Spektroskopische Ellipsometrie vs. Reflektometrie: Messgröße, dünne Schichten, Mehrlagen
Beide Methoden beleuchten einen Wafer und messen die Reflexion, um die Dicke dünner Schichten berührungslos und zerstörungsfrei zu bestimmen. Die spektroskopische Ellipsometrie strahlt polarisiertes Licht schräg ein und misst für jede Wellenlänge, wie die Reflexion die Polarisation verändert (Psi und Delta). Die spektrale Reflektometrie beleuchtet meist senkrecht und misst das Spektrum der reflektierten Intensität (Reflexionsgrad). Beide passen ein optisches Modell an, um die Dicke zu erhalten; die Ellipsometrie nutzt aber zusätzlich Phaseninformation und ist daher stärker bei wenige Nanometer dicken Schichten, Mehrlagensystemen und optischen Konstanten, während die Reflektometrie einfacher und schneller ist und sich für die Dickenkontrolle dickerer Schichten eignet.
| Merkmal | Spektroskopische Ellipsometrie | Spektrale Reflektometrie |
|---|---|---|
| Was gemessen wird | Amplitudenverhältnis (tan Psi) und Phasendifferenz (Delta) zwischen p- und s-polarisierter Reflexion | Spektrum der reflektierten Intensität (Reflexionsgrad) |
| Beleuchtung | Polarisiertes Licht unter schrägem Winkel (typischerweise etwa 60 bis 75 Grad) | Meist senkrechter Einfall; keine Polarisationskontrolle nötig |
| Ergebnisse | Dicke und optische Konstanten (Brechungsindex n und Extinktionskoeffizient k) lassen sich gemeinsam bestimmen | Vor allem die Dicke; meist werden bekannte optische Konstanten angenommen |
| Modellabhängigkeit | Stark: Die Werte ergeben sich aus der Anpassung eines Modells des Schichtstapels und seiner Dispersion | Ebenfalls modellbasiert; bei einer dicken Einzelschicht liefert der Abstand der Interferenzstreifen die Dicke recht direkt, die Ergebnisse hängen aber von den angenommenen optischen Konstanten ab |
| Empfindlichkeit für sehr dünne Schichten (einige nm oder weniger) | Hoch: Delta löst Unterschiede unter 0,1 nm auf, sodass sich native Oxide und Gate-Dielektrika messen lassen | Gering: Es treten keine Interferenzstreifen auf, und die Änderung des Reflexionsgrads ist klein, daher sinkt die Präzision |
| Bester Dickenbereich (grober Richtwert) | Von unter 1 nm bis zu einigen Mikrometern | Von einigen zehn Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern |
| Mehrlagensysteme | Stark: Zwei Größen pro Wellenlänge helfen, Dicke und optische Konstanten jeder Schicht zu trennen | Je mehr Schichten, desto schwerer lassen sich die einzelnen Schichten trennen |
| Gerät und Geschwindigkeit | Komplexere Optik mit Polarisatoren; der schräge Strahl erzeugt einen länglichen Messfleck, und jeder Punkt dauert etwas länger | Einfach und schnell, mit leicht kleinem Messfleck; lässt sich leicht in andere Anlagen einbauen |
| Typischer Einsatz | Gate- und High-k-Dielektrika, dünne Oxide und Nitride, Dicke und optische Konstanten von Mehrlagensystemen, optische Strukturbreitenmessung (Scatterometrie) | Dicke von Fotolack und dicken Oxiden oder Zwischenschichtdielektrika sowie in CMP- und andere Anlagen eingebaute Dickenüberwachung |
Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.