Методы контроля оптических параметров диэлектрических тонких пленок

Методические указания к лабораторной работе

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОНКИХ ПЛЕНОК

Специальность 200204

Москва, 2006 г.

АННОТАЦИЯ

Данные учебно-методические указания предназначены для студен­тов специальности 200204, выполняющих работу "Методы контроля оптических параметров диэлектрических тон­ких пленок".

В процессе лабораторной работы студенты должны изучить цветовой, интерференционный и эллипсометрический методы контроля толщины и показателя преломления тонких пленок и освоить методику их измере­ния на микроинтерферометре МИН-4 и эллипсометре ЛЭФ-ЗМ.

Автор: доцент кафедры ПР-6 Гриднева Г.Н.

Рецензент: доцент кафедры ПР-5 Новокрещенова А.С. Научный редактор: доцент кафедры ПР-6 Волков С.В.

Цель лабораторной работы - изучение методов контроля толщины и показателя преломления тонких диэлектрических пленок на кремние­вой подложке.

В процессе лабораторной работы студенты должны изучить цветовой, интерференционный и эллипсометрический методы контроля тонких пле­нок и освоить методику измерения толщины тонких пленок на микроинтер­ферометре МИН-4 и эллипсометре ЛЭФ-ЗМ-1.

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Изучение свойств тонких диэлектрических пленок имеет важное зна­чение как для фундаментальных, так и для прикладных исследований. При отработке режимов технологических процессов нанесения диэлектри­ческих пленок и в процессе изготовления интегральных микросхем необ­ходимо знать их толщину и показатель преломления.

Для измерения толщины диэлектрических пленок применяются в ос­новном цветовой, интерференционный и эллипсометрический методы.

1.1. Цветовой метод [1,5].

Цветовой метод используется для экспресс-контроля толщины пле­нок SiO₂ и Si₃N₄ до 1,5 и 0,33 мкм соответственно. Он основан на окрашивании пленок разных толщин в разные цвета за счет интерферен­ции в них одной из составляющих белого цвета, длина волны которой кратна толщине пленки. Из таблицы 1.1 видно, что через некоторый ди­апазон толщин (например, для SiO₂ - 0,16-0,24 мкм, для Si₃N₄ - 0,12 - 0,14 мкм) цвета повторяются. Порядковый номер каждого.диапазона

соответствует порядку отражения. Точность определения толщины пленки данным методом 100 - 200 А.

Таблица 1.1

Цвета пленки SiO₂ и Si₃N₄ в зависимости от их толщины.

SiO2
Порядок интерференции	толщина, мкм	Цвет
	0,05	Бежеватый
	0,07	Коричневый
	0,10	Темно-фиолетовый
	0,12	Голубой
	0,15	Светло-голубой
	0,17	Цвет кремния

Продолжение табл.1.1

Порядок интерференций	Толщина, мкм	Цвет
	0,20	Светло-золотистый
	0,22	Золотистый
I	0,25	Оранжевый
	0,27	Красно-фиолетовый
	0,30	Фиолетово-голубой
	0,31	Голубой
	0,32	Зелено-голубой
	0,34	Светло-зеленый
	0,35	Зеленый
II	0,36	Желто-зеленый
	0,37	Зелено-желтый
	0,39	Желтый
	0,41	Светло-оранжевый
	0,42	Розовый
	0,44	Фиолетово-красный
	0,46	Красно-фиолетовый
	0,47	Фиолетовый
	0,48	Голубовато-фиолетовый
	0,49	Голубой
	0,50	Голубовато-зеленый
III	0,52	Зеленый
	0,54	Желто-зеленый
	0,56	Зелено-желтый
	0,58	Светло-оранжевый
	0,60	Розовый
	0,63	Фиолетово-красный
	0,68	Голубой
	0,72	Голубовато-зеленый
	0,77	Желтоватый
IV	0,80	Оранжевый
	0,82	Желтовато-розовый
	0,85	Светло-красно-фиолетовый

Продолжение табл. 1.1

Порядок интерференции	Толщина, мкм	Цвет
V	0,86	Фиолетовый
	0,87	Голубовато-фиолетовый
	0,89	Голубой
	0,92	Голубовато-зеленый
	0,95	Желто-зеленый
	0,97	Желтый
	0,99	Оранжевый
	1,00	Розовый
	1,02	Фиолетово-красный
	1,05	Красно-фиолетовый
	1,06	Фиолетовый
	1,07	Голубовато-фиолетовый
VI	1,10	Зеленый
	1,11	Желто-зеленый
	1,18	Фиолетовый
	1,19	Красно-фиолетовый
	1,21	Фиолетово-красный
	1,25	Оранжевый
	1,28	Желтоватый
VII	1,32	Светло-зелено-голубой
	1,40	Оранжевый
	1,45	Фиолетовый
	1,46
VIII	1,50	Голубовато-фиолетовый
	1,54	Желто-зеленый
Нитрид кремния Si3N4
	0-0.02	Цвет кремния - стальной
I	0,02-0,04	Коричневый
	0,04-0,055	Золотисто-коричневый
	0,055-0,073	Красный

Продолжение таблицы. 1.1

Порядок интерференции	Толщина, мкм	Цвет
	0,073-0,077	Темно-голубой
	0,077-0,093	Голубой
II	0,093-0,1	Бледно-голубой
	0,1-0,12	Кремния
	0,12-0,13	Светло-желтый
	0,13-0,15	Желтый
	0,15-0,18	Оранжево-красный
	0,18-0,19	Красный
	0,19-0,21	Темно-красный
III	0,21-0,23	Голубой
	0,23-0,25	Голубовато-зеленый
	0,25-0,28	Светло-зеленый
	0,28-0,3	Оранжево-желтый
	0,3-0,33	Красный

1.2. Интерференционный метод [2,5].

Интерференционный метод определения толщины диэлектрических пленок основан на интерференции лучей, отраженных от поверхности пластины и пленки. Эти измерения могут быть проведены с разрушени­ем и без разрушения пленки. В первом случае часть пленки стравлива­ют и получают ступеньку. В поле зрения микроинтерферометра НИИ-4 наблюдают интерференционную картину (рис. 1.1,а).

Если целостность пленки не нарушать, то интерференционная карти­на будет другой (рис. 1.l,б). Когда система интерференционных полос от пучка, отраженного поверхностью пленки, имеет слабую интенсив­ность, напыляют на ступеньку тонкий (2OO-300 А) сдой алюминия, который усиливает интенсивность картины и, кроме того, делает пленку прозрачной.

Расчет толщины d пленки производят по одной из формул:

[1.1]

Интерференционные картины при контроле толщины диэлектрических пленок [5]:

1- от поверхности пластины, покрытой пленкой;

2- от чистой поверхности;

3- от поверхности пленки.

Рис.1.1.

где N₁ - расстояние между одинаковыми по цвету интерференционными полосами от поверхности чистой пластины и от нее же после прохождения через пленку;

N₂ - расстояние между одинаковыми полосами от поверхности

пленки и чистой пленки на ступеньке;

n - показатель преломления материала пленки;

i - расстояние между соседними полосами.

Погрешность интерференционного метода связана с ошибкой при измерении по шкале микроокуляра расстояний N₁ и N₂ - и i и составляет 10%, а при малых толщинах пленок может достигать 50%.

1.3. Эллипсометрический метод [2,3].

Эллипсометрический метод определения толщины и оптичес­ких постоянных споев на диэлектрических, полупроводниковых и металлических подложках основан на измерении изменений состояния поляризации монохроматического поляризованного светового пучка при его отражении от системы слой — подложка или прохождении через нее. Эллипсометрия является наиболее точным методом измерения параметров тонких (толщиной 10 — 100 нм) и сверхтонких (толщиной от десятых долей до несколь­ких нанометров) слоев, контроля равнотолщинности и однород­ности слоев по площади, а также изучения процессов роста слоев. Тонкие и сверхтонкие слои, например, окисные слои на поверхностях полупроводников широко используются в полупроводниковой микро- и оптоэлектронике. Теория эллипсометрического метода базируется на исполь­зовании формул Френеля. Пусть на слой, нанесенный на подлож­ку, падает параллельный пучок линейно поляризованного света с амплитудой E₀ (рис. 1.3, а). Проекции E₀ на плоскость падения и плоскость, ей перпендикулярную, составляют E_½½ и E_^. Так как амплитудные коэффициенты отражения системы слой — поверх­ность подложки (r_½½)₁₃, и (r_^)₁₃ в общем случае поглощающего слоя на произвольной подложке являются различными комплексными величинами, то амплитуда напряженности электри­ческого поля (E_r) отраженного пучка имеет другую величину и ориентацию, а отроенный пучок становится эллиптически поля­ризованным (рис. 1.3 а).

Отражающие системы

а) Система «подложка - однородная пленка»

б)Система «подложка с двумя однородными пленками».

Рис. 1.2

Для описания изменения состояния поляризации при отра­жении от системы слой — поверхность подложки используется основное уравнение эллипсометрии, которое обычно записыва­ется в виде:

Рис. 1.3 Изменение состояния поляризации при отражении света от поверхности подложки с покрытием.

(1.2)

где;; здесь и - скачки фазы световой волны при отражении для соответствующей поляризации падающей волны.

Углы y и D, характеризующие относительный коэффициент отражения, обычно называются поляризационными углами или эллипсометрическими параметрами. D - фазовый угол между параллельной и перпендикулярной компонентами отраженной волны. y - азимут восстановленной линейной поляризации. Через формулы Френеля параметры D и y связаны неявными математическими зависимостями с показателем преломления n₁ окружающей сре­ды, физическими характеристиками слоя d₂, n₂, k₂ и подложки n₃, k₃, длиной световой волны l и углом падения j. Эту связь можно записать в виде следующей системы двух уравнений:

(1.3)

В простейшем случае прозрачного слоя при известных па­раметрах подложки и фиксированных j и l поляризационные углы y и D представляют собой периодические функции с периодом. Поэтому между значениями углов y и D и параметрами слоя n₂, d₂ в пределах интервала толщин 0 £ d­₂ £ D существует взаимно однозначное соответствие.

При произвольной толщине слоев ее значение определяют с точностью до периода интерференции, который должен быть известен из других измерений, а метод эллипсометрии используют для уточнения значения толщины. На практике удобно пользоваться системой графиков, рассчитанных и построенных заранее для различных наборов d₂ и n₂.

Данному методу присущи такие качества, как высокая точность измерений (~50 А), малая чувствительность к внешним воздействиям, отсутствие разрушающего воздействия.

Численное решение основного уравнения эллипсометрии для системы «кремниевая подложка - диэлектрическая пленка».

l = 6328 А; j₀ = 70°; n₂ = 3.9; k₂ = 0.02; n₁ = 1.3¸2.48

Рис. 1.4

Принципиальная схема прибора ЛЭФ-3М-1

1 - основание, 2 - предметный столик, 3 - плечо поляризатора, 4 - плечо анализатора, 5 - электронный блок, 6 - индикатор, 7 - опора, 8 - направляющая, 9 - кронштейн, 10 - ручка перемещения кронштейна, 11 - ручка фиксации кронштейна, 12-15 экраны, 16 - жгут патрона лампы подсветки.

Рис. 1.5

1.4. Устройство эллипсометра ЛЭФ-ЗМ-1 [6].

Лазерный фотоэлектрический эллипсометр предназначен для измерения изменений в состоянии поляризации монохроматического пучка света, возникающих в результате взаимодействия этого пучка с исследуемым образцом,

Технические данные.

Допускаемая основная абсолютная погрешность отсчета угломерного головки угла падения пучка света на образец ±0,02°.

Допускаемая основная абсолютная погрешность при измерении поляризационных углов ±0,08°.

Чувствительность измерительного тракта при минимальной интенсивности пучка света должна быть не менее 10.

Диапазон изменения угла падения пучка света на образец от 45° до 90°.

Эллипсометр (рис. 1,5) состоит из основания 1, предметного сто­лика 2, плеча поляризатора 3, плеча анализатора 4, блока элект­ронного 5, индикатора 6. На передней части основания 1 имеется вертикальная направляющая 8 типа "ласточкин хвост", по которой пе­ремещается кронштейн предметного столика 9. Перемещение кронштейна осуществляется спаренной ручкой 10, а его фиксация в нужном положе­нии - ручкой II • Плечо поляризатора 3 представляет собой корпус с расположенными в верхней части экранами 12 и 13. Внутри корпуса рас­положен поляризатор о устройством поворота, а также компенсатор с поворотным устройством и микрообъективом для отсчета угла поворота компенсатора. За корпусом расположен лазер. Плечо анализатора 4 представляет собой корпус с расположенными в верхней части экранами 14 и 15. В передней части корпуса расположены: ручка переключателя индикации, при помощи которой изображение выводится на экран 14.

В основу принципа действия эллипсометра положен "нулевой опти­ческий метод, который предусматривает в данном случае достижение минимальной интенсивности пучка света на выходе анализатора неоче­редных поворотов поляризатора и анализатора. Угловое положение ком­пенсатора при измерениях фиксируется так, чтобы его "быстрая" ось под углом + 45° или под углом -45° к плоскости падения пучка света на образец: это дает упрощение процедуры расчета значений поляри­зационных углов D и Y на заключительной стадии измерения. В каж­дом фиксированном рабочем положении компенсатора имеются две неза­висимые комбинации угловых положений поляризатора и анализатора, в которых может быть достигнута минимальная интенсивность пучка све­та. Еще две комбинации имеются при повороте на 180° поляризатора и анализатора. В общем для четырех положений компенсатора таких комби­наций 16. Из них независимые четыре, что и обуславливает четыре из­мерительные зоны (i = 1,2,3,4).

Юстировочные параметры положения "быстрой" оси для данного прибора следующие:

P₀ = 90°5’

A₀ = 0°5’

C₀ = 90°6’

Исходя из того, что C₀ = 90°6, а измерение проводится при С = C₀ + 45°, то расчет D и Y производится для первой зоны по следующим формулам:

D = P_I + P_II (1.4)

Y = 0.5 [A_I +(180° - A_II)] (1.5)

где P₀ - угловое положение поляризатора, при котором его направление пропускания совпадает с плоскостью падения рабочего пучка излучения;

A₀ - угловое положение анализатора, при котором его направление пропускания совпадает о плоскостью падения рабочего пучка излучения;

C₀ - угловое положение компенсатора, расположенного между поляризатором и анализатором, при котором происходит гашение излучения, прошедшего через поляризатор в положение P₀, анализатор в положе­нии A₀ + 90°;

при этом главные оси компенсатора совпадает с плоскостью падение ра­бочего пучка излучения и плоскостью перпендикулярной ей.

Плоскость падения - плоскость, содержащая в себе падающий луч, отраженный луч и нормаль к поверхности, на которую падает луч.

2. Методика проведения измерений на эллипсометре ЛЗФ-ЗМ-1»

1. Ознакомиться о устройством эллипсометра и с разрешения пре­подавателя включить шнур в сеть.

2. Включить тумблер "Сеть" на панели управления прибором. За­горевшаяся лампочка означает включение прибора.

3. Установить ручку переключателя зеркала в верхнее положение»

4. Установить механизмом подъема плеч угол подъема, равный 140°. Наблюдая за этим на экране 13 путем нажатия кнопки "Угол".

5. Установить компенсатор в положение C₁ =C₀ + 45° (135°6’), наблюдая за установкой в отсчетный микроскоп.

6. Установить на предметный столик исследуемый образец.

7. Подъемом или опусканием предметного столика добиться, чтобы отраженный от образца луч попадал в центр диафрагмы, расположенной на плече анализатора. На экране 14 появится световое пятно.

8. Вращением поворотных винтов, находящихся на предметном сто­лике добиться центричнооти светового пятна (в центре светового пят­на должно располагаться черная точка). Точность данной установки будет влиять на точность измерений.

9. Медленным и плавным поворотом анализатора и поляризатора добиться полного гашения пятна света на экране 14.

10. Переключить ручку поворота зеркала на плече анализатора во вт второе положение.

КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ ПЕРЕКЛЮЧАТЬ РУЧКУ ПРИ НЕПОГАШЕН­НОМ ПЯТНЕ НА ЭКРАНЕ. ЭТО МОЖЕТ ПРИВЕСТИ К ПОЛОМКЕ И ВЫХОДУ ИЗ СТРОЯ ЭЛЛИПСОМЕТРА.

II. Нажать один раз (поворотное нажатие увеличит чувствитель­ность) кнопку "АРУ" на пульте управления и осторожным небольшим вращением анализатора и поляризатора добиться минимального значения тока на микроамперметре.

Нажать кнопку "Сброс" и переключить ручку поворота зеркала в исходное положение.

13. Путем попеременного нажатия кнопок "A" и "P" снять с экранов 12 и 15 значение углов поворота поляризатора и анализатора A_I и P_I. A_I и P_I не должны превышать 180° при несоответствии этому условию необходимо повернуть поляризатор или анализатор (в зависимости от значений A и P) на угол 180° и повторять п.п. 9-13.

14. Установить угол поворота поляризатора P_II = P_I ± 90° путем поворо­та поляризатора в ту или иную сторону, наблюдая по экрану 12 за значением угла (при нажатой кнопки "P").

15. Добиться гашения светового пятна на экране 14, путем мед­ленного поворота анализатора.

16. Переключить ручку поворота зеркала на плече анализатора во второе положение. Выполнить п.п. 11-12.

17. Снять значения угла поворота анализатора A c экрана 15 путем нажатия кнопки A.

Произвести измерения необходимо в трех точках. После чего включить прибор.

18. Произвести расчет углов D и Y по формулам (1.4) и (1.5).

По программе «Ellips» произвести расчет оптических параметров образца. Согласуя с цветовым методом, определить полную толщину исследуемой пленки.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНЫ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Получить у преподавателя исследуемые образцы.

2. Провести измерения по цветовому методу и полученные данные занести в таблицу 2.3.

3. Провести измерение по интерференционному методу на микро­интерферометре МИИ-4, полученные данные занести в таблицу 2.3.

4. Провести измерение по эллипсометрическому методу на эллипсометре ЛЭФ 3М-1, полученные данные занесены в таблицы 2.2. 2.3. Пользуясь программой “Ellips”(таблица 2.1), произвести расчет параметров измеряемой пленки n, d, и d0. Полученные значения занести в таблицы 2.2 и 2.3.

Таблица 2.1.

Внешний вид программы “Ellips”

fi0

n0

n2

nbegin

nend

Re

Im

Re

Im

Re

Im

Re

Im

1.0000

0.0000

3.9500

0.0200

1.300

0.0000

2.0000

0.0000

lumbda

mistake

psi

delta

n

d

d0

6328.0

0.00010

1.690257

792.92476

2251.774918

5. Сравнить результаты измерений по трем методам и сделать выводы о точности измерения этих методов.

Таблица 2.1

Измерение оптических параметров диэлектрических пленок эллипсометрическим методом.

¹¹

Угол

Угол

Угол

Угол

Угол

Угол

программа

(град) PI

(град) PII

(град) AI

(град) AII

(град) y

(град) D

d (А)

n

Таблица 2.2

Сводная таблица трех методов контроля оптических параметров диэлектрических пленок.

¹¹

Эллипсометрический метод

Цветовой метод

Интерференционный метод

y

D

программа

Цвет

порядок отраж.

d (А)

N1

N2

d (А)

d (А)

n

3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Краткое положение физической сущности каждого из методов контроля.

2. Структурная схема эллипсометра.

3. Таблица результатов измерений.

4. Выводы.

4.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Какие физические величины непосредственно измеряются эллипсометром?

Чем обусловлена высокая точность определения толщины мето­дом эллипсометрии?

3.Каково назначение анализатора, поляризатора и компенсатора?

4.Чем вызвана необходимость применения лазера в качестве источника света в эллипсометре?

5.В каких случаях при интерференционном методе контроля напыляют алюминий.

6.В чем сущность цветового и интерференционного методов контроля толщины диэлектрических пленок?

7.С чем связана погрешность измерения толщины пленок цветовым и интерфериционным методами?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Крылова Т. Н. Интерференционные покрытия. П.: Машинострое­ние, 1973.224 с.

2. Основы эллипсометрии / А. В. Ржанов, К. К. Свиташев, А. И. Семененко и др. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1979.423 с.

3. Технология тонких пленок. Справочник / Пер. с англ.; Под pen. Л. Майссепа, Р. Гланга. Т. 1,2. М.: Сов. радио, 1977.

4. Физика тонких пленок / Пер. с англ.; Под рея. Г. Хасса, М. Франкомба, Р. Гофмана. Т. VIII. М.: Мир, 1978, с. 7-60.

5. С.Н.Никифорова-Денисова, Е.Н. Любушкина. Термические процессы. М.: Высшая школа, 1989. 96 с.

6. Эллипсометр ЛЭФ 3М-1. Паспорт. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

Дата добавления: 2015-09-05