Устройство для измерения толщины пленок на вращающихся подложках

Полезная модель относится к области измерительной техники, конкретно - к оптическим бесконтактным устройствам измерения толщины тонких (прозрачных) пленок, и может применяться для бесконтактного измерения толщины выращиваемых слоев на подложках, которые по условиям технологического процесса находятся на вращающемся держателе, установленном внутри камеры, в том числе вакуумной. Оптические измерители предполагают наличие зондирующего пучка излучения с заданными параметрами (спектральный состав, интенсивность, поляризация и т.п.), падающего на контролируемую подложку под фиксированным углом и регистрацию изменения параметров отраженного излучения (поляризации или интенсивности). По этим данным рассчитывают толщину нанесенной на подложку пленки (h) в соответствии с известными математическими выражениями. Заявляемое устройство решает задачу повышения точности измерений толщины слоев, наносимых на вращающиеся подложки, исключения сбоев в технологическом цикле, связанных с возможной клиновидностью подложки и/или ее наклоном относительно оси вращения. Задача решается тем, что в устройстве реализована синхронизация моментов измерения параметров отраженного луча с угловым положением оси вращения подложки, измеряемым датчиком углового положения оси вращения. С этой целью в устройство добавлен блок кондиционирования сигнала, вход которого электрически соединен с выходом фотоприемника, а выход электрически соединен с блоком оцифровки и вычислений, выход датчика углового положения оси вращения подложки электрически соединен с управляющим входом блока кондиционирования сигнала. Устройство может быть реализовано как многоканальное, если содержит N приемников излучения (по числу подложек, на которых ведется напыление), соединенных с блоком кондиционирования, который при этом содержит N сигнальных входов. При этом на управляющий вход блока кондиционирования подается сигнал с выхода датчика углового положения оси вращения подложек, а различные значения углового положения ₁, ₂..._N, при которых происходит измерение толщины пленок, задаются при начальной настройке устройства для каждого из каналов. 1 сам. п. ф-лы, 1 з.п., 1 рис., 1 п.

Полезная модель относится к области измерительной техники, конкретно - к оптическим бесконтактным устройствам измерения толщины тонких (прозрачных) пленок, и может применяться для бесконтактного измерения толщины выращиваемых слоев на подложках, которые по условиям технологического процесса находятся на вращающемся держателе, установленном внутри камеры, в том числе вакуумной.

Задача контроля толщины пленок в условиях, когда установка каких-либо контактных датчиков не предоставляется возможной, возникает при проведении различных технологических процессов, в частности, при нанесении слоя фоторезиста на полупроводниковую подложку при частоте вращения подложки 1000-3000 об/мин или выращивании эпитаксиальных слоев в ходе технологического процесса производства полупроводниковых структур на установках молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), где рост слоев производится в вакуумной камере при частоте вращения подложки 1-10 об/мин.

Для бесконтактного измерения толщин пленок используются различные методы и аппаратура. При измерении толщины прозрачных пленок предпочтение отдается оптическим методам с использованием световых лучей видимого диапазона, наибольшее распространение среди которых получили методы эллипсометрии и интерферометрии [М.Борн, Э.Вольф, Основы оптики, М., Наука, 1970 г., 855 с., проспект эллипсометра Мироскан-М, www.isp.nsc.ru. проспект эллипсометра фирмы JOBIN YVON, www.jobinyvon.com].

Сущностью оптических методов является наличие зондирующего пучка излучения с заданными параметрами (спектральный состав, интенсивность, поляризация и т.п.), содержащего одну или несколько длин волн _i, падающего на контролируемую подложку под одним или несколькими фиксированными углами _i и регистрация изменения параметров отраженного излучения (поляризации или интенсивности). По этим данным рассчитывают толщину нанесенной на подложку пленки (h). В частности,

при использовании интерферометрического метода измерения толщины пленки, лучи, отраженные от передней и задней поверхностей пленки, проходят различные оптические пути и интерферируют. По мере изменения толщины пленки меняется разность хода этих лучей в соответствии с известным математическим выражением [Г.С.Ландсберг, Оптика, М., Наука, 1976, 926 с]:

=2hncos(R)+1/2,

где - длина волны зондирующего излучения,

h - толщина пленки

n - показатель преломления пленки,

R=arcsin(sin/n)

В соответствии с законом интерференции лучей интенсивность отраженного от пленки излучения будет изменяется по формуле

I=I₀cos(2/).

I₀ - интенсивность падающего зондирующего излучения

Использование для формирования зондирующего пучка излучения лазера, являющегося когерентным с малой угловой расходимостью, приводит к тому, что интерференционные полосы имеют «бесконечную» ширину и не локализованы на поверхности пленки, а могут наблюдаться в любом сечении отраженного пучка света. При этом регистрируемое фотоприемником значение интенсивности отраженного излучения зависит от большого числа факторов, в частности I₀, и , которые для обеспечения высокой точности измерения толщины необходимо поддерживать неизменными. С практической точки зрения в условиях измерения толщины слоев на вращающихся подложках наиболее сложной является задача точного измерения угла и сохранения его значения неизменным в течение всего технологического цикла. Так, например, если подложка, на которую наносится пленка, имеет клиновидность, то при ее вращении будет меняться параметр , что приведет к ошибкам в измерении толщины h, проводимым в различные моменты времени в пределах одного цикла вращения. Более существенные ошибки могут возникнуть, если держатель подложки оказывается наклонным к оси вращения, например, в результате некачественной сборки системы и/или установки подложки в держатель с некоторым наклоном . В этом случае отраженный от вращающейся

подложки луч отклоняется на угол 2 и, при ограниченной апертуре фотоприемника, может даже выходить за его пределы. Учитывая, что современные установки нанесения тонких пленок имеют автоматическое управление технологическим процессом, пропадание управляющего сигнала может привести к нарушению технологического цикла и, как следствие, появлению брака.

Известно устройство, («Manufacturing apparatus and manufacture of semiconductor device», JP 2000294510, опубликовано 2000-10-20), составной частью которого является эллипсометр для измерения толщины пленок в процессе технологического роста полупроводниковых структур, содержащий источник зондирующего излучения и устройство регистрации отраженного излучения (фотоприемник), соединенное с блоком оцифровки и вычислений, выходной сигнал которого используется для автоматического управления технологическим процессом.

Данное устройство предназначено для технологических установок, в которых не предусмотрено вращение подложки, поэтому в нем невозможно избежать погрешностей и сбоев в работе системы автоматического управления, связанных с изменением положения отраженного пучка в плоскости фотоприемника, неизбежных при его отражении от вращающегося объекта.

Известно устройство, («Optical interference film thickness measuring equipment», JP 3222450, опубликовано 1991-10-01) содержащее источник зондирующего излучения, устройство регистрации отраженного излучения (фотоприемник), соединенное с блоком оцифровки и вычислений, оптическую схему формирования сигнала интерференции и дополнительный блок измерения клиновидности подложки.

В рассматриваемом устройстве блок оцифровки и вычислений имеет дополнительный вход, подключенный к выходу блока измерения наклона подложки относительно горизонтальной плоскости, на котором формируется электрический сигнал, пропорциональный величине наклона подложки. Значение этого сигнала используется для компенсации угла при расчете толщины пленки.

Недостатком этого устройства является то, что измерение угла наклона подложки и измерение толщины пленки может происходить в

разных местах подложки, что не позволяет компенсировать ошибку измерений, если источником кривизны подложки является не наклон, а, например, ее изгиб в результате локальной деформации при изменении температуры.

Известно устройство для измерения толщины прозрачной пленки, нанесенной на подложку («Способ и устройство для измерения толщины фоторезистивной пленки, в частности, фоторезистивной пленки на полупроводниковой подложке», RU 2001107968, опубликовано 2003-05-20), содержащее источник зондирующего излучения, устройство регистрации отраженного излучения (фотоприемник), соединенное с блоком оцифровки и вычислений, оптическую схему формирования сигнала интерференции и датчик углового положения оси вращения держателя подложки, наиболее близкое по совокупности существенных признаков, принятое за прототип. В данном устройстве источник зондирующего излучения и устройство регистрации излучения оптически связаны с выбранным для измерения участком пленки, которая наносится на подложку, закрепленную на вращающемся держателе, угловое положение которого регистрируется датчиком угла. Оптическая схема устройства формирует интерференционную картину «полос бесконечной ширины» за счет интерференции лучей зондирующего излучения, отраженных от передней и задней поверхностей пленки. Выход датчика угла поворота электрически подсоединен к источнику зондирующего излучения, обеспечивая его работу в импульсном режиме, синхронном с вращением подложки. Это позволяет регистрировать излучение в одном и том же месте подложки от оборота к обороту. Выход устройства регистрации излучения подается на блок оцифровки и вычислений, обеспечивающий вычисления толщины пленки по измеренным значениям интенсивности интерференционной картины отраженного излучения в одном и том же месте подложки от оборота к обороту. В свою очередь, блок оцифровки и вычислений имеет выход, электрически соединенный с мотором, обеспечивающим вращение подложки, осуществляя тем самым автоматическое управление режимом нанесения пленки по результатам расчета ее толщины (управление скоростью вращения мотора, ввод напыляемого материала и т.п.).

Недостатком данного устройства является его значительная техническая сложность и дороговизна, связанная с необходимостью модуляции источника зондирующего излучения при сохранении стабильности мощности и спектрального состава излучения.

Заявляемое устройство решает задачу повышения точности измерений толщины слоев, наносимых на вращающиеся подложки, исключения сбоев в технологическом цикле, связанных с исчезновением управляющего сигнала, и, как следствие обеспечение стабильности и воспроизводимости параметров слоев при использовании любых стандартных непрерывных источников зондирующего излучения.

Задача решается тем, что в известном устройстве для бесконтактного измерения толщины пленки, включающем источник зондирующего излучения, устройство регистрации отраженного излучения (фотоприемник), соединенное с блоком оцифровки и вычислений, оптическую схему формирования сигнала интерференции и датчик углового положения оси вращения держателя подложки, новым является то, что в устройство добавлен блок кондиционирования сигнала, вход которого электрически соединен с выходом фотоприемника, а выход электрически соединен с блоком оцифровки и вычислений, выход датчика углового положения оси вращения подложки электрически соединен с управляющим входом блока кондиционирования сигнала.

Предлагаемое устройство позволяет за счет введения дополнительного блока кондиционирования сигнала фотоприемника и дополнительной электрической связи между блоком кондиционирования и датчиком углового положения оси вращения держателя подложки:

- устранить погрешности, связанные с изменением наклона подложки, вызванным различными причинами,

- измерять значения толщины пленки в одном и том же произвольно выбранном месте подложки, или в месте, где измеряемый сигнал обладает максимальным отношением сигнал/шум,

- производить измерения с заданным отношением сигнал/шум не меняя режимов работы источника зондирующего излучения

- обеспечить непрерывную подачу сигнала в систему автоматического управления технологическим процессом.

Техническим результатом является повышение точности измерения толщины пленки за счет устранения погрешностей в измеряемом сигнале, связанных с вращением подложки в реальных условиях наблюдения за технологическим процессом.

Техническое решение поясняется блок-схемой устройства бесконтактного измерения толщины прозрачной пленки, наносимой на вращающуюся подложку, представленной на Фиг., где:

1 - измеряемая пленка;

2 - подложка;

3 - держатель подложки;

4 - датчик углового положения оси вращения держателя подложки;

5 - источник зондирующего излучения;

6 - устройство регистрации отраженного излучения (фотоприемник);

7 - блок кондиционирования сигнала;

8 - блок оцифровки и вычислений;

В предлагаемом устройстве оптическая схема непрерывно формирует интерференционную картину полос «бесконечной ширины» за счет интерференции лучей непрерывного источника зондирующего излучения (5), отраженных от передней и задней поверхностей измеряемой пленки (1), наносимой на подложку (2), установленную в держателе (3), и передает ее на вход устройство регистрации отраженного излучения (фотоприемник). На его выходе непрерывно формируется сигнал I(h), величина которого пропорциональна толщине h пленки 1. Сигнал I(h) поступает на вход блока кондиционирования сигнала 7, на другой вход которого поступает сигнал с датчика углового положения 4 оси вращения держателя подложки для осуществления выборок из непрерывного сигнала I(h) в определенные моменты времени, соответствующие некоторому выбранному оператором фиксированному значению углового положения подложки. Выход блока кондиционирования сигнала 7 соединен с входом блок оцифровки и вычислений 8, в котором осуществляется расчет текущих значений толщины пленки h и формирование электрического управляющего сигнала для дальнейших схем автоматического управления технологическим процессом.

Работа устройства.

Работа устройства начинается с выбора участка подложки, на котором предполагается производить измерение толщины наращиваемой пленки. Оператор, путем ручного поворота подложки до начала ростового процесса, выбирает значение углового положения подложки ₀, при котором предполагается производить измерения толщины наращиваемой пленки в течении всего технологического цикла и с помощью юстировки оптической схемы (блоков источника 5 и приемника излучения 6) добивается максимума значения выходного сигнала в этой точке. Значение угла поворота ₀ запоминается в блоке кондиционирования 7 (например, при нажатии кнопки «₀,», расположенной на блоке кондиционирования 7). Таким образом, при любом наклоне подложки относительно оси и при любой скорости вращения, при угле поворота ₀ для отраженного пучка будут обеспечиваться одинаковые условия попадания на фоточувствительную поверхность детектора.

В процессе изменения толщины пленки устройство регистрации отраженного излучения (фотоприемник) 6 непрерывно формирует на своем выходе сигнал I(t) пропорциональный падающему на него излучению. Сигнал с выхода фотоприемника 6 поступает на сигнальный вход блока кондиционирования 7. На управляющий вход блока кондиционирования 7 поступает сигнал (t) с датчика углового положения 4 оси вращения держателя подложки. В моменты времени t_k, когда (t_k) совпадает с ₀, в блоке кондиционирования 7 осуществляется оцифровка и запоминание сигнала I(t_k), пропорционального толщине пленки при заданном угловом положении подложки. Полученное значение сигнала I(h) сохраняется до прихода следующего управляющего импульса на управляющий вход блока кондиционирования 7 и непрерывно поступает на вход блока оцифровки и вычислений 8 и далее в систему автоматического управления технологическим процессом.

Пример.

Был изготовлен опытный образец устройства для бесконтактного измерения толщины пленки на подложке, установленной на вращающемся

держателе, по схеме, изображенной на Фиг. Конструктивно устройство было выполнено в виде 3-х блоков:

блок Излучателя, содержащий источник когерентного зондирующего излучения с блоком питания, механическое устройство наведения, обеспечивающее поворот зондирующего луча на угол ±10° и смещение по плоскости крепления ±12 мм, и делитель света, обеспечивающий деление пучка лазера на две неравные части и направление меньшей из них на фотоприемник для контроля мощности излучения лазера.

блок Приемника и обработки отраженного излучения, содержащий тепловой фильтр, защищающий приемник от теплового излучения подложки, систему визуализации положения отраженного луча в плоскости фотоприемника, выполненную на основе телевизионной камеры, и механическое устройство наведения приемника, обеспечивающее его смещение в плоскости фотоприемника на ±12 мм.

блок Кондиционирования, оцифровки и обработки сигнала интерференции, содержащий датчик угла положения подложки, выполненный в виде диска, монтируемого непосредственно на внешний ввод вращения держателя подложки, и электронный блок, обеспечивающий синхронизацию измеряемого сигнала, пропорционального толщине пленки, с угловым положением подложки, его усиление, обработку, оцифровки и передачу в дальнейшие схемы автоматического управления технологическим процессом.

Оптическая схема устройства измерения толщины пленки выполнена на основе стандартного непрерывного лазера, расположенного в блоке Излучателя 5. Когерентное излучение лазера направляется на подложку 2. Отраженные от передней и задней поверхности выращиваемой пленки 1 лучи интерферируют, что при большой ширине полос приводит к изменению интенсивности отраженного пучка, которая измеряется блоком Приемника излучения 6. В результате вращения подложки в процессе роста пленки направление отраженного луча изменяется, что влияет на величину регистрируемого сигнала, а в определенные моменты времени отраженный луч может вообще выйти за пределы апертуры фотоприемника. В устройстве предусмотрена возможность визуального контроля положения отраженного луча и используется блок кондиционирования сигнала,

позволяющий производить измерения толщины синхронно с вращением подложки в моменты времени, когда =₀. При этом угол падения зондирующего пучка остается неизменным, обеспечивая постоянство условий попадания отраженного пучка на вход фотоприемника.

В качестве источника зондирующего когерентного излучения в устройстве используется He-Ne или полупроводниковый лазер видимой длины волны излучения (=0,63/0,65 мкм), в качестве детектора излучения был использован фотодиод типа ФД-24К с площадью светочувствительной поверхности порядка 1 см², в качестве устройства визуализации - цифровая Web камеры типа QuickCam Express.

Датчик углового положения подложки выполнен в виде металлического диска с прорезями и оптопары типа TCST110. В блоке кондиционирования обеспечивается формирование импульса синхронизации TTL уровня, соответствующего произвольно выбранному угловому положению подложки в пределах 360° с точностью не хуже ±1°.

Блок Кондиционирования, оцифровки и обработки отраженного сигнала выполнен на базе микропроцессора ADC 832, обеспечивая трансляцию текущих значений аналоговых сигналов интенсивности отраженного и опорного пучков на выходной разъем устройства, обработку аналоговых сигналов, поступающих от фотоприемников и преобразование их в цифровую форму для передачи по двум каналам:

1) RS-232 - Информация, передаваемая по данному каналу, предназначена для использования программным обеспечением, позволяющим производить настройку модуля синхронизации на стартовый уровень сигнала;

2) RS-485 (3-wire), протокол MODBUS. Данный канал предназначен для передачи информации в систему автоматического управления технологическим процессом.

В состав устройства входит специальное программное обеспечение позволяющее производить настройку модуля кондиционирования, производя его начальную установку на произвольное значение углового положения подложки с удаленного компьютера.

Устройство было испытано в ЗАО "Светлана-Рост" при изготовлении многослойных гетероструктур AlGaN/Аl ₂О₃ методом МЛЭ на установке ЭПН-5.

1. Устройство для бесконтактного измерения толщины пленок на вращающихся подложках, включающее оптическую схему, содержащую источник и приемник излучения, блок оцифровки и вычислений и детектор углового положения подложки, отличающееся тем, что устройство содержит блок кондиционирования сигнала, к управляющему входу которого подключен выход детектора углового положения подложки, выход приемника излучения подключен к сигнальному входу блока кондиционирования, выход которого электрически связан с входом блока оцифровки и вычислений.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что является многоканальным, т.е. содержит N приемников излучения, соединенных с блоком кондиционирования, который при этом имеет N сигнальных входов.