СПОСОБ ПОСЛОЙНОГО АНАЛИЗА ТОНКИХ ПЛЕНОК Российский патент 2002 года по МПК G01N23/00 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для определения распределения компонент тонкой пленки по глубине при изготовлении многослойных тонкопленочных структур и полупроводниковых приборов.

Известен способ послойного анализа тонких пленок методом рентгено-структурного анализа (Горелик С. С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М., Металлургия, 1970).

Недостатком способа является низкая разрешающая способность при определении распределения компонент тонкой пленки по глубине.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ послойного анализа тонких пленок (Файнберг B.C., Рамендик Г.И. и др., ЖАХ, 1985, т. XL, вып. 5, 860-864 с. ). Согласно способу тонкую плену наносят на подложку, накрывают ее металлической диафрагмой с отверстием. Подложку с диафрагмой размещают в масс-спектрометре, снимают временной спектр вторичных ионов, по результатам анализа временного спектра определяют распределение компонент тонкой пленки по глубине.

Недостатком способа является невысокая точность определения распределения компонент тонкой пленки по глубине. Способ основан на явлении эмиссии вторичных ионов из твердого тела в результате воздействия на него пучком ускоренных первичных ионов, имеющих энергию в диапазоне от 3 до 20 кэВ. В результате травления таким пучком проб на их поверхности образуется кратер эллипсообразной формы. В формировании сигнала вторичных ионов участвует не только низлежащий слой, но и достаточно протяженные боковые стенки ("эффект кратера"), что приводит к снижению точности получения информации о химическом составе слоя на заданной глубине.

Задачей изобретения является повышение точности определения распределения компонент тонкой пленки по глубине.

Решение данной задачи предлагается осуществлять способом послойного анализа, заключающимся в том, что тонкую пленку наносят на подложку в виде круглого пятна. Поверх пленки накладывают металлическую диафрагму с отверстием так, чтобы пятно находилось в центре отверстия. Подложку с диафрагмой размещают в масс-спектрометре. Снимают временной спектр вторичных ионов, соответствующих пленке и подложке. По результатам анализа временного спектра вторичных ионов определяют распределение компонент тонкой пленки по глубине травления. При нанесении тонкой пленки диаметр наносимого пятна определяют из условия
d₂/d₁=0,6,
где d₁ - диаметр отверстия диафрагмы, мм;
d₂ - диаметр пятна тонкой пленки, мм.

Значительное уменьшение вклада "эффекта кратера" в сигнал вторичных ионов достигается за счет оптимизации отношения d₂/d₁ таким образом, чтобы размеры пятна не распространялись на область боковых стенок кратера травления, а чувствительность установки, в то же время, оставалась на высоком уровне. Отсутствие компонент пленки на боковых стенках кратера травления способствует снижению действия "эффекта кратера", а следовательно, повышению точности определения распределения компонент тонкой пленки по глубине по результатам анализа временного спектра вторичных ионов.

На фиг. 1 представлены кривые распределения концентрации моноэлементов при послойном анализе тонкой пленки. Кривая 1 построена для элемента подложки Si. Кривая 2 построена для алюминия в виде пленки, полностью покрывающей подложку. Кривая 3 построена для пленки алюминия на подложке в виде пятна при отношении диаметра пятна к диаметру отверстия диафрагмы, равном 0,6.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. Для нанесения тонкой пленки использовали способ термического испарения алюминия в вакууме с последующей конденсацией паров на подложке SiO₂, который обеспечивает получение резкой границы "пленка-подложка". Толщину пленки L определяли расчетным путем, исходя из значения массы М_н навески, помещаемой в вольфрамовый тигель для испарения в вакууме, расстояния до подложки R, плотности вещества навески ρ и условия разлета пара по сфере

Тонкую пленку получали испарением в вакууме навески алюминия М_н=65 мг плотностью ρ = 2,7 г/см³, которую загружали в вольфрамовый тигель. Температуру в тигле в течение 2 мин поднимали до 1000^oС, при этом вещество полностью испарялось. При испарении вакуум в камере составлял 2•l0^-4 мм рт. ст. На расстоянии 11 см от тигля помещали подложку из SiO₂. Половина подложки была накрыта маской диаметром отверстия 0,6 мм. Температура подложки равнялась 25^oС. По формуле (1) оценили толщину полученной пленки L=136 нм.

Из подложки вырезали две пластинки площадью 4•4 мм². Первая пластинка содержала по центру пленку алюминия в виде пятна диаметром 0,6 мм, вторая пластинка полностью была покрыта пленкой алюминия.

Установили пластинки в держатели подложек для послойного анализа. Поверх каждой пластинки накладывается металлическая диафрагма из молибдена с отверстием диаметром 1 мм. Диаметр отверстия диафрагмы d₁ выбран согласно инструкции по эксплуатации прибора масс-спектрометра МС-7201 из условия где S - площадь сечения пучка первичных ионов в области травления подложки. Диафрагму накладывали так, чтобы пятно пленки алюминия на первой пластинке было расположено по центру отверстия диафрагмы.

После того, как держатели подложек были размещены в шлюзовой камере масс-спектрометра МС-7201, они были закреплены и соориентированы так, чтобы при перемещении каждой подложки в область травления пучком первичных ионов центр отверстия диафрагмы находился по центру сечения пучка первичных ионов.

Далее был проведен послойный анализ каждой пластинки согласно инструкции по эксплуатации прибора МС-7201. Фиксировали масс-спектральные концентрации элементов, соответствующих пленке алюминия и подложке. По результатам анализа строят график распределения концентрации моноэлемента по глубине. На чертеже приведены графики данных распределений для обеих испытуемых пластинок.

Из рассмотрения кривых распределения концентраций на чертеже видно, что в случае, когда проводился послойный анализ пластинки, полностью покрытой пленкой алюминия, кривая распределения концентрации алюминия на глубине, более толщины пленки, имеет более пологий вид (кривая 2) по сравнению с аналогичной кривой для пластинки, на которую пленка алюминия нанесена в виде пятна (кривая 3). Вид кривой 3 наиболее точно соответствует условиям испытаний, когда граница "пленка-подложка" имеет наиболее резкий вид. Такое отличие вида кривых распределения концентрации моноэлементов материала тонкой пленки объясняется действием "эффекта кратера", проявляющимся при проведения послойного анализа пластинки, полностью покрытой пленкой алюминия, и обусловленным вкладом в сигнал вторичных ионов с подложки ионов алюминия, выбиваемых с поверхности кратера травления.

Таким образом, нанесение исследуемой пленки в виде пятна позволяет существенно повысить точность построения распределения концентрации моноэлемента по глубине при проведении послойного анализа. Оптимальное отношение диаметра пятна пленки d₂ и диаметра отверстия диафрагмы d₁ определено экспериментально и составляет d₂/d₁= 0,6. Существенное подавление "эффекта кратера" достигнуто за счет оптимизации соотношения d₁ и d₂. Измерения, выполненные на подложках при одинаковом d₁, но с разными d₂, показали, что наибольшая крутизна спада сигнала от металла пленки достигается при соотношении d₂/d₁= 0,6. Дальнейшее уменьшение этого соотношения не увеличивало крутизны спада сигнала, но приводило к уменьшению его величины, т.е. к снижению чувствительности установки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения распределения компонент тонкопленочных структур. Тонкую пленку наносят на подложку, на тонкую пленку накладывают металлическую диафрагму с отверстием, подложку с диафрагмой помещают в масс-спектрометр, снимают временной спектр вторичных ионов, определяют распределение компонент тонкой пленки по глубине травления, причем тонкую пленку наносят в виде круглого пятна так, чтобы пятно находилось в центре отверстия диафрагмы, а диаметр пятна определяют из определенного условия. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения распределения компонент тонких пленок. 1 ил.

Способ послойного анализа тонких пленок, заключающийся в том, что тонкую пленку наносят на подложку, на тонкую пленку накладывают металлическую диафрагму с отверстием, подложку с диафрагмой размещают в масс-спектрометр, снимают временной спектр вторичных ионов, соответствующих пленке и подложке, по результатам анализа временного спектра определяют распределение компонент тонкой пленки по глубине травления, отличающийся тем, что тонкую пленку наносят в виде круглого пятна так, чтобы пятно находилось в центре отверстия диафрагмы, а диаметр пятна определяют из условия
d₂/d₁= 0,6,
где d₁ - диаметр отверстия диафрагмы, мм;
d₂ - диаметр пятна тонкой пленки, мм.