[RU]

Данное изобретение относится к области метрологии тонких плёнок, а именно к способу определения толщины тонких прозрачных плёнок бесконтактным способом с помощью оптических приборов. Задачей заявляемого изобретения является разработка способа измерения толщины тонкой прозрачной плёнки в диапазоне величин менее длины когерентности используемого света с помощью сканирующей интерферометрии белого света путем использования фазового спектра коррелограмм. Задача решается корректировкой нелинейного фазового спектра, полученного для поверхности, содержащей пленку, вычитанием нелинейного фазового спектра, полученного для поверхности, не содержащей пленку. Техническим результатом изобретения является снижение нижней границы диапазона толщин измеряемых тонких плёнок и повышение помехозащищенности способа, а также адаптация его к данным, полученным с помощью объективов с высоким увеличением и высокой числовой апертурой.

(57) Реферат / Формула:

Данное изобретение относится к области метрологии тонких плёнок, а именно к способу определения толщины тонких прозрачных плёнок бесконтактным способом с помощью оптических приборов. Задачей заявляемого изобретения является разработка способа измерения толщины тонкой прозрачной плёнки в диапазоне величин менее длины когерентности используемого света с помощью сканирующей интерферометрии белого света путем использования фазового спектра коррелограмм. Задача решается корректировкой нелинейного фазового спектра, полученного для поверхности, содержащей пленку, вычитанием нелинейного фазового спектра, полученного для поверхности, не содержащей пленку. Техническим результатом изобретения является снижение нижней границы диапазона толщин измеряемых тонких плёнок и повышение помехозащищенности способа, а также адаптация его к данным, полученным с помощью объективов с высоким увеличением и высокой числовой апертурой.

---

Евразийское (21) 201700026 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2018.05.31
(22) Дата подачи заявки 2016.11.21
(51) Int. Cl. G01B 9/02 (2006.01)
(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНКИ С ПОМОЩЬЮ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ БЕЛОГО СВЕТА
(96) 2016000101 (RU) 2016.11.21
(71) Заявитель:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ "САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю. А." (СГТУ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.) (RU)
(72) Изобретатель:
Киселев Илья Викторович (DE), Сысоев Виктор Владимирович (RU), Киселев Егор Ильич (DE), Ушакова Екатерина Владимировна, Беляев Илья Викторович (RU)
(57) Данное изобретение относится к области метрологии тонких плёнок, а именно к способу определения толщины тонких прозрачных плёнок бесконтактным способом с помощью оптических приборов. Задачей заявляемого изобретения является разработка способа измерения толщины тонкой прозрачной плёнки в диапазоне величин менее длины когерентности используемого света с помощью сканирующей интерферометрии белого света путем использования фазового спектра коррело-грамм. Задача решается корректировкой нелинейного фазового спектра, полученного для поверхности, содержащей пленку, вычитанием нелинейного фазового спектра, полученного для поверхности, не содержащей пленку. Техническим результатом изобретения является снижение нижней границы диапазона толщин измеряемых тонких плёнок и повышение помехозащищенности способа, а также адаптация его к данным, полученным с помощью объективов с высоким увеличением и высокой числовой апертурой.
МПК: GO IB 9/02
Способ определения толщины пленки с помощью интерферометрии
белого света
Данное изобретение относится к области метрологии тонких плёнок, а именно к способу измерения толщины тонких прозрачных плёнок бесконтактным способом с помощью оптических приборов.
Известна группа способов измерения толщин тонких плёнок, которые широко применяются в промышленности, на основе метода эллипсометрии, который позволяет одновременно измерять толщину и показатель преломления пленки (например, Fujiwara Н. Ellipsometry / Handbook of Optical Metrology: Principles and Applications, ed. Yoshizawa Т.- CRC Press: Boca Raton, 2015.- 706 p.).
Однако этот метод имеет существенные ограничения в части его использования для пленок с высокой шероховатостью поверхности и необходимостью направления света на исследуемый образец под косыми углами.
Поэтому продолжают активно развиваться прочие методы измерения толщин тонких пленок, в первую очередь основанные на применении интерферометрии.
Известен способ бесконтактного непрерывного измерения толщины
прозрачной пленки, основанный на направлении лучей света на пленку, их
полном внутреннем отражении на границе раздела сред и последующей
обработке отраженного света (Патент РФ №2506537). Источник света
помещают над/под пленкой так, чтобы образованные лучи света были
направлены под углами. Фиксируют изображение искаженного светового
пятна, образованного на твердой поверхности под пленкой в результате
полного внутреннего отражения света на границе раздела пленка - воздух, на
видеокамеру в течение всего времени измерения, обрабатывают на
компьютере, измеряют геометрические размеры светового пятна и
определяют толщину пленки по формуле: h- -,--г, где h -
4/g arcsin(^, /я,)
толщина пленки; D - длина главной диагонали эллипса, аппроксимирующего область светового кольца; d - размер источника света на поверхности; п2 -коэффициент преломления воздуха; и/ - коэффициент преломления материала пленки.
Недостатком данного метода является необходимость оптического доступа к пленке со стороны подложки, что обеспечивает полное внутреннее отражение на поверхностях разделов с уменьшающимся показателем преломления. Кроме того, невозможно измерять толщины пленок из материалов, не прошедших калибровку.
Известен интерференционный метод измерения толщины тонких плёнок с помощью устройства, которое содержит источник монохроматического излучения, держатель образца, вращающееся плоское зеркало и приемник излучения, который подсоединен к регистрирующему устройству (Патент РФ №2411448). Ось вращения плоского зеркала расположена на его отражающей поверхности. В устройство введены первое сферическое зеркало и второе сферическое зеркало. Первое сферическое зеркало установлено так, что точка, оптически сопряженная с точкой образца, в которой производятся измерения, находится на оси вращения плоского зеркала в месте падения на него излучения источника. Второе сферическое зеркало установлено с возможностью оптического сопряжения точки образца, в которой производятся измерения, и приемной площадки приемника при различных угловых положениях плоского зеркала.
Недостатком данного метода является избыточная сложность конструкции применяемого устройства.
Известен способ определения толщины пленки, использующий данные интерферометрии белого света (ИБС) и основанный на сравнении измеренной коррелограммы с библиотекой моделированных теоретических
коррелограмм (Патент США №US7106454). Объектный пучок интерферирует с опорным пучком интерферометра, давая волновое распределение интенсивности света вдоль пути распространения объектного пучка, вдоль которого производится сканирование объективом прибора для определения этого распределения. Поскольку используемый свет имеет ограниченную длину когерентности, интерференционная картина имеет ограниченную протяженность с максимумом в точке равенства оптических путей опорного и объектного пучков. Таким образом, положение максимума коррелограммы определяет точку, отстоящую от отражающей поверхности на известное расстояние, позволяя определить высоту поверхности в каждом пикселе оптического поля. Зная полностью набор характеристик источника света интерферометра и его оптические свойства, а также оптические характеристики подложки и пленки, можно теоретически моделировать коррелограммы для любой толщены пленки. Сравнение измеренной коррелограммы с варьируемыми моделированными коррелограмми позволяет выявить наиболее точное приближение и соответствующую толщину слоя d.
Недостатком способа является сложность его реализации, сложность теоретического учета всех особенностей конкретного устройства и малая помехоустойчивость вследствие чрезмерного количества входящей информации.
Наиболее близким к предложенному изобретению является способ
измерения толщины плёнки и показателя преломления с помощью
сканирующей интерферометрии на основе анализа белого света. Данный
способ используется для измерения трехмерного профиля толщины и
показателя преломления прозрачных диэлектрических тонкопленочных
структур, применяемых в полупроводниковой электронике (Патент US
№6545763). Способ заключается в определении спектра фазы (или "фазовый
спектр") коррелограммы - зависимости фазы распределения интенсивности
интерферометра по координате сканирования z в зависимости от волнового
числа к. При отражении от одной идельной поверхности спектр фазы
является линейным. Наличие пленки приводит к присутствию некоторой
нелинейности в спектре, характер нелинейности которой специфичен для
каждой толщины пленки, что позволяет опрелить толщину по виду
нелинейного спектра.
Недостатки данного способа определяются тем, что толщина пленок не
может быть определена во всем диапазоне до 300 нм, имеющем
практический интерес. Например, некоторые теоретические нелинейные
фазовые спектры, полученные согласно данному способу для тонких пленок
SiC> 2, расположенных на кремниевой подложке, представлены на Фиг. 1. Как
видно, формы кривых спектров заметно отличаются даже для толщин,
отличающихся на 10 нм. Но отличия формы кривых спектров не одинаково
выражены для различных толщин d. Например, различия кривых на Фиг. 1,
соответствующих толщинам пленок Si02, равным 90, 100, и НО нм
достаточно заметны. В этом диапазоне ожидается хорошая точность
определения толщин пленок. В тоже время, для кривых, соответствующих
толщинам пленок, равным 120 и 140 нм, различия намного меньше, что
приводит к низкой точности в определении толщин в этом диапазоне. Также
в случае толщин пленок менее 60 нм теоретические нелинейные фазовые
спектры имеют малые амплитуды, что ограничивает применение данного
метода только для толщин пленок, которые превышают 60 нм. Также
некоторые диапазоны толщин, например, около 200 нм, очень сложно
идентифицировать в рамках данного способа, потому что профиль их
фазового спектра имеет меньшую амплитуду, сравнимую с амплитудой
НКФС пленок с толщиной, равной 60 нм. При указанных толщинах
экспериментальные искажения нелинейных фазовых спектров легко
приводят к неверному заключению об отсутствии пленки вообще.
Задачей заявляемого изобретения является разработка способа
измерения толщины тонкой прозрачной плёнки в диапазоне величин менее длины когерентности используемого света, с помощью сканирующей ИБС путем использования фазового спектра коррелограмм.
Техническим результатом изобретения является снижение нижней границы диапазона толщин измеряемых тонких плёнок и повышение помехозащищенности способа, а также адаптация его к данным, полученным с помощью объективов с высоким увеличением и высокой числовой апертурой.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения толщины пленки с помощью интерферометрии белого света подложку, содержащую и не содержащую измеряемую пленку, подвергают в интерферометре воздействию белого света с ограниченной когерентностью, измеряют коррелограммы для каждого пикселя оптического поля, выделяют нелинейную в зависимости от волнового числа компоненту фазового спектра (НКФС), корректируют нелинейный фазовый спектр, полученный для поверхности, содержащей пленку, вычитанием нелинейного фазового спектра, полученного для поверхности, не содержащей пленку, аппроксимируют скорректированные фазовые спектры известным теоретическим нелинейным спектром фазового сдвига, вызванного пленкой, определяя локальную толщину пленки как параметр наилучшей аппроксимации, получают в результате набор толщин пленки и положений ее подложки, по результатам которого строятся карты топографии поверхности и толщины пленки.
Коррелограмму для проведения корректировки определяют на
основании измерения поверхности подложки, не содержащей измеряемую
пленку, характеризуя ее отражающие свойства и фазовые искажения
прибора, либо измерением на зеркале или другом объекте, что учитывает
исключительно фазовые искажения интерферометра.
Перед корректировкой и аппроксимацией полученные в каждом
пикселе НКФС усредняются по наборам пикселей или площадкам определенного размера, на которые подразделяется оптическое поле прибора.
Для объективов интерферометра с увеличением более х10 корректированные НКФС масштабируются по оси волновых чисел с параметром масштабирования, определяемым для каждой величины увеличения объектива, или вместо масштабирования спектры сдвигаются по оси волновых чисел.
Изобретение поясняется рисунками.
На Фиг. 1 представлены теоретические НКФС, измеренные для пленок
Si02/Si с толщиной в диапазоне 600 - 1400 нм. (Технические характеристики
эксперимента в разделе "Пример реализации способа"). Цифры, показанные
около кривых, указывают соответствующие толщины пленки в мкм. На Фиг.
2 представлены вариации НКФС, измеренные для пленок SiO?/Si с толщиной
200 нм, между пикселями оптического поля размером около 100x100 мкм".
Верхняя часть фигуры демонстрирует различие форм кривых некоторых из
спектров, не оставляющее возможности попиксельного определения
толщины пленки. Нижняя часть рисунка показывает среднее значение и
стандартные отклонения НКФС, измеренных на пленке (синие линии) и на
чистой подложке без пленки (черные линии). Для сравнения также
представлена теоретическая НКФС, соответствующая пленке SiCVSi
толщиной 200 нм. На Фиг. 3 представлена аппроксимация НКФС,
измеренной на пленке SiCVSi толщиной 200 нм (толстая черная линия) после
коррекции серией теоретических НКФС в рамках предлагаемого способа. На
Фиг. 4 представлено распределение (карта) толщин пленки Si02/Si
(толщиной около 100 нм), полученное с помощью заявляемого способа.
НКФС усреднялись на подсекциях оптического поля размерами 10x10
пикселей. На Фиг. 5 представлены статистические кривые, определяющие
необходимое количество пикселей для усреднения НКФС для различных
толщин d пленки SiCVSi. Позициями на Фиг. 5 обозначены: 1 - отклонение
среднего по набору пикселей значения определенной толщины пленки,
^(истинное) = ЮО нм; 2- отклонение среднего по набору пикселей значения
определенной толщины пленки для ^истинное) = 200 нм; 3 - дисперсия среднего
значения определенной толщины пленки, d = 100 нм; 4- дисперсия среднего
значения для пленки d - 200 нм.
Заявляемый способ определения толщины пленки с помощью
интерферометрии белого света состоит в следующем. Он включает
стандартные измерения на сканирующем интерферометре белого света,
например типа Миро, который используют для сканирования участка
поверхности измеряемой пленки. При сканировании фотоприемник прибора
регистрирует в каждой точке сканирования z, распределение интенсивности
света по плоскости х,у, параллельной поверхности измеряемой пленки.
Записанную интенсивность определяют интерференцией объектного и
опорного пучков интерферометра. В случае отсутствия пленки объектный
пучок отражается от поверхности объекта, при наличии же пленки - от обеих
ее поверхностей, т.е. в этом случае он уже является результатом сложения
пучков отражения. Длина оптического пути опорного пучка в приборе
постоянна, а для объектного пучка она пропорциональна z. Тогда, разность
фаз объектного и опорного пучков пропорциональна z и фотоприемник
регистрирует гармонический интерференционный сигнал при изменении z.
Причем амплитуда интерференционного сигнала убывает с ростом z
вследствие конечной длины когерентности излучения. То есть, полученный
затухающий квазигармонический сигнал имеет максимальную амплитуду
при условии равенства оптических путей опорного и объектного пучков;
амплитуда уменьшается с удалением по z от положения равенства
оптических путей. Результирующее распределение интенсивности
называется коррелограммой. В ходе сканирования сохраняется полная
информация об интенсивности света / во всех точках сканирования.
Полученную трехмерную зависимость интенсивности от х, у и z
интерпретируют как двумерное распределение коррелограмм I(z) по поверхности пленки или пространственный набор коррелограмм. При этом каждая коррелограмма соответствует отдельному пикселю оптического поля. Фотоприемник интерферометра регистрирует значения интенсивности света в зависимости от координаты сканирования z. Измеренные зависимости интенсивности от положения сканирования определяют коррелограммы всех пикселей оптического поля.
Использование измеряемых коррелограмм в ИБС для определения толщины пленок следует в базовой части алгоритму, предложенному в аналоге (Патент US №6545763). В основе лежит формула Айри для плоской волны, испытывающей многократные отражения от плоской прозрачной пленки (Born М. The reflection and transmission coefficients. A homogeneous dielectric film, Principles of Optics. / M. Born, E. Wolf.- Cambridge: Cambridge University Press, 1999.-Pp. 63-69), которая показывает зависимость комплексного коэффициента отражения от волнового числа
R =
r0, + rn exp(/Ј)
\ + r(nruexp(iS) '
(1)
где индексы 0, 1 и 2 относятся к воздуху над пленкой, самой пленке и подложке под пленкой соответственно; гп1 и г12 - коэффициенты Френеля для двух поверхностей пленки. В случае нормального падения света величина 8 выражается как 8 = 2kdn/, где п/ - показатель преломления материала пленки; к - волновое число; d- толщина пленки.
Если не учитывать изменение угла падения, результирующая коррелограмма (без постоянной составляющей) может быть представлена (de Groot P. Signal modeling for low coherence height-scanning interference microscopy / P. de Groot, X. C. de Lega.- Appl. Opt.- V. 43.- 2004.- Pp. 4821-30)
как
где F(k) спектральная функция распределения; И - высота поверхности; z -позиция сканирования. Фазовый сдвиг {F(k, d) волны с волновым числом к,
отраженной от пленки, определяется как arctg
. Слагаемое v(k) в
V 1
формуле (2) представляет собой суммарный фазовый сдвиг, добавляющийся к объектному пучку, как самой оптикой, так и отражающей поверхностью подложки.
Полный фазовый сдвиг гармоник с волновым числом к в формуле (2) определяется (Kim S. W. Thickness-profile measurement of transparent thin film layers by white-light scanning interferometry / S. W. Kim, S. W. Kim // Appl. Opt.- V. 38.- 1999.- Pp. 5968-73) как
($> (k;h,d) = 2hk + 4J(k,d), (3) где линейное слагаемое 2hk характеризует положение наружной поверхности пленки, причем положение h измеряется от положения, в котором оптические пути опорного пучка и пучка, отраженного от этой поверхности, равны. Дополнительный фазовый сдвиг ?(к, d), вызванный прозрачной пленкой в соответствии с формулой (1), может быть однозначно разложен на линейную и нелинейную компоненту относительно к. Линейная составляющая *F складывается с компонентой фазы 2k(h-z) (2), позволяющей определить положение поверхности к, в то время как нелинейная компонента фазового спектра (НКФС) характеризует именно толщину пленки. Теоретические НКФС получаются численной "делинеаризацией" фазового спектра Ч*(к, d). Чтобы отделить нелинейную часть в измеренном нелинейном фазовом спектре согласно формуле (3) используют регрессионный анализ. Для этого проводится аппроксимация измеренного фазового спектра Ф(к) прямой линией, и анализируют разность между Ф(к) и этой линией. Полученный экспериментальный фазовый спектр затем аппроксимируется вариацией теоретических нелинейных фазовых спектров, полученных из формулы (1)
при варьируемой толщине d. В результате толщина пленки определяется
наилучшим совпадением рассчитанного и экспериментального фазового спектров. Подстановка d в (1) позволяет рассчитать полный фазовый сдвиг пленки W(k,d). Затем lF(k,d) вычитается из экспериментального фазового сдвига Ф(к), давая в результате слагаемое 2hk в формуле (3) в рассматриваемом диапазоне к. Последующая линейная аппроксимация дает h - высоту внешней поверхности пленки.
Однако рассмотренная процедура не учитывает необходимость усреднения пиксельных НКФС и влияние слагаемого v(k) в формуле (2). Необходимость усреднения пиксельных НКФС видна из Фиг. 2, на котором для примера представлены вариации НКФС, измеренные для пленок Si02/Si толщиной 200 нм, между пикселями оптического поля размером около 100x100 мкм . На верхней части фигуры показано различие форм кривых некоторых из по-пиксельных НКФС, которое не позволяет попиксельное определение толщины пленки. Нижняя часть фигуры показывает среднее значение и стандартные отклонения НКФС, измеренных на пленке (синие линии) и на чистой подложке без пленки (черные линии). Для сравнения также представлена теоретическая НКФС, соответствующая пленке Si02/Si толщиной 200 нм (пунктирная линия): кривые НКФС варьируются по форме в степени, не допускающей идентификации толщины измеряемой пленки. Более того, при толщинах пленки с небольшими значениями НКФС (Фиг. 1), как было показано выше, даже средние кривые НКФС не могут быть распознаны: кривые для пленки толщиной d = 200 нм и для подложки без пленки не различаются статистически значимо (Фиг. 2), и первая даже не похожа на теоретическую кривую для соответствующей толщины пленки. Поэтому требуется учет влияния слагаемого v(k) в формуле (2).
Учет этого слагаемого позволяет существенно модифицировать способ
и расширить его применимость к пленкам в большем диапазоне толщин.
Известно, что дополнительные сдвиги фаз возникают в контакте измеряемой
пленки с подложкой и в оптике прибора (Патент США №US7106454).
Формула (2) показывает, что эти фазовые сдвиги и сдвиги, вызванные пленкой, складываются. Поэтому все искажающие сдвиги фазовые сдвиги могут быть последовательно устранены путем вычитания.
В заявляемом способе используется вычитание НКФС, измеренной на подложке без пленки, или, альтернативно, измеренной на зеркале, из НКФС, измеренных на пленке, которую здесь называют процедурой корректировки. Данная корректировка возможна, так как НКФС, измеренные на подложке, уже содержат искажающие сдвиги фазы. В случае если сдвиг фазы на поверхности подложки незначителен, то для корректировки можно использовать НКФС, полученные на зеркале, для устранения сдвига фазы, вносимого самим прибором.
На Фиг. 3 показано для примера как согласуются теоретический и экспериментальный НКФС, полученные при измерении пленки SiCb/Si толщиной 200 нм, после проведения коррекции путем вычитания v(k). Скорректированный НКФС очень хорошо согласуется с теоретическим НКФС при толщине пленки Si02/Si, равной 210 нм. Небольшое отличие полученного значения от истинного, около 5 %, объясняется влиянием отличной от нуля числовой апертурой использованного объектива (с увеличением х10) (см. подробности эксперимента в "Примере реализации способа"), является постоянным, стабильным, и удаляется калибровкой прибора.
Реализация способа для объективов интерферометра с большой числовой апертурой требует учета пучков света с большим углом падения на образец. Формула (2) с учетом углов падения пучков на объект может быть записана как
I(z) = \ F(k)dk\ cos[2 к {И - z)cos0 + y/(k,d ,в) + v {к ,0)}sm в cos 0cW (4)
о о
Если обозначить р = cos в, то спектральная компонента
коррелограммы с волновым вектором к записывается как
Ik(z) = F(k)jcos[2k(h - z)j3 + i//(kdP) + v(k, j3)]/3d/3, (5)
где в0 и pn - максимально возможный угол падения для имеющейся геометрии объектива и его косинус. Как видно из формулы (1), фазовый сдвиг у/, возникающий вследствие наличия измеряемой пленки, зависит только от к, d и р. Согласно теореме о среднем существует величина /?ь Ро < Pi < 1, при которой выражение (5) принимает вид
1к (z) = F(k) tb/U cos[2Ј(/7 - z)P + W{kdp) + v(k, Д)] (6)
Выражение (6) означает, что сдвиг фазы
i//(k,d,P) = y/(d-к ¦ /?,) (7)
для больших численных апертур может быть получен из сдвига, измеренного при нормальном падении света на объект y/(d,k), масшабированием шкалы к некоторым числом. Этот вывод также соответствует известному к-скалированию при картировании топографии поверхности подложки, не содержащей пленки, при помощи объективов с высокой числовой апертурой (de Groot P.J., Interference microscopy for surface structure analysis / Handbook of Optical Metrology: Principles and Applications, ed. Yoshizawa Т.- CRC Press: Boca Raton, 2015.- 809 pp.).
Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить толщины пленок менее 300 нм в обычной для стандартных технических измерений ситуации искажения коррелограммы оптикой прибора и отражением от неидеальных поверхностей. Способ применим для широких классов поверхностей подложек, так как он явно использует информацию о них, содержащуюся в опорной НКФС. Кроме того, способ применим для объективов различного увеличения и численной апертуры.
Пример реализации способа
Предложенный способ был исследован для измерения толщины пленок
SiO?, нанесенных на подложку полированного кремния, путем применения
одного из стандартных промышленных интерферометров белого света (Mirau, Breitmeier Messtechnik GmbH, Германия). Использовались объективы Nikon CF 1С ЕР1 Plan DI с увеличениями xlO, x20, и x50. Эти объективы имели числовые апертуры - 0,30; 0,40; 0,55; рабочие расстояния - 7,7; 4,7; 3,4 мм; площадь измерения - 0,66x0,89; 0,33x0,44; 0,13x0,17 мм2. Для записи световых сигналов использовалась ПЗС-матрица с разрешением 518x692 пикселей. Интерферометр был оснащен "белым" светодиодным источником с энергетическим спектром в диапазоне 8,5-12,8 мкм-1. Для получения "эталонных" значений толщин измеряемых пленок Si02 их выращивали с использованием калиброванной процедуры окисления или измеряли методом стандартной эллипсометрии с точностью до 10 нм. Во всех измерениях с помощью ИБС использовался минимальный шаг в сканируемом направлении z вдоль поверхности пленки, равный 40 нм. Ниже, если не указано другое, приводятся результаты, полученные с использованием объектива с увеличением хЮ.
На Фиг. 2 представлена аппроксимация НКФС, измеренного для
пленки Si02 толщиной d=2\0 нм (толстая красная кривая), теоретическим
нелинейным спектром. Этой толщине соответствует НКФС с наименьшей
амплитудой в диапазоне d > 600 нм, вследствие чего эта НФКС наиболее
трудно выделяемая на фоне помех. НКФС, измеренные на пленках Si02
толщиной определены только при более низком уровне помех, чем в рассматриваемом
примере. При толщинах пленки Si02 d > 250 нм амплитуда НКФС
значительно превосходит амплитуды помех и процедура определения
толщины пленки может быть применена без усреднения НКФС (т.е.,
попиксельно) и без корректировки вычитанием помеховой НКФС,
измеренной на подложке без пленки. На Фиг. 4 приведена карта измеренной
данным способом толщины пленки Si02 вблизи вытравленного
прямоугольного окна на подложке; карта точна с точностью до площади
пиксельного усреднения НКФС - при определении толщин пленки на
рисунке использовалось усреднение по пикселям площадки размером 10x10
пикселей. Только усредненный НКФС позволяет надежно определять
локальную толщину. Необходимость усреднения иллюстрируется на Фиг. 5,
на котором представлен набор кривых относительного отклонения толщин d
пленки SiCVSi, рассчитанного согласно данному способу, от истинного
значения для различных чисел пикселей, используемых для усреднения. На
Фиг. 5 обозначено 1 - отклонение среднего по набору пикселей значения
толщины пленки, полученной согласно данному способу, с истинной
толщиной ^истинное) = 100 нм; 2- отклонение среднего по набору пикселей
значения толщины пленки, полученной согласно данному способу, с
истинной толщиной "'(истинное) = 200 нм; 3 - дисперсия среднего значения
толщины пленки, полученной данным способом, с ^истинное) = 100 нм; 4-
дисперсия среднего значения толщины пленки, полученной данным
способом, с Ј/(Hcmimoe) = 200 нм. Из Фиг. 5 видно, что при числе пикселей
усреднения > 100 (площадки оптического поля 10x10 пикселей), отклонение
среднего значения от истинного не превышает 1 %, а дисперсия толщины
пленки, полученной данным способом, вокруг среднего значения составляет
менее 5 %. Кривые даны только для толщин d пленки, равных 100 и 200 нм,
так как пленки большей толщины не требуют усреднения и их топография
(или картирование) могут быть определены попиксельно.
Реализация способа для объективов интерферометра с большой
числовой апертурой показана путем измерения образца пленки Si02/Si при
использовании объективов с увеличением х20 и х50. Учитывая малость
изменения к за счет скалирования в соответствии с формулой (7)
масштабирование заменяли сдвигом по оси к. Необходимый сдвиг
определяли экспериментально, так как данный сдвиг не зависит от толщины
пленки, а зависит только от числовой апертуры объектива. Например, в
интерферометре, оборудованном объективом х20, требуется постоянный
сдвиг на 0,6 мкм'1, а в интерферометре, оборудованном объективом х50, требуется сдвиг на 1,4 мкм"1.
В результате ошибка измерения толщины пленки в диапазоне 100 -1000 нм составляет не более 2 % при использовании объективов с увеличением хЮ и х20 и 5 % при использовании объектива с увеличением х50.
Таким образом, решена задача по разработке способа определения толщины пленки путем измерения коррелограмм методом ИБС на образце пленки и чистой подложке, не содержащей пленку. Особенностью способа является явное использование информации об оптических особенностях прибора и поверхности подложки, содержащейся в опорной коррелограмме, что позволяет снизить нижнюю границу диапазона толщин измеряемых толщин тонких пленок, повысить помехозащищенность способа, а также адаптировать его к данным, полученным с помощью объективов ИБС с высоким увеличением и высокой числовой апертурой. Знание толщины пленки позволяет скорректировать линейную часть фазового спектра и определить положение верхней поверхности пленки, то есть произвести картирование топографии этой поверхности.
Формула изобретения
1. Способ определения толщины пленки с помощью интерферометрии белого света, при котором подложку, содержащую измеряемую пленку, подвергают в интерферометре воздействию белого света с ограниченной когерентностью и измеряют коррелограммы, характеризующийся тем, что предварительно подложку, не содержащую измеряемую пленку, подвергают воздействию белого света с ограниченной когерентностью и определяют набор кореллограмм, кроме того набор кореллограмм определяют для каждого пикселя оптического поля, после чего выделяют нелинейную в зависимости от волнового числа часть фазового спектра, аппроксимируют фазовые спектры известным теоретическим нелинейным спектром фазового сдвига, вызванного пленкой, определяя локальную толщину пленки как параметр наилучшей аппроксимации, получают в результате набор толщин пленки и положений ее подложки, по результатам которого строятся карты топографии поверхности и толщины пленки, отличающийся тем, что нелинейный фазовый спектр объектной коррелограммы поверхности, содержащей пленку, корректируют путем вычитания нелинейного фазового спектра опорной коррелограммы.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коррелограмму для проведения корректировки определяют на основании измерения поверхности подложки, не содержащей измеряемую пленку, характеризуя ее отражающие свойства, либо измерением на зеркале или другом объекте, так чтобы корректирующие коррелограмм учитывали фазовые искажения прибора.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед корректировкой и аппроксимацией полученные пиксельные нелинейные фазовые спектры усредняют по наборам пикселей или площадкам определенного размера, на которые подразделяется оптическое поле интерферометра.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при применении в
интерферометре объективов с увеличением более х 10 корректированные
спектры масштабируют по оси волновых чисел с параметром масштабирования, определяемым для каждой величины увеличения объектива, или вместо масштабирования спектры сдвигаются по этой оси, при этом параметр сдвига/масштабирования определяют сравнением корректированного нелинейного фазового спектра, полученного для конкретного объектива, с теоретическим спектром.
белого света
9 10 11 12
Z, мкм
Фиг. 2
белого света
Способ определения толщины пленки с помощью интерферометрии
белого света
Z, мкм
Фиг. 3
0.22
Фиг. 4
белого света
число пикселей усреднения
Фиг. 5
белого света
ОТЧЕТ О ПАТЕНТНОМ ПОИСКЕ
(статья 15(3) ЕАПК и правило 42 Патентной инструкции к ЕАПК)
Номер евразийской заявки: 201700026
Дата подачи: 21 ноября 2016 (21.11.2016) Дата испрашиваемого приоритета:
Название изобретения: Способ определения толщины пленки с помощью интерферометрии белого света
Заявитель:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А." (СГТУ ИМЕНИ ГАГАРИНА ЮА.)
I | Некоторые пункты формулы не подлежат поиску (см. раздел I дополнительного листа)
Г~| Единство изобретения не соблюдено (см. раздел II дополнительного листа)
А. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕДМЕТА ИЗОБРЕТЕНИЯ:
Согласно международной патентной классификации (МПК)
G01B 11/06 (2006.01) G01B 9/02 (2006.01)
Б. ОБЛАСТЬ ПОИСКА:
Минимум просмотренной документации (система классификации и индексы МПК)
В24В 49/00-49/18, G01B 9/00-9/10, 11/00-11/30, G01N 21/00-21/958, H01L 21/00-21/98
Другая проверенная документация в той мере, в какой она включена в область поиска:
В. ДОКУМЕНТЫ, СЧИТАЮЩИЕСЯ РЕЛЕВАНТНЫМИ
Категория*
Ссылки на документы с указанием, где это возможно, релевантных частей
Относится к пункту №
KISELEV Ilia et al. A white -light interferometer as a gauge to measure the thickness of thin film: a practical extension of the phase method and correlogram summation. Journal of Optics, 2015, Vol. 17, № 12, cc. 1-10, особенно реферат, параграфы 2-6
1-4
US 6545763 Bl (KOREA ADVANCED INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY) 08.04.2003
1-4
US 7106454 B2 (ZYGO CORPORATION) 12.09.2006
1-4
US 2012/0191412 Al (MITUTOYO CORPORATION) 26.07.2012
1-4
| у | последующие документы указаны в продолжении графы В
? ] данные о патентах-аналогах указаны в приложении
* Особые категории ссылочных документов:
"А" документ, определяющий общий уровень техники
"Е" более ранний документ, но опубликованный на дату подачи евразийской заявки или после нее
"О" документ, относящийся к устному раскрытию, экспонированию и т.д.
"Р" документ, опубликованный до даты подачи евразийской
заявки, но после даты испрашиваемого приоритета "D" документ, приведенный в евразийской заявке
"Т" более поздний документ, опубликованный после даты приоритета и приведенный для понимания изобретения
"X" документ, имеющий наиболее близкое отношение к предмету
поиска, порочащий новизну или изобретательский уровень,
взятый в отдельности "Y" документ, имеющий наиболее близкое отно
поиска, порочащий изобретательский уровень в сочетании с
другими документами той же категории " &" документ, являющийся патентом-аналогом "L" документ, приведенный в других целях
Дата действительного завершения патентного поиска:
19 мая 2017(19.05.2017)
Наименование и адрес Международного поискового органа: Федеральный институт промышленной собственности
РФ, 125993,Москва, Г-59, ГСП-3, Бережковская наб., 30-1. Факс: 243-3337, телетайп: 114818 ПОДАЧА
Уполномоченное лицо:
a 'ifi °" Шан°ва
Телефон № (495) 531-6481
(19)
(19)
(19)
(2)
(2)
(2)
Способ определения толщины пленки с помощью интерферометрии
Способ определения толщины пленки с помощью интерферометрии
Способ определения толщины пленки с помощью интерферометрии
Способ определения толщины пленки с помощью интерферометрии
Способ определения толщины пленки с помощью интерферометрии
Способ определения толщины пленки с помощью интерферометрии
Способ определения толщины пленки с помощью интерферометрии