WO1994029681A1 - Simultaneous determination of layer thickness and substrate temperature during coating - Google Patents

Simultaneous determination of layer thickness and substrate temperature during coating Download PDF

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WO1994029681A1
WO1994029681A1 PCT/DE1994/000168 DE9400168W WO9429681A1 WO 1994029681 A1 WO1994029681 A1 WO 1994029681A1 DE 9400168 W DE9400168 W DE 9400168W WO 9429681 A1 WO9429681 A1 WO 9429681A1
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PCT/DE1994/000168
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Friedrich BÖBEL
Norbert Bauer
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
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    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
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    • G01B11/0625—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/60—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature

Definitions

  • the technical field of the invention is the temperature and layer thickness measurement during the coating process of substrates with known coating technologies in semiconductor manufacturing systems, plasma, ion and other dry etching systems and in the production of optical layers.
  • the substrate temperature determines the crystallization behavior, characterizes the growth rate, diffusion rate, etc. and influences thermodynamic, chemical and physical processes equally.
  • temperature measurements are therefore of outstanding importance.
  • the emissivity ⁇ changes constantly during the coating, so that a pyrometric temperature measurement cannot be used.
  • the pyrometric temperature measurement on multilayer systems is particularly problematic, the current emissivity of which depends on the thickness of all layers, their optical constants, the temperature dependencies of the optical constants, the observation angle and the observation wavelength.
  • a laser or a monochromatized other light source for example one
  • Halogen lamp with an upstream interference filter can be used together with an associated detector, the detector being used for the reflected radiation to measure the emissivity of the coated substrate which is dependent on the respective layer thickness.
  • the transmission wavelength of the filter and the wavelength of the laser or the monochromatized light source as well as the observation angle should be the same.
  • the invention of the in situ temperature determination is based on the physical relationships shown below.
  • the temperature radiation emitted by the substrate is repeatedly reflected and refracted on the growing layer.
  • R Q can be determined as a reflection of the uncoated substrate by measurement, calibration or from the literature.
  • the initial temperature T Q can, for. B. determine by simple pyrometry.
  • Radiation from a light source is measured by one detector each, with a phase-sensitive modulation technique belonging to each detector ensuring that in a detector branch A only the radiation of the light source reflected by the substrate is proportional to the reflectivity R and in the second detector branch B only the thermal radiation is proportional to ⁇ 'fpianck is measured.
  • the "branches" can be seen in the course of the beam path, the branch A light source - substrate - reflectometer - first detector and the branch B substrate - second detector in the beam path.
  • the phase-sensitive modulation technique consists of a chopper, which is connected to a lock-in amplifier, with a phase difference of ⁇ between chopper A of the light source and chopper B in front of the detector for thermal radiation, and the gap width of chopper A approximately 3 to 7 times smaller than with Chopper B. This means that neither reflected nor scattered radiation from the light source reaches the thermal detector.
  • light is provided in a narrow first frequency band with a first chopper, and the thermal radiation is modulated into a second frequency band with a second chopper.
  • Frequency components around fl (from the reflected radiation) and very low-frequency (practically DC) components (from the thermal radiation) are therefore present at the detector in the reflectometer branch A for the reflected radiation.
  • the associated lock-in amplifier only registers signals that are in a narrow band around fl. The low-frequency thermal components are therefore filtered out. A signal proportional to the reflectivity R is thus present at the output of this lock-in amplifier.
  • the detector branch B for the substrate radiation the thermal radiation being modulated by the associated chopper into a frequency range around f2, while the reflected radiation is present in the frequency ranges fl + f2 and fl-f2.
  • the second lock-in amplifier suppresses all components that are not in a narrow frequency band around f2. If fl and f2 are chosen to be sufficiently far apart, the output voltage at this lock-in amplifier is proportional to ⁇ "f Planck •
  • Analog or digital signal processing can be connected to the detectors, which processes the signals from the signals in real time using the evaluation rule according to equation (1)
  • the temperature T determined in this way can be used for process control or regulation.
  • the measuring device according to the invention (claim 5) consists of a reflectometer branch A and a substrate radiation branch B for measuring the intensity of the thermal substrate radiation.
  • a first detector is provided in the substrate radiation branch B and a second detector in the reflectometer branch A for detecting the radiation emitted by a light source and reflected by the wafer.
  • Reflectometrastes and the thermal radiation of the substrate takes place through the same or identical filters.
  • a chopper and a lock-in amplifier are assigned to each detector.
  • the measuring device can be constructed so that the angle of incidence of the reflectometer light and the
  • Monochromatic sources such as lasers or white light sources in the form of globar rods (SiC), blackbody emitters, halogen lamps, etc., can be used as light sources. be used.
  • the method according to the invention is distinguished from conventional measuring methods by a number of surprising advantages: -
  • the determination of the emissivity ⁇ is completely independent of any prior knowledge of the material, ie neither the optical constants nor the thicknesses of the applied layers are required for a temperature measurement.
  • Layer thickness configuration Semiconductors (Si, GaAs, InP, InSb, HgTe, CdTe as well as ternary and quaternary systems) and insulators are just as suitable as metal layers; the thickness of the applied layers may be between an atomic layer and several hundred ⁇ m.
  • the evaluation takes place in real time. This means that the process can also be used to control rapidly changing processes (e.g. in RTP systems [Rapid Thermal Processing]).
  • the temperature measurement is not falsified by the interference oscillations of the temperature radiation on the growing layer d (t).
  • Figure 1 shows the basic representation of an example of a measuring device according to the invention.
  • this measurement set-up which converts the aforementioned equation (1) for determining the temperature T, comprises the following components:
  • the intensity of the thermal radiation of the substrate 1 is monochromatized by a narrow-band interference filter 3 and measured by means of a first detector 7 for evaluating the substrate radiation, which is sensitive at the corresponding wavelength.
  • the directional radiation from a light source 6 is also monochromatized by the same or - if one distributes two interference filters to the two (optical) detector branches A and B - a filter of the same transmission and irradiated onto the substrate 1.
  • the reflected light is measured by a second detector 8.
  • the beam path in the measuring system and thus the arrangement of the components lens 2, filter 3, beam splitter 4.1 and 4.2, lens 5 is designed such that both the thermal radiation and the reflected radiation from the light source 6 impinge on both detectors 7, 8.
  • lens 2, filter 3, beam splitter 4.1 and 4.2, lens 5 is designed such that both the thermal radiation and the reflected radiation from the light source 6 impinge on both detectors 7, 8.
  • each detector is assigned an optical modulator (chopper) 9, 11 and a lock-in amplifier 10, 12.
  • chopper optical modulator
  • lock-in amplifier 10 only registers the signals which lie in the frequency band around fl; thus there is a signal at the output of this lock-in amplifier 10 which is proportional to the reflectivity R.
  • the thermal radiation of the substrate 1 is received in an analogous manner by the detector 7, which was modulated by means of chopper 11 into a frequency range around f2.
  • the output voltage at the lock-in amplifier 12 is here proportional to ⁇ -fpianck. The further evaluation takes place on the basis of equation (1).
  • the measurement setup explained represents only one of several possibilities.
  • the direction of incidence of the radiation need not be perpendicular.
  • the two detector branches A and B will be spatially separated from the light source.

Abstract

The invention describes a process and device for measuring temperature and layer thickness during coating by prior art methods in semiconductor manufacturing, plasma, ion and other dry-etching plants and in the production of optical coatings. The current results of layer thickness and temperature measurements may be used in process control. The interference phenomena in thermal substrate radiation on the growing layer continuously cause the emissivity ε to change during coating, thus preventing the use of pyrometric temperature measurement, which gives rise to particular problems in multi-layer systems in which the current emissivity depends on the thickness of all the layer, their optical constants, the temperature-dependence of the optical constant and the observation angle and wavelength. The present invention solves these fundamental problems by determining the reflectivity R of the wafer using a reflectometer. According to the law of the conservation of energy, for non-transparent substrates ε = 1 - R, and hence the current emissivity of the entire (multi-layer) system can be directly determined with the reflectometer. The temperature is measured by means of a given evaluation rule, while the thickness is found by comparing the reflectometer curve with the theoretical layer thickness dependence.

Description

Gleichzeitiges Bestimmen von Schichtdicke und Substrattemperatur während des BeschichtensSimultaneous determination of layer thickness and substrate temperature during coating
Das technische Gebiet der Erfindung ist die Temperatur- und Schicht-Dickenmessung während des Beschichtungsprozesses von Substraten mit bekannten Beschichtungs-Technologien in Halbleiter-Fertigungsanlagen, Plasma-, Ionen- und anderen Trocken-Ätzanlagen sowie bei der Herstellung optischer Schichten.The technical field of the invention is the temperature and layer thickness measurement during the coating process of substrates with known coating technologies in semiconductor manufacturing systems, plasma, ion and other dry etching systems and in the production of optical layers.
Messungen der Substrattemperatur gehören zu den bedeutendsten Hilfsmitteln bei der Prozeßkontrolle von Beschichtungs- Vorgängen. Die Substrattemperatur bestimmt das Kristallisations- Verhalten, kennzeichnet die Aufwachs-Geschwindigkeit, Diffusions-Geschwindigkeit, etc. und beeinflußt thermodynamische, chemische und physikalische Prozesse gleichermaßen. In der Halbleiter- und der elektronischen Bauteilefertigung, bei der optischen Vergütung, der Herstellung von Hochleistungs-Optiken, IOC (integrad optical circuits) , Halbleiter-Laserdioden etc. sind Temperaturmessungen deshalb von herausragender Bedeutung.Measuring the substrate temperature is one of the most important tools in the process control of coating processes. The substrate temperature determines the crystallization behavior, characterizes the growth rate, diffusion rate, etc. and influences thermodynamic, chemical and physical processes equally. In semiconductor and electronic component production, in optical coating, in the manufacture of high-performance optics, IOC (integrad optical circuits), semiconductor laser diodes etc., temperature measurements are therefore of outstanding importance.
Das trifft auf alle Prozesse zu, bei denen Beschichtungstechnologien, wie z. B. CVD (chemical vapor deposition) , MBE (molecular beam epitaxy) , thermische Oxidation, Kathodenzerstäubung ("Sputtering") oder Plasmapolymerisation eingesetzt werden.This applies to all processes in which coating technologies, such as. B. CVD (chemical vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), thermal oxidation, sputtering or plasma polymerization can be used.
Aufgrund solcher Prozeßbedingungen, wie hohe Temperaturen, Ultrahochvakuum (UHV) , chemisch reaktive Umgebung, rotierende Substrate ist eine direkte Messung der Substrattemperatur über geeichte Platinfilm- iderstände (meist: Thermoelemente) oder andere Kontaktthermometer meistens nicht möglich, so daß die Substrattemperatur über pyrometrische Messungen bestimmt wird. Da die detektierte Temperaturstrahlung an der aufwachsenden Schicht interferiert, ist die gemessene Strahlungsintensität sowohl von der Temperatur T als auch von der Schichtdicke d (Filmdicke) abhängig. Beobachtet man das Pyrometersignal während des Beschichtungsprozesses, so oszilliert es aufgrund der sich ändernden Schichtdicke, selbst wenn die Temperatur konstant bleibt.Due to process conditions such as high temperatures, ultra-high vacuum (UHV), chemically reactive environment, rotating substrates, direct measurement of the substrate temperature using calibrated platinum film resistors (mostly: thermocouples) or other contact thermometers is usually not possible, so that the substrate temperature is determined using pyrometric measurements becomes. Since the detected temperature radiation interferes with the growing layer, the measured radiation intensity is dependent both on the temperature T and on the layer thickness d (film thickness). If you observe the pyrometer signal during the coating process, it oscillates due to the changing layer thickness, even if the temperature remains constant.
Als Folge der Interferenzerscheinungen ändert sich die Emissivität ε während der Beschichtung ständig, so daß eine pyrometrische Temperaturmessung nicht angewandt werden kann. Besonders problematisch ist die pyrometrische Temperaturmessung an Vielschichtsystemen, deren aktuelle Emissivität von den Dicken aller Schichten, deren optischen Konstanten, den Temperaturabhängigkeiten der optischen Konstanten, dem Beobachtungswinkel und der Beobachtungswellenlänge abhängt .As a result of the interference phenomena, the emissivity ε changes constantly during the coating, so that a pyrometric temperature measurement cannot be used. The pyrometric temperature measurement on multilayer systems is particularly problematic, the current emissivity of which depends on the thickness of all layers, their optical constants, the temperature dependencies of the optical constants, the observation angle and the observation wavelength.
In situ Meßsysteme zur Temperaturbestimmung in Echtzeit während der Beschichtung sind erst seit kurzem bekannt. Das in E.S.Hellmann und J.S.Harris, J.Crys.Grow. , 81, 38-42 (1988) beschriebene Verfahren beruht auf der Temperaturabhängigkeit der Bandlücke von Halbleiter-Wafern und kann nur in Prozessen angewandt werden, deren Prozeßkammergeometrie eine Transmissionsmessung zuläßt und wo die Bandkante des Substrats im spektroskopisch zugängigen Bereich liegt. So kann beispielsweise an Quarz- oder Metallsubstraten die Temperatur nicht gemessen werden.In situ measuring systems for real-time temperature determination during coating have only recently become known. The in E.S. Hellmann and J.S. Harris, J.Crys.Grow. , 81, 38-42 (1988) is based on the temperature dependence of the band gap of semiconductor wafers and can only be used in processes whose process chamber geometry allows transmission measurement and where the band edge of the substrate lies in the spectroscopically accessible area. For example, the temperature cannot be measured on quartz or metal substrates.
Dieses Verfahren blieb deshalb in seiner praktischen Anwendbarkeit auf MBE (Molecular Beam Epitaxy) Anlagen beschränkt, die für Indium-Free-Mounting ausgelegt waren, d. h. das Substrat ist nicht - wie üblich - auf einem Molybdänblock aufgeklebt, sondern direkt vor die Heizelemente montiert ("mounted") .This method was therefore limited in its practical applicability to MBE (Molecular Beam Epitaxy) systems which were designed for indium-free mounting, i. H. the substrate is not - as usual - glued to a block of molybdenum, but mounted directly in front of the heating elements.
Weitere in situ Temperatur-Meßverfahren verwenden den Funktions-Zusammenhang zwischen Temperatur und Brechungsindex aus (z. B. ellipsometrische Temperaturmessung), die allerdings eine genaue Kenntnis der Temperatur-Abhängigkeit der Materialkonstanten voraussetzen. Da für die meisten Materialien dieser Funktions-Zusammenhang nicht bekannt ist, sind diese Verfahren bis jetzt noch kaum in der Anwendung zu finden.Other in-situ temperature measurement methods use the functional relationship between temperature and refractive index (e.g. ellipsometric temperature measurement), which, however, require precise knowledge of the temperature dependence of the material constants. As for most materials this function connection is not known, these methods have so far hardly been used.
Im jetzigen Stand der Technik ist deshalb eine in situ Temperaturmessung des Substrates während der Beschichtung in den meisten Fällen nicht möglich oder nicht praktikabel.In the current state of the art, in-situ temperature measurement of the substrate during the coating is therefore not possible or not practical in most cases.
Ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine geeignete Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens vorzuschlagen, womit die gleichzeitige Bestimmung von Schichtdicke und Substrattemperatur in Beschichtungsprozessen ermöglicht wird. Beide Größen sollen dabei in situ direkt auf der Waferoberflache gemessen werden, das Verfahren soll echtzeitfähig sein und sich insbesondere als Meßsystem zur Prozeßkontrolle eignen.Starting from the described prior art, it is the object of the invention to propose a method and a suitable device for realizing the method, which enables the simultaneous determination of layer thickness and substrate temperature in coating processes. Both parameters should be measured in situ directly on the wafer surface, the process should be real-time capable and particularly suitable as a measuring system for process control.
Die tragenden Merkmale einer erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe sind im Patentanspruch 1 zusammengefaßt. Zur Durchführung dieser Verfahrenslehre wird die technische Lehre gemäß Anspruch 5 vorgeschlagen. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen näher umschrieben.The basic features of an inventive solution to this problem are summarized in claim 1. To carry out this methodology, the technical teaching according to claim 5 is proposed. Further developments of the invention are described in more detail in the respective dependent claims.
Gemäß der Erfindung kann neben einem pyrometrischen Detektor zur Messung der Temperaturstrahlung ein Laser oder eine monochromatisierte andere Lichtquelle, beispielsweise eineAccording to the invention, in addition to a pyrometric detector for measuring the temperature radiation, a laser or a monochromatized other light source, for example one
Halogenlampe mit vorgeschaltetem Interferenzfilter, zusammen mit einem zugehörigen Detektor eingesetzt werden, wobei der Detektor für die reflektierte Strahlung zur Vermessung der von der jeweiligen Schichtdicke abhängigen Emissivität des beschichteten Substrats dient .Halogen lamp with an upstream interference filter can be used together with an associated detector, the detector being used for the reflected radiation to measure the emissivity of the coated substrate which is dependent on the respective layer thickness.
Die Transmissionswellenlänge der Filter und die Wellenlänge des Lasers bzw. der monochromatisierten Lichtquelle sowie der Beobachtungswinkel sollten gleich sein.The transmission wavelength of the filter and the wavelength of the laser or the monochromatized light source as well as the observation angle should be the same.
Die Erfindung der in situ Temperaturbestimmung geht von den nachfolgend dargestellten physikalischen Zusammenhängen aus. Die vom Substrat emittierte Temperaturstrahlung wird an der aufwachsenden Schicht mehrfach reflektiert und gebrochen. Die so entstehenden Teilstrahlen interferieren miteinander, so daß das über Filter und Linsensystem empfangene Detektorsignal bei konstanter Temperatur T in Abhängigkeit von der Schichtdicke d oszilliert (R=f (d) ) .The invention of the in situ temperature determination is based on the physical relationships shown below. The temperature radiation emitted by the substrate is repeatedly reflected and refracted on the growing layer. The partial beams thus generated interfere with one another, so that the detector signal received via the filter and lens system oscillates at a constant temperature T as a function of the layer thickness d (R = f (d)).
Man kann diesen Sachverhalt durch Einführung eines von der Schichtdicke abhängigen Emissionskoeffizienten ε(λ,T,d) (Emissivität) beschreiben. Das Signal am Pyrometer P ist dann proportional zuThis can be described by introducing an emission coefficient ε (λ, T, d) (emissivity) that depends on the layer thickness. The signal at the pyrometer P is then proportional to
1 ε-f. planck = ε λ51 ε-f. planck = ε λ5
-__. λT-__. λT
- 1 mit c1 = 3.741-104 W cm-2 μm4 and c2 = 1.438-104 μτn K. üpianck steht für die Plancksche Strahlungsformel und λ für die Wellenlänge. Für das auf den Anfangswert P normierte Signal ergibt sich- 1 with c 1 = 3.741-10 4 W cm -2 μm 4 and c 2 = 1.438-10 4 μτn K. üpianck stands for Planck's radiation formula and λ for the wavelength. The result for the signal normalized to the initial value P is
ε-f.planck (λ,T) po εo' planck (λ*T0 ) ε-f.planck (λ, T) p o ε o ' planck (λ * T 0 )
wobei T die Temperatur beim Beginn der Beschichtung ist. Nach dem Kirchhoffsehen Gesetz ist die Emission gleich der Absorption: ε=A. Da aufgrund des Energieerhaltungssatzes aber Reflektivität R + Absorption A + Transmission TR = 1 gelten muß, ergibt sich für den Fall eines undurchsichtigen Substrats (Transmission TR=0) ε=l-R.where T is the temperature at the start of the coating. According to Kirchhoff's law, the emission is equal to the absorption: ε = A. However, since due to the energy conservation law reflectivity R + absorption A + transmission TR = 1 must apply, in the case of an opaque substrate (transmission TR = 0) ε = 1-R.
Die Reflektivität R wird durch einen Reflektometerast im mit der Erfindung vorgeschlagenen Meßaufbau gemessen, für dessen auf den Anfangswert LQ normierte Intensität L sich L/LQ = R/RQ ergibt. Für ε erhält man alsoThe reflectivity R is measured by a reflectometer branch in the measurement setup proposed by the invention, for whose intensity L normalized to the initial value L Q results L / L Q = R / R Q. So for ε one gets
ε =1-R = 1 - RQ-L/L0 wobei RQ als Reflexion des unbeschichteten Substrates durch Messung, Eichung oder aus der Literatur ermittelt werden kann.ε = 1-R = 1 - R Q -L / L 0 where R Q can be determined as a reflection of the uncoated substrate by measurement, calibration or from the literature.
Nimmt man die auf den Anfangswert normierten Detektorsignale P/P und L/LQ zu Hilfe, läßt sichIf one takes the detector signals P / P and L / L Q standardized to the initial value, then
P = (1 - R0 - L/L0) λ5 C<->/λT P0 (i - Ro) planck^'^o) P = (1 - R 0 - L / L 0 ) λ5 C <-> / λT P 0 ( i - R o ) planck ^ ' ^ o )
schreiben. Durch Umstellung erhält man daraus für die Temperatur die Gleichung (1) , die nur von L und P abhängig ist.write. By changing the temperature equation (1) is obtained, which is only dependent on L and P.
Figure imgf000007_0001
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Es ergibt sich also eine eindeutige Auswertevorschrift, die eine Temperaturbestimmung ermöglicht, die nicht mehr von der aufwachsenden Schichtdicke sowie mangelnder Kenntnis der wahren Materialkonstanten verfälscht wird.This results in a clear evaluation rule that enables a temperature determination that is no longer falsified by the growing layer thickness and a lack of knowledge of the true material constants.
Die Anfangstemperatur TQ läßt sich z. B. durch einfache Pyrometrie bestimmen.The initial temperature T Q can, for. B. determine by simple pyrometry.
Die thermische Strahlung des Substrats und die reflektierteThe thermal radiation of the substrate and the reflected
Strahlung einer Lichtquelle werden durch jeweils einen Detektor gemessen, wobei mittels einer zu jedem Detektor gehörenden phasenempfindlichen Modulationstechnik sichergestellt wird, daß in einem Detektorast A nur die vom Substrat reflektierte Strahlung der Lichtquelle proportional zur Reflektivität R und im zweiten Detektorast B nur die thermische Strahlung proportional zu ε' fpianck gemessen wird.Radiation from a light source is measured by one detector each, with a phase-sensitive modulation technique belonging to each detector ensuring that in a detector branch A only the radiation of the light source reflected by the substrate is proportional to the reflectivity R and in the second detector branch B only the thermal radiation is proportional to ε 'fpianck is measured.
Die "Äste" sind im Zuge des Strahlengangs zu sehen, wobei der Ast A Lichtquelle - Substrat - Reflektometer - erster Detektor und der Ast B Substrat - zweiter Detektor im Strahlengang hat. Die phasenempfindliche Modulationstechnik besteht aus jeweils einem Chopper, der mit einem Lock-in Verstärker in Verbindung steht, wobei zwischen dem Chopper A der Lichtquelle und dem Chopper B vor dem Detektor für die thermische Strahlung eine Phasendifferenz von π besteht und die Spaltbreite von Chopper A etwa 3 bis 7 mal kleiner ist als bei Chopper B. Dadurch gelangt weder reflektierte noch Streustrahlung von der Lichtquelle an den thermischen Detektor.The "branches" can be seen in the course of the beam path, the branch A light source - substrate - reflectometer - first detector and the branch B substrate - second detector in the beam path. The phase-sensitive modulation technique consists of a chopper, which is connected to a lock-in amplifier, with a phase difference of π between chopper A of the light source and chopper B in front of the detector for thermal radiation, and the gap width of chopper A approximately 3 to 7 times smaller than with Chopper B. This means that neither reflected nor scattered radiation from the light source reaches the thermal detector.
Gemäß Anspruch 3 wird mit einem ersten Chopper Licht in einem schmalen ersten Frequenzband bereitgestellt, mit einem zweiten Chopper wird die thermische Strahlung in ein zweites Frequenzband moduliert.According to claim 3, light is provided in a narrow first frequency band with a first chopper, and the thermal radiation is modulated into a second frequency band with a second chopper.
Am Detektor im Reflektometerast A für die reflektierte Strahlung liegen also Frequenzkomponenten um fl (von der reflektierten Strahlung) sowie sehr tieffrequente (praktisch DC) Komponenten (von der thermischen Strahlung) an. Der zugehörige Lock-in Verstärker registriert nur solche Signale, die in einem schmalen Band um fl liegen. Die tieffrequenten thermischen Komponenten werden also herausgefiltert. Am Ausgang dieses Lock-in Verstärkers liegt damit ein Signal proportional zur Reflektivität R an.Frequency components around fl (from the reflected radiation) and very low-frequency (practically DC) components (from the thermal radiation) are therefore present at the detector in the reflectometer branch A for the reflected radiation. The associated lock-in amplifier only registers signals that are in a narrow band around fl. The low-frequency thermal components are therefore filtered out. A signal proportional to the reflectivity R is thus present at the output of this lock-in amplifier.
Analog verhält es sich mit dem Detektorast B für die SubstratStrahlung, wobei die thermische Strahlung vom zugehörigen Chopper in einen Frequenzbereich um f2 moduliert wird, während die reflektierte Strahlung in den Frequenzbereichen fl+f2 und fl-f2 vorliegt. Der zweite Lock-in Verstärker unterdrückt alle Komponenten, die nicht in einem schmalen Frequenzband um f2 liegen. Falls fl und f2 genügend weit auseinander liegend gewählt werden, ist die Ausgangsspannung an diesem Lock-in Verstärker proportional zu ε" fPlanck• The same applies to the detector branch B for the substrate radiation, the thermal radiation being modulated by the associated chopper into a frequency range around f2, while the reflected radiation is present in the frequency ranges fl + f2 and fl-f2. The second lock-in amplifier suppresses all components that are not in a narrow frequency band around f2. If fl and f2 are chosen to be sufficiently far apart, the output voltage at this lock-in amplifier is proportional to ε "f Planck •
An den Detektoren kann eine analoge oder eine digitale Signalverarbeitung angeschlossen sein, die aus den Signalen in Echtzeit mit der Auswertevorschrift nach Gleichung (1) die aktuelle Temperatur T bestimmt, während die Schichtdicke durch einen Vergleich der Reflektivitätskurve mit der theoretischen Schichtdicken-Abhängigkeit [R=f (d) ] ermittelt wird.Analog or digital signal processing can be connected to the detectors, which processes the signals from the signals in real time using the evaluation rule according to equation (1) Current temperature T is determined while the layer thickness is determined by comparing the reflectivity curve with the theoretical layer thickness dependency [R = f (d)].
Die auf diese Weise bestimmte Temperatur T kann zur Prozeßkontrolle bzw. -regelung eingesetzt werden.The temperature T determined in this way can be used for process control or regulation.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung (Anspruch 5) besteht aus einem Reflektometerast A und einem Substratstrahlungsast B zur Messung der Intensität der thermischen Substratstrahlung.The measuring device according to the invention (claim 5) consists of a reflectometer branch A and a substrate radiation branch B for measuring the intensity of the thermal substrate radiation.
Im Substratstrahlungs-Ast B ist ein erster Detektor und im Reflektometer-Ast A ein zweiter Detektor zur Erfassung der von einer Lichtquelle ausgesendeten und vom Wafer reflektierten Strahlung vorgesehen.A first detector is provided in the substrate radiation branch B and a second detector in the reflectometer branch A for detecting the radiation emitted by a light source and reflected by the wafer.
Die Monochromatisierung der Strahlung der Lichtquelle desThe monochromatization of the radiation from the light source of the
Reflektometerastes und der thermischen Strahlung des Substrates erfolgt dabei durch denselben oder durch baugleiche Filter.Reflectometrastes and the thermal radiation of the substrate takes place through the same or identical filters.
Jedem Detektor ist ein Chopper sowie ein Lock-in Verstärker zugeordnet.A chopper and a lock-in amplifier are assigned to each detector.
Die Meßvorrichtung kann so aufgebaut sein, daß der Einfallswinkel des Reflektometerlichtes und derThe measuring device can be constructed so that the angle of incidence of the reflectometer light and the
Beobachtungswinkel des Pyrometerastes gleich sind.Viewing angles of the pyrometer branch are the same.
Als Lichtquellen können monochromatische Quellen, wie beispielsweise Laser oder Weißlichtquellen in Form von Globarstäben (SiC) , Schwarzkörperstrahlern, Halogenlampen u.a.m. eingesetzt werden.Monochromatic sources, such as lasers or white light sources in the form of globar rods (SiC), blackbody emitters, halogen lamps, etc., can be used as light sources. be used.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegenüber konventionellen Meßmethoden durch eine Reihe überraschender Vorteile aus: - Die Bestimmung der Emissivität ε ist völlig unabhängig von irgendwelchen Vorkenntnissen über das Material, d. h. weder die optischen Konstanten noch die Dicken der aufgebrachten Schichten werden für eine Temperaturmessung benötigt.The method according to the invention is distinguished from conventional measuring methods by a number of surprising advantages: - The determination of the emissivity ε is completely independent of any prior knowledge of the material, ie neither the optical constants nor the thicknesses of the applied layers are required for a temperature measurement.
- Für eine Temperaturmessung gibt es praktisch keine Einschränkungen bezüglich Material- und- For a temperature measurement there are practically no restrictions regarding material and
Schichtdickenkonfiguration; Halbleiter (Si, GaAs, InP, InSb, HgTe, CdTe sowie ternäre und quartanäre Systeme) und Isolatoren sind genauso geeignet wie Metallschichten; die Dicken der aufgebrachten Schichten dürfen zwischen einer Atomlage und mehreren hundert μm liegen.Layer thickness configuration; Semiconductors (Si, GaAs, InP, InSb, HgTe, CdTe as well as ternary and quaternary systems) and insulators are just as suitable as metal layers; the thickness of the applied layers may be between an atomic layer and several hundred μm.
Die Auswertung erfolgt in Echtzeit. Somit kann das Verfahren auch zur Steuerung schnell veränderlicher Prozesse eingesetzt werden (z.B. in RTP-Anlagen [Rapid Thermal Processing]) .The evaluation takes place in real time. This means that the process can also be used to control rapidly changing processes (e.g. in RTP systems [Rapid Thermal Processing]).
- Gleichzeitige Messung von Temperatur T und Schichtdicke d während des Prozesses.- Simultaneous measurement of temperature T and layer thickness d during the process.
- Die Temperaturmessung wird nicht durch die Interferenz- Oszillationen der Temperaturstrahlung an der aufwachsenden Schicht d(t) verfälscht.- The temperature measurement is not falsified by the interference oscillations of the temperature radiation on the growing layer d (t).
- Hohes Auflösungsvermögen, sowohl bezüglich Temperatur als auch Schichtdicke.- High resolution, both in terms of temperature and layer thickness.
- Sehr günstiges Kosten/Nutzen-Verhältnis, da nur wenige kommerziell erhältliche Komponenten benötigt werden.- Very favorable cost / benefit ratio, since only a few commercially available components are required.
Darüberhinaus gelten die üblichen Vorteile von optischen in situ Messungen:The usual advantages of optical in situ measurements also apply:
- Kein zusätzlicher Handhabe-Mechanismus.- No additional handle mechanism.
- Unempfindlich gegenüber feindlichen Umgebungen.- Insensitive to hostile environments.
- Gute Einkopplungs-Möglichkeit in Vakuumprozesse. Einsatzgebiete sind die Vermessung von Temperatur und Schichtdicke während des Prozesses und daraus ableitbare Anwendungen, wie z. B. die Prozeßsteuerung und -Überwachung in der Beschichtungs-Technologie, experimentelle Überprüfung von Simulationsmodellen in der Grundlagenforschung und der Prozeßoptimierung. - Good coupling possibility in vacuum processes. Areas of application are the measurement of temperature and layer thickness during the process and derived applications, such as. B. the process control and monitoring in coating technology, experimental verification of simulation models in basic research and process optimization.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, auf das ausdrücklich verwiesen wird.The invention is described below using an exemplary embodiment to which express reference is made.
Figur 1 zeigt die prinzipielle Darstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung.Figure 1 shows the basic representation of an example of a measuring device according to the invention.
Dieser - die erwähnte Gleichung (1) für die Bestimmung der Temperatur T umsetzende - Meßaufbau umfaßt in einer Ausführungsvariante die folgenden Komponenten:In one embodiment variant, this measurement set-up, which converts the aforementioned equation (1) for determining the temperature T, comprises the following components:
Die Intensität der thermischen Strahlung des Substrats 1 wird von einem schmalbandigen Interferenzfilter 3 monochromatisiert und mittels eines ersten Detektors 7 für die Auswertung der SubstratStrahlung, der bei der entsprechenden Wellenlänge empfindlich ist, gemessen. Zusätzlich wird die gerichtete Strahlung einer Lichtquelle 6 ebenfalls durch denselben oder - falls man zwei Interferenzfilter auf die beiden (optischen) Detektoräste A und B verteilt - einen transmissionsgleichen Filter monochromatisiert und auf das Substrat 1 eingestrahlt. Das reflektierte Licht wird von einem zweiten Detektor 8 gemessen.The intensity of the thermal radiation of the substrate 1 is monochromatized by a narrow-band interference filter 3 and measured by means of a first detector 7 for evaluating the substrate radiation, which is sensitive at the corresponding wavelength. In addition, the directional radiation from a light source 6 is also monochromatized by the same or - if one distributes two interference filters to the two (optical) detector branches A and B - a filter of the same transmission and irradiated onto the substrate 1. The reflected light is measured by a second detector 8.
Der Strahlengang im Meßsystem und damit die Anordnung der Bauelemente Objektiv 2, Filter 3, Strahlteiler 4.1 und 4.2, Linse 5 ist dabei so ausgeführt, daß sowohl die thermische Strahlung als auch die reflektierte Strahlung der Lichtquelle 6 auf beide Detektoren 7, 8 auftrifft. Um zu erreichen, daß im einen Detektorast B nur die thermische Strahlung proportional zu ε"^Planck unc^ ^m anderen Detektorast A nur die reflektierteThe beam path in the measuring system and thus the arrangement of the components lens 2, filter 3, beam splitter 4.1 and 4.2, lens 5 is designed such that both the thermal radiation and the reflected radiation from the light source 6 impinge on both detectors 7, 8. In order to ensure that in one detector branch B only the thermal radiation proportional to ε "^ Planck unc ^ ^ m at the other detector branch A only reflected
Strahlung proportional zur Reflektivität R gemessen wird, greift man auf phasenempfindliche Modulationstechnik zurück. Jedem Detektor ist dazu jeweils ein optischer Modulator (Chopper) 9, 11 sowie jeweils ein Lock-in Verstärker 10, 12 zugeordnet. Am Detektor 8 für die reflektierte Strahlung werden Frequenzkomponenten um fl - verursacht durch die von der Lichtquelle 6 ausgesendete, vom Chopper 9 in den Frequenzbereich um fl gemischte und vom Substrat 1 reflektierte Strahlung - sowie sehr niederfrequente Komponenten von der thermischen Strahlung des Substrats 1 empfangen. Vom zugehörigen Lock-in¬ Verstärker 10 werden nur die Signale registriert, die im Frequenzband um fl liegen; damit liegt am Ausgang dieses Lock- in-Verstärkers 10 ein Signal an, das proportional zur Reflektivität R ist.Radiation proportional to the reflectivity R is measured, one relies on phase-sensitive modulation technology. For this purpose, each detector is assigned an optical modulator (chopper) 9, 11 and a lock-in amplifier 10, 12. Frequency components around fl - caused by the radiation emitted by the light source 6, mixed by the chopper 9 into the frequency range around fl and reflected by the substrate 1 - and very low-frequency components by the thermal radiation of the substrate 1 are received at the detector 8 for the reflected radiation. The associated lock-in amplifier 10 only registers the signals which lie in the frequency band around fl; thus there is a signal at the output of this lock-in amplifier 10 which is proportional to the reflectivity R.
Im optischen Ast B wird in analoger Weise die thermische Strahlung des Substrats 1 vom Detektor 7 empfangen, die mittels Chopper 11 in einen Frequenzbereich um f2 moduliert wurde. Die AusgangsSpannung am Lock-in Verstärker 12 ist hier proportional zu ε-fpianck- Die weitere Auswertung erfolgt auf der Grundlage der Gleichung (1) .In the optical branch B, the thermal radiation of the substrate 1 is received in an analogous manner by the detector 7, which was modulated by means of chopper 11 into a frequency range around f2. The output voltage at the lock-in amplifier 12 is here proportional to ε-fpianck. The further evaluation takes place on the basis of equation (1).
Der erläuterte Meßaufbau stellt nur eine von mehreren Möglichkeiten dar. Bei anderen Ausführungsformen muß beispielsweise die Einfallsrichtung der Strahlung nicht senkrecht sein. In diesem Falle werden die beiden Detektoräste A und B von der Lichtquelle räumlich getrennt sein. The measurement setup explained represents only one of several possibilities. In other embodiments, for example, the direction of incidence of the radiation need not be perpendicular. In this case, the two detector branches A and B will be spatially separated from the light source.

Claims

Ansprüche :Expectations :
Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke (d) und der Substrattemperatur (T) während der Beschichtung von Substraten (1) in Vorrichtungen zur Fertigung von Halbleitern oder in Beschichtungsanlagen unter Verwendung einer detektierten Temperaturstrahlung von dem (gerade) beschichteten Substrat (1) , dadurch gekennzeichnet, daß die Emissivität (ε) von einem Reflektometer nach Gleichung ε=l-R bestimmt wird; daß die Bestimmung der Temperatur (T) nach der AuswertevorschriftMethod for determining the layer thickness (d) and the substrate temperature (T) during the coating of substrates (1) in devices for the production of semiconductors or in coating systems using a detected temperature radiation from the (straight) coated substrate (1), characterized in that that the emissivity (ε) is determined by a reflectometer according to the equation ε = lR; that the determination of the temperature (T) according to the evaluation specification
erfolgt ;
Figure imgf000014_0001
wobei die Anfangstemperatur (TQ) durch Pyrometrie ermittelt wird, und die Schichtdicke (d) durch einen Vergleich der Reflektivitäts-Kurve mit der theoretischen Schichtdicken- Abhängigkeit (R=f(d)) bestimmt wird.he follows ;
Figure imgf000014_0001
the initial temperature (T Q ) being determined by pyrometry, and the layer thickness (d) being determined by comparing the reflectivity curve with the theoretical layer thickness dependency (R = f (d)).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Strahlung des Substrates (1) und die reflektierte Strahlung einer Lichtquelle (6) durch jeweils einen Detektor (7,8) gemessen wird und mittels einer zu jedem Detektor gehörenden phasenempfindlichen Modulationstechnik - enthaltend jeweils einen Chopper (9,11) sowie einen damit verbundenen Lock-in-Verstärker (10,12) - erreicht wird, daß in einem Detektorast (A) nur die vom Substrat (1) reflektierte Strahlung der Lichtquelle (6) proportional zur Reflektivität (R) und im anderen Detektor (B) nur die thermische Strahlung proportional zu ε - ^-p a c]_ gemessen wird; daß die Signale der Detektoren (7,8) analog oder digital verarbeitet werden, um aus den Signalen in Echtzeit mit der Auswertevorschrift die Temperatur (T) zu bestimmen. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (6) mittels des optischen Choppers (9) in dem schmalen ersten Frequenzbereich (um fl) bereitgestellt wird und die thermische Strahlung vom zweiten Chopper (11) in einen zweiten Frequenzbereich (um f2) moduliert wird.Method according to Claim 1, characterized in that the thermal radiation from the substrate (1) and the reflected radiation from a light source (6) are measured by a detector (7, 8) in each case and by means of a phase-sensitive modulation technique belonging to each detector - each containing one Chopper (9, 11) and an associated lock-in amplifier (10, 12) - is achieved that in a detector branch (A) only the radiation from the light source (6) reflected by the substrate (1) is proportional to the reflectivity (R ) and in the other detector (B) only the thermal radiation proportional to ε - ^ -p ac] _ is measured; that the signals from the detectors (7, 8) are processed analog or digital in order to determine the temperature (T) from the signals in real time using the evaluation specification. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the light of the light source (6) by means of the optical chopper (9) is provided in the narrow first frequency range (to fl) and the thermal radiation from the second chopper (11) in one second frequency range (around f2) is modulated.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nach der Auswertevorschrift bestimmte Temperatur (T) zur Prozeßregelung eingesetzt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the temperature (T) determined according to the evaluation regulation is used for process control.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, - daß zur Messung der Intensität der thermischen5. Device for performing the method according to one of claims 1 to 4, characterized in that - that for measuring the intensity of the thermal
Substratstrahlung in einem Temperaturstrahlungs-Ast (B) ein erster Detektor (7) vorhanden ist; daß im Reflektometerast (A) ein zweiter Detektor (8) zur Erfassung der von einer Lichtquelle (6) ausgesendeten und vom Substrat (1) reflektierten Strahlung vorgesehen ist; wobei die Lichtquelle (6) des Reflektometer-Astes (A) und die thermische Strahlung des Substrates (1) durch denselben oder baugleiche Filter (3) monochromatisiert sind; wobei den Detektoren (7,8) jeweils ein Chopper (9,11) sowie ein Lock-in Verstärker (10,12) zugeordnet sind.Substrate radiation in a temperature radiation branch (B), a first detector (7) is present; that a second detector (8) is provided in the reflectometer branch (A) for detecting the radiation emitted by a light source (6) and reflected by the substrate (1); wherein the light source (6) of the reflectometer branch (A) and the thermal radiation of the substrate (1) are monochromatized by the same or identical filter (3); wherein the detectors (7, 8) are each assigned a chopper (9, 11) and a lock-in amplifier (10, 12).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel des Reflektometerlichtes und der Beobachtungswinkel des Temperaturstrahlungs-Astes (Pyrometer-Ast) gleich sind.6. The device according to claim 5, characterized in that the angle of incidence of the reflectometer light and the observation angle of the temperature radiation branch (pyrometer branch) are the same.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6) eine monochromatische Quelle, wie Laser, Weißlichtquelle in Form von Globarstäben (SIC) , Schwarzkörperstrahler, Halogenlampe ist. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht senkrechtem Einfall der Strahlung auf das Substrat (1) die beiden Detektoräste (A,-B) von der Lichtquelle (6) räumlich getrennt ausgeführt sind.7. Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the light source (6) is a monochromatic source, such as a laser, white light source in the form of globar rods (SIC), blackbody radiator, halogen lamp. 8. Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the non-perpendicular incidence of the radiation on the substrate (1), the two detector branches (A, -B) of the light source (6) are spatially separated.
9. Verfahren zum echtzeitfähigen, gleichzeitigen Bestimmen von Film-Schichtdicke (d) und Temperatur (T) unmittelbar auf der Oberfläche (in situ) eines - einem Beschichtungsverfahren unterworfenen - Substrats (1) , wie Wafer, bei dem die zeitlichen Meßsignale eines Pyrometers (A,-5,8,10) und eines Reflektometers (B;7, 11, 12) zeitgleich ausgewertet werden.9.Method for real-time capable, simultaneous determination of film layer thickness (d) and temperature (T) directly on the surface (in situ) of a substrate (1) which is subjected to a coating process, such as a wafer, in which the temporal measurement signals of a pyrometer ( A, -5,8,10) and a reflectometer (B; 7, 11, 12) can be evaluated at the same time.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Emissivität (ε) zur Bestimmung der Reflektivität (R) herangezogen wird.10. The method according to claim 9, wherein the emissivity (ε) is used to determine the reflectivity (R).
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Substrat (1) undurchsichtig ist. 11. The method according to claim 9 or 10, wherein the substrate (1) is opaque.
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