проходя через перечисленные оптические элементы, узел визуальной настройки содержит плиту с направляющими пазами с отверстием для прохождения излучения источника, размещенную с возможностью перемещения и фиксации положения относительно луча, планку, расположенную в пазах плиты с возможностью перемещения, имеющую два фиксированных положения, на которой установлены металлический корпус с вторым фотоприемником и мишень в виде матированного стеклянного диска с перекрестием, выход первого фотоприемника соединен с входом первого предусилителя, выход которого соединен с входом первого усилителя, выход второго фотоприемника соединен с входом второго предусилителя, выход которого соединен с входом второго усилителя. The goal is achieved in that in a device containing an optical unit with a radiation source fixed therein, a beam splitter mirror, sequentially located along the beam passing from the source through the beam splitter mirror, the first interference filter, the first lens, the first photodetector and sequentially located along the beam, reflected from the beam splitter to the side of the forming layer, and then again passed through the beam splitter, a second interference filter, a second lens, the second photodetector, as well as the first and second DC amplifiers, the outputs of which are connected to a signal recording and processing system, an infrared filter located in front of the second interference filter, a first polarizer located in front of the interference filter, a second polarizer located in front of the infrared filter, a visual unit settings, the first and second pre-amplifiers, the lens surfaces being frosted, and the second polarizer, an infrared filter , a second interference filter, a second lens, a second photodetector and a second preamplifier are fixed rigidly relative to each other in a metal housing that is mounted to rotate around the axis of the beam passing through the above optical elements, the first polarizer, the first interference filter, the first lens, the first photodetector and the first preamplifier is fixed rigidly relative to each other in a metal case mounted for rotation around the axis of the beam, passing through the above optics Critical elements, the visual adjustment unit contains a plate with guide grooves with an opening for the passage of radiation from the source, placed to move and fix the position relative to the beam, a bar located in the grooves of the plate with the possibility of movement, having two fixed positions, on which a metal case with a second a photodetector and a target in the form of a frosted glass disk with a crosshair, the output of the first photodetector is connected to the input of the first preamplifier, the output of which is connected input of the first amplifier, the output of the second photodetector is connected to the input of the second preamplifier whose output is connected to an input of the second amplifier.
Введение в устройство дополнительно инфракрасного светофильтра, поляризаторов, предусилителей, узла визуальной настройки, использование линз с матированными поверхностями, размещение оптических элементов определенным образом жестко относительно друг друга в металлическом корпусе, установленном с возможностью вращения вокруг оси луча, возможность определенных перемещений плиты и планки узла визуальной настройки и его конструкция, а также соединение фотоприемников с усилителями через предусилители позволяет повысить точность определения толщины и оптических свойств слоев. Introduction to the device of an additional infrared filter, polarizers, preamplifiers, a visual adjustment unit, the use of lenses with frosted surfaces, the placement of optical elements in a certain way rigidly relative to each other in a metal case mounted for rotation around the axis of the beam, the possibility of certain movements of the plate and strip of the visual unit settings and its design, as well as the connection of photodetectors with amplifiers through preamplifiers, improves the accuracy of determination division of the thickness and optical properties of the layers.
На фиг. 1 показано предлагаемое устройство, оптический блок и схема соединения с усилителями и системой регистрации; на фиг. 2 вид А на фиг. 1; на фиг. 3 принципиальная схема предварительного усилителя. In FIG. 1 shows the proposed device, an optical unit and a connection diagram with amplifiers and a recording system; in FIG. 2, view A in FIG. 1; in FIG. 3 schematic diagram of a preamplifier.
Устройство содержит оптический блок, включающий основание 1, источник 2 излучения, светоделительное зеркало 3, поляризаторы 4 и 9, интерференционные светофильтры 5 и 11, инфракрасный светофильтр 10, матированные линзы 6 и 12, фотоприемники 7 и 13, предварительные усилители 8 и 14, металлические корпусы 20 и 21 для размещения оптических элементов, фотоприемников и предусилителей, плиту 18 с направляющими пазами и отверстием для прохождения излучения источника, планку 19, расположенную в пазах плиты, мишень 22 в виде матированного стеклянного диска с перекрестием. The device comprises an optical unit including a
Устройство также содержит усилители 15 и 16 постоянного тока и систему 17 регистрации и обработки сигналов. The device also contains
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Анализирующее излучение от источника 2, в качестве которого может быть использован, например, Не-Ne-лазер, частично проходит через светоделительное зеркало 3, первый поляризатор 4, первый интерференционный светофильтр 5, первую линзу 6 с матированными поверхностями и попадает на чувствительную площадку первого фотоприемника 7, например фотодиода типа ФД-7К. Электрический сигнал с первого фотоприемника поступает на вход первого предварительного усилителя 8, с выхода которого подается на вход первого усилителя 16, и после усиления поступает на один из входов системы регистрации и обработки сигналов. Часть анализирующего излучения, первоначально отраженная светоделительным зеркалом, попадает в реакционную камеру на поверхность формирующегося слоя (не показано) и отражается им. Отраженная формирующимся слоем часть анализирующегося излучения, несущая информацию о толщине и оптических свойствах этого слоя, проходит через светоделительное зеркало 3, второй поляризатор 9, инфракрасный светофильтр 10, второй интерференционный светофильтр 11, вторую линзу с матированными поверхностями 12 и попадает на чувствительную площадку второго фотоприемника 13 (ФД-7К). Электрический сигнал с второго фотоприемника поступает на вход второго предварительного усилителя 14, с выхода которого попадает на вход второго усилителя 15, и после усиления поступает на один из входов системы регистрации и обработки сигналов. В системе регистрации и обработки сигналов по заданным алгоритмам анализируется временная зависимость величины отношения двух сигналов и проводится вычисление толщины и показателя преломления формирующегося слоя в реальном масштабе времени. The analyzing radiation from
Измерение величины отношения двух сигналов за счет использования двухканальной системы измерений в рассматриваемом устройстве позволяет исключить погрешности, связанные с временной нестабильностью мощности излучения применяемого светового источника (лазера). Назначением интерференционных фильтров 5 и 11 является исключение засветки чувствительных площадок фотоприемников фоновым излучением. Эти фильтры подбираются с максимальным пропусканием на длине волны анализирующего излучения. Однако в спектре пропускания интерференционных фильтров кроме основной полосы существует длинноволновая полоса, уровень пропускания которой может быть соизмерим с Тмакс, где Тмакс коэффициент пропускания интерференционного фильтра на рабочей длине волны. Например, интерференционный фильтр на длину волны 0,63 мкм имеет длинноволновую полосу с коэффициентом пропускания Тg≈ ≈ 60% на λ 1,14 мкм и полушириной на уровне 0,5Тg, равной 0,05 мкм.Measurement of the ratio of two signals through the use of a two-channel measurement system in the device in question eliminates errors associated with temporary instability of the radiation power of the applied light source (laser). The purpose of the
Для широкого класса технологических процессов контролируемый слой осаждается на нагретую подложку, которая является широкополосным источником инфракрасного излучения. Доля этого фонового излучения формирующейся структуры проходит через интерференционный фильтр за счет наличия побочной длинноволновой полосы и попадает на чувствительную площадку второго фотоприемника 13. Эта фоновая засветка приводит к изменению регистрируемого сигнала и увеличению погрешности в определении толщины и показателя преломления осаждаемого слоя. Для исключения погрешности перед вторым интерференционным фильтром располагают отрезающий инфракрасный светофильтр 10. Например, при длине волны анализирующего излучения 0,63 мкм и использовании соответствующего интерференционного фильтра в качестве дополнительного инфракрасного светофильтра можно использовать пластину цветного стекла типа СЗС-24 или СЗС-25 толщиной 2-5 мкм. Такой дополнительный фильтр практически полностью не пропускает излучение, начиная с длины волны λ 0,9 мкм, в то же время пропускание этого фильтра на λ 0,63 мкм превышает 60%
Введение поляризаторов в измерительный и опорный каналы оптического блока позволяет плавно изменять мощность падающих на фотоприемники световых потоков и тем самым обеспечивает при необходимости вывод усилителей из режима ограничения. Использование поляризаторов в сочетании с регулировками усиления позволяет устанавливать уровни сигналов на выходе усилителей, необходимые для работы системы регистрации и обработки в оптимальном режиме, и, тем самым уменьшить погрешность измерений. Поляризаторы закреплены в плоскости, перпендикулярной оптической оси, жестко относительно фотоприемников и других оптических элементов в металлических корпусах. Вращая металлические корпусы 20 и 21 (фиг. 1) вокруг оптических осей измерительного и опорного каналов, можно регулировать мощность падающих на чувствительные площадки фотоприемников световых потоков. При такой конструкции отпадает необходимость в специальных устройствах, обеспечивающих вращение поляризаторов вокруг оси луча относительно неподвижного приемника излучения.For a wide class of technological processes, the controlled layer is deposited on a heated substrate, which is a broadband source of infrared radiation. A fraction of this background radiation of the emerging structure passes through the interference filter due to the presence of a side long-wavelength band and enters the sensitive area of the
The introduction of polarizers in the measuring and reference channels of the optical unit allows you to smoothly change the power of the light flux incident on the photodetectors and thereby ensures, if necessary, the amplifiers are taken out of the limiting mode. The use of polarizers in combination with gain controls allows you to set the signal levels at the output of the amplifiers necessary for the registration and processing system to operate in optimal mode, and thereby reduce the measurement error. Polarizers are fixed in a plane perpendicular to the optical axis, rigidly relative to photodetectors and other optical elements in metal cases. By rotating the
Использование линз с матированными поверхностями уменьшает погрешность, связанную с механической вибрацией устройства и неоднородной чувствительностью фотоприемников по площади приемной площадки. Действительно, при использовании обычных линз световой поток анализирующего излучения фокусируется на локальную область чувствительной площадки фотоприемника. При механических вибрациях, приводящих к отклонению от ортогонального положения формирующегося слоя по отношению к анализирующему излучению, сфокусированный световой поток хаотически попадает на разные локальные области приемной площадки, которые отличаются по чувствительности друг от друга, что и приводит к погрешности при измерениях регистрируемого сигнала. Матированная линза рассеивает световой поток и обеспечивает равномерную засветку всей чувствительной площадки фотоприемника, тем самым уменьшая погрешность измерения при вибрации. The use of lenses with frosted surfaces reduces the error associated with the mechanical vibration of the device and the heterogeneous sensitivity of the photodetectors over the receiving area. Indeed, when using conventional lenses, the light flux of the analyzing radiation is focused on the local area of the sensitive area of the photodetector. During mechanical vibrations leading to a deviation from the orthogonal position of the forming layer with respect to the analyzing radiation, the focused luminous flux randomly falls on different local areas of the receiving area, which differ in sensitivity from each other, which leads to an error in the measurements of the recorded signal. The frosted lens scatters the light flux and provides uniform illumination of the entire sensitive area of the photodetector, thereby reducing the measurement error during vibration.
Предлагаемая конструкция узла визуальной настройки позволяет оперативно и точно совмещать центр чувствительной площадки фотоприемника измерительного канала с осью падающего на нее светового потока, отраженного от формирующегося слоя. Повышение точности настройки приводит к увеличению отношения сигнал-шум и к уменьшению погрешности измерений. The proposed design of the visual adjustment unit allows you to quickly and accurately combine the center of the sensitive area of the photodetector of the measuring channel with the axis of the incident light flux reflected from the forming layer. Improving the tuning accuracy leads to an increase in the signal-to-noise ratio and to a decrease in the measurement error.
Настройка осуществляется следующим образом:
перемещая плиту 18, совмещают ось отраженного от формирующегося слоя светового потока с перекрестием матированного стеклянного диска 22;
фиксируют это положение плиты 18 с помощью прижимного винта (фиг. 1);
перемещая планку 19 в пазах плиты 18, устанавливают ее во второе фиксированное положение, при котором световой поток попадает на центр чувствительной площадки фотоприемника 13.The setting is as follows:
moving the
fix this position of the
moving the
Введение в устройство предварительных усилителей 8 и 14 и их размещение в металлических корпусах 20 и 21 в непосредственной близости к соответствующим фотоприемникам позволяет повысить помехозащищенность электрического сигнала и обеспечить его уровень, достаточный для работы усилителей 15 и 16 в оптимальном режиме. Предусилители выполнены по схеме высокоточного преобразователя фототок напряжение на термостабильных пассивных элементах и двух операционных усилителях (фиг. 2). The introduction of
В предлагаемой схеме предусилителя в качестве первого операционного усилителя используется микросхема типа 544УД1, а в качестве второго операционного усилителя микросхема типа 140УД14. In the proposed preamplifier circuit, a 544UD1 type chip is used as the first operational amplifier, and a 140UD14 type chip is used as the second operational amplifier.
Предлагаемое устройство определения толщины и оптических свойств слоев в процессе их формирования позволяет контролировать толщину осаждаемых диэлектрических (SiO2, Si3N4) и полупроводниковых (AlxGa1-xAs) слоев с абсолютной погрешностью не более ±20 , что подтверждают результаты независимых измерений на эллипсометре. Погрешность определения толщины слоев при использовании устройства по прототипу находится в диапазоне от ± 50 до ± 250 .The proposed device for determining the thickness and optical properties of the layers during their formation allows you to control the thickness of the deposited dielectric (SiO 2 , Si 3 N 4 ) and semiconductor (Al x Ga 1-x As) layers with an absolute error of not more than ± 20 , which is confirmed by the results of independent measurements on an ellipsometer. The error in determining the thickness of the layers when using the device according to the prototype is in the range from ± 50 to ± 250 .
Таким образом, предлагаемое устройство более чем в 2 раза повышает точность определения толщины слоев в ходе технологических процессов их формирования по сравнению с прототипом и может быть эффективно использовано при контроле субмикронных структур с жестко заданными номиналами толщин слоев. Thus, the proposed device more than 2 times increases the accuracy of determining the thickness of the layers during the technological processes of their formation in comparison with the prototype and can be effectively used to control submicron structures with hard-set nominal thicknesses of the layers.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5051487 RU2036418C1 (en) | 1992-07-07 | 1992-07-07 | Device to determine thickness and optical properties of layers in process of their formation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5051487 RU2036418C1 (en) | 1992-07-07 | 1992-07-07 | Device to determine thickness and optical properties of layers in process of their formation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2036418C1 true RU2036418C1 (en) | 1995-05-27 |
Family
ID=21608886
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5051487 RU2036418C1 (en) | 1992-07-07 | 1992-07-07 | Device to determine thickness and optical properties of layers in process of their formation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2036418C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7158221B2 (en) | 2003-12-23 | 2007-01-02 | Applied Materials, Inc. | Method and apparatus for performing limited area spectral analysis |
US8009938B2 (en) | 2008-02-29 | 2011-08-30 | Applied Materials, Inc. | Advanced process sensing and control using near infrared spectral reflectometry |
RU2515339C2 (en) * | 2012-01-11 | 2014-05-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" | Method to measure linear movements |
-
1992
- 1992-07-07 RU SU5051487 patent/RU2036418C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Быстров Ю.А., Колгин Е.А., Котлецов Б.Н. Технологический контроль размеров в микроэлектронном производстве. М.: Радио и связь, 1988, с.267. * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7158221B2 (en) | 2003-12-23 | 2007-01-02 | Applied Materials, Inc. | Method and apparatus for performing limited area spectral analysis |
US7330244B2 (en) | 2003-12-23 | 2008-02-12 | Applied Materials, Inc. | Method and apparatus for performing limited area spectral analysis |
US7602484B2 (en) | 2003-12-23 | 2009-10-13 | Applied Materials, Inc. | Method and apparatus for performing limited area spectral analysis |
US8009938B2 (en) | 2008-02-29 | 2011-08-30 | Applied Materials, Inc. | Advanced process sensing and control using near infrared spectral reflectometry |
RU2515339C2 (en) * | 2012-01-11 | 2014-05-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" | Method to measure linear movements |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA1332882C (en) | Wedge-filter spectrometer | |
EP0709659B1 (en) | Spectrometer | |
US6043883A (en) | Wavemeter and an arrangement for the adjustment of the wavelength of the signals of an optical source | |
US5329357A (en) | Spectroscopic ellipsometry apparatus including an optical fiber | |
EP0088419B1 (en) | Apparatus for optically measuring a current | |
CA2136886C (en) | Apparatus, system and method for real-time wafer temperature measurement based on light scattering | |
US7034935B1 (en) | High performance miniature spectrometer | |
US6184985B1 (en) | Spectrometer configured to provide simultaneous multiple intensity spectra from independent light sources | |
US6836330B2 (en) | Optical beamsplitter for a polarization insensitive wavelength detector and a polarization sensor | |
US5691540A (en) | Assembly for measuring a trench depth parameter of a workpiece | |
RU2036418C1 (en) | Device to determine thickness and optical properties of layers in process of their formation | |
US4779984A (en) | Method and apparatus for holographic spectrometry | |
KR960019498A (en) | In-process film thickness monitor device and method | |
US20060152736A1 (en) | Thickness measuring device | |
EP0176826A2 (en) | Method and apparatus for dual-beam spectral transmission measurements | |
US4789212A (en) | Integrated optical polarizer with high extinstion ratio and low insertion loss, and improved method of fabrication thereof | |
US4633078A (en) | Optical interference eliminator | |
JP2001091357A (en) | Simultaneous analysis of multiple optical spectra | |
JPH031615B2 (en) | ||
TW200530564A (en) | Wavelength meter | |
JP3320835B2 (en) | Distance control method and distance control device between optical probe and measured object, and electrical physical quantity measurement device | |
JPH11101739A (en) | Ellipsometry apparatus | |
JP2985487B2 (en) | Light wave interferometer | |
Hosch et al. | Instrumental Sources of Noise in a Pulsed Dye Laser Double Beam Spectrometer | |
SU1619015A1 (en) | Method of checking thickness of material |