Способ неразрушающего измеренияТОлщиНы ТОНКиХ плЕНОК Советский патент 1981 года по МПК G01B15/02 

(54) СПОСОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО. ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК 68 градуировочную зависимость получают искомую толщину пленки о1д, Рассмотренный выше способ обладает недостатком, заключающимся в том, что .чувствительность способа сильно зависит от разности величин ц. и „ т.е. способ применим лишь для систем с существенно разными VI пленки и подложки Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, т.е. расширение числа материалов и комбинаций из них для пары подложка-пленка. Следует подчеркнуть, что появляется возможность измерения толщин аморфных напыленных слоев того же материала, что и подложка а также слоев, аморфизованных внедренными в кристалл ионами. Это достигается тем, что зондировани производят под разными углами, регистри руют угловую зависимость потока неупруго отраженных электронов от подложки и покрытия, определяют положение пика тонкой структуры, по которому судят о . толщине пленки. На фиг. 1 представлены зависимости Д(Е) для аморфных пленок 3-х толщин. Экстраполируя начальный-(ось абсцисс) и растущий участки зависимости получаем для данной толщины пленки. Подобные кривые получены и для слоев различ- ной толщины, аморфизованных внедренными ионами аргона. На - фиг. 2 представлены в логарифмическом масштабе зависимость Е RP (критолщин напыленной пленки Si вая I) и разрушенный ионами А (кривая 2). Как видно в широкой области толщин функция линейна. В этой области зависимость описывается стеденной функ- цией оС А-Ь, кривые 1 и сдвинуты друг oTHoqg,TeHbHO друга, что сзидетельствует о различной плотности аморфных слоев, полученных разными способами. Та кие кривые можно считать градуировочными для систем аморфный кремний - мо нокристаллический кремний. Известно, что угловая зависимость l/(.V) (т.е. при изменении угла падения V первичных электронов на кристалл) имеет анизотропный характер с «ярко вы раженными максимумами при совпадении направления падения пуча с выделенными кристаллографическими направлениями (н правлениями наибольшей упаковки). Подобная картина наблюдается при рассмотрении псевдо-Кикучи изображений в сканирующей электронной микроскопии. Теоретически этот эффект описывается кван0toвoй динамической теорией дифракции электронов на кристалле. Согласно этим представлениям электронная волна, падающая .под углом, близким к, углу Брэгга для данной системы кристаллографических плоскостей, испытывает аномально сильное дифракционное отражение. Таким образом создается пик на угловой зависимости или, что уо же самое, контраст псевдо-Кикучи изображения. За величину пика можно выбрать отношение -п . max miin /H mav-ImAn л это 1, в максимуме nrndix и в одном из минимумов или среднее этих минимумов. До совершенного кристалла величина наибольших пиков меняется от О,3 для Е равной нескольким кэВ до А/ О,1 для Е в несколько десятков кэВ. С увеличением энергии первичных электронов увеличивается и толшина приповерхностного слоя кристалла, дающего вклад в дифракционные эффекты. Если на поверхности кристалла имеется неупорядоченная пленка, го естественно, лишь начиная с некоторой энергии зондируюших электронов удастся получить дифракционный эффект на кристалле подложки, т.е. заметить появление пика на (V) С ростом энергии электронов величина пика будет расти. Динейно экстраполируя начальный и растущий участки зависимости 11(Е) , ., ), где ЬО(Е/ - величина пика для совершенного кристалла - подложки. получим критическую энергию данной толщины пленки сЗ. Изложенный выше способ требует градуировки, т.е. необходимо знать зависимость К,,р -fCd) для изучаемого ряда пленок. Получить угловую зависимость ) можно двумя путями: либо сканируя пучок электронов по углу падения на объект без перемещения точки зондирования, либо поворачивая объект вокруг оси, перпендикулярной нормали к поверхности и направлению падения пучка. Причем угол сканирования (поворота образца) где V-,- угловая ширина пика тонкой структуры. Первый способ предпочтительней, так как позволяет создать устройство без движущихся механических узлов. Угловое расхождение пучка электронов долж но быть небольшим, 0,01 рад. 56S7 Изложенный способ можно относитепьпо просто осуществить на сканирукщем электронном микроскопе. Рассмотрим пример конкретного осуществления предлагаемого способа. Устройство для измерений состоит из электронной пушки с системой фокусировки и .отклонения пучка, рабочей камеры с блоком мишени, вакуумной откачной системы и измерительной стойки. Формируется импульсный электронный пучок с энергией в диапазоне 6-40 кэВ, расходимость ;iO,01 рад, длительность импульса 100 мк частота SO Гц, амплитуда в импульсе 1 мкА, диаметр пятна на образце 0,1 мм. Сканирование по углу падения можно осуществлять как электрически с помощью отклоняющих катушек, так и механически, с помощью микроэлектромото- ра, входящего в блок мишени. Устройство этого блока позволяет совершать два поступательных движения по X и V и три вращательных вокруг осей X , , Z (электронный пуч по Z ) Вакуум во время измерений 1-10 +110 торр. Отраженные электроны собираются полусферическим коллектором, перед которым помещают сетку с потенциалом 50 В, служа щую как для отсечки медленных вторичных электронов, так и для подавления динат- ронного эффекта с коллектора. Измеритель ная часть установки позволяла записывать интересующий участок зависимости 4(V} на двухкоординатный самописец. Уго сканирования при записи пиков обычно не превышал i.lO, так как угловая ширина пиков тонкой структуры в нашем диапа зоне энергий не превышала 20°. Исследуемые образцы представляют собой моно кристаллы кремния с поверхностью, сов- падающей с гранью. На поверхности образ цов создаются Две области: одна остается нетронутой, а на другую либо напыляют кремний до получения аморфных пленок ра личных тотцин, либо облучают ионами аргона с дозами выше дозы аморфизации. Как показывают проведенные исследования, выбор других граней подложки Si (110} и (lOO}) не влияет на ход зависимости Е d). TVV Подобные зависимости можно получить и для других пленок, а также других монокристаллических подложек. Применение предлагаемого способа позволяет осуществить непосредственный контроль за толщиной напыляемых на монокристаллические подложки веществ, а также контролировать равномерность напыления по .площади образца, что повышает качество изготавливаемых полупроводниковых приборов. Кроме того, возможно измерение толщин разрушенных слоев при ионном облучении, например, при ионном легировании или катодном распылении. Формула изобретения Способ неразрушакхцего измерения толщины тонких пленок на металлических монокристаллических подложках, заключающийся в том, что генерируют пучок электронов с последовательно повышающейся энергией и зондируют им контролируемый объект до подложки, отличающийс я тем, что, .с целью расширения функциональных возможностей, зондирование производят под разными углами, регистрируют угловую зависимость потоков неупруго отраженных электронов от подложки и покрытия, определяют приложение пика тонкой структуры, по котхэрому судят о толщине пленки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Японии № 49-39699, кл. Q 01 В 15/02, НКИ 1О6 G4, 111731; 1961. 2.Дж. Мейер. Ионное легирование полупроводников. М., 1973, с. -108. 3.Бронштейн И. М., Файман Б. С. Вторичная электронная эмиссия, М., 1969, с. 84 (прототип).

&,отн.е&.

i510

ee,x,8

2S

(

ZQ

W