СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА РАЗНОРОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2020 года по МПК G01B11/30 B82Y35/00 G01B9/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим способам измерения высоты микрорельефа поверхностей или поверхностных топологических структур интерференционным методом. Изобретение может быть использовано для определения величины поверхностного рельефа или структур, полученных на подложках в различных процессах:

- локального травления, осаждения и роста функциональных слоев;

- фото-, электроно- и рентгенолитографии;

- химико-механической планаризации поверхности структур и планаризации поверхности структур путем осаждения толстых пленок;

Основная область применения изобретения - это определение глубины кратеров ионного травления в субдесятинанометровой области, которые широко используются в различных методах анализа структур (Оже-спектроскопии, вторичной ионной масс-спектрометрии и др.) при исследовании распределения элементов по толщине сверхтонких пленок или поверхностных слоев материалов во многих отраслях промышленности, в частности, в микроэлектронике.

Известен способ измерения перепада высот поверхностного рельефа материалов с помощью контактного профилометра, в котором игла движется поперек исследуемой структуры, повторяя ее вертикальный рельеф [1, 2].

Недостатками данного способа являются: низкая точность измерения перепада высот поверхностного рельефа, не позволяющая определять перепады высот менее 5 нм даже на специально подготовленных образцах, ограниченная возможность в рамках одного сканирования определять только один профиль (линию, 2D) поверхности, и зависимость результата измерения от выбора позиции и направления области сканирования.

Известен способ измерения высоты ступенек поверхностного рельефа или структур с помощью сканирующего туннельного зондового микроскопа, в котором игла движется поперек исследуемой структуры, снимая зависимости туннельного тока от расстояния между поверхностью структуры и иглой [3, 4].

Недостатками этого способа являются: высокая стоимость оборудования, необходимость наличия высококвалифицированного специалиста, длительность процесса измерения и подготовки прибора к измерению (настройки), сложность и дороговизна прецизионных систем защиты прибора от вибраций, необходимость использования дорогостоящих расходных материалов (кантилеверов).

Известен способ оптической профилометрии, который может работать в режиме интерферометрии вертикального сканирования и в режиме интерферометрии фазового контраста [5]. В данном способе пучок света разделяется на две части, одна из которых попадает на исследуемый образец, а вторая - на опорное зеркало; лучи, отраженные от этих поверхностей, интерферируют; с помощью цифровой видеокамеры производится запись серий интерференционных картин, по которым определяется положение каждой точки на поверхности. Результатом проведенного измерения является 3D карта топографии поверхности структуры.

В режиме интерферометрии вертикального сканирования вертикальное разрешение способа составляет (3-5) нм для оптимально подготовленных образцов, а диапазон измерения перепадов высот органичен геометрическими возможностями используемого прибора и составляет единицы миллиметров. В режиме интерферометрии фазового контраста вертикальное разрешение способа составляет менее 0,1 нм для оптимально подготовленных образцов, а диапазон измерения не может превышать λ/4, где λ - длина волны используемого монохроматического излучения [6]. Для излучения с длиной волны λ=630 нм диапазон измерения не превышает 160 нм.

Недостатком данного способа является ограничение по номенклатуре контролируемых структур: его неприменимость для анализа разнородных структур, вызванная разницей в изменении фаз отраженного от материалов с различными оптическими характеристиками света [7-9]. Известно, что одним из вариантов решения этой проблемы является покрытие исследуемой рельефной поверхности металлическим слоем, но при этом не указана требуемая толщина этого слоя [8].

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ измерения высоты поверхностного микрорельефа интерференционным методом, заключающийся в создании на поверхности с микрорельефом и на поверхности эталонного образца оптической нелинейности [10]. Причем одним из методов создания оптической нелинейности на поверхностях с микрорельефом и эталонного образца является их покрытие слоем металлом с частицами наноразмерного уровня. Далее проводится измерение высоты микрорельефа путем анализа интерференции, полученной в результате взаимодействия отраженных от нелинейно-оптических поверхностей с микрорельефом и эталонного образца гигантских вторых гармоник оптического излучения.

Недостатком прототипа является высокая погрешность измерения высоты микрорельефа, составляющая величину (2,0-5,0) нм. Это связано с искусственно привносимой шероховатостью наноразмерного уровня путем покрытия исследуемой поверхности слоем металла с частицами наноразмерного уровня, требуемым для реализации способа. Данная особенность делает неприменимым способ для измерения поверхностного рельефа кратеров ионного травления в субдесятинанометровой области, которые широко используются в различных методах анализа структур.

Задача настоящего изобретения - расширение номенклатуры материалов и диапазона глубины поверхностных рельефов и структур, величину которых можно контролировать с помощью стандартных оптических профилометров.

Это достигается за счет анализа интерференции отраженного оптического излучения от исследуемой поверхности, покрытой слоем металла. При этом предварительное покрытие поверхности слоем металла осуществляется равномерно и конформно толщиной d, определяемой из соотношения:

где D=λ/(4π⋅k) - глубина проникновения оптического излучения в слой металла; λ - длина волны используемого оптического излучения, k - коэффициент экстинкции слоя металла.

Использование металлического слоя толщиной согласно (1) позволяет сделать вклад паразитного отражения от внутренней границы металлического слоя и границ подслоев пренебрежимо малым:

где I - интенсивность оптического излучения, прошедшего через металлический слой толщиной d от поверхности до внутренней границы и обратно; I₀ -интенсивность оптического излучения, падающего на поверхность металлического слоя.

На Фиг. 1. показаны профили поверхности с оптического профилометра Veeco Wyko NT 9300, режим интерферометрии фазового контраста, образец Та (3 нм)/Nb (3 нм)/Та (3 нм)/SiO₂/Si (образец 3); измерения до напыления металлического слоя. На профилях поверхности (справа) по оси ординат показано определенное значение перепада высот в мкм (um). Определенный перепад высот составил более 170 нм.

На Фиг. 2. показаны профили поверхности с оптического профилометра Veeco Wyko NT 9300, режим интерферометрии фазового контраста, образец Та (3 нм)/Nb (3 нм)/Та (3 нм)/SiO₂/Si (образец 3); измерения после напыления металлического слоя (Al). На профилях поверхности (справа) по оси ординат показано определенное значение перепада высот в мкм (um). Определенный перепад высот составил порядка (8,0-10,0) нм.

Нанесенный слой металла должен с высокой равномерностью покрывать все поверхности (горизонтальные, наклонные и вертикальные) измеряемого рельефа или структуры. При этом в зависимости от формы и аспектного отношения (отношения глубины к ширине структуры) могут быть использованы следующие процессы осаждения металла: термическое испарение в вакууме, магнетронное распыление, химическое осаждение из газовой фазы и атомно-слоевое осаждение.

Естественно, для более конформного покрытия исследуемой структуры или рельефа слой осаждаемого металла должен быть как можно более тонким. Нижняя граница толщины металла определяется из следующих соображений. Толщина металлического слоя должна быть достаточной для того, чтобы поверхность исследуемой структуры, покрытая этим слоем, стала однородной по оптическим характеристикам, т.е. чтобы вклад отражения от обратной границы нанесенного металлического слоя и последующих подслоев при анализе данных интерферометрии, был пренебрежимо малым. Естественно, значение нижней границы или требуемой толщины металлического слоя будет зависеть от вида металла и процесса его осаждения через значение коэффициента экстинкции металла и длину волны используемого для проведения измерений интерференционным методом светового излучения.

При этом следует учитывать, что паразитное излучение дважды проходит толщину металлического слоя толщиной d: от поверхности до внутренней границы и обратно.

Расчет требуемой толщины металлического слоя d=λ/(π⋅k) производится исходя из длины волны используемого оптического излучения и коэффициента экстинкции используемого для покрытия материала металлического слоя. Величина λ определяется техническими характеристиками используемого оптического профилометра. Величина k может быть взята из справочных данных или получена эмпирически.

При отсутствии справочных данных коэффициента экстинкции используемого металлического слоя, производится его измерение для этого слоя. Для проведения измерения изготавливаются тестовые образцы с нанесенным слоем данного металла, толщиной существенно превышающей предполагаемое значение (в частности, для большинства металлов ≥100 нм). Затем производится измерение коэффициента экстинкции металлических слоев на тестовых образцах методом спектральной эллипсометрии на требуемой длине волны, используемой оптическим профилометром.

Способ измерения микрорельефа разнородной поверхности включает в себя:

1) определение коэффициента экстинкции к используемого металлического слоя, которое может быть выполнено: на основе известных справочных данных из литературных источников; путем подготовки тестовых образцов с нанесенным слоем этого металла, толщина которой существенно превышает предполагаемое значение , и последующего измерения коэффициента экстинкции к методом спектральной эллипсометрии на требуемой длине волны, используемой оптическим профилометром; на основе ранее полученных эмпирических данных;

2) определение требуемой минимальной толщины слоя металла, при котором пренебрежимо мало отражение оптического излучения, используемого в оптическом профилометре, от обратной границы металлической пленки, равной

3) равномерное и конформное покрытие исследуемых рельефной поверхности или структуры слоем металла требуемой толщины;

4) проведение измерений поверхностного рельефа или структуры интерференционным методом с помощью стандартного оптического профилометра на используемой длине волны.

Данный способ позволит анализировать 3D карты распределения перепадов высот на структурах, при анализе определять форму углублений или выступов, строить 2D профили в любой направлении скана, что позволит определить максимальный перепад высот для областей сложной формы, которыми являются кратеры ионного травления. Способ позволяет проводить измерения топологических структур или рельефа субдесятинанометрового уровня (диапазона (1,0-10) нм) на структурах или рельефной поверхности с различными оптическими характеристиками областей на поверхности

Реализации предложенного способа показаны на примерах измерения микрорельефа (глубины) кратеров ионного травления разнородных поверхностей структур Та (3 нм)/Nb (3 нм)/Та (3 нм)/SiO₂/Si и Nb (3 нм)/Та₂O₅ (3 нм)/Nb (3 нм)/SiO₂/Si.

Микрорельеф в форме кратеров травления был сформирован ионами O₂⁺ в указанных структурах, полученных на окисленных кремниевых подложках методом ионно-лучевого осаждения на установке Aspira 150.

Кратеры сформированы в процессе проведения исследования методом вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на времяпролетном масс-спектрометре TOF.SIMS 5 компании IONTOF. Для калибровки сигналов ВИМС-анализа образцов структур по глубине травления необходимо было определить глубину кратеров травления.

Для проведения таких измерений исходные образцы с кратерами ионного травления, полученными в процессе ВИМС-анализа, были покрыты слоем алюминия (Аl) толщиной порядка 50 нм на установке «МВУ ТМ-Магна 150» методом магнетронного распыления. Толщина слоя алюминия 50 нм была выбрана, исходя из оптических характеристик Аl и возможностей технологического контроля толщины осаждаемых слоев в установке «МВУ ТМ-Магна 150».

Затем на оптическим профилометре Wyko NT9300 компании Veeco в режиме PSI были получены 3D карты поверхности и построены профили распределения перепадов высот в областях кратеров травления, определена глубина травления.

Сводные данные по измерению микрорельефа (глубины кратеров) на указанных образцах структур с помощью контактного профилометра и с помощью предложенного способа приведены в Таблицах 1 и 2.

Например, на образце 3 со структурой Та (3 нм)/Nb (3 нм)/Та (3 нм)/SiO₂/Si не удалось определить глубину кратера ионного травления методом контактной профилометрии (Таблица 1, строка 3), в связи с малой величиной перепада высот.При этом до напыления металлического слоя с помощью оптического профилометра было получено значение более 170 мкм (Фиг. 1), что связано с разнородностью оптических характеристик поверхности, полученной ионным травлением структуры Та (3 нм)/Nb (3 нм)/Та (3 нм)/SiO₂/Si. После нанесения металлического слоя с помощью оптического профилометра получено значение в диапазоне (8,0-10,0) нм (Фиг. 2).

Таким образом удалось выполнить задачу измерения глубины кратера травления, составляющую менее 10 нм, что и не могло быть выполнено с помощью стандартного метода контактной профилометрии или оптической профилометрии, или с использованием прототипа.

Источники информации:

1) Abbot E.J., Bousky S., Williamson D.E. The Profilometer // Mechanical Engineering. - 1938. - Vol. 60. - P. 205-216.

2) Abbot E.J., Firestone F.A. Specifying surface quality: a method based on accurate measurement and comparison // Mechanical Engineering. - 1933. - Vol. 55. - P. 569-572.

3) Binnig G., Rohrer H. Scanning tunneling microscopy // Helv. Phys. Acta. - 1982. - Vol. 55.- P. 726-735.

4) Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. Tunneling through a controllable vacuum gap // Appl. Phys. Lett. - 1982. - Vol. 40. - P. 178.

5) Guenther B.D., Miller A., Bayvel L., Medwinter J.E. Encyclopedia of Modern Optics. - 2005. - 2285 p.

6) http://xn--80aajzhcnfck0a.xn--plai/PublicDocuments/1003644.pdf

7) Трушникова E.O. Исследование степени достоверности бесконтактной профилометрии на прозрачных кристаллах после их травления // Пермский государственный национальный исследовательский университет. - С. 32-36.

8) Dubois A. Effects of phase change on reflection in phase-measuring interference microscopy // Applied Optics. - 2004. - Vol. 43, Is. 7. - P. 1503-1507.

9) Азарова В.В., Чертович И.В., Цветкова Т.В. Особенности применения интерферометра белого света для контроля качества прецизионных поверхностей и лазерных зеркал // Труды XI Медвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». - 2009. - С. 1-6.

10) Патент РФ 2373494 - Прототип.

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее к оптической профилометрии, и может быть использовано для измерения поверхностного микрорельефа, полученного любым способом в произвольной разнородной структуре, обладающей различными оптическими характеристиками. Сущность изобретения заключается в том, что исследуемую структуру до проведения измерений на оптическом профилометре равномерно покрывают тонким слоем металла, при этом толщина слоя определяется исходя из требования пренебрежимой малости отражения оптического излучения от обратной границы металлического слоя и последующих подслоев. Техническим результатом является возможность измерения топологических структур или рельефной поверхности субдесятинанометрового уровня (диапазона (1,0-10) нм) и расширение номенклатуры материалов поверхностных структур, которые можно контролировать с помощью стандартных оптических профилометров. 2 ил., 2 табл.

Способ измерения микрорельефа разнородной поверхности, включающий измерение высоты микрорельефа путем анализа интерференции отраженного оптического излучения от исследуемой поверхности, покрытой слоем металла, отличающийся тем, что предварительное покрытие поверхности слоем металла осуществляется равномерно и конформно толщиной d, определяемой из соотношения:

d=4D=λ/(π⋅k),

где D=λ/(4π⋅k) - глубина проникновения оптического излучения в слой металла; λ - длина волны оптического излучения; k - коэффициент экстинкции слоя металла.