DE19807649A1 - Vorrichtung und Verfahren zur dreidimensionalen Messung und Beobachtung dünner Schichten - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur dreidimensionalen Messung und Beobachtung dünner SchichtenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung drei
dimensionaler geometrischer Messungen in situ einer Oberflächenschicht mit einer
Struktur aus dünnen Schichten in einer Vakuumkammer zur Messung der Entwicklung
der Struktur während eines Ätz- oder Ablagerungsverfahrens.
Anwendungsfälle der Erfindung sind die Steuerung in situ und in Echtzeit der
Herstellung von Halbleiterschichten mit tiefer Ätzung in Silicium z. B. zur Herstellung
von elektrischen Mikrosystemen oder zum Verdünnen von Mikromembranen, die zur
Herstellung von Mikrosensoren bestimmt sind.
Aus der FR-PS 2 680 414 (SOFIE) ist bereits eine kompakte Anordnung für
Beobachtungen und gleichzeitigen interferometrischen Messungen durch Laser
bekannt, um interferometrische Messungen in situ auf einer Ansammlung von dünnen
Schichten durchführen zu können, die in einer Vakuumkammer angeordnet sind. Die
Anordnung umfaßt eine Beobachtungskamera, deren Objektive einerseits von einem
Beleuchtungsstrahl und andererseits von einem oder zwei Laserstrahlen für interfero
metrische Messungen durchlaufen werden.
Aufgrund dieser Technik kann man insbesondere den Laserstrahl auf die zu
untersuchende Schicht positionieren und die Geschwindigkeit des Anwachsens oder
Abnehmens der Dicke der Oberflächenschicht der Struktur aus dünnen Schichten
messen. Jedoch haben der monochromatische Beleuchtungsstrahl und der Laser
meßstrahl nicht exakt die gleiche Wellenlänge, was ein Achromatismusproblem
hervorruft, das die gleichzeitige Scharfeinstellung der beiden Lichtstrahlen nur dann
ermöglicht, wenn die Objektive achromatisch sind. Außerdem ermöglicht diese
Technik keine absolute Messung der Dicke der Oberflächenschicht in der beobachte
ten Zone, da sie auf einer interferometrischen differentiellen Messung beruht, die sich
mit einer Periode von etwa λ/2n wiederholt, wobei λ die Beobachtungslänge und n
der Brechungsindex der Oberflächenschicht ist.
Aus der FR-Patentanmeldung 2 718 231 (SOFIE) ist auch ein Verfahren zu
Überwachung der Dicke einer örtlich begrenzten Zone der Oberflächenschicht einer
Struktur aus dünnen Schichten bekannt, das in der Lage ist, die absolute Dicke der
Oberflächenschicht in einer spezielle Analysezone zu messen, indem man eine
Spektralanalyse mittels eines Spektrographen eines Lichtstrahls durchführt, der von
einem Strahl weißen Lichts stammt, der von der Ansammlung von dünnen Schichten
reflektiert wird. Diese Technik ist wirksam, ermöglicht es jedoch nur, die Dicke der
Schicht und ihre Änderungsgeschwindigkeit in einer örtlich begrenzten Zone für Tiefen
von max. einigen Dutzend Micron zu erfassen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zu
schaffen, um die bisherigen Messungen, aber auch Messungen von Mustern großer
Dicke bzw. Tiefe für mikromechanische Anwendungsfälle durchführen zu können.
Wenn die Schichten dick bzw. die Muster tief sind, wird die Intensität des Lichts zum
Messen sehr gering und die üblichen Techniken sind nicht mehr geeignet.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zu schaffen, die eine momentane Messung der Differenz des Niveaus zwischen einer
als Ursprung gewählten Oberfläche und dem geätzten bzw. abgelagerten Muster zu
schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 bzw. 9
angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Die Ausführungsform nach Anspruch 3 eignet sich besonders für die Messung sehr
tiefer Muster.
Bei der Ausführungsform nach Anspruch 5 dient die Blende somit als Raumfilter zur
Reduzierung des Lichts, das sich außerhalb der Bahn des reflektierten schmalen
Lichtstrahls befindet.
Bei der Ausführungsform nach Anspruch 7 wird vorteilhafterweise bei Verwendung
eines Laserstrahls eine Frequenzfilterung bewirkt.
Das Wollaston-Prisma gehört zur Kategorie von Polarisationszustandsseparatoren. Die
austretenden Strahlen sind beidseitig zur mittleren Richtung des auftreffenden Strahls
abgelenkt, diese Ablenkungen sind jedoch nicht exakt symmetrisch.
Wenn man z. B. ein Wollaston-Prisma mit einer Winkelseparation λ = 30
Winkelminuten wählt, erhält man bei einem Abstand von 20 cm von der Struktur
spezielle Zonen, die um etwa 450 Micron versetzt sind. Die Verschiebung des
Wollaston-Prismas in der Kamera ermöglicht es, diesen Abstand einzustellen. Die
Drehung des Wollaston-Prismas ermöglicht es, die beiden speziellen Zonen zu
verschieben. Man kann so leicht eine spezielle Zone auf einem Abschnitt der
Oberflächenschicht wählen, die durch eine Maske abgedeckt und somit von der
Behandlung ausgespart ist, und die andere spezielle Zone in einem Abschnitt, der
gerade geätzt wird. Man kann selbstverständlich mehrere Messungen an
verschiedenen Abschnitten der Stelle durchführen, die gerade geätzt wird. Die Stelle
kann mittels des Tisches mit horizontaler Verstellung geändert werden.
Wenn man die spezielle Zone am Rand zwischen einem Abschnitt, der gerade geätzt
wird, und einem von der Maske abgedeckten Abschnitt anordnet, ergibt sich ein
Brechungseffekt, den man an der Überwachungskamera beobachten kann, was es
leicht ermöglicht, die spezielle Zone zu verschieben, um diesen Effekt zu vermeiden.
Die Maske, die einen Abschnitt der Struktur aus dünnen Schichten abdeckt, ist für die
verwendeten Wellenlängen mit einer Selektivität bzgl. der Struktur selbst in der
Größenordnung von 50 transparent. Wenn die Selektivität zwischen dem geätzten
Material und der Maske größer als 10 ist, beeinflußt die Ätzung der Maske die
Genauigkeit der Messung nicht. Die Kamera dient gleichzeitig zur Wiedererkennung
der Position der Strahlen und zur Durchführung geometrischer Messungen aufgrund
der Digitalisierung, die sie durchführt. Außerdem kann das Ätzverfahren die Tendenz
haben, die durch die Maske nicht abgedeckten Teile durch Abtragen deren Ränder
oder Aushöhlen eines Teils der Maske am Rand eines Abschnittes, der gerade geätzt
wird, durch Abtragen unterhalb der Maske zu verbreitern. Diese Entwicklungen
werden in Echtzeit mittels der Abbildungsverarbeitung und der Interferometrie
beobachtet, da sie sich als Änderung der Kontraste mit dem Zeitablauf auswirken.
Zwei aufeinanderfolgende Abbildungen der Probe können verglichen werden, um
diese mögliche Kontraständerung festzustellen. Die Stabilität der Maske wird in
Echtzeit in einer horizontalen Ebene längs der Achse X, Y und in der Tiefe geprüft.
Man erhält damit dreidimensionale Informationen über die Entwicklung der Muster
der Probe.
Nach der Reflexion an der Probe zeichnen sich die beiden, am Ausgang des
Wollaston-Prismas verfügbaren Strahlen aus durch:
- - lineare und untereinander orthogonale Polarisationszustände,
- - unterschiedliche Amplituden ex und ey,
- - eine Phasenverschiebung Δ.
Die unterschiedlichen Amplituden stammen nicht nur von Reflexionen unterschiedlicher
Art an der Probe, sondern sind auch auf die Wirkung von Montageelementen,
insbesondere der Kamera zurückzuführen, die von der Polarisation des Strahls
abhängt.
Die Phasenverschiebung λ hängt insbesondere ab von:
- - der Differenz des Niveaus zwischen den Zonen der Oberflächenschicht, auf denen die schmalen Strahlen reflektiert werden,
- - den Reflexionen unterschiedlicher Art an der Probe, den Montageelementen.
Um eine ausreichende Genauigkeit zu erhalten, trennt man die drei Anteile durch ein
geeignetes Eichverfahren.
Die Phasenverschiebung Δ ist eine Phasenverschiebung zwischen den Amplituden der
beiden Strahlen an zwei unterschiedlichen Punkten der Probe.
Im Falle der drehbaren Lambda-Viertel-Platte kann man zwei Messungen der
Phasenverschiebung durchführen, die erste, bei der die beiden Strahlen in derselben
Ebene mit einem Wert Δ1 reflektiert werden, und die zweite, bei der die beiden
Strahlen in unterschiedlichen Ebenen mit einem Wert Δ2 reflektiert werden. Der
Unterschied des Niveaus zwischen den Ebenen steht mit diesen Phasenver
schiebungswerten in Beziehung: Δ2-Δ1 = (2 Π/λ 2e, wobei λ die Wellenlänge
der Strahlen und e der vertikale Abstand zwischen den Ebenen ist. Man kann so den
Einfluß der Ursprungsphasenverschiebung unterdrücken. Die Vorrichtung eignet sich
zur Messung von Mustern geringer Dicke an der Probe, was ihr einen sehr großen
Meßbereich verleiht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1-5 beispielsweise erläutert. Es
zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der für das Verfahren der
Vorrichtung verwendeten Geräte;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Vorrichtung der Erfindung;
Fig. 3 einen Schnitt der Struktur aus dünnen Schichten, die gemäß der Technik der
Erfindung überwacht wird,
Fig. 4 eine Aufsicht entsprechend Fig. 3; und
Fig. 5 eine Abwandlung der Fig. 2.
Durch die Erfindung wird eine sehr kompakte Anordnung für gleichzeitige
inferometrische Beobachtungen und Messungen mit Laser insbesondere an Strukturen
aus dünnen Schichten geschaffen, eine Technik, wie sie im einzelnen in den FR-Patent
anmeldungen 2 680 414 und 2 718.231 erläutert ist, aus denen der Aufbau
und die Arbeitsweise der Vorrichtung grundsätzlich hervorgehen.
Wie Fig. 1 zeigt, umgibt eine Vakuumbehandlungskammer eine zu behandelnde
Probe 2, z. B. eine Siliciumplatte beim Ätzen mit Plasma, um eine Membran zu
erhalten, und hat an ihrer oberen Wand ein Fenster 3 aus Siliciumdioxid. Eine
Überwachungseinheit 4 ist oberhalb der Behandlungskammer 1 auf einem in X-Y-Rich
tung horizontal verschiebbaren Tisch 5 angeordnet. Die Überwachungseinheit 4
ist mit einem Glasfaserkabel 6 und einem elektrischen Kabel 7 mit einer Auswerte-
und Steuereinheit 8 verbunden, der ein Steuerpult 9 und ein Display 10 zugeordnet
sind. Die Einheit 8 ist an zwei Schrittelektromotoren (nicht gezeigt) angeschlossen, um
die horizontale Verschiebung der Überwachungseinheit 4 auf dem Tisch 5 zu steuern.
Wie im einzelnen Fig. 2 zeigt, hat die Überwachungseinheit 4 ein Gehäuse 11, das
eine Videokamera 12 enthält, deren einstellbares Objektiv 13 autofokussierend sein
kann, eine Beleuchtungsquelle 14 mit breitem Lichtstrahl und eine bestimmte Anzahl
optischer Platten um die Führung von Lichtstrahlen auf vorbestimmten optischen
Wegen sicherzustellen. Die Videokamera 12 hat einen Sensor 15, der vorzugsweise
aus mehreren Ladungsübertragungszellen (CCD) besteht, die in einer Matrix
angeordnet sind. Der Sensor 15 ist in nichtgezeigter Weise mit einem elektrischen
Anschluß 16 für das elektrische Kabel 7 verbunden, um der Auswerte- und
Steuereinheit 8 ein numerisches Videosignal zu liefern, das auf dem Display 10
dargestellt wird, wobei der elektrische Anschluß 16 am Gehäuse 11 befestigt ist.
Das Gehäuse 11 hat eine innere Kammer 11a, in der sich die Beleuchtungsquelle 14
befindet, die in einem Spektrum emittiert, das sich vorzugsweise wenigstens teilweise
mit dem Spektrum des sichtbaren Lichts überdeckt. Um die folgende Beschreibung zu
vereinfachen, wird nur von weißem Licht gesprochen, das von der Lichtquelle 14
emittiert wird. Die innere Kammer 11a hat ein Fenster, das mit einer optischen Linse 17
versehen ist, die den Beleuchtungslichtstrahl auf eine semitransparente Platte 18
leitet, die zwischen dem Objektiv 13 und dem Sensor 15 der Kamera 12 vorgesehen
ist, so daß der Beleuchtungslichtstrahl dem optischen Weg der Kamera, d. h. der
optischen Achse 13a des Objektivs 13 folgt. Eine erste Lichtfalle 19 in Form einer
Platte ist hinter der semitransparenten Platte angeordnet, um den Teil des
Beleuchtungslichtstrahls zu absorbieren, der die semitransparente Platte 18 durchlau
fen hat, und so optische Störungen in der Überwachungseinheit 4 zu reduzieren.
Die Laserstrahlquelle 20 hat eine Laserdiode und emittiert einen schmalen Strahl, der
mittels einer semitransparenten Platte 21 auf eine weitere semitransparente zweite
Platte projiziert wird, die in die optische Bahn zwischen dem Objektiv 13 und dem
Sensor 15 der Kamera 12 eingesetzt ist, so daß der Laserstrahl ebenfalls dem
optischen Weg der Kamera 12 folgt, der mit der optischen Achse 13a des Objektivs
13 zusammenfällt. Eine weitere Lichtfalle 13 in Form einer Platte ist hinter der
semitransparenten Platte 22 angeordnet.
In Abwandlung kann die Laserquelle 22 durch eine Quelle weißen Lichts mittels eines
Xenon-Lichtbogens ersetzt werden, die außerhalb des Gehäuses 11 angeordnet und
an dieses mittels eines nichtgezeigten Glasfaserkabels angeschlossen ist.
Auf der Bahn des von der Quelle 20 emittierten Laserstrahls ist zwischen der semi
transparenten Platte 21 und der semitransparenten Platte 22 ein erstes Wollaston-Prisma
24 angeordnet, das dem von der Laserquelle 20 abgegebenen Strahl in zwei
schmale Strahlen 25 und 26 teilt, die einen Winkelabstand von 30 Winkelminuten
haben und deren Polarisationszustände linear und orthogonal zueinander sind. Man
verfügt somit über zwei kohärente Laserstrahlen. Zum besseren Verständnis ist der
Winkelabstand der Strahlen 25 und 26 in Fig. 2 absichtlich vergrößert. Die
Linearpolarisationen werden auf der Bahn beibehalten, unter der Bedingung, daß die
Richtungen der Linearpolarisation am Ausgang des Wollaston-Prismas parallel und
senkrecht zur Einfallsebene auf der Platte 22 sind, da die Lichtstrahlen sonst eine
elliptische Polarisation haben.
Somit umgibt das kompakte Gehäuse 11 der Überwachungseinheit 4 die
Videokamera 12 mit der Beleuchtungsquelle 14 und der Laserstrahlquelle 20, um
einen Lichtstrahl, der sich aus dem Beleuchtungslichtstrahl, der von der
Beleuchtungsquelle 14 emittiert wird, und schmalen Laserstrahlen 25 und 26
zusammensetzt, die von der Laserstrahlquelle 20 emittiert und vom Wollaston-Prisma
24 geteilt werden, auf einem optischen Weg zu emittieren, der durch das Objektiv 13
der Kamera 12 verläuft. Der kombinierte Lichtstrahl wird von der Überwachungs
einheit 4 durch das Objektiv 13 und das Fenster 3 der Behandlungskammer 1 geleitet
und gelangt auf die Probe 2 mit einer Struktur aus dünnen Schichten. (Fig. 1)
Der von der Probe 2 reflektierte Lichtstrahl durchläuft das Objektiv 13 und gelangt in
das Innere des Gehäuses 11 der Überwachungseinheit 4. Die semitransparenten
Platte 22 teilt den reflektierten Lichtstrahl in zwei Teile. Der eine übertragene Teil, der,
nachdem er die semitransparenten Platten 22 und 18 durchlaufen hat, gelangt zum
Sensor 15 der Kamera 12. Der von der Platte 22 reflektierte Teil durchläuft das
Wollaston-Prisma 24, was die Kombination zweier reflektierter schmaler Laserstrahlen
zu einem einzigen bewirkt. Der einzige reflektierte Laserstrahl am Ausgang des
Wollaston-Prismas 24 durchläuft einen Polarisator 24 und gelangt zu einer
Detektionszelle 28, die über ein Glasfaserkabel 6 mit der Auswerteeinheit 8
verbunden ist.
Der auf den Sensor 15 der Kamera 12 gerichtete reflektierte Strahl entspricht dem
Spektrum des Beleuchtungslichtstrahls mit zwei reflektierten Laserstrahlen hoher
Intensität. Um eine Blendwirkung bzw. Überlastung des Sensors 15 und damit der
Videokamera 12 durch die Wirkung der reflektierten Laserstrahlen zu vermeiden, ist
ein Filter 29 in der optischen Bahn der Kamera 12 unmittelbar vor dem Sensor 15
angeordnet.
Das optische Filter 29 ist für eine charakteristische Wellenlänge transparent und für
andere Wellenlängen undurchlässig, um nur gewissermaßen monochromatisches Licht
zum Sensor 15 der Kamera 12 durchzulassen. So verhält sich jede CCD-Zelle des
Sensors 15 einzeln wie ein Interferometer, das ein Pixel der Bildebene der Kamera 12
darstellt. Die Videokamera 12 verhält sich wie mehrere Interferometer, die in
Matrixform angeordnet sind, und liefert somit ein Videosignal, das man am Display 10
betrachtet und das einer monochromatischen Kartographie entspricht, die die
Oberfläche der beleuchteten Stelle der Probe 2 wiedergibt. Vorzugsweise wählt man
eine charakteristische Wellenlänge des optischen Filters 29 ausreichend nahe an der
Wellenlänge der reflektierten Laserstrahlen, um auf dem Display 10 auch die beiden
Laserpunkte innerhalb der beleuchteten begrenzten Zone darzustellen, ohne daß
letztere die Videokamera 12 überlasten.
Die Interferenz der Strahlen ist aufgrund des Polarisators möglich, auf dessen
Übertragungsachse die elektrischen Feldvektoren der beiden Strahlen projiziert
werden. Man erhält somit am Ausgang kolineare und phasenverschobene
Schwingungen, die interferieren können, im Gegensatz zu den elektrischen Feldern
vor dem Polarisator, die orthogonal und damit nicht in der Lage sind, zu interferieren,
selbst wenn die entsprechenden Strahlen exakt zusammenfallen.
Der Polarisator 27 hat die Form eines Films, der dichroitische Partikel enthält, die das
Licht entsprechend einer ersten Richtung des elektromagnetischen Feldes absorbieren
und es in einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten durchlassen. Da die Polari
sationen der reflektierten Laserstrahlen durch ihren Durchgang im Wollaston-Prisma
24 nicht geändert werden, ermöglicht es die Drehung des Polarisators 27 in einer
ersten Winkelposition, einen der reflektierten Laserstrahlen auszuwählen, in einer
zweiten, um 90° zur ersten versetzten Position, den zweiten reflektierten Laserstrahl
auszuwählen, und in einer dritten, etwa 45° zur ersten versetzten Position, die beiden
reflektierten Laserstrahlen und insbesondere ihre Interferenzen zu analysieren. Die
Detektionszelle 28 kann von unterschiedlicher Art und insbesondere ein Spektrograph
sein.
Vor dem Polarisator 27 kann eine Blende 30 angeordnet sein, deren Loch einen
Durchmesser entsprechend dem der reflektierten Laserstrahlen hat, um die Detektion
durch die Detektionszelle 28 des von der Quelle 14 kommenden Lichts zu begrenzen.
Man kann auch ein nichtgezeigtes Interferenzfilter vorsehen, das zwischen dem
Polarisator 27 und der Detektionszelle 28 angeordnet ist, um eine Einwirkung des
Filters auf die Polarisation zu vermeiden, und dessen Bandbreite der Wellenlänge der
Quelle 20 entspricht, um Licht anderer Farben zu reduzieren, das ebenfalls
auftreffend oder reflektiert von der Quelle 14 kommt. Man verbessert somit das
Störsignalverhältnis der Detektionszelle 28, insbesondere wenn man einen Xenon-Licht
bogen verwendet, der reich an Licht im blauen Lichtbereich ist, während die
Quelle 14 reich an Licht im roten Lichtbereich ist, und wenn man eine Analyse in
letzterem Bereich durchführt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch charakteristischen Darstellungen des Verfahrens
der Erfindung. Die zu behandelnde Probe 2 ist eine Struktur aus dünnen Schichten,
die zur Herstellung von Membranen durch Ätzungen dient. Die Probe 2 besteht aus
einem Siliciumsubstrat 31, bei dem bestimmte Abschnitte durch eine Maske 32
abgedeckt sind. Die Zone 31a des von der Maske 32 nicht abgedeckten Substrats 31
wird durch ein an sich bekanntes Plasmaverfahren bis auf eine bestimmte Dicke
abgetragen. Der von der Überwachungseinheit 4 emittierte auftreffende Lichtstrahl
beleuchtet eine Stelle 2a der Oberfläche der Probe 2. Die Stelle 2a wird von dem
Beleuchtungslichtstrahl 33 aus weißem Licht begrenzt. Der Laserlichtstrahl 25 erreicht
die Probe 2 in einer durch die Maske 32 abgedeckten Zone. Da die Maske 32 für
Licht transparent ist, wird der Laserstrahl 25 auf der Oberfläche des Substrats 31
reflektiert, das unter der Maske 32 angeordnet ist. Der zweite Laserlichtstrahl 26 wird
in der Zone 31a des Substrats 31 reflektiert, die geätzt wird. Auf dem Display der
Überwachungseinheit 4 wird die Position der Laserstrahlen 25 und 26 dargestellt, und
man kann sie so verschieben, damit der eine in der durch die Maske 32 abgedeckten
Zone und der andere in einem Abschnitt des Substrats 31, der geätzt wird, reflektiert
wird.
Die Verschiebung der Laserstrahlen 25 und 26 bzgl. der Probe 2 erfolgt einerseits
durch Verschiebung des Tisches 5 in einer horizontalen Ebene und andererseits durch
die Bewegung des Wollaston-Prismas 24. Das Wollaston-Prisma 24 ist translatorisch
längs seiner optischen Achse verstellbar, was es ermöglicht, den Abstand der
Laserstrahlen 25 und 26 auf der Probe 2 einzustellen. Das Wollaston-Prisma 24 ist an
einem nichtgezeigten Drehgehäuse befestigt, was es ermöglicht, die Laserstrahlen 25
und 26 durch Drehung um ihre Ursprungsachse 34 zu verstellen. Der Polarisator 27
ist ebenfalls an dem Drehgehäuse des Wollaston-Prismas 24 befestigt. Die Drehung
des Wollaston-Prismas 24 bewirkt die Drehung des Polarisators 27, so daß eine
Verstellung der Laserstrahlen 25 und 26 die Einstellung des Polarisators 27 nicht
ändert. Der Polarisator 27 ist an einer nichtgezeigten Halterung befestigt, die bzgl.
des Gehäuses des Wollaston-Prismas 24 drehbar ist. Man bewirkt so die Einstellung
des Polarisators 27 unabhängig vom Wollaston-Prisma 24.
Aufgrund der Differenz der Längern der Bahnen, die die beiden reflektierten
Laserstrahlen durchlaufen haben, infolge der Tiefe der Ätzung beaufschlagten Zone
31a des Substrats 31 der Probe 2 ist die Intensität der beiden reflektierten
Laserstrahlen nach dem Durchgang durch das Wollaston-Prisma 24 nicht vollkommen
gleich, was den Kontrast der Interferenzstreifen verringert. Wenn man die Inter
ferenzen zwischen den beiden reflektierten Laserstrahlen untersuchen will, stellt man
daher den Polarisator 27 auf einen Winkel ein, der etwas von 45° verschieden sein
kann, um die Intensität der Komponenten, die jeweils von den beiden reflektierten
Laserstrahlen kommen, auszugleichen. Die Intensitätsdifferenz der reflektierten Laser
strahlen kann z. T. auf die Reflexion an der Platte 22 zurückzuführen sein, während der
der Polarisation parallel zur Auftreffebene auf der Platte 22 begünstigt wird.
Die Phasenverschiebung zwischen den Strahlen stammt einerseits von der Reflexion
auf der Probe 2, der nutzbaren Phasenverschiebung, die es ermöglicht, die Dicke der
Schicht bzw. der Tiefe der Ätzung zu messen, jedoch andererseits von der Reflexion
und der Übertragung durch die Platten 21 und 22 und das Wollaston-Prisma 24,
insbesondere, wenn letzteres nicht genau zentriert ist. Bei monochromatischem Licht
(Laser) kann man eine Eichung durchführen, indem man die beiden Strahlen auf eine
einzige Fläche der Probe 2 richtet.
Ein Polarisationskubus oder ein zweites Wollaston-Prisma kann auf dem optischen
Weg des reflektierten Strahls nach seinem Durchgang zurück durch das Wollaston-
Prisma 24 angeordnet werden, um die Strahlen entsprechend ihrer Polarisation
räumlich zu trennen, die Amplituden Rx und Ry getrennt zu messen und ihr Verhältnis
zu berechnen. Ein Polarisationskubus ermöglicht eine räumliche Trennung mit einem
Winkel von 90°. Ein Wollaston-Prisma aus Calcit ermöglicht eine räumliche Trennung
mit einem Winkel von mehreren Graden.
Wie Fig. 5 zeigt, hat die Kamera 12 eine Halterung 35, die den Polarisator 27 trägt,
und eine Lambda-Viertel-Platte 36, die von einem Elektromotor 37 um ihre Mitte
gedreht wird, um eine Modulation der Polarisation des Lichtes zu erreichen.
Man erhält so Informationen bzgl. der Modifikationszustände der Oberfläche der
Probe.
Aufgrund der Erfindung kann man Vorgänge tiefer Ätzung von Halbleiterschichten mit
zwei kohärenten Laserstrahlen aufgrund ihrer Herkunft von einer einzigen Quelle
überwachen. Man erreicht so eine genaue Messung der Ätztiefe. Vor dem Beginn der
Ätzung kann man mehrere Proben Muster untersuchen, indem man eine
Positionierung aufeinanderfolgend auf jedem von ihnen durchführt, um eine
interessierende Formgebung für ein industrieelles Großserien-Ätzverfahren abzuleiten.
Claims (12)
1. Vorrichtung zur dreidimensionalen Messung und Beobachtung in situ und in
Echtzeit einer Oberflächenschicht einer Struktur aus dünnen Schichten während der
Behandlung in einer Vakuumkammer (1), die mit einem Fenster an einer Wand
versehen ist, bestehend aus einer Überwachungseinheit (4), die ein kompaktes
Gehäuse aufweist, das eine Videokamera (12), eine Beleuchtungsquelle (14) mit
einem breiten Strahl, eine Beleuchtungsquelle (20) mit einem schmalen Strahl und
optische Komponenten enthält, einer Auswerte- und Steuereinheit (8), die einen
optischen und einen elektrischen Anschluß aufweist, die am Gehäuse der
Überwachungseinheit befestigt sind, um sie über jeweils ein Glasfaserkabel und ein
elektrisches Kabel mit der Auswerte- und Steuereinheit zu verbinden, und einem Tisch
(5), der oberhalb der Behandlungskammer angeordnet ist, um einerseits die
horizontale Verschiebung der Überwachungseinheit längs zwei Achsen (X, Y) um eine
Stelle auszuwählen, und andererseits die genaue Positionierung sicherzustellen, damit
die beiden auftreffenden Strahlen und die beiden, von der Oberflächenschicht
reflektierten Strahlen benachbarte optische Bahnen - nahe der optischen Achse der
Videokamera einnehmen,
gekennzeichnet durch
ein Wollaston-Prisma (24), das auf der optischen Bahn des schmalen Lichtstrahls
angeordnet ist, um am Ausgang des Wollaston-Prismas zwei kohärente schmale
polarisierte Lichtstrahlen (25, 26) unterschiedlicher, um einen Winkel α versetzter
Richtungen und mit orthogonalen Polarisationen zu erhalten, wobei das Wollaston-
Prisma derart angeordnet ist, daß es von den von der Schicht reflektierten schmalen
Lichtstrahlen durchlaufen wird, einen Polarisator (27), der auf der optischen Achse des
Wollaston-Prismas derart angeordnet ist, daß er von dem reflektierten schmalen
Lichtstrahl nach seinem Rücklauf im Wollaston-Prisma durchlaufen wird, wobei der
Polarisator um das Wollaston-Prisma drehbar gelagert ist, und eine Detektionszelle
(28).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Wollaston-Prisma translatorisch verstellbar und an einem Drehgehäuse befestigt
ist, das auch den Polarisator trägt, so daß die Drehung des Wollaston-Prismas die des
Polarisators bewirkt, wobei letzterer an einer Halterung befestigt ist, die bzgl. des
Gehäuses drehbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
einen Laserstrahl zur Erzeugung des schmalen Lichtstrahls.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
eine weiße Quelle zur Erzeugung des schmalen Lichtstrahls.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine Blende (29), die zwischen dem Wollaston-Prisma und dem Polarisator
angeordnet ist, und deren Loch einen Durchmesser entsprechend dem des
reflektierten schmalen Lichtstrahls hat.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4,
gekennzeichnet durch
eine Anordnung, die mit zwei Blenden und einer Zwischenlinse versehen und vor der
Detektionszelle angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
ein Interferenzfilter, das zwischen dem Polarisator und der Detektionszelle angeordnet
ist, wobei die Durchlaßbandbreite des Filters der Frequenz des reflektierten schmalen
Lichtstrahls entspricht.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
einen Modulator für die Polarisation des Lichts der beiden reflektierten schmalen
Strahlen, der in Durchgangsrichtung vor dem Polarisator auf der Bahn der
reflektierten Strahlen angeordnet und als drehbare Lambda-Viertel-Platte ausgebildet
ist, um den Phasen unterschied zwischen den beiden Strahlen zu messen, wobei die
Phasendifferenz für die Differenz des Niveaus zwischen den Zonen der Ober
flächenschicht charakteristisch ist, auf denen die beiden schmalen Strahlen reflektiert
werden.
9. Verfahren zum Messen und Beobachten in situ und in Echtzeit einer
Oberflächenschicht einer Struktur aus dünnen Schichten, die in einer Vakuumkammer
angeordnet ist, die an einer Wand mit einem Fenster versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß:
- - ein breiter Lichtstrahl auf eine Stelle der zu beobachtenden Struktur, ein schmaler Lichtstrahl zur Beleuchtung einer ersten speziellen Zone der zu beobachtenden Struktur und ein zweiter schmaler Lichtstrahl zur Beleuchtung einer zweiten speziellen Zone der zu beobachtenden Struktur gerichtet wird, wobei die Strahlen benachbarte optische Bahnen nahe der optischen Achse einer Videokamera einnehmen und das Fenster der Behandlungskammer durchlaufen, um die Stelle zu erreichen, und wobei der erste und zweite schmale Lichtstrahl kohärent sind und ihre Richtungen um einen Winkel α versetzt sind, und der erste und zweite schmale Lichtstrahl von einer einzigen Lichtquelle erzeugt werden,
- - der von der Stelle der Struktur aus dünnen Schichten reflektierte Lichtstrahl zu einem Matrixsensor einer Breitfeldvideokamera gerichtet wird, und die beiden Lichtstrahlen, die von den beiden speziellen Zonen reflektiert werden und die gemeinsame optische Bahn einnehmen, zu einer Einrichtung gerichtet werden, die sie optisch kombinieren kann, wobei die kombinierten reflektierten Lichtstrahlen am Ausgang eines der Detektionszelle folgenden Polarisators interferieren, um die Differenz des Niveaus zwischen den beiden speziellen Zonen zu messen.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein schmaler Lichtstrahl, der von einer einzigen Quelle erhalten wird, zu einem
Wollaston-Prisma gerichtet wird, um den ersten und zweiten auftreffenden schmalen
Lichtstrahl zu erhalten, und daß die beiden reflektierten schmalen Lichtstrahlen zum
Wollaston-Prisma gerichtet werden, um sie auf einer einzigen optischen Achse zu
kombinieren, wobei die Orthogonalität ihrer jeweiligen Polarisationen
aufrechterhalten wird, wobei der Polarisator um einen Winkel von mindestens 90°
drehbeweglich ist, um den ersten reflektierten schmalen Lichtstrahl in einer einzigen
Polarisation, den zweiten reflektierten schmalen Lichtstrahl in einer einzigen, zur
Polarisation des ersten Strahls um 90° versetzten Polarisation, und die Kombination
der beiden reflektierten schmalen Lichtstrahlen in einer Winkelposition auswählen zu
können, die in der Größenordnung von 45° zur ersten versetzt ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand zwischen den beiden speziellen Zonen durch Verschiebung des
Wollaston-Prismas eingestellt wird, und sie durch Drehung des Wollaston-Prismas und
des Polarisators gedreht werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden reflektierten Lichtstrahlen eine Einrichtung zur Modulation der Polarisation
vor dem Eintritt in den Polarisator durchlaufen.
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