Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur interferometrischen Messung von Schichtdicken nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Messung der Dicke einer durchsichtigen dünnen Schicht auf optischem Wege sind zahlreiche Verfahren bekannt. Bei allen diesen Verfahren wird die Intensität eines mit der Schicht in Wechselwirkung tretenden Lichtstrahls gemessen, wobei gleichzeitig ein Parameter des Systems kontinuierlich geändert wird (z.B. die Wellenlänge, der Einfallswinkel, die Polarisation usw.). Wenn eine sich ändernde Schichtdicke laufend registriert werden soll, sind diese Verfahren jedoch so langsam oder so teuer, daß sie nicht mehr praktikabel sind. Diese bei den bekannten Verfahren störende Änderung der Schichtdicke kann aber nun selbst als Abtastvariable eingesetzt werden.

In der Optik ist es seit langem bekannt, daß Licht einer bestimmten Wellenlänge, das an einer transparenten dünnen Schicht reflektiert wird oder durch diese hindurchgeht, je nach Dicke der Schicht zu einer konstruktiven oder destruktiven Interferenz führt. Wenn also die Dicke einer Schicht kontinuierlich zu- oder abnimmt, ergibt sich aufgrund der Interferenz eine sinusförmige Intensitätsfluktation im durchgelassenen oder reflektierten Licht.

Zyklische Änderungen der optischen Interferenz werden im Stand der Technik zur laufenden Messung der Dicke einer durchsichtigen Schicht seit langem verwendet. Insbesondere ist es bekannt, die absolute Dicke einer niedergeschlagenen Schicht, beispielsweise bei Kathodenzerstäubung, dadurch zu bestimmen oder zu regeln, daß die Anzahl der Zyklen in optischem Interferenzsignal gezählt wird, ausgehend von der Schichtdicke O bei Beginn des Niederschlags. Das gleiche _Verfahren wurde zur Überwachung von abnehmenden Schichtdicken angewandt; in diesem Fall muß jedoch die ursprüngliche Schichtdicke genau bekannt sein, um die absolute Dicke eindeutig bestimmen zu können.

Dieses allgemeine Verfahren wurde schon verbessert, indem statt Licht einer Wellenlänge zwei sich geringfügig unterscheidende Wellenlängen verwendet wurden, um die Interferenzmuster zu erzeugen; anschließend werden dann beispielsweise die Ausgangssignale der beiden Detektoren durch Summen- und Differenzverstärker kombiniert, um die gesuchte Schichtdicke genauer zu bestimmen. Alle diese Systeme unterlagen jedoch der Beschränkung, daß die Schichtdicke nur in bezug auf einen bekannten Referenz- oder Ausgangspunkt bestimmt werden konnte. Die zyklische Variation des Ausgangssignals dieser Systeme liefert keine eindeutige Information über die absolute Schichtdicke, sofern nicht zusätzliche Parameter herangezogen werden.

Bei vielen praktischen Meßaufgaben ist die ursprüngliche Dicke einer abzutragenden Schicht nicht genau bekannt; dieser Fall tritt beispielsweise häufig in der Halbleiterindustrie auf, wo z.B. Quarzschichten auf einer Siliciumscheibe bis zu einer genau festgelegten Enddicke abgeätzt werden müssen. Die Dicke der Quarzschicht liegt innerhalb eines bestimmten und bekannten Dickenbereichs, die absolute Schichtdicke ändert sich jedoch von Halbleiterscheibe zu Halbleiterscheibe in Abhängigkeit von der Genauigkeit der Prozeßkontrolle in vorhergehenden Herstellschritten. Die absolute Dicke dieser Quarzschicht muß deshalb vor Abschluß des Ätzprozesses bekannt sein; nur dann ist es möglich, den gewünschten Endpunkt des Prozesses zu bestimmen und ein Überätzen zu vermeiden.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, mit denen auf einfache Weise der Absolutwert sich ändernder Dicken von durchsichtigen Schichten bestimmt werden kann, ohne daß vorher die Dicke der _Ausgangsschicht genau bestimmt werden müßte.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnende Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In einem Ausführungsbeispiel wird dazu die Schicht, deren Dicke registriert werden soll, mit weißem Licht beleuchtet. Das durch optische Interferenz an der dielektrischen Schicht modifizierte reflektierte Licht wird durch Photodetektoren an zwei voneinander verschiedenen Wellenlängen gemessen. Die zyklischen Intensitätsschwankungen bei beiden Wellenlängen werden miteinander verglichen, um eine eindeutige Bestimmung der absoluten Schichtdicke zu erhalten. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist diese Eindeutigkeit gewährleistet, obwohl die ursprüngliche Schichtdicke nur so ungenau bekannt ist, daß im Intensitätsverlauf einer jeden einzelnen Wellenlänge der Unsicherheitsbereich mehrere Intensitätszyklen betragen würde. Zur Vereinfachung des Phasenvergleichs der beiden periodischen Intensitätskurven können die Wellenlängen so ausgewählt werden, daß bestimmte ausgesuchte Extrempunkte beider Kurven bei einer Schichtdicke zusammenfallen, die geringer ist als die erwartete minimale Anfangsdicke und daß bei größeren Schichtdicken bis einschließlich des erwarteten Maximums ein solches Zusammenfallen nicht erfolgt. Die Bestimmung der absoluten Schichtdicke auf diesem Weg ermöglicht es, Ätzprozesse bis zum gewünschten Endpunkt ohne Überätzen durchzuführen.

Die zur Schichtdickenmessung verwendete Einrichtung ist konstruktiv einfach; durch Beleuchtung mit weißem Licht steht gleichzeitig eine polychromatische optische Abbildung des gemessenen Bereichs zur Verfügung (z.B. zur visuellen Beobachtung).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Systems zur Beleuchtung einer Oberfläche mit weißem Licht, zur Registrierung der Intensität des an der Oberfläche reflektierten Lichts bei zwei bestimmten, voneinander verschiedenen Wellenlängen und zur Erzeugung eines Abbildes dieser Oberfläche mit allen Wellenlängen, außer den zur Messung verwendeten.
• Fig. 2 _. eine graphische Darstellung des Ausgangssignals des in Fig. 1 beschriebenen optischen Instruments, wenn die untersuchte Oberfläche eine durchsichtige dünne Schicht aufweist, deren Dicke kontinuierlich abnimmt und wenn die beiden registrierten Wellenlängen so ausgewählt sind, daß sich ein Verhältnis von ungefähr 1,33 zwischen den beiden Zykluslängen ergibt.

Bei einigen zur Messung sich ändernder Schichtdicken verwendeten Systeme muß die absolute Schichtdicke bestimmt werden können und nicht nur die Änderung bezüglich eines unbekannten Anfangswerts. Die optische Interferenz in einer durchsichtigen Schicht moduliert einen monochromatischen Lichtstrahl so, daß seine Amplitude eine sinusförmige Komponente aufweist, wenn sich die Dicke kontinuierlich ändert. Eine Änderung der Dicke von A/2 n (wo λ = Wellenlänge und n = Brechungsindex) entspricht einem vollständigen Zyklus des sinusförmigen Signals. Ein einzelner monochromatischer Lichtstrahl erfordert daher, daß die ursprüngliche Dicke bis auf λ/2n bekannt ist. Bei normalem optischen Material (n = 1,5) und praktisch verwendbaren Wellenlängen (λ ≤ 1 um) muß die ursprüngliche Schichtdicke also mit einer Toleranz von 0,3 p bekannt sein, um die Eindeutigkeit der verschiedenen Ordnungen zu gewährleisten.

Steht dagegen ein sinusförmiges Signal zur Verfügung, das bei einer zweiten Wellenlänge aufgenommen wurde, wird es möglich, die Eindeutigkeit auch bei einer sehr viel größeren Unsicherheit in der Bestimmung der Ursprungsdicke zu gewährleisten. Sind beispielsweise die λ/2n-Werte für die beiden Wellenlängen 0,15 und 0,25 µm, so ist der Wiederholungszyklus bzw. der Eindeutigkeitsbereich für das gemeinsame Signal dreimal so groß wie für das Signal, das alleine bei der längeren Wellenlänge aufgenommen wurde.

Könnte die Phase des Sinussignals mit mathematischer Genauigkeit bestimmt werden, gäbe es überhaupt keine Grenze für den Bereich, der bei Verwendung zweier verschiedener Wellenlängen eindeutig bestimmt werden könnte. Beträgt beispielsweise das Verhältnis der Zykluslängen der beiden Sinussignale m:m+1, so ist der gemeinsame Wiederholzyklus m-mal so lang wie der längere Zyklus alleine. Bei der Auslegung eines praktischen Systems muß jedoch die Unsicherheit bei der Bestimmung von Extrempunkten des Signals in Betracht gezogen werden. Unter der Annahme, daß der Extrempunkt eines sinusförmigen Signals innerhalb + eines Bruchteils F eines Zyklus bestimmt werden kann, erlauben die folgenden Gleichungen den Unsicherheitsbereich in der Bestimmung der Anfangsdicke zu bestimmen, der noch eindeutig aufgelöst werden kann.

• λ₁ und λ₂ seien die beiden Wellenlängen,
• n₁ und n₂ die entsprechenden Brechungsindizes der zu messenden Schicht.
• Mit R = sei das Wellenlängenverhältnis innerhalb der Schicht definiert.

Dann wiederholt sich das gemeinsame Signal nach m₁ Zyklen des Signals von Wellenlänge λ₁ und nach n₂ Zyklen des Signals von "₂ (da die Extremwerte innerhalb der Meßgenauigkeit wieder zusammenfallen können), wennFig. 1 zeigt ein optisches System 10, mit dem die Dicke einer durchsichtigen Schicht 12 auf einem Halbleiterplättchen 14 gemessen werden kann, das auf einer geeigneten Halterung 16 angebracht ist. Bei der Probe 14 kann es sich beispielsweise um eine Halbleiterscheibe mit einer darauf niedergeschlagenen Quarzschicht handeln, die zusammen mit mehreren solcher Scheiben einem Ätzprozeß unterworfen wird. Das im folgenden beschriebene optische System ist Teil eines Steuersystems zur Bestimmung des gewünschten Endpunkts eines Ätzprozesses.

Zum optischen System gehört eine Quelle 20 für weißes Licht, sowie eine Linse und eine Blende 22, 23, mit denen Licht auf einem neutralen,Strahlteiler 25 gelenkt wird. Der Strahlenteiler 25 umfaßt vorzugsweise eine Glasplatte, die auf einer Seite eine Metall- oder dielektrische Schicht aufweist und so Licht aller Wellenlängen teilweise reflektiert. Eine Linse 26 empfängt Licht vom Strahlteiler und fokussiert es in einem ausgewählten Punkt auf der Oberfläche der Schicht 12. Das Licht wird sowohl von der oberen, als auch der unteren Oberfläche der Schicht 12 reflektiert und läuft längs des Lichtweges 28 durch die Linse 26 und durch den Strahlteiler 25.

Das reflektierte Licht wird an einem Schmalbandfilter 31 teilweise reflektiert; im Strahlengang des am Filter 31 reflektierten Lichts ist ein weiteres Schmalbandfilter 32 angebracht. Beispielsweise bestehen die Filter 31 und 32 aus Glasplatten, die auf einer Seite mit aufeinanderliegenden dielektrischen Schichten versehen wurden, um Licht einer bestimmten Wellenlänge durchzulassen und Licht aller anderen Wellenlängen zu reflektieren. Filter 31 läßt Licht einer ersten bestimmten Wellenlänge durch, Filter 32 ebenso Licht einer zweiten bestimmten Wellenlänge. Ein Photodetektor 34 empfängt das durch Filter 31 gelangende Licht, ein ähnlicher Photodetektor 35 das durch Filter 32 gelangende Licht. Das verbleibende Licht, das an beiden Bandfiltern im Strahlengang 28 reflektiert wurde, gelangt zur Linse 38, wo es fokussiert wird und die visuelle Beobachtung des Prüfpunktes auf Schicht 12 ermöglicht. Mit Hilfe der visuellen Beobachtung kann der Prüfpunkt auf eine bestimmte zu untersuchende Stelle der Halbleiterscheibe ausgerichtet werden.

Es ist hier hervorzuheben, daß in dem beschriebenen optischen System eine besonders wirksame Anordnung zur Ausfilterung eines oder mehrerer monochromatischer Strahlen aus einem polychromatischen Strahl beschrieben ist und daß dieses Prinzip auch vorteilhaft zur Realisierung der Verfahren verwendet werden kann, die im Stand der Technik beschrieben sind. Im besonderen handelt es sich hier um die Anordnung der Filter 31 und 32, die mit dem einfallenden Strahl einen Winkel bilden, so daß die reflektierten Wellenlängen zu anderen optischen Komponenten abgelenkt werden; die Filter wirken somit als Strahlteiler.

Zum Meßsystem gehört außerdem ein Kurvenschreiber 40, der für zwei Eingangssignale ausgelegt ist und eine kontinuierliche Aufzeichnung beider Signale, entsprechend der Darstellung in Fig. 2, liefert. Der Kurvenschreibersetzt das elektrische Ausgangssignal des Photodetektors 34 in eine im wesentlichen sinusförmige Darstellung der Amplitudenänderungen bei der durch Filter 31 durchgelassenen Wellenlänge um, die aufgrund entsprechender Dickenänderung der Schicht 12 entstehen.

In derselben Weise erscheint das Ausgangssignal von Photodetektor 35 als im wesentlichen sinusförmige Kurve, die entsprechende Amplitudenänderungen bei der durch Filter 32 durchgelassenen Wellenlänge wiedergibt.

Jede der ausgebildeten Wellenlängen ergibt ein verschiedenes Interferenzmuster, das abhängig von der Wellenlänge selbst und vom Brechungsindex des Quarzes für diese bestimmte Wellenlänge ist. Das erste Interferenzmuster zeigt daher Maxima und Minima, die mit den Maxima und Minima bei der zweiten Wellenlänge nicht in Phase sind. An bestimmten Stellen treten jedoch Koinzidenzen der Extrempunkte auf. Aus Fig. 2 ist beispielsweise ersichtlich, daß innerhalb des dargestellten Dickenbereichs keine zusammenfallenden Maxima auftreten, jedoch ein zusammenfallendes Minimum, das durch Linie B bei 2,42 p Dicke dargestellt wird, sowie Koinzidenzen von Minima mit Maxima an den Stellen A und C .(bei 2,12 bzw. 2,74 µ). Ist also bekannt, daß die Anfangsdicke der Schicht 12 im Bereich 2,2 bis 2,7 µ liegt, so kann aus der Beobachtung der ersten Koinzidenz zwischen einem Minimum im 0,45 p Signal und einem Maximum im 0,6 µ Signal geschlossen werden, daß der absolute Wert der Schichtdicke, der im Ätzprozeß erreicht wurde, 2,12 µ beträgt.

Danach können die in einer der beiden Signalkurve äuftretenden Extrempunkte dazu verwendet werden, das während des Ätzens abgetragene Material zu bestimmen und das Erreichen der gewünschten Enddicke zu steuern. Damit kann der Prozeß des Abtragens einer Quarzschicht bis zu einem bestimmten Niveau ohne Uberätzen genau kontrolliert werden. Diese Steuerung kann durch einen Operator oder, wenn gewünscht, auch automatisch erfolgen.

Es ist klar, daß die im Beispiel ausgewählten Wellenlängen, 0,6 und 0,45 p, nicht die einzigen sind, die verwendet werden können. Bei der Wahl dieser Wellenlängen wurde sogar der Nominalwert 1,33 für das Verhältnis nicht genau erreicht (da der Brechungsindex von Quarz bei diesen beiden Wellenlängen nicht gleich ist), so daß eine Maximum-Minimum-Koinzidenz (und nicht eine.Maximum-Maximum-Koinzidenz) die beste Phasenreferenz ergab. Eine kleine Änderung der verwendeten Wellenlängen kann eine große Änderung der Lage zusammenfallender Extrempunkte hervorrufen.

Bei der Auswahl von zwei Wellenlängen zur eindeutigen Messung von Schichtdicken wird vorzugsweise eine der Wellenlängen so klein wie möglich gewählt, um die Genauigkeit bei der Bestimmung der Enddicke zu erhöhen. Es ist außerdem wünschenswert, ein Frequenzverhältnis zu wählen, das bei einer geeigneten Dicke einen eindeutig erkennbaren, koinzidieren Extremwert liefert, d.h. ein Verhältnis, das es einem Operator ermöglicht, die korrekten koinzidieren Extrempunkte visuell mit großer Sicherheit zu bestimmen.

Es ist außerdem natürlich notwendig, ein Verhältnis zu wählen, das zwischen koinzidieren Extrempunkten einen so großen Wiederholzyklus aufweist, daß der erwartete Bereich von zu messenden Filmdicken keinen koinzidieren Punkt enthält und damit die tatsächliche Filmdicke nicht maskiert. Der erste koinzidierende Punkt, der bei einem Halbleiterplättchen mit einer Schichtdicke im erwarteten Bereich beobachtet werden kann, sollte auftreten, nachdem die Dicke unter,den Minimalwert der erwarteten Anfangsdicken gesunken ist.

. Unter Beachtung all dieser Faktoren wurde festgestellt, daß ein Wellenlängenverhältnis (R) von 1,33 für einen weiten Bereich praktischer Anwendungen vorteilhaft ist. Dieses Verhältnis führt zu koinzidieren Maxima, die durch drei Zyklen in einem Signal und vier Zyklen im anderen getrennt sind. Ist der Brechungsindex der Schicht 1,5 und die kleinere Wellenlänge 0,45 p, so erlaubt dieses Verhältnis eine eindeutige Schichtdickenbestimmung, wenn der Unsicherheitsbereich in den Anfangsschichtdicken bis zu 0,6 p beträgt; gleichzeitig wird keine "falsche Koinzidenz" angezeigt, wenn die beiden Extrempunkte weniger als 0,28 Zyklen voneinander getrennt sind.

Tabelle I zeigt andere geeignete Wellenlängenverhältnisse, wobei jedes Verhältnis zu einem zulässigen Fehler in der Bestimmung der Lage der Extrempunkte in bezug gesetzt wurde; außerdem ist in der Tabelle die entsprechende Anzahl von Zyklen im Signal der kürzeren Wellenlänge angegeben, die von einem koinzidierenden Maximum zum nächsten auftreten. Aus dieser Tabelle ergibt sich allgemein, daß größere Unsicherheiten in den Schichtdicken, die eine größere Anzahl von Zyklen zwischen koinzidierenden Punkten erfordern, gleichermaßen die Notwendigkeit ergeben, die Lage der Extrempunkte genauer zu bestimmen.

Die optischen Einrichtungen, mit denen die zur Eindeutigkeit der Dickenbestimmung erforderlichen sinusförmigen Signale erzeugt werden können, sind vielfältig. Statt der Schmalbandfilter mit schiefem Strahleinfall können auch übliche Strahlenteiler und Schmalbandfilter mit senkrechtem Strahleinfall verwendet werden. Der beleuchtende Strahl braucht auf die Schicht nicht mit senkrechtem Einfallswinkel aufzutreffen. Es könnten auch zwei verschiedene monochromatische Strahlen verwendet werden, die zu der Schicht hin und von der Schicht weg vollkommen unabhängige Strahlengänge aufweisen können. Zur alternativen Abtastung der beiden Wellenlängen könnte auch ein einzelner Photodetektor verwendet werden. Wellenlängenverhältnisse größer 2 sind möglich, wenn nicht-sichtbare Wellenlängen Verwendung finden. Eine Koinzidenz von Extrempunkten, die innerhalb des ursprünglichen Dickenbereichs auftritt, kann umgangen werden (unter der Annahme, daß der Abstand zwischen späteren Koinzidenzen größer ist als die anfängliche Unsicherheit), indem der Beginn der Suche nach Koinzidenzen entsprechend verzögert wird. Andere Wellenlängenverhältnisse als in Tabelle I angegeben, können verwendet werden, wenn darauf geachtet wird, daß das Muster der zusammenfallenden Extrempunkte eine eindeutige Identifizierung der Dicke bei der vorhandenen Genauigkeit in der Bestimmung der Extrempunkte zuläßt. Es ist sogar möglich, mehr als zwei verschiedene Wellenlängen zu verwenden, um die Anzahl der Zyklen zu erhöhen, die zwischen nicht unterscheidbaren Koinzidenzen von Extrempunkten liegt. Diese Variationen des bevorzugten Ausführungsbeispiels sollen aufzeigen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die spezielle Realisierungsform beschränkt ist.

Die Erfindung kann auch in solchen Herstellprozessen verwendet werden, in denen kein Materialabtrag erfolgt, sondern zusätzliches Material aufgebracht wird und bei denen die Ausgangsdicke der Schicht nicht genau bekannt ist.