Nederlands
Menu

Ellipsometrie versus reflectometrie: wat ze meten, gevoeligheid voor dunne lagen en meerlaagse stapels

Beide methoden schijnen licht op een wafer en meten de reflectie om de dikte van dunne lagen contactloos en zonder schade te bepalen. Spectroscopische ellipsometrie stuurt gepolariseerd licht onder een schuine hoek in en meet per golflengte hoe de reflectie de polarisatie verandert (Psi en Delta). Spectrale reflectometrie belicht meestal loodrecht en meet het spectrum van de gereflecteerde intensiteit (reflectantie). Beide fitten een optisch model om de dikte te vinden, maar ellipsometrie gebruikt ook fase-informatie, waardoor ze sterker is bij lagen van enkele nanometers, meerlaagse stapels en optische constanten, terwijl reflectometrie eenvoudiger en sneller is en geschikt is voor diktebeheersing van dikkere lagen.

KenmerkSpectroscopische ellipsometrieSpectrale reflectometrie
Wat wordt gemetenAmplitudeverhouding (tan Psi) en faseverschil (Delta) tussen p- en s-gepolariseerde reflectieSpectrum van de gereflecteerde intensiteit (reflectantie)
BelichtingGepolariseerd licht onder een schuine hoek (typisch ongeveer 60 tot 75 graden)Meestal loodrechte inval; geen sturing van de polarisatie nodig
ResultatenDikte en optische constanten (brekingsindex n en extinctiecoëfficiënt k) kunnen samen worden bepaaldVooral dikte; meestal worden bekende optische constanten aangenomen
ModelafhankelijkheidSterk: waarden volgen uit het fitten van een model van de laagstapel en de dispersie ervanOok modelgebaseerd; bij een dikke enkele laag geeft de afstand tussen de interferentiefranjes de dikte vrij direct, maar de resultaten hangen af van de aangenomen optische constanten
Gevoeligheid voor zeer dunne lagen (enkele nm of minder)Hoog: Delta lost verschillen kleiner dan 0,1 nm op, dus natieve oxiden en gatediëlektrica kunnen worden gemetenLaag: er verschijnen geen interferentiefranjes en de verandering in reflectantie is klein, dus de precisie daalt
Beste diktebereik (ruwe richtlijn)Van minder dan 1 nm tot enkele micrometersVan tientallen nanometers tot tientallen micrometers
Meerlaagse stapelsSterk: twee grootheden per golflengte helpen de dikte en optische constanten van elke laag te scheidenAfzonderlijke lagen scheiden wordt moeilijk naarmate er lagen bij komen
Apparatuur en snelheidComplexere optiek met polarisatoren; de schuine bundel geeft een langgerekte meetvlek en elk punt kost wat meer tijdEenvoudig en snel, met een makkelijk kleine meetvlek; makkelijk in andere apparatuur in te bouwen
Typische toepassingenGate- en high-k-diëlektrica, dunne oxiden en nitriden, dikte en optische constanten van meerlaagse stapels, optische meting van kritische afmetingen (scatterometrie)Dikte van resist en van dik oxide of diëlektrica tussen metaallagen, en diktebewaking ingebouwd in CMP- en andere apparatuur

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Spectroscopische ellipsometrie
Wanneer je een nauwkeurige dikte nodig hebt van lagen van enkele nanometers of van meerlaagse stapels, of wanneer je ook de optische constanten nodig hebt. Geschikt voor lagen zoals gatediëlektrica, waarbij een verschil van 0,1 nm ertoe doet.
Spectrale reflectometrie
Wanneer lagen tientallen nanometers of dikker zijn en je snel op veel punten wilt meten. Door de eenvoudige optiek is het ook de gebruikelijke keuze voor diktebewaking die in depositie- en CMP-apparatuur is ingebouwd.

Veelgestelde vragen

Wat zijn Psi en Delta bij ellipsometrie?

Ze beschrijven de verhouding tussen de p- en s-gepolariseerde componenten van het gereflecteerde licht: tan Psi is de amplitudeverhouding en Delta het faseverschil. Beide veranderen met de laagdikte en de optische constanten, dus de dikte en de brekingsindex worden gevonden door er een optisch model op te fitten.

Waarom is ellipsometrie zo goed in zeer dunne lagen?

Het faseverschil Delta verandert duidelijk, zelfs bij lagen van enkele nanometers of dunner. Omdat ze een verhouding van twee polarisatiecomponenten meet, is ze ook ongevoelig voor schommelingen in de intensiteit van de lichtbron en heeft ze geen referentiemonster nodig.

Hoe bepaalt spectrale reflectometrie de dikte?

Licht dat aan de bovenkant van de laag reflecteert, interfereert met licht dat aan het grensvlak eronder reflecteert, zodat sommige golflengten worden versterkt en andere verzwakt. Dikkere lagen geven dichter op elkaar liggende franjes, dus de dikte volgt uit het reflectantiespectrum. Het is hetzelfde effect waardoor oxide op silicium gekleurd lijkt.

Hoe ver is de gemeten dikte te vertrouwen?

Beide methoden zijn indirect: ze fitten een optisch model. Als de aangenomen stapel of de optische constanten fout zijn, is het resultaat ook fout. Bij een nieuwe laag wordt het model meestal eerst gecontroleerd met een TEM-dwarsdoorsnede of röntgenreflectometrie (XRR).

Test uw begrip

Wat wordt hoofdzakelijk gemeten met ellipsometrie (spectroscopische ellipsometrie)?

  1. ADe weerstand wanneer stroom door het monster wordt gestuurd
  2. BDe dikte en brekingsindex van een dunne film, bepaald uit de verandering van de polarisatietoestand van gereflecteerd licht
  3. CHet massaspectrum van een monster dat met ionen is afgesputterd
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. De dikte en brekingsindex van een dunne film, bepaald uit de verandering van de polarisatietoestand van gereflecteerd licht

Bij ellipsometrie wordt gepolariseerd licht onder een hoek ingestraald en worden de amplitudeverhouding (tanΨ) en het faseverschil (Δ) van de p- en s-gepolariseerde component van het gereflecteerde licht gemeten; door deze aan een met een optisch model berekende waarde te fitten worden dikte en brekingsindex van een dunne film bepaald. Bij spectroscopische ellipsometrie, waarbij de golflengte wordt gevarieerd, kunnen ook meerlaagse films worden geanalyseerd en wordt een herhaalbaarheid van 0,1 nm of beter bereikt. Omdat de methode contactloos en niet-destructief is, wordt ze veel gebruikt voor het beheersen van de dikte van onder meer oxidefilms. Weerstand en massaspectra worden niet gemeten.

Wat is de juiste reden dat oxidefilms op silicium afhankelijk van de dikte in verschillende kleuren zichtbaar zijn?

  1. ADe kleur van onzuiverheden in de oxidefilm
  2. BInterferentie van licht dat aan de voor- en achterzijde (het grensvlak met silicium) van de oxidefilm wordt gereflecteerd
  3. CDe oxidefilm zelf zendt licht uit
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Interferentie van licht dat aan de voor- en achterzijde (het grensvlak met silicium) van de oxidefilm wordt gereflecteerd

SiO2 zelf is transparant, maar het aan het filmoppervlak gereflecteerde licht en het aan het grensvlak met silicium gereflecteerde licht interfereren, zodat afhankelijk van de dikte bepaalde golflengten (kleuren) versterkt worden. Bij ongeveer 100 nm is dat bruin tot paars, bij ongeveer 300 nm blauw en bij ongeveer 500 nm groenachtig, en dezelfde kleuren herhalen zich periodiek met de dikte. Omdat de dikte ongeveer uit de kleur te zien is, werd vroeger een kleurentabel gebruikt. Voor nauwkeurige metingen worden ellipsometrie en spectroscopische interferentie gebruikt.

Welke methode bepaalt de dikte en dichtheid van een dunne film uit de oscillaties in de reflectiviteit bij zeer ondiep invallende röntgenstraling?

  1. ASIMS
  2. BRöntgenreflectiviteit (XRR)
  3. CVierpuntsmethode
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Röntgenreflectiviteit (XRR)

Bij XRR wordt de reflectiviteit van röntgenstraling die onder een ondiepe hoek invalt gemeten terwijl de hoek wordt gevarieerd. Omdat de aan het oppervlak en aan het grensvlak van de film gereflecteerde röntgenstraling interfereert, oscilleert de reflectiviteit; uit de periode volgt de laagdikte, uit de kritische hoek waarbij totale reflectie optreedt de dichtheid van de film en uit de demping van de oscillaties de grensvlakruwheid. Omdat de meting zonder aanname van optische constanten kan, is ze geschikt voor het beoordelen van ultradunne films van enkele nm. SIMS en de vierpuntsmethode meten andere grootheden.

  1. Welke methode meet de dikte van een epilaag met lage concentratie op een substraat met hoge concentratie met behulp van interferentie van infrarood licht?
  2. Hoe heet een wafer die los van productwafers door het proces wordt gestuurd om onder meer de toestand van apparatuur te controleren en laagdiktes te meten?

Oefenvragen over Metrologie en analyse

Belangrijke termen uitgelegd

Ellipsometrie
Meetmethode waarbij gepolariseerd licht op een laag valt en uit de verandering van de polarisatietoestand door reflectie de dikte en brekingsindex van een dunne laag worden bepaald. Is niet-destructief.
Brekingsindex
Lichtsnelheid in vacuüm gedeeld door de lichtsnelheid in een materiaal. Bij een golflengte van 1,55 µm is die voor silicium ongeveer 3,48 en voor oxide (SiO2) ongeveer 1,45; hoe groter dit contrast, hoe sterker licht in een kleine golfgeleider kan worden opgesloten.
Thermische oxidatie
Methode om een SiO2-laag op het oppervlak te vormen door silicium te verhitten in zuurstof of waterdamp. Er bestaan droge en natte oxidatie.
Natuurlijk oxide (native oxide)
Dunne oxidelaag van circa 1 nm die vanzelf ontstaat wanneer silicium met lucht of water in aanraking komt. Verhoogt de contactweerstand en hindert epitaxiale groei; daarom direct voor de betreffende stap verwijderd.
Fotoresist
Lichtgevoelig materiaal waarvan de oplosbaarheid in de ontwikkelaar verandert onder invloed van licht. Bij een positieve resist lost het belichte deel op, bij een negatieve resist blijft het belichte deel staan.
CMP
Chemisch-mechanisch polijsten. Het wafeloppervlak wordt vlak gemaakt door de chemische werking van de slurry te combineren met mechanisch polijsten met een pad.
Monitorwafer
Wafer die los van productwafers door het proces wordt gestuurd om de toestand van de apparatuur te controleren en om filmdikte, deeltjes en dergelijke te meten. Ook testwafer genoemd. Na gebruik wordt de film verwijderd en wordt de wafer opnieuw gepolijst, waarna hij vaak als gerecyclede wafer wordt hergebruikt.

Verwante vergelijkingen