Исследование и разработка фотоэлектрических устройств для измерения параметров фотошаблонов и пленочных структур Ухов, Андрей Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. На сегодняшний день микроэлектронное производство достигло уровня, когда лучшие серийные образцы имеют характерные размеры топологических элементов 0.6-0.8 мкм. Количество элементов на кристалле у современных высокопроизводительных микропроцессоров достигает 5-6 миллионов, а динамических запоминающих устройств превышает 16 миллионов. Одновременно с этим значительно возрастают затраты иа всех стадиях производственного процесса, от разработки до выпуска серийной продукции. Определенного увеличения экономической эффективности с одновременным повышением надежности приборов можно достичь, проводя контроль на всех этапах технологического процесса. Среди параметров, подлежащих контролю основное место занимают геометрические размеры элементов, оптические и физические свойства пленочных структур, формирующих топологию мпкроэлектронных приборов.

Наряду с общими требованиями к контрольно-измерительному рборудованию технологаческіїе процессы предъявляют особые требования к средствам контроля:

-скоротечность отдельных стадий, приводит к необходимости принятия

решения о прекращении операции за доли секунды; -проведение большинства операций в вакуумных камерах при

постоянном перемещений образцов в пространстве затрудняет

контроль непосредственно в зоне операции п полностью исключает

контактные методы измерений; - групповой характер производства, при котором на одной

полупроводниковой пластине одновременно формируется большое

количество приборов требует разработки интегральных критериев

оценки качества технологических процессов. В связи с этим продолжается поиск в направлении неконтактных методов диагностики и контроля, среди которых оптические методы заслуженно приобретают все большую значимость. Кроме того, предпочтение отдается быстродействующим системам с циклом измерения не более 1 с. Таким образом, задача создания контрольно-измерительного оборудования, отвечающего современным требованиям микроэлектронного производства является одной из наиболее актуальных на пути повышения эффективности и надежности изделий электронной техники.

Данная диссертация посвящена разработке фотоэлектрических систем для измерения линейных размеров топологических элементов фотошаблонов, толщины и свойств пленочных покрытий микроэлектронных приборов. Разработанные устройства ориентированы как на межоперационный контроль, так и на контроль непосредственно в х аде технологического процесса.

Целыр диссертадионной работы являлось:

1. Анализ предельных возможностей и путей снижения погрешностей фотоэлектрических методов измерений топологических элементов фотошаблонов интегральных схем, толщин и оптических свойств пленочных покрытий, применяемых в микроэлектронике.

2. Исследование возможностей применения новых классов твердотельных фотоприемников на основе приборов с зарядовой связью для расшіїрения качественных и функциональных возможностей фотоэлектрических методов измерений.

3. Разработка конструкций измерительных устройств на основе фотоэлектрических методов с широким использованием средств вычислительной техники.

Научная новизна работы заключается в следующем:

4. Проанализированы основные характеристики приборов с зарядовой связью в свете их применения в качестве фотоприемников для фотоэлектрических систем контроля микроэлектронного производства, выявлены основные преимущества и недостатки данного класса приборов при использовании их в качестве элементов измерительных систем.

5. Разработаны алгоритмы измерений линейных размеров элементов топологии фотошаблонов, свободные от влияния свойств источника излучения и материала покрытия.

6. Разработаны методы контроля оптических и физических параметров полупроводниковых и диэлектрических пленок, являющихся частью многослойных пленочных структур.

Научные положения, выносимые на зашиту: 1. Введение в телевизионную систему измерений линейных размеров, имеющую угловую апертуру а_А и источник излучения с максимальної! длиной волны- Я,,,, устройства, создающего расфокусировку

изображения в пределах ±X,„_M/2sin o_A, позволяет определить положение истинного края элемента и измерить его размер.

2. Двумерная обработка дифракционной картини от элементов решеточных структур, путем усреднения сигнала по нескольким строкам вблизи положения максимума анализируемого порядка дифракции исключает влияние перекоса изображения дифракционной картины в плоскости фотоприемника.

3. Спектрофотометрический метод обеспечивает измерение толщин полупроводниковых и диэлектрических пленок, имеющих зависимость показателя преломления от воздействия внешних факторов, в процессе травления или осаждения. При этом, для получения данных как об оптической, так и' о физической толщине пленки требуется зафиксировать по крайней мере три экстремума коэффициента отражения или пропускания в наблюдаемом спектральном диапазоне.

Практическая ценность работы:

1. Разработаны программы обработки изображении топологии, фотошаблонов, позволяющие повысить точность и производительность .измерений размеров элементов фотошаблонов.

2. Изготовлен измерительный комплекс для размерного контроля элементов топологий фотошаблонов интегральных схем.

3. Созданы измерительные устройства для контроля процессов 'плазмбхимнческого травления, позволяющие увеличить достоверность определения момента окончания травления.

4. Изготовлен лабораторный прибор для измерения физических параметров диэлектрических и полупроводниковых пленок, позволяющий существенно повысить производительность измерений.

5. Разработана конструкция универсального малогабаритного автоматизированного спектрофотометра имеющего перспективы для применения не только в мнкроэлектронном производстве, но и в других областях науки и техники.

Реализация результатов работы. Разработан ряд контрольно-измерительных устройств для измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, а іакже скорости их травления и осаждения. Приборы внедрены во ВНИИ 'Электрон" в технолопію производства приборов с зарядовой связью. Разработан прибор для измерения физических параметров диэлектрических и полупроводниковых пленок. Разработанный в

рамках диссертационной работы спектрофотометр используется в качестве самостоятельного прибора на ІІО "Маяк" (г. Челябинск).

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Всесоюзной конференции "Автоматизация, интенсификация,
интеграция процессов технологии микроэлектроники" (г. Ленинград,

. 1989 г.).

2. Семинаре "Опыт внедрения прогрессивных средств и мєтодое размерного контроля" (г. Ленинград 1990 г. ).

3. Всесоюзной НТК "Актуальные проблемы электрошюге приборостроения" (г. Новосибирск, 1990 г.).

4. Второй международной НТК "Актуальные проблемы электрошюге приборостроения" (г. Новосибирск, 1994 г.).

5. Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского электротехнического университета им. В.И.Ульянова (Ленина) (г. Санкт-Петербург, 1990-1995 гг.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 4 - материалы конференций.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех" глав, заключения, списка литературы, включающего 94 наименования. Основная часть работы изложена на 180 страницах машинописного текста. Работа содержит 48 рисунков и 11 таблиц.