DE19807649B4

DE19807649B4 - Vorrichtung und Verfahren zur dreidimensionalen Messung und Beobachtung dünner Schichten

Info

Publication number: DE19807649B4
Application number: DE19807649A
Authority: DE
Inventors: Jean Canteloup; Roland Kleim
Original assignee: Horiba Jobin Yvon SAS
Current assignee: Horiba Jobin Yvon SAS
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1998-02-23
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: FR2760085B1; FR2760085A1; US5898500A; DE19807649A1; JP4083859B2; GB2322697A; JPH10300422A; GB2322697B; GB9718230D0

Abstract

Vorrichtung zur dreidimensionalen Messung und Beobachtung in situ und in Echtzeit einer Oberflächenschicht einer Struktur aus dünnen Schichten während einer Behandlung in einer Vakuumbehandlungskammer (1), die mit einem Fenster an einer Wand versehen ist, die Vorrichtung bestehend aus einer Überwachungseinheit (4), die ein kompaktes Gehäuse aufweist, das eine Videokamera (12), eine Beleuchtungsquelle (14) mit einem breiten Strahl, eine Beleuchtungsquelle (20) mit einem schmalen Strahl und optische Komponenten enthält, einer Auswerte- und Steuereinheit (8), die einen optischen und einen elektrischen Anschluß aufweist, die am Gehäuse der Überwachungseinheit befestigt sind, um sie über jeweils ein Glasfaserkabel und ein elektrisches Kabel mit der Auswerte- und Steuereinheit zu verbinden, und einem Tisch (5), der oberhalb der Vakuumbehandlungskammer angeordnet ist, um einerseit eine horizontale Verschiebung der Überwachungseinheit längs zwei Achsen (X, Y) um eine Stelle auszuwählen, und andererseits eine genaue Positionierung sicherzustellen, damit die beiden auftreffenden Strahlen und die beiden, von der Oberflächenschicht reflektierten Strahlen...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung dreidimensionaler geometrischer Messungen in situ einer Oberflächenschicht mit einer Struktur aus dünnen Schichten in einer Vakuumbehandlungskammer zur Messung der Entwicklung der Struktur während eines Ätz- oder Ablagerungsverfahrens entsprechend den Oberbegriffen des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 8.
Anwendungsfälle der Erfindung sind die Steuerung in situ und in Echtzeit der Herstellung von Halbleiterschichten mit tiefer Ätzung in Silicium z. B. zur Herstellung von elektrischen Mikrosystemen oder zum Verdünnen von Mikromembranen, die zur Herstellung von Mikrosensoren bestimmt sind.
Aus der FR 2 680 414 A1 (SOFIE, vgl. auch US 5 355 217 A ) ist bereits eine kompakte Anordnung für Beobachtungen und gleichzeitige interferometrische Messungen durch Laser bekannt, um interferometrische Messungen in situ auf einer Ansammlung von dünnen Schichten durchführen zu können, die in einer Vakuumkammer angeordnet sind. Die Anordnung umfaßt eine Beobachtungskamera, deren Objektive einerseits von einem Beleuchtungsstrahl und andererseits von einem oder zwei Laserstrahlen für interferometrische Messungen durchlaufen werden.
Aufgrund dieser Technik kann man insbesondere den Laserstrahl auf die zu untersuchende Schicht positionieren und die Geschwindigkeit des Anwachsens oder Abnehmens der Dicke der Oberflächenschicht der Struktur aus dünnen Schichten messen. Jedoch haben der monochromatische Beleuchtungsstrahl und der Lasermeßstrahl nicht exakt die gleiche Wellenlänge, was ein Achromatismusproblem hervorruft, das die gleichzeitige Scharfeinstellung der beiden Lichtstrahlen nur dann ermöglicht, wenn die Objektive achromatisch sind. Außerdem ermöglicht diese Technik keine absolute Messung der Dicke der Oberflächenschicht in der beobachteten Zone, da sie auf einer interferometrischen differentiellen Messung beruht, die sich mit einer Periode von etwa λ/2n wiederholt, wobei λ die Beobachtungslänge und n der Brechungsindex der Oberflächenschicht ist.
Aus der FR 2 718 231 A1 (SOFIE) ist auch ein Verfahren zu Überwachung der Dicke einer örtlich begrenzten Zone der Oberflächenschicht einer Struktur aus dünnen Schichten bekannt, das in der Lage ist, die absolute Dicke der Oberflächenschicht in einer spezielle Analysezone zu messen, indem man eine Spektralanalyse mittels eines Spektrographen eines Lichtstrahls durchführt, der von einem Strahl weißen Lichts stammt, der von der Ansammlung von dünnen Schichten reflektiert wird. Diese Technik ist wirksam, ermöglicht es jedoch nur, die Dicke der Schicht und ihre Änderungsgeschwindigkeit in einer örtlich begrenzten Zone für Tiefen von max. einigen Dutzend Micron zu erfassen.
Die US 5 392 116 A beschreibt eine Phasenmeßmethode und ein Gerät zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen zwei polarisierten Lichtstrahlen zur Messung von Höhendifferenzen entlang einer Oberfläche. Das System umfasst eine Laserquelle und ein Wollaston-Prisma zum Auftrennen des Laserstrahls in zwei schmale Strahlen mit orthogonaler Polarisation, die auf die Oberfläche einer Probe gerichtet sind. Nach der Reflektion werden die schmalen reflektierten Lichtstrahlen durch das Wollaston-Prisma rekombiniert und auf ein Phasenverschiebungselement und einen bei 45° ausgerichteten Polarisator gerichtet. Das System der US 5 392 116 A offenbart jedoch keine Kamera zur Visualisierung der schmalen Lichtstrahlen auf der Probe.
Die US 5 420 711 A ein Differentialinterferenzmikroskop vom Reflektionstyp, das eine breite Lichtquelle, eine optische Vorrichtung zum Aufspalten des Strahls der Lichtquelle in zwei Einzelstrahlen und einen Polarisator enthält (13). Mit dieser Vorrichtung ist eine Beobachtung einer Probe, jedoch keine Messung von Höhendifferenzen oder des Schichtwachstums möglich.
Die DE 21 12 229 B2 offenbart ein System zur interferometrischen Messung eines Strahls großen Durchmessers aus einer monochromatischen Lichtquelle, z. B. einer Quecksilberlampe. Das Interferometer umfasst zwei Prismen in Tandemanordnung, um zwei Strahlen orthogonaler Polarisation, die räumlich um Δ verschoben sind, bereitzustellen. Ein Polarisator, der bei 45° von den polarisierten Strahlen angeordnet ist, rekombiniert die reflektierten Strahlen vor dem Detektor.
Die DE 1 447 254 A offenbart ein polarisierendes Interferometer, das ein Mikroskop umfasst, das zwei doppelbrechende Prismen, einen Analysator und einen Polarisator enthält. Ein Prisma ist um die Achse des Mikroskopobjektivs drehbar befestigt. Das andere Prisma ist innerhalb des Mikroskoptubus befestigt und kann parallel und senkrecht in Bezug auf die Achse des Objektivs verschoben werden. Der Polarisator und der Analysator sind bei 45° von der Kante des Prismas fixiert.
Bei den vier letztgenannten Schriften ist entweder die mikroskopische Beobachtung einer Probe oder die Messung von Höhendifferenzen auf der Probe möglich. Keine der Vorrichtungen ermöglicht beides.
Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht deshalb darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der die Höhendifferenz zwischen zwei spezifischen Zonen auf einer Oberfläche einer Probe gemessen werden kann, und mit der ein reflektierter polarisierter Lichtstrahl aus einem der beiden spezifischen Bereiche gemessen werden kann, während die Bereiche beobachtet werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zu schaffen, um die bisherigen Messungen, aber auch Messungen von Mustern großer Dicke bzw. Tiefe für mikromechanische Anwendungsfälle durchführen zu können. Wenn die Schichten dick bzw. die Muster tief sind, wird die Intensität des Lichts zum Messen sehr gering und die üblichen Techniken sind nicht mehr geeignet.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die eine momentane Messung der Differenz des Niveaus zwischen einer als Ursprung gewählten Oberfläche und dem geätzten bzw. abgelagerten Muster zu schaffen.
Die schmalen Lichtstrahlen sollen einfach auf der Oberfläche der Probe positionierbar sein. Bei der Ausrichtung soll es jedoch ermöglicht werden, die eingestellte Polarisation zu erhalten.
Desweiteren wird angestrebt, die Zahl der verwendeten Lichtquellen zu reduzieren.
Gelöst wird diese Aufgabe gem. der Erfindung durch die im Anspruch 1 bzw. 8 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Ausführungsform nach Anspruch 2 eignet sich besonders für die Messung sehr tiefer Muster.
Bei der Ausführungsform nach Anspruch 4 dient die Blende somit als Raumfilter zur Reduzierung des Lichts, das sich außerhalb der Bahn des reflektierten schmalen Lichtstrahls befindet.
Bei der Ausführungsform nach Anspruch 6 wird vorteilhafterweise bei Verwendung eines Laserstrahls eine Frequenzfilterung bewirkt.
Das Wollaston-Prisma gehört zur Kategorie von Polarisationszustandsseparatoren. Die austretenden Strahlen sind beidseitig zur mittleren Richtung des auftreffenden Strahls abgelenkt, diese Ablenkungen sind jedoch nicht exakt symmetrisch.
Wenn man z. B. ein Wollaston-Prisma mit einer Winkelseparation α = 30 Winkelminuten wählt, erhält man bei einem Abstand von 20 cm von der Struktur spezielle Zonen, die um etwa 450 Micron versetzt sind. Die Verschiebung des Wollaston-Prismas in der Kamera ermöglicht es, diesen Abstand einzustellen. Die Drehung des Wollaston-Prismas ermöglicht es, die beiden speziellen Zonen zu verschieben. Man kann so leicht eine spezielle Zone auf einem Abschnitt der Oberflächenschicht wählen, die durch eine Maske abgedeckt und somit von der Behandlung ausgespart ist, und die andere spezielle Zone in einem Abschnitt, der gerade geätzt wird. Man kann selbstverständlich mehrere Messungen an verschiedenen Abschnitten der Stelle durchführen, die gerade geätzt wird. Die Stelle kann mittels des Tisches mit horizontaler Verstellung geändert werden.
Wenn man die spezielle Zone am Rand zwischen einem Abschnitt, der gerade geätzt wird, und einem von der Maske abgedeckten Abschnitt anordnet, ergibt sich ein Brechungseffekt, den man an der Überwachungskamera beobachten kann, was es leicht ermöglicht, die spezielle Zone zu verschieben, um diesen Effekt zu vermeiden. Die Maske, die einen Abschnitt der Struktur aus dünnen Schichten abdeckt, ist für die verwendeten Wellenlängen mit einer Selektivität bzgl. der Struktur selbst in der Größenordnung von 50 transparent. Wenn die Selektivität zwischen dem geätzten Material und der Maske größer als 10 ist, beeinflußt die Ätzung der Maske die Genauigkeit der Messung nicht. Die Kamera dient gleichzeitig zur Wiedererkennung der Position der Strahlen und zur Durchführung geometrischer Messungen aufgrund der Digitalisierung, die sie durchführt. Außerdem kann das Ätzverfahren die Tendenz haben, die durch die Maske nicht abgedeckten Teile durch Abtragen deren Ränder oder Aushöhlen eines Teils der Maske am Rand eines Abschnittes, der gerade geätzt wird, durch Abtragen unterhalb der Maske zu verbreitern. Diese Entwicklungen werden in Echtzeit mittels der Abbildungsverarbeitung und der Interferometrie beobachtet, da sie sich als Änderung der Kontraste mit dem Zeitablauf auswirken. Zwei aufeinanderfolgende Abbildungen der Probe können verglichen werden, um diese mögliche Kontraständerung festzustellen. Die Stabilität der Maske wird in Echtzeit in einer horizontalen Ebene längs der Achse X, Y und in der Tiefe geprüft. Man erhält damit dreidimensionale Informationen über die Entwicklung der Muster der Probe.
Nach der Reflexion an der Probe zeichnen sich die beiden, am Ausgang des Wollaston-Prismas verfügbaren Strahlen aus durch:

– lineare und untereinander orthogonale Polarisationszustände,
– unterschiedliche Amplituden ex und ey,
– eine Phasenverschiebung Δ.

Die unterschiedlichen Amplituden stammen nicht nur von Reflexionen unterschiedlicher Art an der Probe, sondern sind auch auf die Wirkung von Montageelementen, insbesondere der Kamera zurückzuführen, die von der Polarisation des Strahls abhängt.
Die Phasenverschiebung Δ hängt insbesondere ab von:

– der Differenz des Niveaus zwischen den Zonen der Oberflächenschicht, auf denen die schmalen Strahlen reflektiert werden,
– den Reflexionen unterschiedlicher Art an der Probe,
– den Montageelementen.

Um eine ausreichende Genauigkeit zu erhalten, trennt man die drei Anteile durch ein geeignetes Eichverfahren.
Die Phasenverschiebung Δ ist eine Phasenverschiebung zwischen den Amplituden der beiden Strahlen an zwei unterschiedlichen Punkten der Probe.
Im Falle der drehbaren Lambda-Viertel-Platte kann man zwei Messungen der Phasenverschiebung durchführen, die erste, bei der die beiden Strahlen in derselben Ebene mit einem Wert Δ₁ reflektiert werden, und die zweite, bei der die beiden Strahlen in unterschiedlichen Ebenen mit einem Wert Δ₂ reflektiert werden. Der Unterschied des Niveaus zwischen den Ebenen steht mit diesen Phasenverschiebungswerten in Beziehung: Δ₂ – Δ₁ = (2 Π/λ) 2e, wobei λ die Wellenlänge der Strahlen und e der vertikale Abstand zwischen den Ebenen ist. Man kann so den Einfluß der Ursprungsphasenverschiebung unterdrücken. Die Vorrichtung eignet sich zur Messung von Mustern geringer Dicke an der Probe, was ihr einen sehr großen Meßbereich verleiht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der 1–5 beispielsweise erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird;
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Vorrichtung der Erfindung;
3 einen Schnitt der Struktur aus dünnen Schichten, die gem. der Technik der Erfindung überwacht wird,
4 eine Aufsicht entsprechend 3; und
5 eine Abwandlung der 2.
Durch die Erfindung wird eine sehr kompakte Anordnung für gleichzeitige inferometrische Beobachtungen und Messungen mit Laser insbesondere an Strukturen aus dünnen Schichten geschaffen, eine Technik wie sie im einzelnen in den FR 2 680 414 A1 und FR 2 718 231 A1 erläutert ist, aus denen der Aufbau und die Arbeitsweise der Vorrichtung grundsätzlich hervorgehen.
Wie 1 zeigt, umgibt eine Vakuumbehandlungskammer eine zu behandelnde Probe 2, z. B. eine Siliciumplatte beim Ätzen mit Plasma, um eine Membran zu erhalten, und hat an ihrer oberen Wand ein Fenster 3 aus Siliciumdioxyd. Eine Überwachungseinheit 4 ist oberhalb der Behandlungskammer 1 auf einem in X-Y-Richtung horizontal verschiebbaren Tisch 5 angeordnet. Die Überwachungseinheit 4 ist mit einem Glasfaserkabel 6 und einem elektrischen Kabel 7 mit einer Auswerte- und Steuereinheit 8 verbunden, der ein Steuerpult 9 und ein Display 10 zugeordnet sind. Die Einheit 8 ist an zwei Schrittelektromotoren (nicht gezeigt) angeschlossen, um die horizontale Verschiebung der Überwachungseinheit 4 auf dem Tisch 5 zu steuern.
Wie im einzelnen 2 zeigt, hat die Überwachungseinheit 4 ein Gehäuse 11, das eine Videokamera 12 enthält, deren einstellbares Objektiv 13 autofokussiertend sein kann, eine Beleuchtungsquelle 14 mit breitem Lichtstrahl und eine bestimmte Anzahl optischer Platten um die Führung von Lichtstrahlen auf vorbestimmten optischen Wegen sicherzustellen. Die Videokamera 12 hat einen Sensor 15, der vorzugsweise aus mehreren Ladungsübertragungszellen (CCD) besteht, die in einer Matrix angeordnet sind. Der Sensor 15 ist in nichtgezeigter Weise mit einem elektrischen Anschluß 16 für das elektrische Kabel 7 verbunden, um der Auswerte- und Steuereinheit 8 ein numerisches Videosignal zu liefern, das auf dem Display 10 dargestellt wird, wobei der elektrische Anschluß 16 am Gehäuse 11 befestigt ist.
Das Gehäuse 11 hat eine innere Kammer 11a, in der sich die Beleuchtungsquelle 14 befindet, die in einem Spektrum emittiert, das sich vorzugsweise wenigstens teilweise mit dem Spektrum des sichtbaren Lichts überdeckt. Um die folgende Beschreibung zu vereinfachen, wird nur von weißem Licht gesprochen, das von der Lichtquelle 14 emittiert wird. Die innere Kammer 11a hat ein Fenster, das mit einer optischen Linse 17 versehen ist, die den Beleuchtungslichtstrahl auf eine semitransparente Platte 18 leitet, die zwischen dem Objektiv 13 und dem Sensor 15 der Kamera 12 vorgesehen ist, so daß der Beleuchtungslichtstrahl dem optischen Weg der Kamera, d. h. der optischen Achse 13a des Objektivs 13 folgt. Eine erste Lichtfalle 19 in Form einer Platte ist hinter der semitransparenten Platte angeordnet, um den Teil des Beleuchtungslichtstrahls zu absorbieren, der die semitransparente Platte 18 durchlaufen hat, und so optische Störungen in der Überwachungseinheit 4 zu reduzieren.
Die Laserstrahlquelle 20 hat eine Laserdiode und emittiert einen schmalen Strahl, der mittels einer semitransparenten Platte 21 auf eine weitere semitransparente zweite Platte projiziert wird, die in die optische Bahn zwischen dem Objektiv 13 und dem Sensor 15 der Kamera 12 eingesetzt ist, so daß der Laserstrahl ebenfalls dem optischen Weg der Kamera 12 folgt, der mit der optischen Achse 13a des Objektivs 13 zusammenfällt. Eine weitere Lichtfalle 13 in Form einer Platte ist hinter der semitransparenten Platte 22 angeordnet.
In Abwandlung kann die Laserquelle 22 durch eine Quelle weißen Lichts mittels eines Xenon-Lichtbogens ersetzt werden, die außerhalb des Gehäuses 11 angeordnet und an dieses mittels eines nichtgezeigten Glasfaserkabels angeschlossen ist.
Auf der Bahn des von der Quelle 20 emittierten Laserstrahls ist zwischen der semitransparenten Platte 21 und der semitransparenten Platte 22 ein erstes Wollaston-Prisma 24 angeordnet, das dem von der Laserquelle 20 abgegebenen Strahl in zwei schmale Strahlen 25 und 26 teilt, die einen Winkelabstand von 30 Winkelminuten haben und deren Polarisationszustände linear und orthogonal zueinander sind. Man verfügt somit über zwei kohärente Laserstrahlen Zum besseren Verständnis ist der Winkelabstand der Strahlen 25 und 26 in 2 absichtlich vergrößtert. Die Linearpolarisationen werden auf der Bahn beibehalten, unter der Bedingung, daß die Richtungen der Linearpolarisation am Ausgang des Wollaston-Prismas parallel und senkrecht zur Einfallsebene auf der Platte 22 sind, da die Lichtstrahlen sonst eine elliptische Polarisation haben.
Somit umgibt das kompakte Gehäuse 11 der Überwachungseinheit 4 die Videokamera 12 mit der Beleuchtungsquelle 14 und der Laserstrahlquelle 20, um einen Lichtstrahl, der sich aus dem Beleuchtungslichtstrahl, der von der Beleuchtungsquelle 14 emittiert wird, und schmalen Laserstrahlen 25 und 26 zusammensetzt, die von der Laserstrahlquelle 20 emittiert und vom Wollaston-Prisma 24 geteilt werden, auf einem optischen Weg zu emittieren, der durch das Objektiv 13 der Kamera 12 verläuft. Der kombinierte Lichtstrahl wird von der Überwachungseinheit 4 durch das Objektiv 13 und das Fenster 3 der Behandlungskammer 1 geleitet und gelangt auf die Probe 2 mit einer Struktur aus dünnen Schichten. (1)
Der von der Probe 2 reflektierte Lichtstrahl durchlauft das Objektiv 13 und gelangt in das Innere des Gehäuses 11 der Überwachungseinheit 4. Die semitransparenten Platte 22 teilt den reflektierten Lichtstrahl in zwei Teile. Der eine übertragene Teil, der, nachdem er die semitransparenten Platten 22 und 18 durchlaufen hat, gelangt zum Sensor 15 der Kamera 12. Der von der Platte 22 reflektierte Teil durchläuft das Wollaston-Prisma 24, was die Kombination zweier reflektierter schmaler Laserstrahlen zu einem einzigen bewirkt. Der einzige reflektierte Laserstrahl am Ausgang des Wollaston-Prismas 24 durchläuft einen Polarisator 24 und gelangt zu einer Detektionszelle 28, die über ein Glasfaserkabel 6 mit der Auswerteeinheit 8 verbunden ist.
Der auf den Sensor 15 der Kamera 12 gerichtete reflektierte Strahl entspricht dem Spektrum des Beleuchtungslichtstrahls mit zwei reflektrierten Laserstrahlen hoher Intensität. Um eine Blendwirkung bzw. Überlastung des Sensors 15 und damit der Videokamera 12 durch die Wirkung der reflektierten Laserstrahlen zu vermeiden, ist ein Filter 29 in der optischen Bahn der Kamera 12 unmittelbar vor dem Sensor 15 angeordnet.
Das optische Filter 29 ist für eine charakteristische Wellenlänge transparent und für andere Wellenlängen undurchlässig, um nur gewissermaßen monochromatisches Licht zum Sensor 15 der Kamera 12 durchzulassen. So verhält sich jede CCD-Zelle des Sensors 15 einzeln wie ein Interferometer, das ein Pixel der Bildebene der Kamera 12 darstellt. Die Videokamera 12 verhält sich wie mehrere Interferometer, die in Matrixform angeordnet sind, und liefert somit ein Videosignal, das man am Display 10 betrachtet und das einer monochromatischen Kartographie entspricht, die die Oberfläche der bleuchteten Stelle der Probe 2 wiedergibt. Vorzugsweise wählt man eine charakteristische Wellenlänge des optischen Filters 29 ausreichend nahe an der Wellenlänge der reflektierten Laserstrahlen, um auf dem Display 10 auch die beiden Laserpunkte innerhalb der beleuchteten begrenzten Zone darzustellen, ohne daß letztere die Videokamera 12 überlasten.
Die Interferenz der Strahlen ist aufgrund des Polarisators möglich, auf dessen Übertragungsachse die elektrischen Feldvektoren der beiden Strahlen projiziert werden. Man erhält somit am Ausgang kolineare und phasenverschobene Schwingungen, die interferieren können, im Gegensatz zu den elektrischen Feldern vor dem Polarisator, die orthogonal und damit nicht in der Loge sind, zu interferieren, selbst wenn die entsprechenden Strahlen exakt zusammenfallen.
Der Polarisator 27 hat die Form eines Films, der dichroitische Partikel enthält, die das Licht entsprechend einer ersten Richtung des elektromagnetischen Feldes absorbieren und es in einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten durchlassen. Da die Polarisationen der reflektierten Laserstrahlen durch ihren Durchgang im Wollaston-Prisma 24 nicht geändert werden, ermöglicht es die Drehung des Polarisators 27 in einer ersten Winkelposition, einen der reflektierten Laserstrahlen auszuwählen, in einer zweiten, um 90° zur ersten versetzten Position, den zweiten reflektierten Laserstrahl auszuwählen, und in einer dritten, etwa 45° zur ersten versetzten Position, die beiden reflektierten Laserstrahlen und insbesondere ihre Interferenzen zu analysieren. Die Detektionszelle 28 kann von unterschiedlicher Art und insbesondere ein Spektograph sein.
Vor dem Polarisator 27 kann eine Blende 30 angeordnet sein, deren Loch einen Durchmesser entsprechend dem der reflektierten Laserstrahlen hat, um die Detektion durch die Detektionszelle 28 des von der Quelle 14 kommenden Lichts zu begrenzen.
Man kann auch ein nichtgezeigtes Interferenzfilter vorsehen, das zwischen dem Polarisator 27 und der Detektionszelle 28 angeordnet ist, um eine Einwirkung des Filters auf die Polarisation zu vermeiden, und dessen Bandbreite der Wellenlänge der Quelle 20 entspricht, um Licht anderer Farben zu reduzieren, das ebenfalls auftreffend oder reflektiert von der Quelle 14 kommt. Man verbessert somit das Störsignalverhältnis der Detektionszelle 28, insbesondere wenn man einen Xenon-Lichtbogen verwendet, der reich an Licht im blauen Lichtbereich ist, während die Quelle 14 reich an Licht im roten Lichtbereich ist, und wenn man eine Analyse in letzterem Bereich durchführt.
Die 3 und 4 zeigen schematisch charakteristischen Darstellungen des Verfahrens der Erfindung. Die zu behandelnde Probe 2 ist eine Struktur aus dünnen Schichten, die zur Herstellung von Membranen durch Ätzungen dient. Die Probe 2 besteht aus einem Siliciumsubstrat 31, bei dem bestimmte Abschnitte durch eine Maske 32 abgedeckt sind. Die Zone 31a des von der Maske 32 nicht abgedeckten Substrats 31 wird durch ein an sich bekanntes Plasmaverfahren bis auf eine bestimmte Dicke abgetragen. Der von der Überwachungseinheit 4 emittierte auftreffende Lichtstrahl beleuchtet eine Stelle 2a der Oberfläche der Probe 2. Die Stelle 2a wird von dem Beleuchtungslichtstrahl 33 aus weißem Licht begrenzt. Der Laserlichtstrahl 25 erreicht die Probe 2 in einer durch die Maske 32 abgedeckten Zone. Da die Maske 32 für Licht transparent ist, wird der Laserstrahl 25 auf der Oberfläche des Substrats 31 reflektiert, das unter der Maske 32 angeordnet ist. Der zweite Laserlichtstrahl 26 wird in der Zone 31a des Substrats 31 reflektiert, die geätzt wird. Auf dem Display der Überwachungseinheit 4 wird die Position der Laserstrahlen 25 und 26 dargestellt, und man kann sie so verschieben, damit der eine in der durch die Maske 32 abgedeckten Zone und der andere in einem Abschnitt des Substrats 31, der geätzt wird, reflektiert wird.
Die Verschiebung der Laserstrahlen 25 und 26 bzgl. der Probe 2 erfolgt einerseits durch Verschiebung des Tisches 5 in einer horizontalen Ebene und andererseits durch die Bewegung des Wollaston-Prismas 24. Das Wollaston-Prisma 24 ist translatorisch längs seiner optischen Achse verstellbar, was es ermöglicht, den Abstand der Laserstrahlen 25 und 26 auf der Probe 2 einzustellen. Das Wollaston-Prisma 24 ist an einem nichtgezeigten Drehgehäuse befestigt, was es ermöglicht, die Laserstrahlen 25 und 26 durch Drehung um ihre Ursprungsachse 34 zu verstellen. Der Polarisator 27 ist ebenfalls an dem Drehgehäuse des Wollaston-Prismas 24 befestigt. Die Drehung des Wollaston-Prismas 24 bewirkt die Drehung des Polarisators 27, so daß eine Verstellung der Laserstrahlen 25 und 26 die Einstellung des Polarisators 27 nicht ändert. Der Polarisator 27 ist an einer nichtgezeigten Halterung befestigt, die bzgl. des Gehäuses des Wollaston-Prismas 24 drehbar ist. Man bewirkt so die Einstellung des Polarisators 27 unabhängig vom Wollaston-Prisma 24.
Aufgrund der Differenz der Längern der Bahnen, die die beiden reflektierten Laserstrahlen durchlaufen haben, infolge der Tiefe der Ätzung beaufschlagten Zone 31a des Substrats 31 der Probe 2 ist die Intensität der beiden reflektierten Laserstrahlen nach dem Durchgang durch das Wollaston-Prisma 24 nicht vollkommen gleich, was den Kontrast der Interferenzstreifen verringert. Wenn man die Interferenzen zwischen den beiden reflektierten Laserstrahlen untersuchen will, stellt man daher den Polarisator 27 auf einen Winkel ein, der etwas von 45° verschieden sein kann, um die Intensität der Komponenten, die jeweils von den beiden reflektierten Laserstrahlen kommen, auszugleichen. Die Intensitätsdifferenz der reflektierten Laser strahlen kann z. T. auf die Reflexion an der Platte 22 zurückzuführen sein, während der der Polarisation parallel zur Auftreffebene auf der Platte 22 begünstigt wird.
Die Phasenverschiebung zwischen den Strahlen stammt einerseits von der Reflexion auf der Probe 2, der nutzbaren Phasenverschiebung, die es ermöglicht, die Dicke der Schicht bzw. der Tiefe der Ätzung zu messen, jedoch andererseits von der Reflexion und der Übertragung durch die Platten 21 und 22 und das Wollaston-Prisma 24, insbesondere, wenn letzteres nicht genau zentriert ist. Bei monochromatischem Licht (Laser) kann man eine Eichung durchführen, indem man die beiden Strahlen auf eine einzige Fläche der Probe 2 richtet.
Ein Polarisationskubus oder ein zweites Wollaston-Prisma kann auf dem optischen Weg des reflektierten Strahls nach seinem Durchgang zurück durch das Wollaston-Prisma 24 angeordnet werden, um die Strahlen entsprechend ihrer Polarisation räumlich zu trennen, die Amplituden R_x und R_y getrennt zu messen und ihr Verhältnis zu berechnen. Ein Polarisationskubus ermöglicht eine räumliche Trennung mit einem Winkel von 90°. Ein Wollaston-Prisma aus Calcit ermöglicht eine räumliche Trennung mit einem Winkel von mehreren Graden.
Wie 5 zeigt, hat die Kamera 12 eine Halterung 35, die den Polarisatior 27 trägt, und eine Lambda-Viertel-Platte 36, die von einem Elektromotor 37 um ihre Mitte gedreht wird, um eine Modulation der Polarisation des Lichtes zu erreichen.
Man erhält so Informationen bzgl. der Modifikationszustände der Oberfläche der Probe.
Aufgrund der Erfindung kann man Vorgänge tiefer Ätzung von Halbleiterschichten mit zwei kohärenten Laserstrahlen aufgrund ihrer Herkunft von einer einzigen Quelle überwachen. Man erreicht so eine genaue Messung der Ätztiefe. Vor dem Beginn der Ätzung kann man mehrere Proben Muster untersuchen, indem man eine Positionierung aufeinanderfolgend auf jedem von ihnen durchführt, um eine interessierende Formgebung für ein industrieelles Großserien-Ätzverfahren abzuleiten.

Claims

Vorrichtung zur dreidimensionalen Messung und Beobachtung in situ und in Echtzeit einer Oberflächenschicht einer Struktur aus dünnen Schichten während einer Behandlung in einer Vakuumbehandlungskammer (1), die mit einem Fenster an einer Wand versehen ist, die Vorrichtung bestehend aus einer Überwachungseinheit (4), die ein kompaktes Gehäuse aufweist, das eine Videokamera (12), eine Beleuchtungsquelle (14) mit einem breiten Strahl, eine Beleuchtungsquelle (20) mit einem schmalen Strahl und optische Komponenten enthält, einer Auswerte- und Steuereinheit (8), die einen optischen und einen elektrischen Anschluß aufweist, die am Gehäuse der Überwachungseinheit befestigt sind, um sie über jeweils ein Glasfaserkabel und ein elektrisches Kabel mit der Auswerte- und Steuereinheit zu verbinden, und einem Tisch (5), der oberhalb der Vakuumbehandlungskammer angeordnet ist, um einerseit eine horizontale Verschiebung der Überwachungseinheit längs zwei Achsen (X, Y) um eine Stelle auszuwählen, und andererseits eine genaue Positionierung sicherzustellen, damit die beiden auftreffenden Strahlen und die beiden, von der Oberflächenschicht reflektierten Strahlen benachbarte optische Bahnen nahe der optischen Achse der Videokamera einnehmen, gekennzeichnet durch ein Wollaston-Prisma (24), das auf der optischen Bahn des schmalen Lichtstrahls angeordnet ist, um am Ausgang des Wollaston-Prismas zwei kohärente schmale polarisierte Lichtstrahlen (25, 26) unterschiedlicher, um einen Winkel α versetzter Richtungen und mit orthogonalen Polarisationen zu erhalten, wobei das Wollaston-Prisma derart angeordnet ist, daß es von den von der Schicht reflektierten schmalen Lichtstrahlen durchlaufen wird, einen Polarisator (27), der auf der optischen Achse des Wollaston-Prismas derart angeordnet ist, daß er von dem reflektierten schmalen Lichtstrahl nach seinem Rücklauf im Wollaston-Prisma durchlaufen wird, und eine Detektionszelle (28), und dadurch, daß das Wollaston-Prisma translatorisch verstellbar und an einem Drehrahmen befestigt ist, der auch den Polarisator trägt, so daß die Drehung des Wollaston-Prismas die Drehung des Polarisators bewirkt, der an einer Halterung befestigt ist, die relativ zum Drehrahmen des Wollaston-Prismas drehbar ist, so daß der Polarisator unabhängig vom Wollaston-Prisma gedreht werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Laserstrahl zur Erzeugung des schmalen Lichtstrahls.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weiße Quelle zur Erzeugung des schmalen Lichtstrahls.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Blende (29), die zwischen dem Wollaston-Prisma und dem Polarisator angeordnet ist, und deren Loch einen Durchmesser entsprechend dem des reflektierten schmalen Lichtstrahls hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, gekennzeichnet durch eine Anordnung, die mit zwei Blenden und einer Zwischenlinse versehen und vor der Detektionszelle angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Interferenzfilter, das zwischen dem Polarisator und der Detektionszelle angeordnet ist, wobei die Durchlaßbandbreite des Filters der Frequenz des reflektierten schmalen Lichtstrahls entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Modulator für die Polarisation des Lichts der beiden reflektierten schmalen Strahlen, der in Durchgangsrichtung vor dem Polarisator auf der Bahn der reflektierten Strahlen angeordnet und als drehbare Lambda-Viertel-Platte ausgebildet ist, um einen Phasenunterschied zwischen den beiden Strahlen zu messen, wobei die Phasendifferenz für die Differenz des Niveaus zwischen den Zonen der Oberflächenschicht charakteristisch ist, auf denen die beiden schmalen Strahlen reflektiert werden.
Verfahren zum Messen und Beobachten in situ und in Echtzeit einer Oberflächenschicht einer Struktur aus dünnen Schichten, die in einer Vakuumbehandlungskammer angeordnet ist, die an einer Wand mit einem Fenster versehen ist, wobei ein breiter Lichtstrahl auf eine Stelle der zu beobachtenden Struktur, ein erster schmaler Lichtstrahl zur Beleuchtung einer ersten speziellen Zone der zu beobachtenden Struktur und ein zweiter schmaler Lichtstrahl zur Beleuchtung einer zweiten speziellen Zone der zu beobachtenden Struktur gerichtet wird, wobei die Strahlen benachbarte optische Bahnen nahe der optischen Achse einer Videokamera einnehmen und das Fenster der Vakuumbehandlungskammer durchlaufen, um die Stelle zu erreichen, wobei – der erste und zweite schmale Lichtstrahl kohärent sind und ihre Richtungen um einen Winkel α versetzt sind, und der erste und zweite schmale Lichtstrahl von einer einzigen Lichtquelle erzeugt werden, – der von der Stelle der Struktur aus dünnen Schichten reflektierte Lichtstrahl zu einem Matrixsensor einer Breitfeldvideokamera gerichtet wird, und die beiden Lichtstrahlen, die von den beiden speziellen Zonen reflektiert werden und die eine gemeinsame optische Bahn einnehmen, zu einer Einrichtung gerichtet werden, die sie optisch kombinieren kann, wobei die kombinierten reflektierten Lichtstrahlen am Ausgang eines der Detektionszelle vorhergehenden Polarisators interferieren, um die Differenz des Niveaus zwischen den beiden speziellen Zonen zu messen, – ein schmaler Lichtstrahl, der von einer einzigen Quelle erhalten wird, zu einem Wollaston-Prisma gerichtet wird, um den ersten und zweiten auftreffenden schmalen Lichtstrahl zu erhalten, und daß die beiden reflektierten schmalen Lichtstrahlen zum Wollaston-Prisma gerichtet werden, um sie auf einer einzigen optischen Achse zu kombinieren, wobei die Orthogonalität ihrer jeweiligen Polarisationen aufrechterhalten wird, wobei der Polarisator um einen Winkel von mindestens 90° drehbeweglich ist, um den ersten reflektierten schmalen Lichtstrahl in einer ersten Winkelposition in einer einzigen Polarisation, den zweiten reflektierten schmalen Lichtstrahl in einer einzigen, zur Polarisation des ersten Strahls um 90° versetzten Polarisation, und die Kombination der beiden reflektierten schmalen Lichtstrahlen in einer Winkelposition des Polarisators auswählen zu können, die etwa 45° zur ersten Position versetzt ist, und wobei – der Abstand zwischen den schmalen Lichtstrahlen auf der Probe durch Verschiebung des Wollaston-Prismas eingestellt wird, und die Lage der schmalen Lichtstrahlen bzgl. der Probe durch Drehung des Wollaston-Prismas und des Polarisators gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden reflektierten Lichtstrahlen eine Einrichtung zur Modulation der Polarisation vor dem Eintritt in den Polarisator durchlaufen.