CN106662531A - 用于原位测量样本的蚀刻深度的辉光放电光谱方法和*** - Google Patents
用于原位测量样本的蚀刻深度的辉光放电光谱方法和*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种辉光放电测谱法***，该辉光放电测谱法***包括辉光放电灯，辉光放电灯适于接纳固体样本(10)并且形成辉光放电蚀刻等离子体(19)。根据本发明，一种用于原位测量通过蚀刻样本(10)而产生的腐蚀凹口的深度的***(100)包括：光学分离器(3)；光学装置(4)，其适于分别地将第一入射束(21)向着所述样本的第一区域(11)引导，所述第一区域暴露于所述蚀刻等离子体，并且将第二入射束(22)向着所述样本同一侧的第二区域(12)引导，所述第二区域免受蚀刻等离子体影响；以及光学重组装置(3)，其适于形成干涉测量束(30)，以确定腐蚀凹口的深度(d)。
Description
技术领域
本发明涉及通过光学发射光谱法(GD-OES)或通过质谱法(GD-MS)的用于辉光放电(GD)元素分析的装置和方法。
更精确地，本发明涉及适于原位测量暴露于此辉光放电等离子体的样本的蚀刻深度的辉光放电测谱法(GDS)的装置和方法。
本发明特别地应用于通过辉光放电测谱法的用于分析材料的***或方法，根据样本中的蚀刻深度解析(resolve)该分析。
背景技术
辉光放电测谱法是允许分析均质或多层固体样本的元素和/或分子化学组分的分析技术。可在样本内部深处进行测量或者通过深度解析测量。
辉光放电测谱法常用于分析固体样本的组分或组分分布。
辉光放电测谱法的原理在于，将样本的面的有限区域暴露于蚀刻等离子体。等离子体从样本表面提取原子，并且将它们置于电离或激发电子状态。这些原子的性质是通过分析它们在等离子体中的发射光谱或等离子体中产生的离子的质谱来确定的。当提取原子时，根据暴露于等离子体的时间，在样本的表面处形成凹口(crater)。根据腐蚀时间，通过测谱法检测的信号的分析因此允许得到根据蚀刻时间解析的样本组分。
然而，蚀刻速率通常在蚀刻方法期间有变化。蚀刻速率特别地随暴露于等离子体的样本区域的组分变化并且还随与等离子体开始有关的短暂现象变化而变化。
现在，期望不仅根据等离子体所产生的腐蚀凹口的深度而且根据腐蚀等离子体期间的时间来分析组分。
现在，存在不同的确定根据时间的腐蚀凹口深度的方法。
现今最多使用的方法是基于校准已知组分的参考样本的腐蚀速率。该校准需要对不同参考样本进行不同测量并且假定诸如(例如)已知和/或均质密度的假设。所得结果的精确度仍然是不确定的。
已经提出了通过辉光放电测谱法进行分析并且同时确定蚀刻深度的其他方法。
专利文献WO 2007/113072_A1描述了在GDS装置中确定由于暴露于蚀刻等离子体的样本表面被腐蚀而导致的高度变化的方法。所描述的方法是基于使用彩色共焦移动传感器，彩色共焦移动传感器在等离子体开始之前，检测样本表面的平面的位置相对于其初始位置的变化。
专利文献CN102829732描述了基于三角测量传感器针对同一技术问题的另一种装置。在这种情况下，传感器测量被表面反射的激光束的位置，期望该表面的深度被了解。
另一方面，专利文献HORIBA Jobin Yvon的US6784989或FR 2843801描述了使用双波长激光干涉仪。根据该文献，光束被分成两个次级束，次级束中的一个被暴露于蚀刻等离子体的样本的表面反射，并且另一个次级束被样本外部的固定参考表面反射。两个反射束的光学重组形成随样本中的蚀刻深度变化而变化的干涉测量束。
然而，所有这些测量光学方法对于蚀刻等离子体所引起的升温是敏感的，该升温造成辉光放电腔室膨胀。因此会引入偏置，因为不可以将凹口的腐蚀和等离子体腔室的膨胀区分开。这些腐蚀深度确定方法因此具有有限精确度，实际上并不允许达到小于1微米的准确度。
此外，三角测量光学装置通常需要具有有时大尺寸的平面和平行面的光学窗口，让光束从中穿过。然而，通过光学发射光谱法(GD-OES)进行辉光放电的设备通常包括等离子体腔室，等离子体腔室具有有限大小的轴向开口并且被旨在收集光学发射流的透镜而非平面窗口紧紧闭合。
用平面窗口取代光学发射流收集透镜将意味着收集到的光学发射信号的显著减小，进而导致发射光谱测量的精确度损失。
因此，需要用于测量辉光放电测谱法装置中的样本的蚀刻深度的***和方法，该辉光放电测谱法装置是准确的，并不影响辉光放电测谱法信号。
发明内容
本发明的目的
本发明的目的是弥补现有***的缺陷并且更精确提出了用于辉光放电测谱法和样本的蚀刻深度的原位测量的***，该***包括：辉光放电灯，其适于接收固体样本并且形成辉光放电蚀刻等离子体，所述样本在同一面上具有暴露于所述蚀刻等离子体的第一区域和免受蚀刻等离子体影响的第二区域；测谱仪，其耦合到所述辉光放电灯，所述测谱仪适于通过所述辉光放电等离子体的光学发射谱和/或通过其质谱，测量根据所述第一区域暴露于所述等离子体的时间的代表辉光放电等离子体的至少一个信号，以及通过根据暴露于所述等离子体的时间原位测量通过蚀刻所述样本的所述第一区域而产生的腐蚀凹口的深度的***。
根据本发明，测量蚀刻深度用样本没有暴露于等离子体的第二区域作为各瞬时的零位深度参考。这样，进行对蚀刻腔室的膨胀不敏感的测量。
根据本发明，一种腐蚀凹口深度的测量***包括：光源，其适于发射光束；光学分束器，其适于在空间上或成角度地将所述光束分成第一入射束和第二入射束；辉光放电灯(60)，其适于提供朝向第一区域的第一光学路径和朝向样本的第二区域的第二光学路径；光学装置，其适于分别地将所述第一入射束沿着所述第一光学路径向着所述第一区域引导并且将所述第二入射束沿着所述第二光学路径向着所述第二区域引导，以分别地通过在所述第一区域上的反射来形成第一反射束，通过在所述第二区域上的反射来形成第二反射束；光学重组装置，其适于重组所述第一反射束和所述第二反射束并且形成干涉测量(interferometric)束；检测装置，其适于接收所述干涉测量束并且检测根据所述第一区域暴露于所述等离子体的时间的干涉测量信号；处理装置，其适于通过用没有暴露于等离子体的所述第二区域作为零位深度参考，处理所述干涉测量信号，以确定根据所述第一区域暴露于所述等离子体的时间的所述腐蚀凹口的深度(d)。
根据本发明的特定和有利方面，检测装置和处理装置适于处理所述干涉测量信号并且从其提取根据所述第一区域暴露于所述等离子体的时间的所述干涉测量信号的幅度(A)和相位(PHI)的测量。
优选地，所述第一入射束形成相对于所述样本的所述第一区域的表面的法线小于10度的入射角，优选地，非零并且大致等于5度的入射角。
有利地，所述样本形成所述放电灯的阴极并且所述放电灯包括柱状阳极，所述柱状阳极具有适于使所述第一入射束和所述第一反射束通过的第一轴向开口，并且所述阳极包括相对于所述阳极的轴偏移的第二开口，所述第二开口设置有光学窗口，所述光学窗口适于使所述第二入射束和所述第二发射束通过。
根据本发明的一方面，所述光学分离器包括至少一个偏振分束棱镜。
优选地，所述光学分束器包括Wollaston棱镜，所述光学重组装置包括另一个Wollaston棱镜，并且适于分别地将所述第一入射束向着所述第一区域引导并且将所述第二入射束向着所述第二区域引导的所述光学装置包括透镜光学***，所述Wollaston棱镜布置在所述透镜光学***的焦平面上。
在特定实施例中，所述光学分束器和所述光学重组装置被合并到一起。
在一个实施例中，所述测谱仪包括经由开口耦合到所述放电灯的质谱仪，所述质谱仪适于通过质谱测量代表所述辉光放电等离子体的电离物种(species)的至少一个信号。
在另一个实施例中，所述测谱仪包括经由光学窗口或经由透镜光学***耦合到所述放电灯的光谱仪，所述光谱仪适于测量优选地在所述样本的所述第一区域的表面的垂直方向上代表所述辉光放电等离子体的激发物种的至少一个光学发射信号。
根据这个实施例的特定方面，所述辉光放电测谱法***包括光谱仪，所述光谱仪适于测量代表所述辉光放电等离子体的激发物种的至少一个光学发射信号，并且所述光源适于发射选择的在所述辉光放电等离子体的光学发射的原子射线的波长范围之外的波长的光束。
在特定和有利的变型中，所述检测装置包括偏振计，所述偏振计适于测量所述干涉测量束的至少一个偏振分量。
特别有利地，所述偏振计包括其他光学分离装置和多个检测器，所述光学分离装置被布置成将所述干涉测量束分成多个偏振分量，所述多个检测器适于均分别检测所述干涉测量信号的所述多个偏振分量的偏振分量。
本发明还涉及一种辉光放电测谱法和样本的蚀刻深度的原位测量的方法，所述方法包括以下步骤：
-将固体样本放置到辉光放电灯中，所述样本在同一面上具有被暴露于蚀刻等离子体的第一区域和免受所述蚀刻等离子体影响的第二区域；
-通过光学发射谱和/或通过质谱，检测并且分析根据所述第一区域暴露于所述等离子体的时间的代表所述辉光放电等离子体的激发和/或电离物种的至少一个信号；
-发射光束；
-在空间上或成角度地将所述光束分成第一入射束和第二入射束；
-分别地，将所述第一入射束沿着所述第一光学路径向着所述第一区域取向并且将所述第二入射束沿着所述第二光学路径向着所述第二区域取向，以分别地通过所述第一区域上的反射来形成第一反射束，通过所述第二区域上的反射来形成第二反射束；
-光学重组所述第一反射束和所述第二反射束并且形成干涉测量束；
-检测所述干涉测量束，以形成根据所述第一区域暴露于所述等离子体的时间的至少一个干涉测量信号；
-处理所述至少一个干涉测量信号，以从其提取根据所述第一区域暴露于所述等离子体的时间的所述腐蚀凹口的测量。
根据特定方面，原位测量样本的蚀刻深度的方法还包括以下步骤：
-处理所述干涉测量信号，以从其提取根据所述第一区域暴露于所述等离子体的时间的所述干涉测量信号的相位(PHI)的测量；
-在各瞬时t，通过应用以下公式，确定所述样本的所述第一区域的瞬时蚀刻速率Ve：
其中，LAMBDA代表光源的波长并且dPHI/dt代表干涉测量信号的相位(PHI)的相对于时间的差分系数。
根据特定和有利的实施例，所述蚀刻等离子体通过交替开启等离子体的阶段和关闭等离子体的另一个阶段在脉冲模式下操作，并且所述原位测量蚀刻深度的方法包括以下步骤：
-在开启所述等离子体的阶段期间和/或分别地在关闭等离子体的阶段期间，触发所述至少一个干涉测量信号的检测，以将与开启所述等离子体的阶段关联的干涉测量信号和与关闭所述等离子体的阶段关联的另一个干涉测量信号区分开，
-处理与开启所述等离子体的阶段关联的干涉测量信号和/或分别地与关闭所述等离子体的阶段关联的其他干涉测量信号，以通过在开启所述等离子体的阶段期间和/或分别在关闭所述等离子体的阶段期间所诱导的漂移校正腐蚀凹口深度的测量。
本发明还涉及将在以下描述中揭露的并且将必须孤立地或者根据它们的技术可能组合考虑的特性。
附图说明
以非限制示例的方式给出的该描述将允许更好理解可如何参照附图执行本发明，在附图中：
-图1示意性示出根据一个实施例的通过光学发射光谱法的辉光放电测谱法设备中原位测量样本蚀刻深度的***；
-图2示意性示出根据示例性实施例的合适辉光放电灯的剖视图；
-图3示意性示出通过光学发射光谱法在辉光放电测谱法设备中原位测量样本蚀刻深度的***的另一个示例；
-图4示意性示出根据另一个实施例的光学发射辉光放电测谱法设备中原位测量样本蚀刻深度的***的示例。
具体实施方式
装置
图1示意性示出辉光放电光谱(GDS)设备中原位测量样本蚀刻深度的***。
示出样本10，样本10位于辉光放电测谱法装置60的等离子体腔室中。
举例来说，透镜4紧紧闭合GDS装置的蚀刻腔室中的(例如，轴向的)开口。
样本具有面，该面的第一区域11暴露于蚀刻等离子体，而另一个区域12免于受所述这个蚀刻等离子体影响。
原位测量蚀刻深度的原理是基于光学干涉测量装置的一体化。有利地，这个干涉仪的光学组件布置在放电灯的等离子体腔室外部。
干涉仪基本上包括：光源；光学分束器3，其将源束分成沿着两个分离光学路径传播的两个束；光学合束器，其重组之前的分束；源-检测器分束器5；检测器8；以及信号处理***。
图1的示例示出以偏振光操作的光学干涉仪的示例。
更精确地，测量***包括源1，源1是例如激光源或激光二极管。光源1发射例如波长是635nm、或780nm、532nm、405nm的光束2(优选地，单色)。在图1的示例中，光圈(diaphragm)6或源孔被布置成限制源束2的空间幅度。半波板(也被称为λ/2板)7允许确定源束的偏振轴。
例如偏振分束管型的源-检测器分束器5布置在源束2上。半波板7的轴相对于分束器5的轴的取向允许调节源束2的功率。优选地，偏振器7的偏振轴被取向成，使得分束入射束21、22具有相同幅度。当被重组在一起的束的幅度相等时，检测到的干涉测量束具有最大强度。
在图1的示例中，源-检测器分束器5将源束2向着λ/2板(图1中的参考符号9)引导，然后向着另一个光学分束器3引导。有利地，λ/2板被取向，使得分束入射束21、22具有相同幅度。当被重组在一起的束的幅度相等时，检测到的干涉测量束具有最大干涉对比度。光学分束器3是例如偏振分束管，其偏振轴相对于已经穿过λ/2板的线性偏振入射束2的轴倾斜成45度。举例来说，光学分束器3是Wollaston棱镜，适于成角度将入射束分成两个入射束21、22，入射束21、22根据相对于彼此正交的偏振状态线性偏振。因此，第一p偏振入射束21被导向第一方向并且第二s偏振入射束22被导向第二方向。通过构造Wollaston棱镜3，第一方向和第二方向成角度分离达介于0.1度和20度之间的角度。
透镜4安装在放电灯的开口上，以在允许光学触及放电灯内部的同时，确保真空密闭性。优选地，光学分束器3布置在透镜4的焦点处。因此，透镜4形成两个空间上分束的入射束21、22，分束的入射束21、22在放电灯60中彼此平行地向着样本的一个面传播。
入射束21和22的小空间间隔允许它们借助已经存在的透镜4耦合到放电灯。因此，不必在放电灯60的腔室中使用新光学开口供两个分离的光束21和22通过。
在变型中，作为Wollaston棱镜的替代，可以使用束偏移分束器并且用窗口取代透镜4。
优选地，样本具有旨在部分暴露于蚀刻等离子体的平面的面。放电灯60适于允许第一入射束21遵循朝向样本的第一区域11的第一光学路径，第一区域11旨在暴露于等离子体。另一方面，灯特定适于允许第二入射束22遵循朝向样本的第二区域12的第二光学路径，第二区域12却保持免于受蚀刻等离子体影响。
因此，透镜4将第一入射束21聚焦到样本的暴露于蚀刻等离子体的第一区域11上。另一方面，透镜4将第二入射束22聚焦到样本的免于受蚀刻等离子体影响的第二区域12上。
在结合图2的本文献中，描述特定适于允许有这两个光学路径的放电灯的示例。
通过被第一区域11反射，第一入射束21形成第一反射束32。通过被第二区域12反射，第二入射束22形成第二反射束32。在图1中示出的示例中，样本具有平面表面并且蚀刻第一区域11产生平底的凹口。此外，在这个示例中，入射束21、22以零入射角在样本上被反射。在这种情况下，第一反射束31在与第一入射束21的相反方向上传播，并且分别地，第二反射束32在与第二入射束22的相反方向上传播。
透镜4收集第一反射束31和第二反射束32，并且将它们向着光学重组***引导，光学重组***在本文中是所述已经用于将入射束分束的Wollaston棱镜3。
Wollaston棱镜重组第一反射束31和第二反射束32以形成干涉测量束30。干涉测量束穿过λ/2板并且入射到源-检测器偏振分束器5，源-检测器偏振分束器5将干涉测量束的偏振分量向着滤波器18和检测器8发送。如上文中指示的，板9的取向使得入射束2的偏振相对于Wollaston棱镜3的轴成45°。这个布置带来的有益效果是，由板9和分束器5组成的成对物在返回方向上，形成与Wollaston棱镜3的轴成45°的偏振分析器，从而有效允许通过束31和32的幅度之和来生成干涉测量信号。
滤波器18是优选地以在光源1的发射波长为中心的光谱滤波器。滤波器18允许消除源自等离子体或源自环境照明的杂散光。滤波器18是例如光谱宽度10nm的以635nm为中心的干涉滤波器。
检测器8检测根据时间变化的干涉测量信号40。处理***允许对这个干涉测量信号40进行数值处理，以从中提取关于干涉测量信号的幅度和相位的信息。
在蚀刻样本的第一区域11期间，第一光学路径变得更长，而第二光学路径保持稳定。光学路径的差异因此根据样本的第一区域11的蚀刻而增大。因此，检测器检测其强度代表样本的第一区域11的蚀刻深度的干涉测量信号40。第一光学路径形成干涉仪的测量臂：它从分束器-合束器3达到样本的第一区域11并且回到分束器-合束器3。第二光学路径形成干涉仪的参考臂：它从分束器-合束器3达到样本的第二区域12并且回到分束器-合束器3。
以另外已知的方式，在不透明并均质样本的情况下，分析干涉测量信号允许确定样本中的蚀刻深度。事实上，在这种情况下，干涉测量信号具有根据时间的正弦形状。强度曲线的周期的数量允许在得知源束波长的情况下确定蚀刻深度。如此得到的深度干涉仪测量的误差是大约λ/8，其中，λ是源束波长。
在喷射样本期间，凹口的深度增大，因此两个反射波31、32之间的相位差根据时间t变化。
更精确地，注意δ(t)是第一反射束31和第二反射束32之间的相对相位偏移。
其中，k＝2π/λ，d(t)代表根据时间的蚀刻深度。
用以下关系表达第一区域11上的反射系数rV和第二区域12上的反射系数rH：
注意的是，I(t)是根据时间的干涉测量束的强度，EV是与第一区域11上(即，凹口中)的入射束21相关的电场的幅度，EH是与第二区域12上的入射束22相关的电场的幅度。根据以下关系来书写检测到的干涉测量信号的强度：
如果蚀刻速率是恒定的，则光学路径差异线性增大，因此检测到的强度根据时间正弦地变化。在均质材料的情况下，那么根据时间的一系列干涉测量结果是正弦曲线上的点集合。对于包括不同材料的多层堆叠的样本，蚀刻速率通常取决于各层的组分。如果层是不透明的，则通过插值，一系列测量点形成由不同周期的几个正弦组成的实验曲线。
为了确定被蚀刻凹口的深度d(t)，估计从蚀刻开始起被检测到的周期的数量。事实上，正弦的完整周期就长度而言等于所使用的光源(例如，激光器)的波长λ。现在，两个波之间的光学路径差异在每个瞬时都等于被蚀刻凹口的深度的两倍。强度曲线上的各周期因此对应于等于λ/2的蚀刻深度。
在蚀刻开始和瞬时t之间，如果强度测量曲线I(t)上的周期的数量等于整数N，则凹口的蚀刻深度等于N*λ/2。
对于均质样本，因此通过简单视觉估计干涉测量信号I(t)的强度曲线上的周期的数量，允许以大约λ/8的精确度来确定蚀刻深度，就所使用的激光而言，λ/8对应于大约80nm。为了更好的精确性，还可以通过使用拟合来确定强度曲线(例如，正弦函数)的频率。这样允许得到蚀刻深度的更加重要的精确度。
然而，在样本包括薄和/或透明层的堆叠的情况下，根据时间的干涉测量束的强度I(t)的信号的测量只供应有限的精度和灵敏度。
通常，放电灯的等离子体腔室只具有允许光学路径的一个光学入口，该光学路径(通常受限)到暴露于蚀刻等离子体的第一区域11。专利文献FR1250594描述了一种辉光放电灯的示例，该辉光放电灯包括中空柱状阳极和阳极轴上的单个光学入口。
图2示意性示出根据示例性实施例的特定适于干涉测量***的放电灯的剖视图。
放电灯包括：阳极15；阴极，其由样本10本身形成；以及电绝缘部分16，其布置在阳极15和样本10之间。阳极15具有在沿着柱体的轴的剖面中的图2中示出的大体圆柱形形状。电绝缘部分16还具有圆柱形形状并且包括阳极***其中的同轴圆柱形开口。部分16允许将阳极相对于阴极准确定位。阳极15的管状端部因此设置成与样本表面相距几十毫米。通常是稀有气体的等离子体载气被注入阳极中，并且通过阳极的端部和样本的表面之间的间隔对气体进行抽气。阳极15、绝缘部分16和样本10的准确定位允许将等离子体约束在阳极内部的管状中心区域中。绝缘部分16大体与暴露于蚀刻等离子体的区域11外部的样本的面接触，以便保护第一区域11外部的样本的面。放电灯因此允许等离子体19选择性蚀刻与阳极15的管状端部相对的样本的第一区域11。
阳极的轴向开口41提供朝向样本的暴露于等离子体19的第一区域11的第一光学路径。通过逆向返回，法向入射到第一区域11上的第一反射束31沿着同一光学路径传播。在光学发射光谱法的情况下，这个第一光学路径也用于收集等离子体19所发射的光学发射束。
在图2中示出的示例中，放电灯特定适于提供朝向样本的免受等离子体19影响的第二区域12的第二光学路径。更精确地，另一方面，已经在阳极15中形成设置有光学窗口14的开口42，并且另一方面，已经在绝缘部分16中形成开口17。开口42和开口17例如沿着偏移轴(优选地，平行于阳极15的轴)对准。因此，轴向开口41和偏轴开口17彼此之间没有连通。窗口14限制气体和/或等离子体向着样本的第二区域12的泄漏。窗口14是例如具有平面和平行面的玻璃板。
开口42、光学窗口14和开口17允许将第二入射束22向着样本的第二区域12引导。
因此限定第二光学路径，其穿过光学窗口14并且到达保持免受蚀刻等离子体19影响的样本的第二区域12。第二入射束22可随后被引导，通过窗口14和开口17，向着样本的在空间上与第一区域11分离但位于样本10的同一面上的第二区域12。
第二反射束32优选地遵循向着光学窗口14的相反方向上的第二光学路径。
因此，第一束和第二束在被样本的同一面反射的同时，遵循分离的光学路径。
该配置允许限制由于等离子体升温所引起的放电灯膨胀而导致的干涉测量信号偏移。
图3示出辉光放电测谱法设备中原位测量样本的蚀刻深度的***的另一个示例。
该***包括块50，块50包括位于放电灯60外部的至少一个光源和至少一个检测器。
放电灯60包括中空管状剖面的柱状阳极15、电绝缘部分16和形成放电灯的阴极的样本10。透镜4例如放置在放电灯60的真空腔室的开口上。优选地，透镜4布置在阳极15的轴上。
阳极15类似于结合图2描述的阳极。该阳极15是圆柱状形状并且包括轴向开口，轴向开口形成源-检测器块50和样本10的暴露于蚀刻等离子体的第一区域11之间的第一光学路径。
放电灯的阳极15包括另一个开口，该开口相对于阳极15的轴偏移，并且设置有光学窗口14。布置在阳极15和样本10之间的电绝缘部分16包括柱状孔，以便形成源-检测器块50和样本10的免受蚀刻等离子体影响的第二区域12之间的第二光学路径。
在图3中示出的示例中，样本是平面的，并且布置在正交参考系(X,Y,Z)的平面YZ中。样本平面的法线平行于轴X。假定蚀刻等离子体在样本10的第一区域11上产生平底腐蚀凹口。
分束器-合束器13布置在源-检测器块50和放电灯60之间的源束2的光学路径上。例如，分束器-合束器13由Wollaston棱镜组成。Wollaston棱镜13以例如介于0.1和10度之间(优选地，大约1度)的角度成角度地将入射束2分成第一入射束21和第二入射束22。
分束器-合束器13放置成与透镜4相距距离L。优选地，距离L等于透镜4的焦距，使得分束器-合束器13处于透镜4的焦平面上。
透镜4将第一入射束21沿着阳极15的轴，平行于轴X，向着样本的第一区域11引导。通过被第一区域11反射，第一反射束32被向着透镜4发送回。
同时，透镜4沿着朝向样本的第二区域12的第二光学路径，将第二入射束22向着光学窗口14和开口17引导。通过被这个第二区域12反射，第二反射束32被向着透镜4发送回。
在棱镜3处于透镜4的焦平面上的情况下，入射束21和22彼此之间平行并且平行于放电灯60中的轴X。同样地，反射束31和32彼此之间大体平行并且平行于放电灯60中的轴X。
透镜4将第一反射束31和第二反射束32聚焦到Wollaston棱镜13上，Wollaston棱镜将它们重组成朝向源-检测器块50中的检测器的干涉测量束30。从几何观点来看，透镜4的焦平面上的棱镜13的布置允许第一反射束31和第二反射束32重组。
图4示意性示出耦合到光学发射辉光放电测谱法装置的原位测量样本的蚀刻深度的***的第二实施例。
在这个第二实施例中，蚀刻深度的测量***不是简单的干涉测量仪，而是偏振干涉测量仪。
在图4中，用相同的参考符号指代与图3的元件相同的元件。
图4的装置包括放电灯60、源-检测器块50和布置在放电灯60和源-检测器块50之间的反射镜和/或透镜光学***。
在图4中示出的示例中，样本10是平面的，并且布置在正交参考系(X,Y,Z)的平面YZ中。样本平面的法线平行于轴X。
源-检测器块50包括光源1，例如，激光器或激光二极管。光学隔离器25布置在源束2上。
本文中包括平面反射镜24和26的光学***允许将源束向着布置在放电灯60的轴上的透镜4引导。
特别有利地，反射镜26包括轴向开口，轴向开口允许辉光放电等离子体所发射的光学发射束71向着光学发射测谱仪70通过。
图4的***还包括分束器13和合束器23。分束器13布置在源束2的光学路径上。合束器23布置在反射束31、32的光学路径上。例如，分束器13是Wollaston棱镜并且合束器23是另一个Wollaston棱镜。两个棱镜配置的优点是允许使用并不十分笨重并且并不十分昂贵的尺寸小的棱镜。
作为变型，如结合图3示出的，分束器-合束器可由较大尺寸的单个且相同的棱镜组成。
反射镜26将源束2向着分束棱镜13反射。有利地，反射镜26安装在绕着轴OZ和相对于轴OX和OY成45°的轴的取向可调节的板上。分束棱镜13成角度地将源束2分成第一入射束21和第二入射束22。棱镜13被构造成，使得入射束21和22在平面YZ上成角度地分离达介于0.1和20度之间的角度(例如，2度)。反射镜26将入射束21和22向着透镜4反射。在图4中示出的示例中，透镜4和样本之间的入射束21和22相对于透镜4的轴(即，相对于样本表面的法线)倾斜达介于平面XY中的1和20度之间的角度。
放电灯60类似于结合图2或图3描述的放电灯。放电灯特别地包括透镜4，透镜4布置在中空柱状阳极15的轴上，形成朝向样本10的第一区域11的第一光学路径，第一区域11暴露于阳极管端部的辉光放电等离子体。阳极还包括另一个偏轴开口，该开口例如在平面XZ上，对准中间部分16中的柱状开口，以形成朝向样本的第二区域12的第二光学路径。在图4中，没有显现第二区域12，因为它位于横向于图4平面的平面上。
另一方面，透镜4将第一入射束21聚焦到样本的第一区域11上，第一区域11与阳极15的管状端部相对并且暴露于蚀刻等离子体。另一方面，透镜4经由第二光学路径将第二入射束22聚焦到样本的第二区域12上，第二光学路径通过偏轴光学窗口14穿过阳极15并且通过偏轴开口17通过中间部分16。样本的第二区域12因此免受蚀刻等离子体影响。
第一入射束21因被第一区域11反射，形成反射束31，反射束31相对于样本的法线与入射束对称地倾斜。类似地，第二入射束22因被第二区域12反射，形成反射束32，反射束32相对于样本的法线与入射束对称地倾斜。因此，反射束31沿着与入射束21成角度分离的光学路径传播。同样地，反射束32沿着与入射束22成角度分离的光学路径传播。此外，第一反射束和第二反射束在空间上分离并且沿着空间上不同的光学路径在放电灯中传播。
透镜4收集第一反射束31和第二反射束32，第一反射束31和第二反射束32在图4中看上去是彼此叠置，而事实上在平面YZ上有偏移。反射镜24将第一反射束31和第二反射束32向着合束棱镜23反射。透镜4将第一反射束31和第二反射束32聚焦到合束器23上，以几何上叠置它们。
合束器23光学上重组第一反射束31和第二反射束32，因此形成朝向源-检测器块50的干涉测量束30。源-检测器块包括例如干涉测量滤波器型滤波器18，滤波器18允许去除等离子体或环境光的杂散发射。
图4的检测***与结合图1和图3描述的检测***的不同之处在于，它包括偏振测量检测***。更精确地，这个偏振测量检测***包括非偏振分束器51、第一偏振分束器52和第二偏振分束器53、四分之一波板54、偏振旋转器33和四个检测器81、82、83、84。在替代实施例中，元件54和33的位置可颠倒。
有利地，非偏振分束器51将最佳保留透射和反射路径二者上的入射束的偏振状态。出于此原因，针对窄波长范围而优化的激光器的非偏振分束器对于宽带分束器而言将是优选的，覆盖例如整个可视光谱。
与偏振分束器52关联的偏振旋转器55相对于重组器分束器13和23的轴成45°取向的线性偏振的分析器。检测器81检测相对于轴13和23的+45°的干涉测量束30的偏振分量35并且检测器82检测相对于轴13和23的-45°的干涉测量束30的偏振分量37。
与偏振分束器53关联的四分之一波板54形成圆形偏振(分别地，右圆36和左圆38)的分析器。检测器83检测干涉测量束30的右圆偏振分量36并且检测器84检测干涉测量束30的左圆偏振分量38。
因此，图4的检测***允许同时检测干涉测量束30的四个偏振分量。
基于四个检测器81、82、83、84检测到的四个信号，可以推断被第一区域11(即，因蚀刻样本而导致的凹口中)反射的束31和被用作参考的第二区域12反射的束32之间的相移。同样地，可基于两个线性偏振分量或两个圆偏振分量的测量来计算第一区域的反射系数的变化。
分析干涉测量信号是基于传统方法。在样本由均质的吸收材料组成的情况下，其假设是半无限远介质。在样本包括薄和/或在测量波长处透明的层的堆叠的情况下，分析是基于模拟的数值计算和误差函数的最小化。
如图4中所示的测量***提供了根据时间的四个同时测量。这四个检测器的所有测量通过插值来提供四条曲线，可针对均质样本实时地分析或者在针对包括层堆叠的样本进行所有测量的采集之后分析这四条曲线。在得知测量波长下的材料的光学折射和吸收系数的情况下，可以将根据蚀刻速率和时间的干涉测量束的强度和相位建模。通过对蚀刻速率求积分，得到根据时间t的样本中的蚀刻深度。
这些曲线的分析允许用其推导材料或层中的蚀刻速率的测量。曲线上出现断点允许检测样本中的两个层或两种不同材料之间的界面的蚀刻。
更精确地，注意的是，IL1是沿着相对于入射到第一区域11上的场的线性偏振H并且相对于入射到第二区域12上的场的线性偏振V成45度的方向的干涉测量束的线性分量的强度。检测器81测量束35的强度，即，IL1。
注意的是，IL2是沿着相对于入射到第一区域11上的场的线性偏振H并且相对于入射到第二区域12上的场的线性偏振V成-45度的方向的干涉测量束的线性分量的强度。检测器82测量束37的强度，即，IL2。
注意的是，IC1是干涉测量束的右圆分量的强度。检测器83测量束36的强度，即，IC1。
注意的是，IC2是干涉测量束的左圆分量的强度。检测器84测量束38的强度，即，IC2。
计算在线性路径上检测到的强度之间的归一化强度差L：
同样地，计算在圆形路径上检测到的强度之间的归一化强度差C：
已表明反射波31和32之间的相位差被写为：
在得知t＝0时两个所选择路径的强度是用以下关系表达的情况下，还可用两个线性分量IL1和IL2(或作为变型，基于两个圆形分量IC1和IC2)的测量值来推导随时间推移的凹口的反射率R(t)的变化：
作为替代，可定义角度ψ，使得tan(ψ)＝ρH/ρV。然后，可通过关系sin2(2ψ)＝C2+L2基于测量值来推导反射率ρH/ρV的变化。
厚且不透明的层
在不透明材料的样本或层的情况下，基于相对于初始值的根据时间的相位变化来得到被蚀刻凹口的深度d(t)：
因此，四个偏振分量的强度的测量允许直接推导根据暴露于蚀刻等离子体的时间的凹口的深度d(t)。
d(t)的局部斜率指示瞬时蚀刻速率。
反射率与样本表面的指标相关。
第二实施例的优点是允许在不需要正弦拟合的情况下直接获取两个波之间的相位差，当蚀刻深度d(t)小于一个周期时，通常精确度极低。
薄或透明的层
如果样本包括透明材料(诸如，二氧化硅或吸收剂)但却不非常厚的层的堆叠，则如硬盘的情况一样，在蚀刻深度和相位差之间不存在简单关系。事实上，在样本上反射的束经历不同层之间的界面处的多次反射。检测到的干涉测量束是所有这些反射叠加的结果。在蚀刻期间，在相位和强度中调制检测到的干涉测量束。
在存在透明或非常薄的层的情况下，随后基于通过知晓构成不同层的材料而构造的样本的数值模型来估计深度。这个模型考虑到样本处的激光束的多次反射并且允许计算每个蚀刻瞬时的反射波的相位和反射率。
通过考虑可通过矩阵方法描述的样本中的波传播，计算反射波的相位和反射率(参见，例如，P.Yeh，Optical waves in layered media，1988，Wiley)。
然后，基于数值模型的模拟的计算，基于与根据时间的不同偏振分量的强度的测量的比较，以及基于模拟计算和测量之间的差异最小化，来分析样本的蚀刻。例如，在使用每个层的蚀刻速率作为可调节参数的最小二乘回归上使用最小化，以允许通过逐次逼近来估计给出最佳值适于实验值的相位和反射曲线的值。可通过使理论和实验曲线之间的差异(仅仅相位、仅仅反射率、或相位和反射率同时)最小来执行最小二乘回归。还可以针对各层选择不同的最小化。这些不同变化之间的选择通常取决于被分析样本的结构和被分析层的特性。
计算和测量之间的差异允许改善数值模型并且检测例如具有两种叠加材料之间的折射率梯度的中间层的存在。
将所得干涉仪测量的结果和对相同样本采取的椭圆偏光仪测量的结果进行比较。通过偏振干涉仪(根据第二实施例的装置)并且通过椭圆偏光仪得到的厚度非常接近，通过偏振干涉仪(在几乎垂直入射)并且通过椭圆偏光仪进行的测量之间的差异通常小于5％。
干涉仪测量***(优选地，偏振的)因此允许测量根据暴露于蚀刻等离子体的持续时间的样本中的蚀刻深度d(t)。因此可以评估各样本的蚀刻速率，更精确地，由层的堆叠形成的样本的每个层的蚀刻速率。
因此，变得可以调整根据蚀刻时间t的检测到的发射光谱测量，以分析它们并且根据样本中的蚀刻深度表示它们。
有利地，以上详细描述的蚀刻深度测量应用于脉动或脉冲模式下操作的等离子体。脉冲模式一般用于避免包括例如聚合物的材料或层的易碎样本过热。在脉冲模式下，等离子体以预定频率和占空比交替地开启然后关闭。只有在等离子体开启的阶段期间才出现腐蚀。
在本文中更特别料想到两个实施例来提高蚀刻深度测量精确度。
在第一种情况下，干扰的永久源为源自开和关等离子体阶段期间的信号漂移。在这种情况下，测量关等离子体阶段中的干涉测量信号的残留漂移，在关等离子体阶段中，没有进行蚀刻，因此只测量信号的漂移。因此，可以通过插值它们来校正开等离子体阶段中的这些漂移。
在另一种情况下，干扰的间歇源为只源自在开等离子体阶段期间的特定残留漂移(例如，等离子体热诱导的漂移)。在这种情况下，只在没有信号漂移的关等离子体阶段期间，测量干涉测量信号。在关等离子体阶段期间使用这些干涉测量信号测量，以例如通过插值用其推导根据时间的蚀刻深度。
以上揭示的方法中的任一个的选择取决于永久和间隙偏移的相对幅度。
本发明的***因此允许根据样本中的蚀刻深度d(t)的可靠测量而不仅是根据时间来通过辉光放电光谱提供测量。
在采集通过发射光谱或质谱进行的测量的同时，原位执行干涉测量信号的采集。结合图4示出的测量***允许准确确定根据暴露于蚀刻等离子体的时间的样本中或样本的层中的蚀刻深度。
光学发射谱(或质谱)和干涉测量的组合允许将样本的元素组分的分析与该样本中的蚀刻深度极其准确地相关。
本发明的干涉测量***对于例如真空泵装置的机械噪声不是非常敏感，并且对于由于消融等离子体导致的加热所致的热漂移不是非常敏感。
Claims (15)
1.一种辉光放电测谱法和样本的蚀刻深度的原位测量的***，所述***包括：
-辉光放电灯(60)，其适于接纳固体样本(10)并且形成辉光放电蚀刻等离子体(19)，所述样本(10)在同一面上具有被暴露于所述蚀刻等离子体的第一区域(11)和免受所述蚀刻等离子体影响的第二区域(12)；
-测谱仪，其耦合到所述辉光放电灯(60)，所述测谱仪适于通过光学发射谱和/或通过质谱，测量根据所述第一区域(11)暴露于所述等离子体的时间的代表所述辉光放电等离子体(19)的至少一个信号；
-根据暴露于所述等离子体的时间原位测量通过蚀刻所述样本(10)的所述第一区域(11)而产生的腐蚀凹口的深度的***(100)；
其特征在于，测量所述腐蚀凹口的深度的所述***(100)包括：
-光源(1)，其适于发射光束(2)；
-光学分束器(3、13、23)，其适于在空间上或成角度地将所述光束(2)分成第一入射束(21)和第二入射束(22)；
-所述辉光放电灯(60)适于提供朝向所述第一区域(11)的第一光学路径和朝向所述样本的所述第二区域(12)的第二光学路径；
-光学装置(4、14、24)，其适于分别将所述第一入射束(21)沿着所述第一光学路径向着所述第一区域(11)引导并且将所述第二入射束(22)沿着所述第二光学路径向着所述第二区域(12)引导，以分别地通过在所述第一区域(11)上的反射来形成第一反射束(31)，通过在所述第二区域(12)上的反射来形成第二反射束(32)；
-光学重组装置(3、13、23)，其适于重组所述第一反射束(31)和所述第二反射束(32)并且形成干涉测量束(30)；
-检测装置(8、81、82、83、84)，其适于接收所述干涉测量束(30)并且检测根据所述第一区域(11)暴露于所述等离子体的时间的干涉测量信号(40)；
-处理装置，其适于处理所述干涉测量信号(40)，以确定根据所述第一区域(11)暴露于所述等离子体的时间的所述腐蚀凹口的所述深度(d)。
2.根据权利要求1所述的辉光放电测谱法***，其中，所述检测装置(8、81、82、83、84)和所述处理装置适于处理所述干涉测量信号(40)并且从其提取根据所述第一区域(11)暴露于所述等离子体的时间的所述干涉测量信号(40)的幅度(A)和相位(PHI)的测量。
3.根据权利要求1或2所述的辉光放电测谱法***，其中，所述第一入射束(21)形成相对于所述样本的所述第一区域(11)的表面的法线小于10度的入射角，优选地，非零并且大致等于5度的入射角。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的辉光放电测谱法***，其中，所述样本(10)形成所述放电灯的阴极，并且其中，所述放电灯包括柱状阳极(15)，所述柱状阳极(15)具有适于使所述第一入射束(21)和所述第一反射束(31)通过的第一轴向开口(41)，并且其中，所述阳极(15)包括相对于所述阳极(15)的轴偏移的第二开口(42)，所述第二开口(42)设置有光学窗口(14)，所述光学窗口(14)适于使所述第二入射束(22)和所述第二发射束(32)通过。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的辉光放电测谱法***，其中，所述光学分离器(3、13、23)包括至少一个偏振分束棱镜。
6.根据权利要求5所述的辉光放电测谱法***，其中，所述光学分离器(3、13、23)包括Wollaston棱镜(13)并且所述光学重组装置(3、13、23)包括另一个Wollaston棱镜(23)，并且其中，适于分别地将所述第一入射束(21)向着所述第一区域(11)引导并且将所述第二入射束(22)向着所述第二区域(12)引导的所述光学装置(4、14、24)包括透镜光学***(4)，所述Wollaston棱镜(13、23)布置在所述透镜光学***(4)的焦平面上。
7.根据权利要求1至5中的一项所述的辉光放电测谱法***，其中，所述光学分离器(3)和所述光学重组装置(3)被合并到一起。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的辉光放电测谱法***，其中，所述测谱仪包括经由开口耦合到所述放电灯的质谱仪，所述质谱仪适于通过质谱测量代表所述辉光放电等离子体(19)的电离物种的至少一个信号。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的辉光放电测谱法***，其中，所述测谱仪包括经由光学窗口或经由透镜光学***(4)耦合到所述放电灯的光谱仪(70)，所述光谱仪(70)适于测量优选地在所述样本(10)的所述第一区域(11)的表面的垂直方向上代表所述辉光放电等离子体(19)的激发物种的至少一个光学发射信号。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的辉光放电测谱法***，其中，所述辉光放电测谱法***包括光谱仪(70)，所述光谱仪(70)适于测量代表所述辉光放电等离子体(19)的激发物种的至少一个光学发射信号(71)，并且其中，所述光源(1)适于发射选择的在所述辉光放电等离子体(19)的光学发射的原子射线的波长范围之外的波长的光束(2)。
11.根据权利要求1至10中的一项所述的辉光放电测谱法***，其中，所述检测装置(8、81、82、83、84)包括偏振计，所述偏振计适于测量所述干涉测量束(30)的至少一个偏振分量(35、36、37、38)。
12.根据权利要求11所述的辉光放电测谱法***，其中，所述偏振计包括其他光学分离装置(51、52、53、54、55)和多个检测器(81、82、83、84)，所述光学分离装置(51、52、53、54、55)被布置成将所述干涉测量束分成多个偏振分量，所述多个检测器(81、82、83、84)适于均分别检测所述干涉测量信号(40)的所述多个偏振分量的偏振分量(35、36、37、38)。
13.一种辉光放电测谱法和样本的蚀刻深度的原位测量的方法，所述方法包括以下步骤：
-将固体样本(10)放置到辉光放电灯(60)中，所述样本(10)在同一面上具有被暴露于蚀刻等离子体(19)的第一区域(11)和免受所述蚀刻等离子体(19)影响的第二区域(12)；
-通过光学发射谱和/或通过质谱，检测并且分析根据所述第一区域(11)暴露于所述等离子体的时间的代表所述辉光放电等离子体(19)的激发和/或电离物种的至少一个信号；
-发射光束(2)；
-在空间上或成角度地将所述光束(2)分成第一入射束(21)和第二入射束(22)；
-分别地，将所述第一入射束(21)沿着所述第一光学路径向着所述第一区域(11)取向并且将所述第二入射束(22)沿着所述第二光学路径向着所述第二区域(12)引导，以分别地通过所述第一区域(11)上的反射来形成第一反射束(31)，通过所述第二区域(12)上的反射来形成第二反射束(32)；
-光学重组所述第一反射束(31)和所述第二反射束(32)并且形成干涉测量束(30)；
-检测所述干涉测量束(30、35、36、37、38)，以形成根据所述第一区域(11)暴露于所述等离子体的时间的至少一个干涉测量信号(40)；
-处理所述至少一个干涉测量信号(40)，以从其提取根据所述第一区域(11)暴露于所述等离子体的时间的所述腐蚀凹口深度的测量。
14.根据权利要求13所述的辉光放电测谱法和样本的蚀刻深度的原位测量的方法还包括以下步骤：
-处理所述干涉测量信号(40)，以从其提取根据所述第一区域(11)暴露于所述等离子体(19)的时间的所述干涉测量信号(40)的相位(PHI)的测量；
-在各瞬时t，通过应用以下公式，确定所述样本(10)的所述第一区域(11)的瞬时蚀刻速率Ve：
其中，LAMBDA代表光源(1)的波长并且dPHI/dt代表所测得的干涉测量信号(40)的所述相位(PHI)的相对于时间的导数。
15.根据权利要求13或14所述的辉光放电测谱法和样本的蚀刻深度的原位测量的方法，其中，所述蚀刻等离子体(19)通过交替开启所述等离子体的阶段和关闭所述等离子体的另一个阶段在脉冲模式下操作，并且所述方法包括以下步骤：
-在开启所述等离子体的阶段期间和/或分别地在关闭等离子体的阶段期间，触发所述至少一个干涉测量信号(40)的检测，以将与开启所述等离子体的阶段关联的干涉测量信号和与关闭所述等离子体的阶段关联的另一个干涉测量信号区分开，
-处理与开启所述等离子体的阶段关联的干涉测量信号，和/或分别地，与关闭所述等离子体的阶段关联的其他干涉测量信号，以通过在开启所述等离子体的阶段期间和/或分别地在关闭所述等离子体的阶段期间所诱导的漂移校正腐蚀凹口深度的测量。
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