Способ измерения толщины металлической пленки

 

Изобретение относится к области технологии тонких пленок, а точнее к области контроля толщины тонких металлических пленок, нанесенных на подложку из диэлектрика или иного материала, и может быть использовано в микроэлектронике и оптике. Сущность изобретения: в способе измерения толщины металлической пленки, включающем формирование ступенчатой структуры на поверхности пленки, высота которой равна толщине пленки, напыление на поверхность подложки со ступенькой слоя высокоотражающего металла и освещение пленки лучом лазера с известной длиной волны, ступенчатую структуру формируют из чередующихся непротравленных и протравленных на всю толщину пленки, вплоть до подложки, полос одинаковой ширины. Затем при облучении полученной рельефной структуры зондирующим лазерным пучком в полученной отраженной дифракционной картине проводят измерение мощностей дифрагированных пучков нулевого Р₀ и первого P₁ дифракционных порядков, после чего рассчитывают толщину исходной металлической пленки по определенной формуле. Технический результат: возможность измерения толщин пленки в диапазоне от минимальных толщин порядка десятков ангстрем до толщин порядка нескольких тысяч ангстрем.

Изобретение относится к области технологии тонких пленок, а точнее к области контроля толщины тонких металлических пленок, нанесенных на подложку из диэлектрика или иного материала, и может быть использовано в микроэлектронике и оптике.

Принципиально возможно также применение предлагаемого способа для измерения толщины некоторых типов неметаллических пленок, в частности если эти пленки могут быть подвергнуты избирательному травлению без повреждения подложки, на которую они нанесены.

Известны и описаны в литературе следующие способы измерения толщины пленок металлов, которые можно рассматривать в качестве аналогов.

Метод взвешивания пленок в процессе напыления состоит в измерении веса подложки с напыляемой пленкой с помощью микровесов, размещенных в вакуумной камере. Чувствительность микровесов достигает 10^-7 г, что позволяет определить толщину напыляемой пленки с точностью порядка долей нанометра (1). Недостатком метода является сложность технической реализации микровесов и их чувствительность к вибрациям. Кроме того, следует отметить, что метод взвешивания не является прямым методом измерения толщины, т.к. измеряют вес пленки, а ее толщину рассчитывают исходя из данных измерений ее веса и площади при условии, что известен удельный вес пленки. При этом считают, что удельный вес пленки равен удельному весу материала, из которого эта пленка изготовлена, что не вполне верно ввиду разной структуры материала в пленке и в массиве.

Существует и практически применяется метод измерения массы пленки по замерам измерения частоты колебаний пьезоэлектрического резонатора (2). Для этого на одну из граней резонатора напыляют металлическую пленку. По результатам измерения отклонения резонансной частоты резонатора рассчитывают массу пленки, а затем рассчитывают ее толщину. Этот метод, как и предыдущий, не является прямым методом измерения толщины.

Метод измерения толщины пленки с применением профилометра, снабженного иглой, входящей в контакт с пленкой, позволяет измерять толщину пленки, если на ней сделана ступенька или канавка. При этом пленка должна быть достаточно твердой, чтобы она не разрушилась и не деформировалась под давлением иглы профилометра. Точность метода высока, порядка долей нанометра (3). Основной недостаток - возможность повреждения пленок, изготовленных из недостаточно твердых материалов.

Наиболее близким аналогом является интерферометрический метод измерения толщины непрозрачных пленок, а именно метод Толанского с использованием интерферометрических полос Физо, который описан в (4). Этот метод - бесконтактный и прямой. При его использовании измеряют толщину пленки в долях известной длины волны света, а не вес (или массу) пленки, как в вышеупомянутых аналогах.

Сущность метода-прототипа состоит в следующем. На поверхности измеряемой пленки формируют ступенчатую структуру путем химического травления пленки на всю ее толщину или путем маскирования при ее напылении. В результате образуется ступенька, высота которой равна толщине пленки. На поверхность подложки со ступенькой напыляется слой высокоотражающего металла, например серебра, толщиной порядка 100 нм. Затем вблизи поверхности, под небольшим наклоном к ней располагается плоская пластина (пластина Физо) с полупрозрачным покрытием на поверхности, обращенной к исследуемой пленке. На эту систему со стороны пластины Физо направляют коллимированный монохроматический свет и в отраженном свете наблюдают интерференцию пучков света, отраженных от подложки и от пластины Физо. На интерферометре на месте ступеньки образуется скачок интерференционных полос. Толщина пленки определяется соотношением где ΔN - число полос или доля полосы, пересекающая ступеньку в месте скачка полос, λ - длина волны света. Метод позволяет измерять толщину пленок в диапазоне толщин при точности измерения Для достижения высокой точности измерений необходимыми условиями являются два предварительных требования: исключительная гладкость и ровность поверхности пленки и очень хорошо коллимированный монохроматическаий свет.

Подготовка измерений требует точной и утомительной регулировки. Для достижения наибольшей точности измерений требуется фотометрирование интерференционной картины. Все эти обстоятельства обуславливают основной недостаток метода - сложность и длительность процесса подготовки и проведения измерений.

В основу изобретения поставлена задача создания простого метода измерения толщины тонкой металлической пленки, который не требовал бы сложной регулировки и настройки измерительной установки и обеспечивал бы измерение толщины тонких пленок в диапазоне толщины от единиц до нескольких сотен нанометров (от десятков до нескольких тысяч ангстрем) с точностью не худшей, чем точность прототипа.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения толщины металлической пленки, включающем формирование ступенчатой структуры на поверхности пленки, высота которой равна толщине пленки, напыление на поверхность подложки со ступенькой слоя высокоотражающего металла и освещение пленки лучом лазера с известной длиной волны, ступенчатую структуру формируют из чередующихся непротравленных и протравленных на всю толщину пленки, вплоть до подложки, полос одинаковой ширины, затем, при облучении полученной рельефной структуры зондирующим лазерным пучком, в полученной отраженной дифракционной картине проводят измерение мощностей дифрагированных пучков нулевого Р₀ и первого Р₁ дифракционных порядков, после чего рассчитывают толщину исходной металлической пленки по формуле: где h - толщина пленки; λ - длина волны зондирующего лазерного пучка; Θ - угол падения лазерного пучка; P₀ - мощность нулевого дифракционного порядка; P₁ - мощность первого дифракционного порядка.

Способ осуществляется следующим образом. На измеряемой пленке формируют периодическую рельефную структуру из чередующихся протравленных и непротравленных полос одинаковой ширины, при этом травление металлической пленки производится на всю толщину пленки до подложки. Рекомендуемый период структуры составляет 50-200 мкм. Для обеспечения селективного травления используется метод фотолитографии с последующим травлением металла и удалением фоторезиста. Рельеф также может быть сформирован при напылении пленки, если на поверхности подложки закрепить маску, состоящую из периодических щелей, чередующихся с маскирующими полосками, ширина которых равна ширине щелей, т.е. половине периода структуры маски. Затем после формирования рельефа на измеряемой пленке на поверхность полученного рельефа напыляют дополнительную пленку из хорошо отражающего металла толщиной (порядка 100 нм), достаточной для непрозрачности этой пленки для зондирующего лазерного излучения. После напыления полученную рельефную отражательную структуру облучают зондирующим лазерным пучком с известной длиной волны лазерного излучения (например, пучком гелий-неонового лазера λ=0,6328 мкм), диаметр которого составляет порядка 4-5 или более периодов рельефной структуры. Облучение обычно проводят под небольшим углом падения Θ, обычно порядка Θ=5^o-10^o, чтобы разделить падающий и отраженный лучи в пространстве. Плоскость падения - отражения совпадает с направлением полос облучаемой периодической структуры. В образованной в отраженном пучке дифракционной картине с помощью пространственного фильтра выделяют нулевой и первый дифракционные порядки и с помощью фотодетектора измеряют их мощности, соответственно Р₀ и Р₁.

На практике измеряют соответствующие токи I₀ и I₁ обратно смещенного фотодиода при размещении его последовательно в нулевом и в первом порядках, при этом с высокой степенью точности можно считать, что ток пропорционален мощности. Исходя из результатов измерений рассчитывают толщину исходной металлической пленки по формуле Если толщина пленки превышает расчетную величину h₁, то может возникнуть неоднозначность измерения вследствие неоднозначности функции arc tg. Для устранения неоднозначности и расширения диапазона измерений, по крайней мере, еще на величину т.е. еще на 316 нм, можно воспользоваться методикой измерений дифракционного спектра при наклонном падении пучка, которая применялась при измерении глубины дифракционных отражателей.

Источники информации:
1. Технология тонких пленок. Справочник. Под ред. Л.Майссела, Р.Глэнга. М., Сов.радио, 1977, т. 1, с.140-145.

2. Там же, т. 1, с.145-150.

3. Там же, т. 2, с.215.

4. Там же, т. 2, с.183-184.

Формула изобретения

Способ измерения толщины металлической пленки, включающий формирование ступенчатой структуры на поверхности пленки, высота которой равна толщине пленки, напыление на поверхность подложки со ступенькой слоя высокоотражающего металла и освещение пленки лучом лазера с известной длиной волны, отличающийся тем, что ступенчатую структуру формируют из чередующихся непротравленных и протравленных на всю толщину пленки, вплоть до подложки, полос одинаковой ширины, затем, при облучении полученной рельефной структуры зондирующим лазерным пучком, в полученной отраженной дифракционной картине проводят измерение мощностей дифрагированных пучков нулевого Р₀ и первого P₁ дифракционных порядков, после чего рассчитывают толщину исходной металлической пленки по формуле

где h - толщина пленки;

λ - длина волны зондирующего лазерного пучка;

Θ - угол падения лазерного пучка;

P₀ - мощность нулевого дифракционного порядка;

P₁ - мощность первого дифракционного порядка.