Введение

Современная микроэлектроника и оптоэлектроника предъявляют высокие требования к точности и воспроизводимости параметров тонкоплёночных структур. Толщина напылённого слоя и однородность его топографии являются критическими факторами, влияющими на электрофизические характеристики готовых приборов. Традиционные методы контроля, такие как эллипсометрия, обладают высокой точностью, но часто ограничены в возможности картирования поверхности с высоким латеральным разрешением [1].

Оптическая профилометрия, в частности метод фазосдвигающей интерферометрии (Phase Shifting Interferometry, PSI), представляет собой мощный инструмент для неразрушающего анализа поверхностей. Данный метод позволяет получать трёхмерное изображение рельефа с субнанометровым разрешением по вертикали. При наличии ступеньки между подложкой и плёнкой (например, на краю маски) метод PSI может быть напрямую использован для измерения её высоты, что соответствует толщине напылённого слоя [2].

Цель исследования

Целью данной работы является экспериментальная демонстрация возможности измерения толщины слоя, напылённого на кремниевую пластину, и анализа его топографии с использованием метода PSI на оптическом профилометре.

Материал и методы исследования

Объектом исследования служил фрагмент кремниевой пластины с сформированными методом фотолитографии окнами в слое меди. Для создания референтной ступеньки, необходимой для измерения толщины, часть подложки при напылении закрывалась маской.

Рисунок 1 – Исследуемый образец

Измерения проводились на оптическом профилометре "S NEOX" (производитель Sensofar Metrology).

Рисунок 1 – Установка оптической профилометрии S NEOX Sensofar Metrology

Установка позволяет работать в нескольких режимах, включая PSI. Данный режим использует монохроматический свет (зелёный светодиод с длиной волны 520 нм) и пьезоэлектрический привод для точного сдвига фазы интерференционной картины.

Принцип метода PSI заключается в регистрации серии интерферограмм при контролируемом изменении разности фаз между объектным и опорным пучками. По изменению интенсивности в каждом пикселе с высокой точностью восстанавливается начальное фазовое распределение, а следовательно, и высотный профиль поверхности [3].

Для измерений использовался объектив с увеличением 50x (числовая апертура 0,55), что обеспечило высокое латеральное разрешение. Измерения проводились в области границы маски, захватывая как участок чистой подложки, так и участок с плёнкой. Обработка полученных данных выполнялась в специализированном программном обеспечении прибора, включая операцию выравнивания для устранения общего наклона образца. Высота ступеньки рассчитывалась как среднее значение по профилограмме поперечного сечения.

Результаты исследования и их обсуждение

В результате сканирования была получена трёхмерная картина топографии поверхности на границе перехода «подложка-плёнка»

Рисунок 2 – 3D-топография границы ступеньки на кремниевой подложке, полученная методом PSI в первой точке

Рисунок 3 – 3D-топография границы ступеньки на кремниевой подложке, полученная методом PSI во второй точке

На профилограммах выше выделяются две области: левая часть (поверхность плёнки) и правая часть (подложка), разделённые крутым фронтом ступеньки.

Статистическая обработка данных по высоте ступеньки дала следующие результаты:

· Средняя толщина слоя (h):230 нм.

· Среднеквадратичное отклонение шероховатости на плёнке:0,8 нм.

· Среднеквадратичное отклонение шероховатости на подложке:0,3 нм.

Полученное значение среднеквадратичной повторяемости метода менее 0,1 нм подтверждает высокую достоверность результата [4]. Небольшое увеличение шероховатости на плёнке по сравнению с исходной подложкой может быть связано с особенностями процесса магнетронного распыления.

Выводы или заключение

В ходе выполнения работы была экспериментально подтверждена эффективность использования метода фазосдвигающей интерферометрии (PSI) для контроля толщины и топографии тонких плёнок на кремниевых подложках. Метод обеспечивает:

1. Высокую точность измерения толщины (субнанометровый уровень), достаточную для контроля большинства диэлектрических и проводящих слоёв в полупроводниковой технологии.

2. Наглядность результатов, позволяя одновременно оценивать как толщину (по высоте ступеньки), так и равномерность напыления и дефектность поверхности по трёхмерной карте топографии.

3. Высокую скорость измерений и неразрушающий характер контроля, что делает метод пригодным как для научных исследований, так и для производственного мониторинга.

Таким образом, оптическая профилометрия на основе PSI-интерферометрии является незаменимым инструментом в задачах метрологии тонких плёнок.