改進的薄膜厚度測量方法和裝置的製作方法
2023-05-19 05:23:26
專利名稱：改進的薄膜厚度測量方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量樣品性質的方法，包括下列步驟-用具有至少一個空間位相和空間周期的激發圖樣照射樣品的一部分；-一部分探測光束從樣品表面衍射；-用光學探測器檢測探測光束的衍射部分，產生光誘導的信號；-處理光誘導的信號，確定樣品的性質。
本發明也涉及實現該方法的裝置。
一種全光學測量技術稱為脈衝激勵熱散射(ISTS)，能測量各種不同的材料性質，如薄膜厚度。在ISTS中，從一個激發雷射器發出兩個或更多個雷射束，在時間和空間上疊加在樣品表面上，形成光幹涉圖樣。激發雷射束由一系列短的(例如幾百皮秒)光脈衝組成，波長在樣品的吸收範圍內。激發圖樣的特點是交替變化的『亮』(也就是相長幹涉)和『暗』(也就是相消幹涉)的區域，間隔取決於雷射束的波長和它們之間的角度。圖樣的亮區加熱樣品，引起它熱膨脹。這樣發出相干的、反向傳播的聲波，其波長和方向與上述圖樣相匹配。
對於不透明的膜(如金屬膜)，聲波在膜層表面上產生依賴時間的『波紋』圖樣，該表面在一個或多個聲頻上振蕩(典型為幾百兆赫)。該聲頻取決於薄膜性質如厚度、密度和彈性模量。探測光束然後從波紋衍射，形成一系列信號光束，每一個代表至少一個不同的衍射級(例如+1，-1，+2或-2等衍射級)。信號光束在該聲頻或其倍數頻率上振蕩，或者如果有幾種頻率時，在聲頻的和頻或差頻上振蕩。一個或多個信號光束被檢測和監視，以測量樣品的性質。
使用ISTS測量薄膜厚度和各種其他性質有許多描述，例如在美國專利5，633，711(題目是用光學引發的聲子測量材料的性質)；5，546，811(題目是薄膜樣品中的應力的光學測量)；和U．S．S．N．08／783，046(題目是測量薄膜厚度的方法和器件，7／15／96提出申請)中，這裡作為參考。
ISTS測量薄膜厚度能用作微電子器件製作過程中和／或之後的質量控制參數。在這些器件中，金屬和金屬合金的薄膜沉積在矽片上，並用作導電體、粘附促進層和擴散勢壘。例如銅、鎢和鋁金屬薄膜用作導電體和互相連接；鈦和鉭作為粘附促進層；和氮化鈦和氮化鉭作為擴散勢壘。金屬薄膜的厚度變化能改變它們的電學和機械性質，從而影響使用它們的器件的性能。為了在製造過程中有效監控金屬薄膜，ISTS薄膜厚度測量必須高度可重複，精確和準確。
本方法的特徵作用以下附加的步驟-調節激發圖樣的空間位相；-重複照射、衍射和探測步驟，產生至少一個附加光誘導信號；-處理全部光誘導的信號，確定樣品的性質。
通過調節激發圖樣的空間位相和對激發圖樣的每一個位相進行測量，本方法可獲得相當大的改進。空間位相的調節能通過『抖動(dither)』用於ISTS的系統中的光學或機械元件實現。在這種情況下，『抖動』定義為一個元件的移動或調製，其改變了激發圖樣的空間圖樣。在首選實例中，該圖樣由如上所述的近似平行的亮和暗交替區域組成。改變激發圖樣的空間位相，意味著激發圖樣的亮區和暗區的位置相對於樣品表面協調移動。空間位相的改變，作為抖動的結果，傾向於與橢圓的亮和暗區的長軸方向垂直。在這裡關於激發圖樣的術語位相和空間位相可互換使用。
本發明也涉及實現該方法的裝置，包括產生光激發脈衝的第一光源；對準的一個光學系統，用於接收光激發脈衝並把它分成至少兩個光脈衝，然後聚焦兩個光脈衝到樣品表面上，形成具有至少一個空間位相和空間周期的激發圖樣；產生探測光束的第二光源，探測光束從樣品上衍射；檢測探測光束的衍射部分以產生光誘導信號的一個光探測器；和一個處理器，配置成能夠處理光探測器產生的光誘導信號並確定樣品的性質，其特徵在於用於調節激發圖樣的空間位相的位相調節元件。
本發明實例的進一步優點在從屬權利要求中敘述。
本發明有許多優點。總的來說，使用抖動在測量過程中改變激發圖樣的位相，能提高基於ISTS的厚度測量的精度即使非常粗糙的薄膜，或包含能散射光束的區域的薄膜，都能準確測量。在這個應用中，ISTS檢測薄膜厚度的很小的變化，這變化能影響薄膜在微電子器件中的功能。
精度的提高在多點測量時特別明顯。這些測量涉及在給定區域內用多點測量厚度。多點測量的例子包括1)『線掃描』，沿薄膜表面的一條線測量多於一個點，例如沿著薄膜的直徑或邊緣；2)『輪廓圖』，基於二維點陣在薄膜上一個區域(例如圓、方形或矩形)進行測量。在這些多點測量過程中，抖動光學系統中的一個元件，會減少每一點測量厚度的標準偏差，從而提高總的測量精度。
在更一般的情況，本發明改善了全光學、非接觸測量技術，該技術能有效測量單層或多層結構薄膜的厚度，如ISTS。厚度值然後能用於控制製作工藝(例如，微電子器件的製造)。該裝置具備光學測量的所有優點每一個測量是非接觸、迅速的(典型情況，每點少於1或2秒)、遠距離的(光學系統能離樣品10釐米或更遠)，和能在一個小區域內進行(小到大約20微米)。除了薄膜厚度的其他性質也可以通過使用抖動進行更精確的測量。
這些和本發明的其他方面是顯然的，通過沒有限制條件的例子闡明，參考在後面描述的實例。
在附圖中
圖1A表示執行ISTS測量的光學系統，包括按照本發明的抖動位相掩模；圖1B表示圖1A的抖動位相掩模的放大視圖；圖1C表示圖1A的位相掩模上的圖樣的側面示意圖；圖2A表示信號強度與時間關係圖，對於從沉積在矽片上的銅／鉭氮化物／氧化物結構測量得到的波形；圖2B表示圖2A的傅立葉變換；圖3A和3B表示薄膜厚度作為從多點測量產生的位置的函數關係圖，分別帶有和沒有圖1A的位相掩模；圖4A表示按照本發明的抖動的樣品底板的側面示意圖；圖4B表示按照本發明的抖動的激發雷射的側面示意圖；圖4C表示按照本發明的抖動激發雷射束的聲光調製器的側面示意圖。
參考圖1A-C，一個光學系統50使用ISTS測量沉積在基底11上的薄膜10的厚度。類似的光學系統在以下專利中有描述，美國專利5，633，711(題目是用光學引發的聲子測量材料的性質)；5，546，811(題目是薄膜樣品中的應力的光學測量)；和U．S．S．N．08／783，046(題目是測量薄膜厚度的方法和器件，7／15／96提出申請)，它們的內容先前已經作為參考。系統50具有雷射器52，發射激發脈衝12，例如穿過分束器65。分束器65反射一部分脈衝到低速光子探測器67，產生電脈衝觸發數據採集系統(圖中未表示)。激發脈衝12餘下的部分通過分束器65，照射準直透鏡系統60和聚焦透鏡系統64，如柱面透鏡，聚焦脈衝在位相掩模62上。
參考圖1B-1C，按照本發明，位相掩模62附加到馬達驅動的平臺16上，在測量過程中，『抖動』前後水平運動掩模62，相對於激發脈衝12的傳播。如箭頭63′所示，抖動一般為時間相關的、周期性的方式進行(例如正弦方式)。在抖動期間，激發脈衝12照射圖樣66在位相掩模62上，掩模62由玻璃組成，其被刻蝕以包括不同厚度的區域88a，88b。由圖1C中箭頭67所示，區域88a，88b有一定的間隔(典型為1到50微米之間)，間隔小於雷射脈衝12在掩模平面內的點的大小。點的尺寸一般為橢圓，近似為20×200微米；橢圓的長軸與區域88a，88b的擴展區正交地延伸。在典型的應用中，位相掩模前後運動範圍為大約0．01mm-2．0mm，速度為大約50微米／秒。
抖動的範圍一般與位相掩模上圖樣的間隔相同，如上面所述為在1到50微米之間。一般來說，優選地抖動位相掩模改變激發圖樣的空間位相，以增加方式的範圍從0°到180°，或其倍數。因為激發圖樣優選為一系列平行的亮和暗區，這意味著在抖動期間亮區將移動到暗區的位置，暗區將移動到亮區的位置，如此反覆。
在這種配置下，圖樣66衍射脈衝12為兩個激發脈衝12a，12b，從掩模62以角度θ發散。在操縱期間，位相掩模的抖動引起區域88a，88b的位置相對於橢圓雷射點以時間相關方式變化。這個過程調製了每一個激發脈衝12a，12b的光學位相，從而調製當激發脈衝在樣品表面重疊時的激發圖樣的亮區和暗區的位相。在典型的測量中，抖動發生的頻率(一般100-1000Hz)比ISTS測量的數據採集頻率高(一般10-500Hz)，因此在每一個抖動周期內能進行幾個ISTS測量。
再次參考圖1A，激發脈衝12a，12b從位相掩模62上散射，並照射焦距為f的消色差透鏡對70。透鏡對70聚焦脈衝12a，12b在薄膜10上，角度與脈衝從位相掩模上散射的角度θ相同。透鏡對70疊加脈衝在薄膜10的表面49上，以使它們光學幹涉形成空間周期激發圖樣15。圖樣15特徵為大約50個交替的亮暗區。透鏡對70離位相掩模距離為2f，以使圖樣15的空間頻率與位相掩模上的圖樣66的空間頻率匹配(也就是消色差透鏡對近似1∶1成像)。如上所述以時間相關的方式相對於樣品抖動位相掩模調節激發圖樣的空間位相，但不改變圖樣的空間頻率。
在ISTS測量期間，薄膜吸收圖樣15中的亮區，結果發生熱膨脹，發射反向傳播的聲波。聲波形成『瞬間光柵』，以聲波的頻率改變薄膜的表面(例如通過產生時間相關的表面波紋或折射率變化)。一旦開始，聲波用探測雷射器54發出的探測光束20測量。探測光束20穿過準直透鏡55和聚焦透鏡71，照射在薄膜表面上的圖樣上或圖樣附近。一部分探測光束從表面波衍射形成衍射信號光束20′，穿過透鏡76並進入高速光檢測器80。光檢測器80檢測衍射光束20′，產生光誘導電信號，由數據採集系統處理並產生聲波頻率調製的數據掃描。術語『數據掃描』在這裡指單個的測量。
在典型的測量中，一臺計算機(圖中未表示)從單個的點平均多個數據掃描(典型為50-500個掃描)，產生信號波形100，如圖2A中所示。這樣，在這個應用中，位相掩模在ISTS測量中抖動。這種情況下的平均數據掃描使數據具有高的信噪比(典型為1∶100，000)。圖2A中的信號波形100是從標稱的沉積在矽片上的5185埃銅／250埃／1000埃氧化物結構上測量的，表示ISTS信號強度SI(單位為毫伏)作為時間T(單位為納秒)的函數。信號波形100的傅立葉變換101表示在圖2B的圖形中。該圖表示功率P(任意單位)作為頻率Fr(單位MHz)的函數圖。這些數據表示出信號波形的頻率，因此聲波模式的頻率在這種情況下是大約270MHz。為了確定薄膜厚度，這個聲波頻率由計算機分析，連同上面提到的參考中描述的激發圖樣的亮和暗區的間距的倒數(也就是波矢量)，和薄膜的密度和聲音速度一起。分析過程描述於例如美國專利5，633，711，其內容在這裡作為參考。測量能沿樣品表面進行單點或多點測量。
圖3A和3B表示使用上面描述的方法，通過抖動位相掩模如何提高位置相關的厚度測量。兩個圖中都沿y軸畫出厚度Th(單位為埃)，沿x軸畫出距離(單位為毫米)。圖形的數據用圖2中的樣品獲得，抖動的直線距離0．035mm(圖3A)和沒有抖動(圖3B)。為了進行位置相關的厚度測量，每0．5微米進行一次ISTS測量。從數據中清楚看出，在薄膜厚度的測量中使用抖動位相掩模比沒有抖動掩模的類似測量(全部範圍大於2000埃)更加均勻(全部範圍大約75埃)。普通技術人員會立即發現圖3b中的厚度偏離不能準確代表銅薄膜的厚度，而圖3a中表示的更具有代表性。
上面描述的本發明範圍內有其他實例。換句話說，光學系統的其他元件能移動和改變，以實現激發圖樣空間位相要求的變化。在每一種情況下，優先考慮抖動元件能夠引起激發圖樣的空間位相變化在0°到180°之間。
特別的，參考圖4A，激發圖樣的位相能通過運動樣品底板13以時間相關方式調節，底板13水平地前後抖動(如箭頭14所示)。該方法是類似於抖動位相掩模，它相對於樣品表面49調節激發圖樣15的空間位相。在這種情況下，樣品底板13的運動距離和速度與圖1A和1B中抖動位相掩模的值相似。
參考圖4B，在另一個實例中，激發雷射器52、平面鏡(未示出)、透鏡(未示出)或者這些的組合或光學系統中其他元件被抖動(如箭頭17所示)，以獲得與上面所述抖動位相掩模相同的結果。抖動的範圍和速度也與1A和1B中所述相似。
總的來說，抖動是用馬達驅動的平臺或接收任何類型電信號的等效物通過移動系統中的任何元件(例如位相掩模)實現的。該信號能是正弦的、鋸齒的、方形、隨機或任何其他類型波形，在0．1-1000Hz之間。馬達驅動的平臺能用任何可移動元件替換，如壓電器件。
如圖4C所示，抖動能通過採用電光(例如普克爾盒)或聲光調製器(例如布拉格盒)47來完成，放置在圖4B所示激發脈衝的一個路徑中。在這種情況下，調製器改變入射脈衝12的位相，同時產生兩個激發脈衝12a，12b。當重疊在樣品上時，這些脈衝形成隨時間變化的激發圖樣。
在其他實例中，能使用不是圖1所示的光學系統，其使用位相掩模產生激發場來激勵聲波和反射模式結構以測量該聲波。這樣的系統例如在U．S．S．N．08／885，555中描述(題目是測量材料性質的改進的瞬間光柵方法和裝置)，這裡作為參考。
同樣的，位相掩模能用類似的衍射光學元件如振幅掩模、衍射光柵、電光調製器或能產生形成激發圖樣的光束的一些組合或等效物。衍射元件能包括同時產生多於一個空間頻率的圖樣，非周期的激發圖樣，或包含亮區是其他形狀而不是平行直線的激發圖樣。例如衍射光學元件能產生包括一系列同心圓、橢圓或其他形狀的激發圖樣。其他可接受的衍射掩模的圖樣在美國專利5，734，470中描述，題目為時間決定光學測量的器件和方法，其內容在這裡作為參考。在這樣的情況下，元件的抖動可能導致激發圖樣的改變，與所描述的平行的亮和暗區有一點不同。然而，這些激發圖樣的移動頻率比數據採集的頻率高，能有有益的效果。
同樣的，任何適合的雷射器能用來產生激發和探測光束。典型的激發和探測雷射器分別是二極體泵浦NdYAG／Cr+4YAG微片雷射器和一個二極體雷射器，儘管其他雷射器可能被使用。例如激發雷射器可能是鈦藍寶石，鉻LISAF，環形或光纖雷射器。
在其他實例中，信號波形能被分析，並確定樣品的厚度以外的性質。例如，聲波的頻率能用於確定薄膜的附著力、密度、硬度、彈性、表面粗糙度和其他力學或物理性質。此外，信號波形的分層而不是頻率能被分析以確定樣品的其他性質。例如波形的形狀能被分析和確定附著力的程度、表面粗糙度或結構中一個或多個薄膜的組分。
從波形中能測量的其他性質包括離子注入矽片的性質，如注入離子的濃度和能量。這些性質的測量在U．S．S．N．08／783，406(題目為測量半導體材料中離子注入的方法和裝置)和U．S．S．N．08／885，555(題目為測量半導體材料中離子注入的改進的方法和裝置)中描述，這裡作為參考。
本發明的方法和裝置能用於測量多種結構。例如本方法在確定微電子工業中使用的金屬薄膜厚度上特別有效。這樣的金屬薄膜包括但不限制於鋁、銅、鎢、鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭、金、鉑、鈮和它們的合金。這些金屬可能包括在單層或多層結構中。其他能被測量的材料包括半導體(例如矽、GaAs，和它們的衍生物)聚合物，類金剛石薄膜、和掩埋的透明薄膜。
還有其他實例在下面的權利要求的範圍中。
權利要求
1．一種測量樣品性質的方法，包括下列步驟-用具有至少一個空間位相和空間周期的激發圖樣照射樣品的一部分；-從樣品表面衍射一部分探測光束；-用光學探測器檢測探測光束的衍射部分，產生光誘導的信號；-處理光誘導的信號，確定樣品的性質。-調節激發圖樣的空間位相；-重複照射、衍射和探測步驟，產生至少一個附加光誘導信號；-處理全部光誘導的信號，確定樣品的性質。
2．權利要求1所述的方法，其中衍射圖樣通過疊加從初始光脈衝中導出的至少兩個光脈衝形成。
3．權利要求1或2所述的方法，其中調節步驟包括沿垂直於初始光脈衝的傳播方向的方向移動樣品照射系統的一個元件。
4．權利要求1，2或3所述的方法，其中處理步驟進一步包括平均化多個光誘導信號。
5．權利要求1，2，3或4所述的方法，其中處理步驟進一步包括確定每一個光誘導信號或多個光誘導信號的平均值的傅立葉變換(101)。
6．權利要求1，2，3，4或5所述的方法，其中本方法進一步包括分析步驟，以確定樣品的性質，該分析步驟包括用計算機或微處理器分析光誘導信號。
7．實現權利要求1所述方法的裝置，包括-產生光激發脈衝的第一光源；-一個光學系統，被對準以接收光激發脈衝，並把它分成至少兩個光脈衝，然後聚焦兩個光脈衝到樣品表面上，形成具有至少一個空間位相和空間周期的激發圖樣；-產生探測光束的第二光源，探測光束從樣品上衍射；-一個光探測器，檢測探測光束的衍射部分，產生光誘導信號；-一個處理器，配置成能夠處理光探測器產生的光誘導信號，並確定樣品的性質，其特徵在於用於調節激發圖樣的空間位相的一個位相調節元件。
8．權利要求7所述的裝置，其中光學系統包含衍射元件，用於形成所述的至少兩個光脈衝。
9．權利要求7或8所述的裝置，其中位相調節元件由光學系統中的可移動元件組成。
10．權利要求7或8所述的裝置，其中位相調節元件由電光調製器、聲光調製器，移動的玻璃幻燈片或它們的組合組成。
11．權利要求9所述的裝置，其中給可移動元件提供驅動器，驅動器由壓電器件、馬達、機械平臺或它們的組合組成，並由電信號控制。
12．權利要求11所述的裝置，其中電信號是方形、鋸齒形、隨機或正弦波形。
13．權利要求9，11或12所述的裝置，其中可移動元件是衍射元件。
14．權利要求9，11或12所述的裝置，其中可移動元件是平面鏡、透鏡或稜鏡。
15．權利要求9，11或12所述的裝置，其中第一光源是可移動的雷射器，其構成可移動元件。
16．權利要求7或8所述的裝置，其中位相調節元件由支持樣品的可移動底板組成。
全文摘要
所述的是測量樣品性質的一種方法和裝置:用具有至少一個空間相位和空間周期的激發圖樣照射樣品的一部分;一部分探測光束從樣品表面衍射;用光學探測器檢測探測光束的衍射部分,產生光誘導的信號;處理光誘導的信號,確定樣品的性質。通過調節激發圖樣的空間位相和重複照射、衍射和檢測步驟,能產生至少一個附加光誘導信號,本方法有相當大的改進。
文檔編號G01B11/06GK1291284SQ99803134
公開日2001年4月11日 申請日期1999年10月21日 優先權日1998年10月21日
發明者M·福克斯, M·約菲, M·巴尼特 申請人:皇家菲利浦電子有限公司