Способ неразрушающего измерениятолщины тонких пленок

 

Союз Советских

Социалисткческмх

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 11 687900 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (51) M. Кл. (22) Заявлено 03.06,77 (2I-) 2492726/18-28

Я 01 В 15/02 с присоединением заявки K

Государственный комитет

СССР йо делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УЙ К 53 1.7 17, . 1 1(088.8) Опубликовано 07.01.81. Бюллетень Ж 1

Дата опубликования описания 07.01.81

А. И. Титов, А. И. Сидоров, О. A. Подсвиров, В. С. Зиновьев и И. А. Аброян (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО. ИЗМЕРЕНИЯ .ТОЛШИНЫ

ТОНКИХ ПЛЕНОК

Изобретение относится к области микроэлектроники, преимущественно к тонкопленочной и ионно-лучевой технологиям, использующим напыленные на поверхность монокристаппа аморфные или поликристаллические структуры, атакже слои,,раз- S рушенные при ионном внедрении.

Известен способ неразрушающего измерения толщин тонких пленочных покрытий (11, осуществпенный в устройстве дпя измерения толщины.пленки покрытия на поверхности стального листа. Недостатком способа является его низкая чувствитель.ность.

Наиболее универсальным и -прогрессивным является способ, основанный на ана- 1з лизе энергетического спектра обратно-отраженных ионов при зондировании объекта протонами ипи ионами гелия с энергией порядка 1 МэВ в контролируемом направпении 72j. Возможности этого способа

20 ограничены в области тонких (порядка десятков А) -пленок, ввиду недостаточной разрешаюйей способности.

Наиболее .близким к предлагаемому является способ неразрушающего измерения толщины тонких пленок, заключающийся в том, что генерируют пучок электронов с последовательно повышакндейся энергией и зондируют им контролируемый объект до подложки 13).

Зондируя исследуемый объект, состоящий из подложки и пленки с разными коэффициентами $ неупругого отражения эпектронов электронами с последователь) но повышающейся энергией получим сначала ч, объекта равный, о пленки, а затем, начиная с некоторой энергии об начнет изменяться в сторону и подложь5 ки. При достаточно больших энергиях первичных эпектронов, будет, в основном, определяться подложкой. для получения копичественных данных линейно экстрапопируют начальный и переходный участки полученной зависимости 0 (E) и получают в точке пересечения значение критической энергии Екр. Имея известную товой динамической теорией дифракции электронов на кристалле. Согласно этим представлениям электронная волна, падающая .под углом, близким к углу Брэгга для данной системы кристаллографических плоскостей, .испытывает аномально сильное дифракционное отражение. Таким обра. зом создается пик на угловой зависимости или, что то же самое, контраст псевдо-Кикучи изображения. За величину пика можно выбрать отношение это, максиму

YAСМ Х YIA1 O и, в одном из минимумов или среднее этих минимумов. До совершенного кристалла величина наибольших пиков меняется от 0,3 для Е равной нескольким приповерхностного слоя кристалла, дающего вклад в дифракционные аффекты. Если на поверхности кристалла имеется неупоряцоченная пленка, то естественно, лишь начиная с некоторой энергии зондирующих электронов удастся получить дифракционный эффект На кристалле подложки, т.е. заметить появление пика на, (V) С ростом энергии электронов величина пика будет расти. /линейно экстраполируя начальный и растущий участки зависимости

Ъ(Б > = Ы), где ) о(Е) — величина пика

О для совершен ного и рист ал ла — по дложки, получим критическую энергию E для данной толщины пленки С3.

Изложенный выше способ требует градуировки, т.е. необходимо знать зависимость Ко = f(3) для изучаемого ряда пленок.

Получить угловую зависимость () можно двумя путями: либо сканируя пучок электронов по углу падения на объект без перемещения точки зондирования, либо поворачивая объект вокруг оси, перпендикулярной нормали к поверхности и направ. лению пацения пучка. Причем угол сканирования (поворота образца) Ч >Чг гце Ц угловая ширина пика тонкой структуры. Первый способ прецпочтительней, так как позволяет созцать устройство без движущихся механических узлов. Угловое расхождение пучка электронов долж но быть небольшим, < 0,01 рад.

3 ) ®: О

4 градуировочную зависимость Е„= f (а „„), получают искомую толщину пленки 5А, Рассмотренный выше способ обладает недостатком, заключающимся в том,. что ,чувствительность способа сильно зависит Б от разности величин, и, т.е. способ применим лишь для систем с существенно разными пленки и подложки.

llenb изобретения - расширение функциональных возможностей, т.е. расшире- 10 ние числа материалов и комбинаций из них для пары подложка-пленка. Следует подчеркнуть, что появляется воэможность измерения толщин аморфных напыленных слоев того же материала, что и подложка, 1 а также слоев, аморфизованных внедренными в кристалл ионами.

Это достигается тем, что зондирование производят под разными углами, регистрируют угловую зависимость потока неуп- 20

pyro отраженных электронов от подложки кэВ до 0,1 для Е в несколько десяти покрытия, определяют положение пика ков кэБ. С увеличением энергии первичтонкой структуры, по которому судят о ных электронов увеличивается и толщина толщине пленки.

На фиг. 1 представлены зависимости

Ь(Е) для аморфных пленок 3-х толщин.

Экстраполируя начальный (ось абсцисс) и растущий участки зависимости получаем

Е для данной толщины пленки. Подобные кривые получены и для слоев раэлич- ЗО ной толщины, аморфизованных внедренными ионами аргона.

На - фиг. 2 представлены в логарифмическом масштабе зависимость Е <р от толщин напыленной пленки 51 (кри- З5 вая 1) и разрушенный ионами А (кривая 2). Как видно в широкой области толщин функция линейка. В этой области зависимость описывается степенной функцией Д, = A. E, кривые 1 и 2 сдвинуты 40 друг относительно друга, что свидетельствует о различной плотности аморфных слоев, полученных разными способами. Такие кривые можно считать градуировочными для систем аморфный кремний — мо-45 нокристаллический кремний.

Известно, что угловая зависимость

$(V) (т,е, при изменении угла падения

V первичных электронов на кристалл) имеет анизотропный,характер с ярко вы- 50 раженными максимумами при совпадении направления падения луча с выделенными кристаллографическими направлениями (направлениями наибольшей упаковки). Подббная картина наблюдается при рассмотрении псевдо-Кикучи изображений в сканирующей электронной микроскопии. Теоретически этот эффект описывается кван88790

Изложенный способ можно относительпо просто осуществить на сканирующем электронном микроскопе.

Рассмотрим пример конкретного осуществления предлагаемого способа. Устройство для измерений состоит из электронной пушки с системой фокусировки и отклонения пучка, рабочей камеры с блоком мишени, вакуумной откачной системы и измерительной стойки. Формируется им- 10 пульсный электронный пучок с энергией в диапазоне 6-40 кэВ, расходимость .0,01 рад, длительность импульса 100 мкс частота 50 Гц, амплитуда в импульсе

- 1 мкА, диаметр пятна на образце 15

- 0,1 мм. Сканирование по углу падения можно осуществлять как электрически с помощью отклоняющих катушек, так и механически, с помощью микроэлектромото ра, входящего в блок мишени. Устройство 20 этого блока позволяет совершать два поступательных движения по Х и 1 и три вращательных вокруг осей Х, Х, Z (электронный луч по 7 ). Вакуум во время измерений 1 10 +1 10 торр. От- 25 раженные электроны собираются полусферическим коллектором, перед которым помешают сетку с потенциалом 50 В, служашую как для отсечки медленных вторичных электронов, так и для подавления динат- 30 ронного эффекта с коллектора. Измерительная часть установки позволяла записывать интересующий участок зависимости

$(9) на двухкоординатный самописец. Угол сканирования при записи пиков обычно не превышал, 10, так как угловая шири+ о на пиков тонкой структуры в нашем диапазоне энергий не превышала 20 . Исследуо емые образцы представляют собой монокристаллы кремния с поверхностью, сов- 40 падаюшей с гранью. На поверхности образцов создаются две области: одна остается нетронутой, à HB другую либо напыляют кремний до получения аморфных пленок раз личных толшин, либо облучают ионами ар- 45 гона с дозами выше дозы аморфизации.

Как показывают проведенные исследования, выбор других граней подложки

Ь (1 10} и 100 )) не влияет на ход зависимости E фд).

Подобные зависимости можно получить и для других пленок, а также других монокристаллических подложек.

Применение предлагаемого способа позволяет осуществить непосредственный контроль за толщиной напыляемых На монокристаллические подложки веществ, а также контролировать равномерность напыления по .площади образца, что повышает качество изготавливаемых полупроводниковых приборов. Кроме того, возможно измерение толшин разрушенных слоев при ионном облучении, например, при ионном легировании или катодном распылении.

Ф ор мула изобретения

Способ неразрушаюшего измерения толщины тонких пленок на металлических монокристаллических подложках, заключающийся в том, что генерируют пучок элек« тронов с последовательно повышаюшейся энергией и зондируют им контролируемый объект до подложки, о т л и ч а ю ш и йс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, зондирование производят под разныщи углами, регистрируют угловую зависимость потоков неупруго отраженных электронов от подложки и покрытия, определяют положение пика тонкой структуры, по которому судят о толщине пленки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. П а тент Японии М 49-3 96 99, кл. 5 01 B 15/02, НКИ 106 G4, 1117 31; 1961.

2, Дж, Мейер. Ионное легирование по« лупроводников. М., 1973, с..108.

3. Бронштейн И. М., Файман Б. С.

Вторичная электронная эмиссия, М., 1969, с, 84 (прототип). б,овн.ед.

ВНИИПИ Заказ 10708/75

Фиииал ППП "-Патент, r, Ужгород. уа. Проектная, 4

Ефр, /Гзд

687900

Тираж 6 53 Подписное