Способ контроля толщины пленки в процессе ее нанесения

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для неразрушающего контроля толщины пленок, в частности в устройствах для измерения и контроля толщины пленок фоторезиста, наносимых на вращающуюся полупроводниковую подложку в процессе центрифугирования в операциях фотолитографии. Сущность изобретения заключается в том, что пучок излучения с длиной λ волны падает на контролируемую подложку под углом ϕ, до и в процессе нанесения пленки регистрируют интенсивность отраженного излучения. При этом момент окончания процесса формирования толщины пленки фоторезиста при центрифугировании определяют по прекращению изменения интенсивности отраженного излучения во времени, а толщину определяют по математическому выражению, приведенному в описании. Способ дает возможность контролировать и измерять толщину пленки фоторезиста при ее формировании центрифугированием и определять момент окончания формирования ее толщины. 4 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для неразрушающего контроля толщины пленок, в частности в устройствах для измерения и контроля толщины пленок фоторезиста, наносимых на вращающуюся полупроводниковую подложку в процессе центрифугирования в операциях фотолитографии.

Известен способ определения толщины пленки (авт. св. N 1128114, СССР), согласно которому направляют пучок монохроматического излучения на эталонные пленки, измеряют интенсивность рассеянного излучения, строят градуировочный график, связывающий толщину эталонных пленок с интенсивностью рассеянного излучения, направляют пучок монохроматического излучения на контролируемую пленку, измеряют интенсивность рассеянного излучения и определяют толщину пленки по градуировочному графику.

Недостаток этого способа заключается в предварительном построении градуировочного графика и невозможность применения его в процессе формирования пленки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ контроля толщины пленки в процессе ее нанесения (авт.св. N 1746214, СССР), заключающийся в том, что до и в процессе нанесения пленки освещают контролируемую подложку излучением с длиной волны λ под углом ϕ, регистрируют интенсивность отраженного от подложки линейно поляризованного излучения и определяют момент прекращения процесса нанесения пленки заданной толщины d. При этом длину λ волны излучения и угол ϕ освещения подложки выбирают из условия d = d₀K, где d - заданная толщина пленки; K = 1,2, . . . - коэффициент; где n - показатель преломления материала пленки. Момент прекращения процесса нанесения пленки определяют по достижении K-й кратности равенства интенсивности отраженного линейно поляризованного излучения до и в процессе нанесения пленки.

Недостатком данного способа является его неприменимость к процессу нанесения пленки центрифугированием. Так как толщина пленки уменьшается до какой-то определенной толщины, определение номера кратности K не представляется возможным.

Техническая задача изобретения - контроль и измерение толщины пленки и определение момента окончания процесса формирования ее толщины при центрифугировании.

Техническая задача изобретения достигается тем, что в способе контроля толщины пленки в процессе ее нанесения, включающем освещение контролируемой подложки излучением с длиной волны λ под углом ϕ до и в процессе нанесения пленки, регистрирование интенсивности отраженного от подложки излучения, новым является то, что контроль и измерение толщины пленки осуществляют, определяя количество целых и дробных периодов интерференции, прошедших от минимума, амплитуда которого лежит в пределах (0,4 - 0,6)·I_изм (для случая, когда I_об/2≥I_изм) или (0,4 - 0,6)·(I_об-I_изм) (для случая, когда I_об/2<I), при фиксированном поперечном сечении пучка и угле падения излучения, а конечная толщина определяется по выражению (1): где I_об - интенсивность отраженного излучения от подложки; I_изм - интенсивность отраженного излучения после нанесения пленки; d_кон - конечная толщина пленки; d_отс - отсчетная толщина пленки, которая определяется по выражению где d_контр - конечная толщина пленки на контрольной подложке, измеренная любыми известными способами после ее формирования; λ - длина волны излучения; n - показатель преломления пленки;
ϕ - угол падения излучения на пластину;
m - количество целых периодов интерференции, прошедших от отсчетного минимума до момента окончания процесса формирования пленки при центрифугировании, определяемого по прекращению изменения интенсивности отраженного излучения;
m_1/4 - количество четвертей последнего неполного периода;
ΔI_max - амплитуда изменения интенсивности последнего периода;
ΔI - изменение интенсивности в последней четверти периода.

Способ реализуется следующим образом.

Перед началом работы производят контрольное центрифугирование. После измеряют толщину сформировавшейся пленки на контрольной подложке d_контр любым известным способом и находят минимум на графике интерференции, амплитуда которого лежит в пределах (0,4 -0,6)·I_изм (для случая, когда I_об/2≥I_изм) или (0,4 - 0,6)·(I_об-I_изм) (для случая, когда I_об/2<I). (Интервал 0,4 - 0,6 выбран на основании проведенных экспериментов; I_об - интенсивность отраженного излучения от подложки без пленки; I_изм - интенсивность отраженного излучения после нанесения пленки на подложку).

Отсчетную толщину d_отс, соответствующую точке этого минимума, определяют по выражению (2):

где d_контр - конечная толщина пленки на контрольной подложке;
λ - длина волны излучения;
n - показатель преломления пленки;
ϕ - угол падения излучения на пластину;
m - количество целых периодов интерференции, прошедших от отсчетного минимума до момента окончания процесса формирования пленки при центрифугировании, определяемого по прекращению изменения интенсивности отраженного излучения;
m_1/4 - количество четвертей последнего неполного периода;
ΔI_max - амплитуда изменения интенсивности последнего периода;
ΔI - изменение интенсивности в последней четверти периода.

Изменение амплитуды обусловлено различной площадью наложения двух потоков отраженного излучения: от границы "воздух - фоторезист" и "фоторезист - подложка". Интерференция возникает между теми лучами, которые находятся в "наложенном" потоке. Следовательно, при изменении толщины пленки изменяется и площадь "наложенного" потока при фиксированном поперечном сечении падающего потока и угле падения его на подложку (фиг. 1). Изменение интенсивности отраженного излучения во времени при трехрежимной работе центрифуги (800 об/мин - нанесение и растекание фоторезиста; 5000 об/мин - формирование тонкой пленки; 1000 об/мин - окончательное формирование толщины пленки) представлено в виде графика интерференции (фиг. 2).

Измерение ΔI при различных случаях окончания графика представлено на фиг. 3.

Предлагаемый способ дает возможность контролировать и измерять толщину пленки фоторезиста при ее формировании центрифугированием и определять момент окончания формирования ее толщины.

Данный способ осуществляется устройством, в состав которого входят: электродвигатель 1, столик центрифуги 2, полупроводниковая подложка 3, дозирующий механизм подачи фоторезиста 4, датчик числа оборотов центрифуги, состоящий из источника света 5, фотоэлемента 6 и закрепленного на валу центрифуги 7 диска с прорезями 8, оптический блок, состоящий из источника монохроматического излучения (лазера) 9, полупрозрачного зеркала 10 и фотоэлементов 11 и 12, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 13 и ЭВМ 14.

На фиг. 4 показана структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство работает следующим образом.

От электродвигателя 1 вращение передается к валу 7 центрифуги. Измерение числа оборотов вала 7 центрифуги осуществляется датчиком, состоящего из диска с прорезями 8, закрепленного на валу 7 центрифуги, источника света 5 и фотоэлемента 6. Импульсы от фотоэлемента 6 подаются на вход АЦП 13.

Монохроматическое излучение источника 9 длиной волны λ = 0,633 мкм разделяется с помощью полупрозрачного 10 на опорный и объектный потоки, что необходимо для учета нестабильности выходной мощности лазера. Объектный поток падает на полупроводниковую подложку 3, установленную на столике центрифуги 2 и, отражаясь от нее, попадает на чувствительную площадку фотоприемника 12. При отражении от пластины без фоторезиста лазерный луч будет иметь интенсивность света I_об, определяемую величиной коэффициента отражения материала подложки для "чистой" полупроводниковой пластины. При нанесении на пластину слоя жидкого резиста с помощью дозирующего механизма 4 интенсивность отраженного излучения в общем случае уменьшится до величины I_изм.

После растекания фоторезиста и сброса его излишков повышают число оборотов вала 7 центрифуги, при этом толщина слоя фоторезиста на поверхности пластины 3 будет резко уменьшаться. В связи с тем, что в процессе указанных изменений пленки непрерывно уменьшается ее толщина, интенсивность отраженного от пластины 3 с пленкой лазерного луча будет меняться в соответствии с основным законом интерференции (3):

где d - толщина пленки;
λ - длина волны;
K - порядок интерференции (K = 0,5; 1,5; ... - для минимумов, 1, 2, 3, . .. - для максимумов);
n - показатель преломления;
ϕ - угол падения света на подложку.

Электрические сигналы от фотоприемников 11, 12, измеряющие опорное и объектное излучения соответственно, усиленные соответствующим образом, подаются на вход АЦП 13. ЭВМ 14 фиксирует информацию в виде двух графиков: числа оборотов и изменения интенсивности отраженного излучения во времени. При этом осуществляется коррекция при измерении объектного потока, необходимая для учета нестабильности выходной мощности лазера. Коэффициент коррекции определяется перед эксплуатацией устройства по выражению (4):
K_кр = I_оп/I_об,
где I_оп, I_об - интенсивность опорного (отраженного зеркалом) и объектного (прошедшего через зеркало) потоков соответственно.

Следовательно, при изменении выходной мощности лазера возникает поправка:
ΔI_об= ΔI_оп/K_кр, (5)
ЭВМ определяет окончание процесса формирования пленки фоторезиста и ее конечную толщину.

Пример: определение конечной толщины пленки фоторезиста AZ-1350 при центрифугировании. Показатель преломления этого резиста n = 1,631. Конечная толщина пленки на контрольной подложке, измеренная двухлучевым микроинтерферометром МИИ - 4, d_контр = 1,193 мкм. Количество целых периодов интерференции, прошедших от отсчетного минимума до конца графика, m = 3, количество четвертей периода m_1/4 = 3; ΔI_max = 0,34; ΔI = 0,22; I = 1. Угол падения излучения ϕ = 30^o.

Определяем отсчетную толщину по выражению (1):

Эта толщина является отсчетной.

При нанесении резиста на последующие подложки ЭВМ определяет толщину пленки отниманием от отсчетной толщины d_отс изменения ее, которое определяется по количеству целых и дробных периодов интерференции по выражению (2): m = 1; m_1/4 = 2; ΔI_max = 0,31; ΔI = 0,24

Формула изобретения

Способ контроля толщины пленки в процессе ее нанесения, включающий освещение контролируемой подложки излучением с длиной волны λ под углом ϕ до и в процессе нанесения пленки, регистрирование интенсивности отраженного от подложки излучения, отличающийся тем, что контроль и измерение толщины пленки осуществляют, определяя количество целых и дробных периодов интерференции, прошедших от минимума, амплитуда которого лежит в пределах (0,4 - 0,6) х I_изм (для случая, когда I_об / 2 ≥ I_изм) или (0,4 - 0,6) х (I_об - I_изм) (для случая, когда I_об / 2 < I_изм), при фиксированном поперечном сечении пучка и угле падения излучения, а конечная толщина определяется по выражению:

где I_об - интенсивность отраженного излучения от подложки;
I_изм - интенсивность отраженного излучения после нанесения пленки;
d_кон - конечная толщина пленки;
d_отс - отсчетная толщина пленки, которая определяется по выражению:

где d_контр - конечная толщина пленки на контрольной подложке, измеренная любыми известными способами после ее формирования;
λ - длина волны излучения;
n - показатель преломления пленки;
ϕ - угол падения излучения на пластину;
m - количество целых периодов интерференции, прошедших от отсчетного минимума до момента окончания процесса формирования пленки при центрифугировании, определяемого по прекращению изменения интенсивности отраженного излучения;
m_1/4 - количество четвертей последнего неполного периода;
ΔI_max - амплитуда изменения интенсивности последнего периода;
ΔI - изменение интенсивности в последней четверти периода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4