Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1 АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ОСАЖДЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК И ЕГО КОНТРОЛЯ 11
Влияние скорости осаждкния на свойства пленок 11
обзор методов нанесения тонких пленок в вакууме 20
Обзор методов измерения скорости осаждения и их классификация 23
Гравиметрический метод 26
Метод измерения давления молекул пара 28
Метол кварцево-о резонатора 30
Ультразвуковой метод 33
Оптические методы 35
Фотометрический метод 36
Метод спектрофотометрии 40
Эллипсометрический метод 40
Интерференционный метод 41
Резистивный метод 42
Емкостный метод 45
Ионизационный метод 48
Метод электронно-эмиссиоиной спектроскопии 53
1.4 Анализ методов контроля скорости осаждения и толщины
пленок 56
Выводы ПО ПЕРВОЙ главе и постановка задач исследований 59
2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ 62
Математическая модель процесса осаждения тонких пленок 62
Математическая модель метода контроля процесса осаждения 68
Анализ методов измерения мгновенной скорости осаждения диэлектрических пленок 70
2.3.1 Методы измерения мгновенного значения частоты
гармонического сигнала 70
Метод временных интервалов 71
Метод фиксированных уровней 72
Метод двойного дифференцирования 73
Метод двойного интегрирования 74
2.3.2 Применение методов измерения мгновенного значения
частоты к реальному сигналу фотометра 74
источники погрешностей в фотометрических системах контроля скорости напыления тонких пленок 83
Влияние отклонений показателей преломления па
значение сигнала фотометрического измерителя 93
Выводы по второй главе 95
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО
ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ
ФОТОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 97
Моделирование автоматического фотометрического измерителя в среде matlab и синтез его оптимальной структуры 97
Полунатурный эксперимент с использованием
устройства сопряжения 109
полунатурный эксперимент с использованием промышленных модулей іср das 113
Измерение скорости травления фоторезиста в растворе
гидроокиси калия 1 16
Описание установки для термического вакуумного испарения i 19
Применение фотометрического измерителя для автоматического контроля скорости осаждения в реальном процессе термовакуумного нанесения
покрытия 122
Выводы по третьей главе 123
4 ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО
ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ 125
4.1 Описание программной реализации метода расчета
мгновенной СКОРОСТИ ОСАЖДЕНИЯ 125
4.2 Метрологическое обеспечение исследований 128
4.2.1 Методика и прибор для измерения показателя
преломления и толщины пленок 128
Измерение показателя преломления нанесенных пленок 134
Исследование стабильности мощности лазера 134
Определение длины волны полупроводникового лазера 135
Выводы по ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 139
ПРИЛОЖЕНИЯ 151
Введение к работе
Широкое использование диэлектрических пленок в изделиях различных областей промышленности требует постоянного совершенствования процесса их формирования, повышения степени автоматизации, а также непрерывного контроля режимов технологического процесса и условий их реализации. В микроэлектронике и, в частности, в тонкопленочных технологиях, особое внимание уделяется получению тонких пленок с заданными свойствами.
Системный анализ технологического процесса получения диэлектрических слоев показывает, что скорость осаждения пленки оказывает большое влияние на структуру, электрофизические свойства и стабильность самих пленок, поэтому необходим контроль скорости и поддержание ее на заданном уровне. Однако выбранные оптимальные режимы и условия технологического процесса не остаются постоянными в течение времени осаждения покрытия из-за действия различных возмущений. Воспроизводимость свойств диэлектрических слоев может быть обеспечена стабилизацией параметров технологического процесса, в частности, скорости осаждения, в течение всего времени нанесения пленки. Скорость травления позволяет получить информацию об основных свойствах и структуре пленок.
Наиболее широко распространенные в промышленности методы контроля скорости осаждения пленок (с использованием кварцевого пьезокри-сгалла или ионизации потока паров осаждаемого материала) не обеспечивают необходимой точности, а в некоторых технологических процессах (осаждение пленок из газовой фазы, травление фоторезиста) вообще не применимы. Таким образом, актуальными являются задачи разработки новых методов контроля скорости осаждения, средств автоматического контроля, стабилизации скорости осаждения покрытий, успешное решение которых позволит
повысить качество изделий, что, несомненно, будет содействовать ускорению прогресса в технологии микросхем.
Методы, которые предполагается использовать для контроля процесса нанесения пленок в промышленных условиях, должны удовлетворять ряду основных требований. Исходя из анализа методов контроля (микровзвешивания, кварцевого, ионизационного, ультразвукового, резистивного, емкостных, оптических, электронно-эмиссионной спектроскопии) можно сделать вывод, что наибольшему количеству требований удовлетворяет один из оптических методов - фотометрический. Этот метод обладает двумя недостатками: не позволяет непрерывно контролировать скорость осаждения и имеет ограничение в максимальной контролируемой толщине сильно поглощающих пленок. Первый недостаток является наиболее серьезным, он значительно ограничивает применимость фотометрического метода в технологии микросхем и заставляет исследователей применять комбинированную систему контроля, состоящую из фотометрического измерителя толщины и кварцевого измерителя скорости осаждения пленок. Применение в промышленных условиях этой схемы затруднено в виду ее сложности и довольно высоких требований к квалификации оператора.
Таким образом, может быть поставлена задача обеспечения автоматизации непрерывного фотометрического контроля при получении и травлении тонких диэлектрических пленок.
Цель работы - разработка и совершенствование метода непрерывного фотометрического контроля скорости осаждения и травления тонких диэлектрических пленок для обеспечения возможности его автоматизации.
Методы исследований
В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований на основе системного анализа технологического процесса но-
лучения тонких пленок, физики и оптики тонких пленок, машинного и полунатурного моделирования.
Экспериментальная часть работы выполнялась в лабораториях Рыбинской государственной авиационной технологической академии.
Научная новизна работы
Доказана возможность применения методов измерения мгновенной частоты гармонического сигнала (метод двойного дифференцирования и метод временных интервалов) к реальному сигналу фотометрического измерителя.
Определены и исследованы области фотометрического сигнала, в котором каждый из методов дает допустимую методическую погрешность.
Предложен комбинированный метод, основанный на объединения
двух методов с целью минимизации методической погрешности и обеспечения непрерывного фотометрического контроля.
Практическая ценность работы
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для непрерывного контроля скорости осаждения диэлектрических пленок
Разработан автоматизированный комплекс для непрерывного фотометрического контроля скорости осаждения и травления диэлектрических пленок.
Достоверность результатов
Достоверность результатов диссертационных исследований подтверждена данными теоретических расчетов и экспериментальными исследованиями разработанных методов фотометрического контроля скорости осаждения тонких пленок.
Апробация
Материалы диссертационной работы прошли апробацию в докладах на конференциях и симпозиумах: на XI Международной научно-технической конференции «Тонкие пленки в электронике», г. Йошкар-Ола, 2000 г.; на Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, автоматизация», г. Барнаул, 2000 г.; на VI, VIII, IX Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», г. Москва, 2000 г., 2002 г., 2003 г., на 2-ой Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений», г. Нижний Новгород, 2000 г.; на 12-ом Международном симпозиуме «Тонкие пленки в электронике», г. Харьков, 2001 г.; на второй областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых вузов «Ярославский край. Наше общество в третьем тысячелетии», г. Ярославль, 2001 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков», г. Рыбинск, 2002 г.; на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2002, г. Москва. 2002 г; на 3-й Международной конференции «Компьютерные методы и обратные задачи в не-разрушающем контроле и диагностике», г. Москва, 2002 г.
Публикации
По материалам работ опубликовано 12 печатных работ, из них 6 статей и 6 тезисов докладов.
Вклад автора
Диссертационная работа представляет собой обобщение результатов исследований, полученных автором лично и совместно с сотрудниками РГАТА Юдиным В. В., Семеновым Э. И., Гусаровым А. В., Юдиным А. В. и другими.
На разных этапах отдельные проблемы и результаты работы обсуждались с Маниным А. В., Вершининым В. А, Морозовым М. ГГ.
8.
В проведенных экспериментальных исследованиях использовались программные разработки Ломанова А. Н. и Павлова А. А.
Автор благодарит всех отмеченных выше за советы и помощь в работе.
В первой главе диссертации проведен анализ состояния проблемы контроля скорости осаждения диэлектрических слоев. Показано, что скорость осаждения является одним из основных параметров технологического процесса получения пленок, отвечающим за стабильность данного процесса, а также воспроизводимость свойств получаемых пленок. Рассмотрены основные методы и устройства контроля скорости осаждения, проведен их сравнительный анализ и обоснован выбор фотометрического метода. Уточнены направления исследований, позволяющие разработать метод непрерывного автоматического контроля скорости осаждения и травления диэлектрических пленок на основе фотометрического метода.
Во второй главе рассмотрены математические модели процесса осаждения тонких пленок и методов контроля этого процесса, проведено исследование методов измерения мгновенной частоты гармонического сигнала- метод временных интервалов; фиксированных уровней; двойного интегрирования; двойного дифференцирования. Показана возможность применения методов двойного дифференцирования и временных интервалов к реальному сигналу фотометрического измерителя, определены области этого сигнала, где каждый из методов дает минимальную методическую погрешность. На основе дальнейших исследований сформулировано предположение о целесообразности использования метода двойного дифференцирования в областях, близких к экстремумам фотометрического сигнала и метода временных интервалов на участках равномерного убывания и возрастания этого сигнала.
Третьи глава посвящена разработке в среде визуального моделирования SIMULINK (MATLAB) комплексной модели, отражающей процесс роста и травления диэлектрических пленок, работу фотометрического измерителя,
а также реализующей комбинированный метод измерения, основанный на объединении методов двойного дифференцирования и метода временных интерзалов. Доказана необходимость поочередного использования двух мего-дов, в зависимости от участков сигнала фотометрического измерителя. Разработана компьютерная система для фотометрического контроля скорости осаждения, включающая в себя фотометрический усилитель ЛИТІ 1-1, модули ІСР DAS серии 1-7000 и персональный компьютер. Проведен полунатурный эксперимент по контролю скорости осаждения пленки с использованием специального комплекса, имитирующего процесс нанесения, подтверждающий сделанные ранее выводы. Показана возможность измерения скорости и момента окончания травления на примере травления фоторезиста в растворе гидроокиси калия. Результаты полунатуриого эксперимента подтверждены при получении тонкопленочных диэлектрических покрытий в установке для термовакуумного нанесения.
В четвертой главе приведено описание алгоритма для уменьшения влияния флуктуации фотометрического сигнала на значение скорости осаждения и содержащего функцию выявления нарушений в работе фотометрического канала, с помощью которого удается получить стабильный сигнал с приемлемой задержкой (около 1 с при используемой частоте опроса СОМ-порта 10 Гц). С целью уменьшение методической погрешности приведена методика измерения и измерены показатели преломления и толщины напыляемых и стравливаемых диэлектрических слоев. Разработана методика измерения длины волны полупроводникового лазера. С помощью разработанной компьютерной фотометрической системы исследована стабильность мощности полупроводникового лазера.
В заключении анализируются полученные результаты и приводятся общие выводы по работе.
В результате проведенных исследований сформулированы основные положения, которые авюр выносит на защиту:
Применение методов измерения мгновенной частоты гармонического сигнала к реальному фотометрическому сигналу
Математическую модель контроля текущей скорости осаждения.
Реализацию модели, выполненную в среде визуального моделирования SIMULINK (MATLAB)
Компьютерную систему непрерывного фотометрического контроля скорости осаждения и травления тонких диэлектрических пленок.
1!
