本发明专利技术提供一种新的以激光为基础的测量非常薄的固体膜（２２）的方法，该方法以在与膜（２２）接触的气体或液体介质中产生折射率光栅为基础。在主要实施例中，气体或液体介质中被激发的声波（２５）调节被衍射的探测束的强度，导致和在固体样品中激发的声波模式的频率相比信号的低频分量。该低频分量的振幅与被膜（２２）吸收的能量相关，并进而与膜的厚度相关，这提供了一种用于膜厚测量的方法以及用于检测电介质底层上的金属膜的方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请要求2003年4月16日提交的美国临时申请序列号60/463,259的权益，此处引用其教导作为参考。本专利技术涉及到光学测量学领域以确定例如薄膜结构的样品性能。测量淀积在例如硅衬底或电介质层上的薄金属膜的性能的非接触光学方法对于工业过程监控而言需求量很大。过程控制应用最感兴趣的参数包括金属膜厚度的测量。而目前微电子器件中所用的金属薄膜的厚度典型地从100-200到几微米，技术的进一步发展甚至要求使用更薄的膜，厚度为100或者更小。一种需要测量厚度小于100的金属膜的应用是制作用于铜互连的预先扩散阻挡层。另一种潜在的应用为检测电介质层顶部上的金属残留物，其可能是在铜互连工艺的抛光步骤结束时残留的，可能危及电路的电性能。在一种附图说明图1所示的称为激光诱发瞬时光栅或脉冲受激热散射(此处称为ISTS)的已知方法中，第一激励激光脉冲3，3’产生一种在膜的平面传播的表面声波(SAW)(见展开式8)。第二探测激光脉冲6，6′从膜1的表面衍射，同时传感器7测量SAW的频率。SAW的频率与膜的厚度相关。ISTS在美国专利No.5,633,711(题目为利用光诱导声子测量材料的性能(Measurement of Material properties withoptically induced phonons))和美国专利No.5,812,261(题目为测量透明和不透明膜厚度的方法和装置(Method and Device forMeasuring the Thickness of Opaque and Transparent Films))中有描述。此处引用其内容作为参考。上述技术已成功地用来测量从100到10-□m的金属薄膜的厚度。然而将这种方法的测量能力拓展到非常薄的膜(＜100)证明是具有挑战性的。主要的困难在于这样一种事实，即对于几微米的典型SAW波长，几十个埃的膜厚大约是SAW波长的千分之一。因此，膜对于SAW的传播几乎没有影响，这就使得以SAW的频率为基础的膜厚度的精确测量变得困难。利用ISTS在固体表面产生的信号波形包含几个分量，它们由激发光的吸收引发的不同物理过程所形成。典型地，对于信号的主要贡献来自由探测束从表面“波纹”的衍射。由表面声波产生的表面位移对信号的高频分量负责，而与温度分布相关的位移产生缓慢衰减的分量。信号的另一分量是由样品表面上空气的折射率的变化引起的。当在样品表面吸收激励脉冲时，部分所产生的热量通过热扩散传递到空气。这就导致空气中空间周期性的温度升高。这种脉冲式空气温度升高也导致了声波的激发。这些声波引起探测脉冲折射率的周期性调制并对它的衍射有贡献。由于声音在空气中的速度相对较低，空气中声波的频率典型地比同样波长的SAW的频率低一个数量级。由于它的低频率，空气中波的贡献很容易同信号的其它分量区别开来。由于空气中声波产生的瞬时光栅信号分量以前已经被注意到，例如在一篇由Yang等发表的题为“C-N膜的弹性模数及热扩散率的光学测量”(J.Mater.Res.，Vol 10 No.1，Jan 1995)，但从未尝试过从信号的该分量中提取有用的信息。因此希望使用这一以前未使用过的包含在ISTS信号中的额外信息。在本专利技术中，由与样品接触的气体或液体介质的折射率扰动引起的瞬时光栅信号的分量被用来检测和测量非常薄的金属膜的厚度。一方面，本专利技术包括一种测量膜的方法，该方法通过用空间周期性激励场照射膜使其激发以产生热光栅；通过从膜到所述介质的热传递，在与膜接触的气体或液体介质中产生一种空间周期性折射率扰动；从所述介质中折射率扰动衍射探测激光束形成信号束；以时间为函数检测信号束，从而产生信号波形；以及以信号波形为基础确定膜的至少一种性能。在本专利技术的一个实施例中，膜是一种金属膜。在另一个实施例中，膜是一种厚度小于100的金属膜。在另一个实施例中，膜被淀积在一个底层上，它对于激励辐射是透明的。在再一实施例中，底层在激励波长处的光吸收系数比膜材料的吸收系数小。在另一个实施例中，与膜接触的气体介质是空气。在另一个实施例中，与样品接触的气体或液体介质的折射率扰动是由介质中的声波引起的。在另一个实施例中，介质中的声波引起信号波形的低频调制。在另一个实施例中，确定步骤以信号波形的所述低频分量的分析为基础。在另一个实施例中，确定步骤包含用经验校准分析信号波形。在再一个实施例中，确定步骤包含用理论模型分析信号波形。在另一个实施例中，该至少一种性能包含膜的厚度。在再一个实施例中，该至少一种性能包含膜的存在。本专利技术提供了许多优点，这些优点将从下面的描述、附图和权利要求书显而易见的。参考下面的各图，可以更全面地理解本专利技术。图1表示利用根据现有技术的方法的脉冲受激热散射探测的金属薄膜；图2表示利用根据本专利技术的脉冲热散射探测的金属薄膜；图3表示在一种样品上产生的信号波形，该样品由不带金属表面膜的Si晶片上的SiO2层构成；图4表示在样品上产生的信号波形，该样品由Si晶片上的SiO2层组成，SiO2层上淀积了非常薄的TiSiN膜；图5表示包括根据公式1的最佳拟合的信号波形；图6表示无线电波振幅对金属膜厚度的曲线；图7表示根据专利技术的方法测量的TiSiN膜厚度的直径分布的实例。在新专利技术的方法中，无线电波信号用于检测和测量典型地淀积在硅晶片上的电介质层上的非常薄的金属膜的厚度。图2示意性表示出样品21，该样品具有在硅衬底24上的透明电介质(例如SiO2)层23上淀积的非常薄的半透明金属膜22。两个短激光脉冲26、26’产生与现有技术方法相似的空间周期光强度图形。如果金属膜22不存在，激励光26、26’的吸收只发生在Si衬底24中。由于典型的互连电介质的热导率与硅相比低很多，因此没有显著的热量传递到空气。结果，空气中不产生声波。图3表示在样品上测得的信号波形，该样品由在硅晶片上热生长的0.55□m厚的SiO2膜构成，激发周期为8.86□m。该波形不包含空气中产生的声波的贡献，因为样品没有金属膜22。如果样品21的表面上存在金属薄膜22，激励脉冲26、26’能量的一部分将被膜22吸收并通过热扩散传递到空气中。图2用箭头25表示这种传递。这导致空气的脉冲热膨胀以及声波的激发，从而调节空气的折射率。所得到的空气折射率的空间周期变化将作用于探测束6作为衍射光栅，进而对衍射信号束6’有贡献。图4表示在和图3所示波形相同条件下测量样品的信号波形，样品由Si晶片上的0.55□m SiO2上的46气相淀积TiSiN膜构成。因此图3和图4所示测量结果的唯一区别是后者存在非常薄的TiSiN膜22。可以看到信号波形现在由慢振荡200调制。由激励图形的空间周期确定的8.86□m的声波波长被慢振荡200的周期25.4ns划分导致349m/s的速度，即典型条件下空气中的声速。因此，慢振荡200对应于由空气中的声波导致的信号的分量，空气中的声波是由于热量从TiSiN膜22传递到膜上的空气引起的。由于其低频率，空气中的声波对信号的贡献可以容易地与信号的其它分量(例如SAW分量，负责波形中的高频振荡100)区分开来。由于当金属膜厚度为零时空气中的声波所导致的信号分量消失，因此该信号分量的振幅必须在一定厚度范围内随膜厚增加而增加。膜越厚，膜吸收的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于测量膜（２２）的方法，包含：用空间周期性光激励场（３，３’）照射膜（２２）以产生热光栅；通过从膜（２２）到所述介质的热传递（２５）在与膜（２２）接触的气体或液体介质中产生空间周期性折射率扰动；探测激光束（６） 从所述介质的折射率扰动衍射而形成信号束（６’）；检测作为时间函数的信号束（６’）以产生信号波形；以及以信号波形为基础确定膜（２２）的至少一种性能。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：A马兹内夫，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]
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