Устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок

Авторы патента:

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для быстрого и высокоточного измерения толщины твердых и жидких диэлектрических и полупроводниковых пленок и покрытий в диапазоне толщин от 10 мкм до 1 мм, и может использоваться в производственном контроле технологических процессов производства пленок и научных исследованиях.

Целью предлагаемой полезной модели является многократное повышение точности измерений толщины тонких прозрачных слоев.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, которое дополнительно содержит узел фиксации вращающегося зеркала с плоской отражающей поверхностью.

Известны устройства и приборы, позволяющие определять толщину диэлектрических и полупроводниковых пленок неразрушающими методами, в частности, описанные в [1, 2, 3].

Известно устройство [4] (см. Fedortsov А.В., Letenko D, G, Churkin Yu. V., Torchinsky I.A., Ivanov A.S. A fast operating laser device for measuring the thicknesses of transparent solid and liquid films. Rev. Of Scientific Instruments, 1992, т.63 7 с.3579), для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, содержащее лазер, плоское вращающееся зеркало, неподвижные эллиптические зеркала, держатель образцов, приемник излучения и регистрирующий прибор. Это устройство позволяет измерить толщину пленки, исходя из числа экстремумов угловой зависимости интенсивности отраженного от образца излучения, приходящихся на заданный диапазон изменения угла падения лазерного луча на образец в фиксированной точке.

Толщина пленки t определяется соотношением

Где - длина волны лазера, m - число пиков угловой зависимости интенсивности отраженного от образца лазерного излучения (число интерференционных максимумов), ₁, ₂ - пределы изменения угла падения луча на пленку, , n - показатель преломления пленки.

В описываемом устройстве плоское вращающееся зеркало расположено так, что ось вращения лежит на его поверхности и проходит через один из фокусов первого эллиптического зеркала. Во втором фокусе этого зеркала расположена измеряемая точка образца. Изменение угла падения на образец достигается непрерывным вращением зеркала. Луч лазера отражается от поверхности первого эллиптического зеркала во второй фокус, где находится измеряемая пленка. Отраженный от образца луч при помощи второго эллиптического зеркала направляется на фотоприемник, сигнал которого поступает на осциллограф. На экране осциллографа наблюдается угловая зависимость интенсивности отраженного от пленки лазерного луча.

Существенным недостатком данного устройства является его высокая стоимость, вследствие использования несферической оптики (эллиптических зеркал).

Этот недостаток устраняет известное устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок [5] (см. патент РФ Федорцов А.Б., Иванов А.С., Чуркин Ю.В., Манухов В.В. 2411448, заявлено 27 июля 2009 г, опубликовано 10 февраля 2011 г.), содержащее вместо эллиптических зеркал сферические зеркала.

Это устройство является наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым устройством и выбрано в качестве прототипа.

Известное устройство содержит лазер, плоское вращающееся зеркало, неподвижные сферические зеркала, держатель образцов, приемник излучения и регистрирующий прибор. Причем, плоское вращающееся зеркало расположено так, что ось вращения лежит на его поверхности и проходит через точку падения луча лазера на зеркало. Образец и первое сферическое зеркало расположены так, что образец находится в точке, оптически сопряженной к точке падения лазерного луча на зеркало. Изменение угла падения луча на образец достигается непрерывным вращением зеркала. При этом, отраженный луч лазера после отражения от первого сферического зеркала отражается под разными углами в одну и ту же точку на поверхности образца. Данная точка является оптически сопряженной к точке падения луча лазера на зеркало. Отраженный от образца луч, при помощи второго сферического зеркала направляется на входное окно фотоприемника, сигнал с которого поступает на осциллограф, где наблюдается угловая зависимость интенсивности отраженного от пленки лазерного луча.

Существенным недостатком данного устройства является недостаточная точность измерения толщин.

Как уже указывалось, в основе метода измерений лежит измерение количества интерференционных максимумов, приходящихся на фиксированный диапазон углов падения лазерного луча на поверхность образца.

Может оказаться, что в заданном диапазоне угла падения лазерного луча на образец наблюдается интерференционная картина, внутри которой укладывается нецелое число периодов и, соответственно, нецелое число интерференционных максимумов. Тогда, при подсчете общего числа максимумов, приходящихся на заданный угловой диапазон, ошибка может составить ±1 максимум. В достаточно тонких пленках, когда общее число зарегистрированных интерференционных максимумов невелико, ошибка измерения толщины будет весьма значительной. Например, при измерении пленки, дающей интерференционную картину из четырех максимумов, относительная ошибка может составить 25%. В данном случае, уместно говорить не о точном измерении толщины пленки, а о том, в каком диапазоне находится ее толщина.

На фиг.1 изображена зависимость коэффициента отражения пленки от ее толщины при фиксированном угле падения, которая носит периодический характер.

При известном диапазоне изменения толщин пленки, зная величину коэффициента отражения, можно однозначно установить ее толщину.

Предлагаемое устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, содержит: источник монохроматического излучения, держатель образца, вращающееся плоское зеркало, ось вращения которого расположена на его отражающей поверхности, и приемник излучения, который подсоединен к регистрирующему прибору, первое сферическое зеркало, установленное так, что точка, оптически сопряженная с точкой образца, в которой производятся измерения, находится на оси вращения плоского зеркала, в месте падения на него излучения источника, и второе сферическое зеркало, установленное с возможностью оптического сопряжения точки образца, в которой производятся измерения, и приемной площадки приемника излучения, при различных угловых положениях плоского зеркала.

В предлагаемом устройстве для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок процесс измерений разбивается на два этапа. Первый - определение диапазона толщин образца, второй - точное измерение его толщины. Первый этап измерений осуществляется при помощи устройства-прототипа, второй - при фиксации вращающегося зеркала, когда обеспечивается падение лазерного луча на образец под некоторым углом.

Сущность полезной модели поясняется следующими фигурами:

фиг.2, на которой изображено устройство для неразрушающего измерения толщины пленок, где:

1 и 2 - сферические зеркала;

3 - неподвижный источник излучения (лазер);

4 - вращающееся зеркало с плоской отражающей поверхностью;

5 - держатель образца (пленки);

6 - образец;

7 - приемник излучения;

8 - регистрирующий прибор;

9 - узел остановки вращающегося зеркала под заданным углом;

фиг.3, на которой изображен первый пример выполнения узла для остановки и фиксации вращающегося зеркала 4 в заданном положении, где:

10 - постоянный магнит;

11 - обмотка;

12 - неподвижный электромагнит;

фиг.4, на которой изображен второй пример выполнения узла для остановки и фиксации вращающегося зеркала 4 в заданном положении, где:

13 - диск;

14 - ролик;

15 - ось, закрепленная на подвижном штоке 16;

17 - электромагнит;

18 - пружина.

Взаимное расположение элементов в предлагаемом устройстве для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок (его оптическая схема) является следующим. Ось вращения плоского зеркала 4 лежит на его поверхности. Луч лазера 3 направлен в точку, лежащую на поверхности плоского зеркала 4 на оси его вращения (точка М).

Сферическое зеркало 1, узел остановки вращающегося зеркала под заданным углом 9 и держатель образца 5 установлены так, что измеряемая точка образца (пленки) 6 (точка N), является оптически сопряженной точке M. Сферическое зеркало 2 и приемник излучения 7 расположены таким образом, что сферическое зеркало 2 частично перекрывает сектор (веер) лучей лазера 3, отраженных от образца (пленки) 6 в точке N при их падении в эту точку, при различных угловых положениях вращающегося зеркала с плоской отражающей поверхностью 4.

Входное окно приемника излучения 7 находится в точке P, оптически сопряженной к точке N, в которой измеряется толщина образца 6.

Выход приемника излучения 7 соединен с регистрирующим прибором 8.

Принцип работы устройства для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок:

Первый этап:

Луч лазера 3 попадает в точку N, расположенную на оси вращения плоского зеркала 4, и лежащую на его поверхности. Отразившись от вращающегося зеркала с плоской отражающей поверхностью 4, луч последовательно (вследствие непрерывного вращения плоского зеркала 4), скользит по поверхности сферического зеркала 1, отражаясь под разными углами в одну и ту же точку М образца 6.

Точка M оптически сопряжена к точке N. Отраженный от образца 6 в точке M, луч, попадает на сферическое зеркало 2, отразившись от которого, попадает в одну и ту же точку P (оптически сопряженную точке M, в которой находится приемник излучения 7).

Сигнал с приемника излучения 7 поступает на вход регистрирующего прибора 8 (например, осциллографа).

При вращении плоского зеркала 4 регистрируется угловая зависимость интенсивности отраженного от образца 6 лазерного излучения.

Из количества пиков (числа интерференционных максимумов) этой зависимости по формуле (1) определяют диапазон, в котором находится толщина пленки.

Второй этап:

Останавливают плоское вращающееся зеркало 4. Обеспечивают падение лазерного луча 3 в точку M на поверхности образца 6 под фиксированным углом. Зная диапазон, в котором лежит толщина пленки, по графику, представленному на фиг.1, определяют точное значение толщины пленки.

Для остановки и фиксации вращающегося зеркала с плоской отражающей поверхностью 4 в заданном положении можно использовать различные механические или электронно-механические узлы. Приведем в качестве примеров описания работы двух таких узлов. Первый узел изображен на фиг.3. На оси вращающегося зеркала 4 закрепляют постоянный магнит 10. После выключения электродвигателя на обмотку 11 неподвижного электромагнита 12 подается напряжение. Возникшее при этом магнитное поле, воздействует на постоянный магнит 10, останавливая его в положении, показанном на фиг.3. Угол, при котором останавливается вращающееся зеркало 4 можно регулировать поворотом неподвижного электромагнита 12.

Можно осуществить остановку и фиксацию вращающегося зеркала 4 иначе: при помощи узла, изображенного на фиг.4. В этом случае, на ось вращающегося зеркала 4 надевается небольшой диск 13 с полукруглым углублением. В это углубление может входить ролик 14, который может свободно вращаться вокруг оси 15, закрепленной на подвижном штоке 16. При включении электромагнита 17, шток 16 втягивается в него и поднимается, позволяя при этом оси зеркала 4 свободно вращаться. При выключении электромагнита 17, шток 16 опускается под действием пружины 18. При этом, ролик 14 входит в углубление на диске 13, фиксируя ось зеркала 4 в заданном положении. Если скорость вращения зеркала 4 слишком большая, то барабан преодолевает сопротивление пружины 18, приподнимает ролик 14 и прокручивается еще на один оборот. Поэтому, чтобы обеспечить надежную остановку вращающегося зеркала 4 в нужном положении, целесообразно подавать малое напряжение на электродвигатель до полной остановки вращающегося зеркала 4.

По результатам проведенных лабораторных исследований точность измерений толщины возросла в 10 раз.

Литература

1. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: 1987, с.239;

2. Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур М.: Радио и связь, 1085, с.264;

3. Т.Ояма (Т Ohyoma), Й.Мори (Y.Mori). Оптический метод измерения однородных толщин прозрачных твердых и жидких пленок в диапазоне около 0,01-1 мм. Приборы для научных исследований, 1987, N 10, с.70;

4. Fedortsov А.В., Letenko D, G, Churkin Yu. V., Torchinsky I.A., Ivanov A.S. A fast operating laser device for measuring the thicknesses of transparent solid and liquid films. Rev. Of Scientific Instruments, 1992, т.63 7 с.3579;

5. Федорцов А.Б., Иванов А.С., Чуркин Ю.В., Манухов В.В. Патент РФ 2411448, заявлено 27 июля 2009 г, опубликовано 10 февраля 2011 г.

Устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, содержащее источник монохроматического излучения, держатель образца, вращающееся плоское зеркало, ось вращения которого расположена на его отражающей поверхности, и приемник излучения, который подсоединен к регистрирующему прибору, первое сферическое зеркало, установленное так, что точка, оптически сопряженная с точкой образца, в которой производятся измерения, находится на оси вращения плоского зеркала, в месте падения на него излучения источника, и второе сферическое зеркало, установленное с возможностью оптического сопряжения точки образца, в которой производятся измерения, и приемной площадки приемника излучения, при различных угловых положениях плоского зеркала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, устройство дополнительно содержит узел фиксации вращающегося плоского зеркала.