Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития микроэлектроники связан с переходом к приборам с субмикронными размерами элементов топологии (ЭТ) микроэлектронных радиотехнических устройств (МРТУ). Для прецизионного формирования заданного микрорельефа используется технология травления в низкотемпературной газоразрядной плазме (НГП). Разработка и внедрение технологий, способных формировать ЭТ с субмикронными размерами, делает актуальной задачу контроля и измерений таких объектов.
В настоящее время для контроля и измерении размеров ЭТ в системах управления процессами травления в НГП применяют методы оптической микроскопии (ОМ), растровой электронной микроскопии (РЭМ), а также методы, основанные на явлениях интерференции и дифракции когерентного монохроматического излучения. В развитие научного направления контроля на основе явлений интерференции и дифракции большой вклад внесли ученые нашей страны - Биленко Д.И., Котлецов Б.Н., Никитин В.А., Раков А.В. и другие.
Существующие в настоящее время оптические методы
контроля и измерений размеров элементов топологии
микроэлектронных стуктур (МЭС) обеспечивают, с учетом аппаратурной реализации, возможность измерений в диапазонах до 0,8 мкм для ОМ, до 0,5 мкм для фотоэлектрической микроскопии и до 0,006 мкм для РЭМ, а для интерферометрии и дифрактометрии до 0,1 мкм. Перед многими другими метод дифрактометрия обладает тем преимуществом, что, осуществляя привязку к эталону единицы длины в каждом измерении, захватывая диапазоны ОМ и РЭМ измерений, позволяет разработать систему мер малых длин для РЭМ для создания на его базе измерительного инструмента для субмикрометрового диапазона.
С учетом того, что относительная погрешность измерений размеров ЭТ не должна превышать 10% от номинального значения измеряемой величины, требования к погрешности средств измерений, реализующих метод контроля размеров, выражается в том , что его относительная погрешность должна составлять не более 3%. Таким образом абсолютная погрешность методов контроля и измерений ЭТ с характерными размерами менее 0.5 мкм составляет не более 0,02 мкм.
Удовлетворение этого требования связано с дальнейшим совершенствованием методов измерений на основе явления
дифракции. Повышение точности измерений существующих дифракционных методов может основываться на регистрации когерентного монохроматического излучения, дифрагировавшего на измеряемой периодической структуре ЭТ МРТУ, в нескольких главных дифракционных максимумах (ГДМ) и сравнении этих интенсивностей друг с другом, что теоретически позволяет снижать диапазон измерений до 0,001 мкм.
Целью работы является разработка метода контроля и
измерений геометрических параметров ЭТ МРТУ, сформированных
травлением в НГП, с погрешностью не более 0.02 мкм, на основе
теоретических и экспериментальных исследований закономерностей
формирования дифракционного спектра когерентного
монохроматического излучения на периодических структурах микро-и субмикрометрового диапазонов.
Задачи исследований. Для достижения цели необходимо:
получить расчетное выражение для определения интенсивности оптического излучения, дифрагировавшего в ГДМ различных порядков;
- установить закономерности формирования углового спектра
когерентного монохроматического излучения, дифрагировавшего на
периодической структуре при изменении формы профиля, ширины и
высоты ЭТ;
- разработать метод дифрактометрического контроля и
измерений размеров ЭТ и неравномерности глубины травления по
площади поверхности подложки с абсолютной допускаемой
погрешностью не более 0,02 мкм.
Методика, материалы и аппаратура, используемые в работе. Методика теоретических исследований основана на элементах теории формирования оптического изображения, скалярной теории дифракции, математическом моделировании дифракционных распределений интенсивности излучения, численных методах расчета. Эксперименты по контролю размеров протравленных ЭТ проводились на лабораторном лазерном гониодифрактометре ЛГДМ - О с лазером ЛГН-503 (длина волны излучения л =0,44 мкм) в качестве источника, блок модуляции включал в себя электронно-оптический модулятор МЛ-102, блок измерений имел два приемника излучения, измерительный и опорный, для нормировки измерительного сигнала. Травление проводилось в плазмохимическом реакторе магнетронного типа с катодной связью, питаемой от ВЧ-генератора ЩЦМ3.541.048ИН с рабочей частотой 13,56 Мгц и максимальной входной мощностью
600 Вт. При проведении экспериментов травлению подвергались пластины арсенида галлия, кремния.а также пленки хрома, нитрида и диоксида кремния. Сформированный профиль ЭТ исследовался с помощью растрового электронного микроскопа '\)5М-840"(фирмы JIOL, диапазон ускоряющих напряжений 1,2-20 кэВ)" и "Comibax" MICRO BEAM.
Разработанный автором метод контроля предполагает следующие допущения:
физические характеристики изделия определяются геометрическими параметрами ЭТ МРТУ;
- если геометрические характеристики находятся в пределах
допускаемых значений, то и физико-технические свойства
удовлетворяют требованиям технологии;
МРТУ является сложным техническим объектом,
представляющим собой совокупность структурных элементов,
первичными элементами которых являются ЭТ, если анализ
системы ограничить областью структурного элемента,
периодической решетки с числом штрихов N>10, ЭТ которой подобны ЭТ МРТУ, то по его результатам можно судить о процессе формирования травлением заданного микрорельефа;
- шероховатость поверхности находится за пределами
разрешения разрабатываемой методики контроля.
Достоверность результатов в нашем случае достигается использованием при описании изучаемого явления математического аппарата физически обоснованного в классической физике, обработкой результатов измерений методами математической статистики и сличением их с результатами, проведенными другими методами, что обеспечивает хорошую сходимость результатов расчетов с опытом.
Научная новизна. К новым результатам, полученным в диссертационной работе, можно отнести:
- установленные закономерности формирования углового
спектра дифрагировавшего на амплитудно-фазовой решетке
когерентного монохроматического излучения для случая малых
углов отклонения от нормального падения излучения;
полученое выражение зависимости интенсивности дифрагировавшего излучения от характеристик и параметров ЭТ РТУ;
- теоретически продемонстрированое и экспериментально
подтвержденое проявление в высших порядках ГМД отклонения
профиля ЭТ от вертикальности, при этом показано, что в младших
порядках изменение профиля не проявляется;
- предложенную модель, учитывающую наличие склона в
профиле ЭТ, позволяющую объяснить наблюдаемое расхождение
в экспериментальных и теоретических результатах по
дифракционным спектрам.
Практическая ценность работы:
- На основании полученных в работе результатов разработан
метод измерений размеров ЭТ МРТУ позволяющий производить
измерения с пределом допускаемой абсолютной погрешности
измерений линейных размеров±0,02 мкм, угловых-+5f
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной НТК "Стандарты-867Москва,1986г./,Второй НТК "Контроль.управление и автоматизация в современном производстве'7Минск, 1990г./, Международной НТК "МЕРА-90" /Москва, 1990г./, НТК'Перспективы направления в производстве микроэлектронных изделий /Москва, 1991г./, НТК "Тонкие пленки" /Ижевск, 1992г./, и Российских НТК " Новые материалы и технологии машиностроения " /Москва, 1992 и 1993 гг./, V и VI международных НТК "Лазеры в науке.технике и медицине" /Суздаль, 1994, 1995/. По результатам работы опубликовано 5 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 131 наименования. Работа изложена на... страницах машинописного текста и содержит... таблиц,... фотографий, иллюстрируется рисунками.
