СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ СТУПЕНЕК В ПРОИЗВОЛЬНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ Российский патент 2006 года по МПК G01N21/21 

Изобретение относится к области оптической контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения высоты ступенек, полученных путем вытравливания их (или любым другим способом) в однородном материале или в произвольной многослойной структуре, в различных отраслях промышленности, использующих тонкопленочную технологию (в частности, в микроэлектронике).

Известен способ [1] измерения высоты ступенек с помощью сканирующего зондового микроскопа, в котором игла движется поперек ступеньки на фиксированном расстоянии от исследуемой поверхности, повторяя ее рельеф, и перепад высот при пересечении границы ступеньки дает ее высоту.

Недостатками этого способа являются высокая стоимость прибора, используемого для реализации способа, повышенные требования к защите прибора от вибраций, малый срок службы используемых зондов (игл) и их дороговизна.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является метод эллипсометрии [2-3], используемый для измерения высоты ступеньки в однослойной структуре "прозрачная пленка - подложка с известными оптическими характеристиками", в отдельных областях которой проведено частичное вытравливание пленки (без подтрава подложки), и заключающийся в помещении измеряемого образца на предметный столик, в последовательном освещении участков структуры по обе стороны от границы ступеньки пучком монохроматического излучения, измерении эллипсометрических параметров ψ, Δ для этих участков, вычислении по этим параметрам толщины пленки в участках и высоты ступеньки. Аналогичным способом проводится вычисление высоты ступенек, сформированных в двухслойной прозрачной структуре на подложке с известными оптическими характеристиками (без подтрава подложки), однако в этом случае для вычисления толщины пленок по обе стороны от ступеньки требуется дополнительное измерение эллипсометрических параметров в другой среде (к примеру, в жидкости). Этот метод позволяет проводить измерение высоты ступенек в указанных структурах с помощью серийно выпускаемых стандартных эллипсометров (отечественный эллипсометр ЛЭФ-801, эллипсометры фирм Rudolph Research, CRL Laurel Industries из США и др.). Недостатком прототипа является ограничение по номенклатуре контролируемых ступенек (практически только для вышеуказанных структур).

Примечание 1. Эллипсометрические параметры ψ, Δ характеризуют изменение состояния поляризации излучения при его взаимодействии с исследуемой структурой и зависят от всех геометрических и оптических характеристик этой структуры (в том числе от толщины слоев, образующих ступеньку).

Задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, заключающегося в расширении номенклатуры ступенек, величину которых можно контролировать с помощью стандартных эллипсометров, что должно привести к повышению точности измерений по сравнению с аналогом, удешевлению стоимости таких измерений и в конечном итоге к уменьшению стоимости выпускаемых изделий. Указанный технический результат получается за счет использования комбинации стандартных эллипсометрических измерений для пучков излучения, отраженных последовательно от участков структуры, расположенных по обе стороны от границы ступеньки, и для пучка излучения, полученного путем совмещения двух указанных пучков после введения в каждый из них контролируемого изменения в амплитуду и фазу.

Для достижения названного технического результата предлагается метод зллипсометрии [2-3], включающий:

а) помещение пластины с измеряемой ступенькой на предметный столик,

б) освещение монохроматическим пучком излучения последовательно участков структуры, расположенных по обе стороны от ступеньки,

в) измерение эллипсометрических параметров ψ_j, Δ_j для каждого из этих участков в воздушной среде, при этом j=1, 2 соответственно для участков с большей и меньшей толщиной,

г) дополнительное измерение для каждого из участков эллипсометрических параметров (j=1, 2) в другой среде (к примеру, в жидкости) для многослойных структур,

д) вычисление полных амплитудных коэффициентов отражения для излучения с s-поляризацией R_1s и R_2s и с р-поляризацией R_1p и R_2р для указанных двух участков по измеренным эллипсометрическим параметрам ψ_j, Δ_j (j=1, 2) для простых структур и по измеренным эллипсометрическим параметрам ψ_j, Δ_j, (j=1, 2) для многослойных структур,

е) вычисление высоты ступеньки,

ж) разделение пучка излучения на два, один из которых падает на участок с одной стороны от ступеньки, а другой - с другой стороны,

з) введение в пучки 1 и 2 (индексы 1 и 2) контролируемого изменения в амплитуду и фазу (индексы s и р соответственно для s- и р-поляризаций),

и) сведение отраженных от исследуемой структуры пучков вместе при условии совпадения фронтов этих пучков,

к) измерение эллипсометрических параметров для суммарного пучка,

л) вычисление высоты ступеньки с использованием измеренных значений эллипсометрических параметров ψ_j, Δ_j в воздушной среде и для суммарного пучка, вычисленных полных амплитудных коэффициентов отражения R_1s, R_2s, R_1p и R_2p и параметров ,

Примечание 2. Эллипсометрические параметры по-прежнему характеризуют изменение состояния поляризации излучения при его взаимодействии с исследуемой структурой, однако в данном случае измеряемый пучок получен путем совмещения пучков, отраженных от двух прилегающих к ступеньке участков 1 и 2 (нижние индексы у вместе с верхним индексом с указывают, что эти параметры получены для суммарного пучка, один из которых отражается от участка 1 с амплитудным коэффициентом отражения для s-поляризации R_1s, a другой - от участка 2 с коэффициентом R_2s), и параметры зависят в том числе и от высоты ступеньки, что позволяет вычислить эту толщину по предлагаемому в заявке алгоритму.

Таким образом, отличительными признаками настоящего изобретения являются действия ж), з), и), к), л):

ж) разделение пучка излучения на два, один из которых падает на участок с одной стороны от ступеньки, а другой - с другой стороны,

з) введение в пучки 1 и 2 (индексы 1 и 2) контролируемого изменения в амплитуду и фазу (индексы s и р соответственно для s- и р-поляризаций),

и) сведение отраженных от исследуемой структуры пучков вместе при условии совпадения фронтов этих пучков,

к) измерение эллипсометрических параметров для суммарного пучка,

л) вычисление высоты ступеньки с использованием измеренных значений эллипсометрических параметров ψ_j, Δ_j в воздушной среде и для суммарного пучка, вычисленных полных амплитудных коэффициентов отражения R_1s, R_2s, R_1p и R_2p и параметров ,

Совокупность этих отличительных признаков позволяет осуществлять измерение высоты ступенек, полученных в любых многослойных структурах, при использовании серийных эллипсометров и достичь названного технического результата.

Рассмотрим один из простых вариантов реализации предложенного способа для случая, когда размеры однородных в плоскости участков структур, образующих ступеньку и расположенных от нее по обе стороны, превышают размеры используемого в эллипсометре пучка излучения. На фиг.1 представлена для этого случая принципиальная оптическая схема хода лучей в эллипсометре, использующем параллельные пучки излучения, позволяющая достигнуть заявляемого технического результата.

Параллельный пучок излучения направляется на измеряемую пластину со ступенькой таким образом, что одна часть пучка (пучок 1 на фиг.1) отражается от одной стороны ступеньки, а вторая (пучок 2 на фиг.1) - от другой (на фиг.1 показаны только рабочие части пучков 1 и 2, которые в дальнейшем попадают на диафрагму 5). Дополнительное изменение в амплитуду и фазу каждого из пучков происходит за счет взаимодействия с системой зеркал 3 и 4. Пучок 1 получает это изменение при отражении от зеркала 3 и полупрозрачного зеркала 4, а пучок 2 - за счет прохождения через полупрозрачное зеркало 4. Если зеркала 3 и 4 расположены параллельно плоскости измеряемого образца, то после взаимодействия пучка с зеркалами происходит их совмещение при совпадении фронтов этих пучков. С помощью прерывателей 6 и 7 может быть перекрыт любой из пучков, что дает возможность независимо провести измерение эллипсометрических параметров в каждом канале. Кроме того, устройство 8 дает возможность вывести систему зеркал за пределы рабочего пучка, обеспечивая возможность работы эллипсометра в обычном режиме. В случае необходимости после поляризатора может быть помещен расширитель пучка света 9.

Примечание 3. Зеркало 3 и полупрозрачное зеркало 4 должны быть сделаны из изотропного материала, т.е. они не должны менять поляризацию излучения (s- и р-поляризации должны оставаться соответственно s- и р-поляризациями).

Примечание 4. Совмещение пучков, отраженных от разных частей ступеньки, должно происходить по крайней мере в рабочей части пучка, выделяемой диафрагмой 5.

Процедура определения изменения в амплитуду и фазу пучков, вносимого системой зеркал 3 и 4, заключается в следующем:

1. На любом образце с однородной в плоскости измерения структурой проводят на обычном эллипсометре (без системы зеркал) измерение эллипсометрических параметров ψ₀, Δ₀, которые связаны с полными амплитудными комплексными коэффициентами отражения излучения R_0p, R_0s от образца для р- и s-поляризаций соответственно соотношением

где i - мнимая единица.

Примечание 5. Измерение эллипсометрических параметров ψ₀, Δ₀ может проводиться на эллипсометре с вышеуказанной системой зеркал, которая при данном измерении выводится из измерительного канала.

2. Помещают образец на эллипсометр с вышеуказанной системой зеркал и измеряют в той же области эллипсометрические параметры для первого пучка (второй пучок перекрыт) и параметры для второго пучка (первый пучок перекрыт); они связаны с R_0p, R_0s соотношениями

где и характеризуют изменение амплитуды (f) и фазы (δ) излучения зеркалами соответственно для первого и второго пучков для р- (индекс р) и s- (индекс s) поляризаций; в фазу при этом включено изменение фазы по сравнению со вторым каналом, вызванное разной оптической длиной пути между этими каналами.

Примечание 6. В дальнейшем верхний индекс 1, 2 и с характеризует величины (параметры), относящиеся соответственно к первому, второму каналу пучка света и суммарному пучку, в то время как нижний индекс 0, 1, 2 характеризует значения амплитудного коэффициента отражения света; например, параметр получен для второго канала пучка света при его взаимодействии со структурой с амплитудными коэффициентами отражения R_0p, R_0s. Параметры без верхнего индекса относятся к величинам, полученным на стандартном эллипсометре без системы зеркал.

3. Измеряют в той же области эллипсометрические параметры для суммарного пучка (оба канала открыты и оба пучка попадают на диафрагму 5); они связаны с R_0p, R_0s соотношением

полученным из выражения [4]

Последнее выражение позволяет вычислить эллипсометрические параметры ψ, Δ для суммарного пучка, полученного путем совмещения в точке измерения пучков, отраженных от участков 2 и 1 (при условии однородности интенсивности света по сечению пучка) с соотношением площадей S₂₁, расположенных по разные стороны от ступеньки высотой h и имеющих соответственно амплитудные коэффициенты отражения света R_2p, R_2s и R_1p, R_1s для р- (индекс р) и s- (индекс s) поляризаций. В выражении (5) i - мнимая единица,

ϕ - угол падения света на образец, λ - длина волны.

При получении из формулы (5) формулы (4) учитывалось, что S₂₁=1 (диафрагма вырезает одинаковые площади пучков 1 и 2), в членах для пучков 1 и 2 появляются дополнительные множители за счет вышеуказанного изменения амплитуды и фазы пучков системой зеркал и

R_2p=R_1p=R_0p, R_2s=R_1s=R_0s,

так как образец однороден по плоскости.

В результате из выражения (4) при использовании (1) получаем

Из (2), (3), (7) получаем следующие соотношения между параметрами, характеризующими вносимые системой зеркал изменения амплитуды и фазы пучков 1 и 2:

где

Эти соотношения между указанными параметрами выражаются через измеренные величины характеризуют применяемую систему зеркал и используются в дальнейшем при вычислении высоты ступеньки.

Примечание 7. Соотношения (8)-(12) должны получаться заново по изложенной схеме при замене зеркал, а также должны периодически проверяться для учета возможного изменения со временем параметров зеркал.

Примечание 8. Соотношения (8)-(12) зависят от угла падения света и должны быть получены для всех углов, которые планируются для измерений.

Соотношения (8), (9) сильно зависят от колебаний температуры и вибраций во время измерения, так как в них, как указывалось выше, входит разность фаз между пучками 1 и 2, вызванная разной оптической длиной пути этих пучков до фотоприемника эллипсометра. При изменении температуры за счет термического расширения держателей зеркал и при вибрациях меняется неконтролируемым образом расстояние между зеркалами, что приводит к изменению разности фаз между пучками 1 и 2, т.е. к изменению соотношений (8) и (9). Для сталей разных типов коэффициент температурного расширения составляет порядка 10^-5 К^-1 [7] и при расстоянии между зеркалами 6 мм изменение температуры на один градус вызовет изменение этого расстояния за счет расширения держателей зеркал из такой стали на 600 ангстрем, что приведет к изменению разности длин путей пучков на величину того же порядка. Если стоит задача нахождения высоты ступеньки с погрешностью не хуже десятка ангстрем, то неконтролируемое изменение разности длин путей пучков 1 и 2 не должно превышать это значение. Это означает, что необходимо принятие мер по устранению вибраций до указанного уровня и по жесткой стабилизации температуры (порядка сотой доли градуса для рассмотренного примера).

Влияние вибраций и изменения температуры может быть практически полностью устранено, если для смешивания пучков света вместо показанной на фиг.1 системы зеркал использовать изображенное на фиг.2 устройство, изготовленное из оптического кварца (на чертеже изображено сечение этого устройства). Оно состоит из призмы 3 и такой же призмы 4 (расстояние между рабочими гранями обеих призм должно быть по возможности одинаковым), часть которой срезана, чтобы можно было провести склеивание этих призм по линии ab, как показано на фиг.2. Область склеивания призм должна быть покрыта полупрозрачным зеркалом, пропускающим пучок 1 и отражающим пучок 2, обеспечивая смешивание пучков в точке с. На используемой длине волны лазера 632.8 нм показатель преломления оптического кварца равен 1.457, в связи с чем при угле, к примеру, 45 градусов при вершине изображенного на фиг.2 параллелограма угол падения пучков света на грани призмы (при перпендикулярном падении света на входные грани) равен также 45 градусам, т.е. превышает угол полного внутреннего отражения для оптического кварца (43.34 градуса [7]). Это означает, что пучки света полностью отражаются от указанных граней. Противоположные рабочие грани призм должны быть параллельными друг другу (при правильном изготовлении [8] отличие от параллельности может быть меньше одной угловой минуты, за счет чего дополнительное отклонение пучка устройством не превысит естественную расходимость пучка, составляющую несколько угловых минут) и иметь полированную поверхность с качеством ▿13-▿14 [8]. Кроме того, призмы не должны иметь двулучепреломления в рабочей области. Указанные требования на качество призм являются общепринятыми при изготовлении точных оптических деталей.

Для описанного выше устройства из оптического кварца при изменении температуры происходит практически одинаковое изменение длины путей в обоих каналах из-за одинаковости геометрических размеров призм (технология изготовления точных оптических деталей [8] позволяет получить для устройства на фиг.2 разность в длине путей между каналами на уровне единиц микрометра). Это означает, что при изменении температуры на один градус дополнительная разность длин путей между обоими каналами составит всего (0.03-0.05) ангстрема, так как для оптического кварца коэффициент температурного расширения составляет (3-5)·10^-7 К^-1 [7]. Вибрации приводят к колебаниям всего устройства и не приводят к появлению дополнительной разности длин путей между двумя каналами. Эти колебания могут привести к повороту всего устройства на угол порядка одной угловой минуты, что не играет роли, так как естественная расходимость пучков света составляет несколько угловых минут.

Если устройство для смешивания пучков света, показанное на фиг.2, жестко связать с анализатором, чтобы оно поворачивалось вместе с анализатором при его повороте, то соотношения (8)-(12) не зависят от угла поворота.

Влияние температурных изменений и вибрации на другие элементы эллипсометра (лазер, поляризатор, анализатор, фотоприемник и др.) сводится к небольшому смещению указанных элементов (порядка единиц микрометра) или их повороту на величину порядка единиц угловых минут (т.е. в пределах естественной расходимости пучка) и не приводит к появлению дополнительной неконтролируемой разности фаз между пучками в двух каналах.

Для структуры со ступенькой, изображенной на фиг.1, используя выражение (5), получим следующее выражение для эллипсометрических параметров суммарного пучка при измерении на эллипсометре с вышеописанной системой зеркал (фиг.1) или с устройством для смешивания (фиг.2):

Примечание 9. Следует отметить, что при измерении поверхность выступающей области вблизи границы раздела не совпадет с поверхностью образца, установленного на предметный столик при измерении параметров системы зеркал (формулы (8)-(12)), если не принимаются специальные меры для выполнения этого условия, в связи с чем все эти параметры изменятся на одинаковую фазу δ за счет изменения оптической длины пути, т.е. умножатся на одинаковый множитель exp(iδ) (множитель одинаков как для пучков 1 и 2, так и для s- и р-поляризаций). Однако это не приведет к изменению формулы (13), так как этот множитель входит во все члены числителя и знаменателя и сократится.

Из (13) легко найти выражение для ехр(-iФ), содержащей искомую высоту ступеньки h:

В (14) входят параметры, характеризующие используемую систему для смешивания пучков и вычисляемые для конкретной системы с помощью соотношений (8)-(12), измеренные зллипсометрические параметры для суммарного пучка и полные амплитудные коэффициенты отражения R_1p, R_2p и R_1s, R_2s соответственно для р- и s-поляризаций для участков 1 и 2 структуры, расположенных по обе стороны от границы ступеньки. Для вычисления коэффициентов R_1p, R_2p и R_1s, R_2s необходимо провести измерение эллипсометрических параметров ψ_j, Δ_j (j=1, 2) для обоих участков с помощью эллипсометра без системы для смешивания пучков (система выведена за пределы пучка) и этого оказывается достаточным для простейших структур, в которых сформирована ступенька (однородная подложка, однослойная структура, двухслойная структура с известными оптическими характеристиками слоев и подложки и др.).

Эллипсометрические параметры ψ_j, Δ_j (j=1, 2) связаны с R_1p, R_2p, R_1s, R_2s соотношениями

Используя выражения (8)-(12), (15), преобразуем (14) к виду

В это выражение входят найденные параметры для системы смешивания пучков, измеренные на эллипсометре с выведенной системой эллипсометрические параметры u₁ и u₂ для участков 1 и 2 ступеньки и измеренные для суммарного пучка эллипсометрические параметры а также полные амплитудные коэффициенты отражения света R_1a и R_2a для участков 1 и 2 для s-поляризации, которые должны быть вычислены через измеренные u₁ и u₂ или каким-либо другим способом.

Примечание 10. Эллипсометрические параметры u₁ и u₂ могут быть вычислены и из измеренных на эллипсометре с системой для смешивания параметров (для первого канала пучка, отраженного от участка 1 при перекрытом втором канале) и (для второго канала пучка), которые связаны с u₁ и u₂ с помощью соотношений, аналогичных (2), (3):

в этом случае выражение (16) примет вид

Из уравнений (16) или (19) нетрудно получить выражение для высоты ступеньки:

где m - целое число, А и В - соответственно действительная и мнимая части правых частей выражений (16) и (19), а значение F=Arctg(-B/A) изменяется от 0 до 2π с учетом знаков (-В) и А, совпадающих со знаками sinF и cosF соответственно.

Так как в (20) входит член 2mπ, для правильного определения толщины толстых пленок (больше 0.75 мкм при использовании при измерениях угла падения 65 градусов) необходимо знать приближенное значение толщины (с точностью ±0.3 мкм), чтобы правильно определить значение числа m. Если неизвестно даже приближенное значение толщины пленки, то необходимо провести измерения по изложенному алгоритму на по крайней мере двух углах падения и при вычислении толщины по формуле (20) подобрать для каждого угла такие значения числа m (они могут быть разными для разных углов), которые дадут совпадающие значения толщины.

Формулы (16), (19), (20) могут быть использованы для вычисления высоты ступенек, сформированных на любых структурах (в том числе многослойных, когда по обе стороны от границы ступеньки расположены различные многослойные структуры). Важной с точки зрения уменьшения погрешности вычисления высоты ступеньки является необходимость отсутствия рассеяния на поверхностях ступеньки (поверхность должна быть зеркальной), чтобы можно было однозначным способом вычислить входящие в указанные формулы полные амплитудные коэффициенты отражения R_1s и R_2s. В ряде случаев эти коэффициенты вычисляются с использованием измеренных на участках 1 и 2 эллипсометрических параметров u₁ и u₂, в более сложных случаях (см. примеры ниже) необходимо дополнительное измерение эллипсометрических параметров в другой среде (помимо воздушной среды, в которой проводятся измерения u₁ и u₂.

Рассмотрим несколько примеров реализации изложенного варианта измерения толщины ступенек.

Пример 1. Ступенька сформирована в однородном материале (серебро, золото и т.п.) или покрыта непрозрачным (на используемой длине волны света) материалом. В этом случае выполняется соотношение

выражения (16), (19) упрощаются

и толщина вычисляется непосредственно через найденные параметры для системы смешивания пучков, измеренные для суммарного пучка эллипсометрические параметры и измеренные на эллипсометре с выведенной системой для смешивания пучков эллипсометрические параметры u₁ и u₂ для участков 1 и 2 ступеньки (или через измеренные на эллипсометре с системой для смешивания эллипсометрические параметры и для участков 1 и 2 ступеньки).

Примечание 11. Отметим, что изложенное в примере 1 справедливо при вычислении высоты любых ступенек, у которых полные амплитудные коэффициенты отражения света от участков 1 и 2 по обе стороны от границы ступеньки совпадают (к примеру, это относится к ступенькам в кремнии, на поверхности которого в обязательном порядке присутствует естественная окисная пленка).

Пример 2. Ступенька образована разными однородными материалами (к примеру, ступенька серебро-золото). В этом случае для вычисления толщины ступеньки необходимо использовать формулы (16), (19), (20), а входящие в них полные амплитудные коэффициенты отражения вычислить по формулам [2, 3]:

Пример 3. Ступенька образована в однослойной диэлектрической структуре на кремнии с подтравом кремния. Для участка 1 с однослойной структурой с использованием известных алгоритмов [2, 3] по измеренным эллипсометрическим параметрам u₁ сначала находятся толщина d и показатель преломления n пленки, затем по ним вычисляется R_1s. Для участка 2 по измеренным зллипсометрическим параметрам u₂ сначала находится толщина естественной окисной пленки на кремнии (показатель преломления пленки задается равным 1.465 при использовании в измерениях длины волны 0.6328 мкм), затем вычисляется R_2s. Высота ступеньки находится при помощи формул (16), (19), (20), при этом разность (h-d) дает величину подтрава кремния при формировании ступеньки.

Пример 4. Ступенька образована в двухслойной прозрачной диэлектрической структуре (с известными показателями преломления обеих пленок) на кремнии с подтравом кремния. Для участка 1 с двухслойной структурой с использованием известных алгоритмов [2, 3] по измеренным эллипсометрическим параметрам u₁ сначала находятся толщины d₁ и d₂ пленок, затем по ним вычисляется R_1s. Дальнейшие действия такие же, как в примере 3, при этом разность (h-d₁-d₂) дает величину подтрава кремния при формировании ступеньки.

Пример 5. Ступенька образована в произвольной многослойной структуре, при этом структура может быть многослойной по обе стороны от границы ступеньки. В этом случае необходимо провести дополнительное измерение эллипсометрических параметров (т.е. и ) в другой среде (к примеру, в так называемой иммерсионной жидкости, в качестве которой может быть использован, к примеру, четыреххлористый углерод) на тех же участках 1 и 2 (j=1, 2) при угле падения ϕ^ж, удовлетворяющем соотношению:

где n^ж - коэффициент преломления жидкости. Затем необходимо вычислить R_js по формулам [5]

где r_р и r_s - амплитудные коэффициенты отражения света на границе раздела воздух- иммерсионная жидкость [2, 3]; при выборе знаков в (26) следует использовать ограничение которое практически всегда позволяет исключить неоднозначность. После этого проводится вычисление высоты ступеньки при помощи формул (16), (19), (20).

Примечание 12. Эллипсометрические параметры с верхним индексом ж имеют тот же физический смысл, как и u_j, только измерены они в другой среде.

Примечание 13. Эллипсометрические параметры измеряются на эллипсометре без системы для смешивания пучков, однако можно провести измерение эллипсометрических параметров на эллипсометре с такой системой ( для первого канала и - для второго) и воспользоваться соотношениями типа (17), (18) для определения из них .

Изложенный вариант реализуется достаточно просто, когда размер областей по обе стороны от ступеньки достаточно велик, так что не возникает затруднений в разделении пучков света, отраженных от разных сторон ступеньки, и внесении в них изменений в амплитуду и фазу. Если размер области, в которой расположена контролируемая ступенька, порядка десяти микрометров и имеются затруднения с разделением пучка на два и с внесением в каждый из них изменения в амплитуду и фазу, необходимо провести на эллипсометре для локальных измерений (с локальностью не хуже 5 мкм для указанных размеров области) измерение эллипсометрических параметров u₁ и u₂ для участков 1 и 2 ступеньки и параметра для суммарного пучка в зоне перекрытия световых потоков [6], отраженных от участков 1 и 2 при их одновременном освещении (при этом в оба пучка вносится нулевое изменение в амплитуду и фазу). В зоне перекрытия отраженные от участков 1 и 2 световые пучки совмещаются при выполнении условия практически полного совпадения фронтов этих пучков (несовпадение фронтов пучков может составлять порядка нескольких угловых минут, т.е. в пределах естественного разброса фронтов исходного пучка за счет его расходимости). В этом случае из формулы (5) нетрудно получить следующее выражение для вычисления высоты ступеньки через измеренные параметры u₁, u₂, и вычисленные амплитудные коэффициенты отражения R_1p, R_1s:

В это выражение входит соотношение площадей S₂₁, освещаемых пучками 2 и 1, так как в этом варианте не предусматривается выделение одинаковых освещаемых площадей на участках 2 и 1.

Примечание 14. Зона перекрытия световых потоков, отраженных от участков 1 и 2 при их одновременном освещении, существует за счет наличия естественной расходимости используемых в эллипсометрах лазерных пучков. К примеру, при расходимости пучка ˜7 угловых минут на фотоприемнике эллипсометра, находящемся на расстоянии ˜50 см от образца и измеряющем интенсивность отраженного от исследуемого образца света, получается зона перекрытия размером ˜1 мм.

Примечание 15. Некоторое несовпадение фронтов пучков на фотоприемнике, где проводится измерение интенсивности суммарного пучка, может быть сведено к минимуму, к примеру, путем удаления фотоприемника от измеряемого образца и уменьшения площади попадающего на фотоприемник суммарного пучка (например, путем диафрагмирования).

Примечание 16. Рассматриваемый вариант определения высоты ступеньки является частным случаем предлагаемого способа, когда в пучки света, отраженные от участков 1 и 2, не вносится изменения в амплитуду и фазу (т.е. вносится нулевое изменение).

Примечание 17. В этом варианте появляется дополнительная погрешность, вызванная наличием вблизи границы ступеньки областей с полными амплитудными коэффициентами отражения, отличными от R_1p, R_1s. Для ее уменьшения необходимо, чтобы плоскость падения света была параллельной границе ступеньки, что уменьшает указанные области практически до нуля.

В варианте определения высоты ступеньки в локальных областях, когда в пучки 1 и 2 не вносятся изменения в амплитуду и фазу, нет возможности определить высоту ступеньки, образованную одинаковыми структурами с обеих сторон ступеньки (R_1s=R_2s, u₁=u₂), так как при этом выражение (29) принимает вид

в котором отсутствует член, содержащий h.

В остальных случаях из (29) получается следующее выражение для определения высоты ступеньки:

Оно (вместе с выражением (20)) используется для определения высоты ступенек в примерах 2-5 (остальные действия такие же, как в указанных примерах).

При измерении высоты ступеньки предлагаемым способом помимо погрешности, вызываемой погрешностями в измерении эллипсометрических параметров, возникают дополнительные погрешности, зависящие от степени совпадения фронтов пучков при их совмещении (в устройствах совмещения, показанных на фиг.1 и фиг.2, должен быть предусмотрен механизм для регулировки степени совмещения) и от степени однородности интенсивности пучков света в зоне совмещения. Анализ показывает, что современный уровень техники дает принципиальную возможность свести к минимуму указанные погрешности, обеспечивая измерение высоты ступеньки изложенным способом с погрешностью на уровне единиц ангстрема.

Литература

1. Хансма П.К., Бангс В.Б., Марти О. и Брэкер С.Е. Сканирующая туннельная и атомносиловая микроскопия // Science, 1988, v.242, p.209-216.

2. Ржанов А.В., Свиташев К.К., Семененко А.И. и др. Основы эллипсометрии // Новосибирск, 1979. - С.154-158.

3. Аззам Р., Башара М. Эллипсометрия и поляризованный свет // М., 1981. - С.360-363.

4. Биленко Д.И., Казакова Н.П., Полянская В.П. Определение толщины слоев в локальных эпитаксиальных структурах // Микроэлектроника, 1983, т.12, N1, с.70-75.

5. Любинская Р.И., Мардежов А.С., Швец В.А. Исследование неоднородных структур с использованием иммерсионных эллипсометрических измерений // Эллипсометрия: теория, методы, приложения. / Под ред. А.В.Ржанова, Л.А.Ильиной. Новосибирск: Наука, 1987. С.59-67.

6. Ландсберг Г.С. Оптика // М., Наука, 1976. - 926 с.

7. Физические величины. Справочник. // Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейликова. М.: Атомиздат, 1991, с.222-240.

8. Бардин А.Н. Технология оптического стекла // М.: Высшая школа, 1965.

Изобретение относится к оптической контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения высоты ступенек, полученных любым способом в однородном материале или в произвольной многослойной структуре. Сущность изобретения заключается в измерении эллипсометрических параметров отдельно для пучков света, отраженных от областей по обе стороны от ступеньки (с использованием для ступенек в многослойных структурах дополнительных измерений в другой, отличной от воздуха, среде), и для суммарного пучка, полученного путем совмещения вышеуказанных двух пучков при совпадении фронтов этих пучков после введения в них контролируемого изменения в амплитуду и фазу, с последующим вычислением с их помощью высоты ступеньки по специальному алгоритму. Техническим результатом является расширение номенклатуры ступенек, величину которых можно контролировать с помощью стандартных эллипсометров. 2 ил.

Способ измерения высоты ступенек, полученных в однородном материале или в произвольной многослойной структуре, включающий помещение пластины с измеряемой ступенькой на предметный столик, освещение монохроматическим пучком излучения последовательно участков структуры, расположенных по обе стороны от ступеньки, измерение эллипсометрических параметров ψ_j, Δ_j для каждого из этих участков в воздушной среде, при этом j=1, 2 соответственно для участков с большей и меньшей толщиной, дополнительное измерение для этих участков эллипсометрических параметров в другой среде для многослойных структур, вычисление полных амплитудных коэффициентов отражения R_1s и R_2s для излучения с s-поляризацией и R_1p и R_2p для излучения с р-поляризацией для указанных двух участков по измеренным эллипсометрическим параметрам ψ_j, Δ_j (j=1,2) для простых структур и по измеренным эллипсометрическим параметрам ψ_j, Δ_j и (j=1, 2) для многослойных структур и вычисление высоты ступенек, отличающийся тем, что разделяют пучок излучения на два, один из которых падает на участок с одной стороны от ступеньки, а другой - с другой стороны, вводят в оба пучка контролируемое изменение в амплитуду и фазу где s и р - индексы соответственно для s- и р-поляризаций, сводят отраженные от исследуемой структуры пучки вместе при условии совпадения фронтов или пучков, измеряют эллипсометрические параметры для суммарного пучка,

вычисляют высоту ступеньки h из формулы

где Ф=(4πhcosϕ)/λ, ϕ - угол падения света на образец, λ - длина волны.