способ оперативного контроля шероховатости сверхгладких поверхностей больших размеров методом рентгеновского сканирования и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ контроля шероховатости поверхности, включающий направление на исследуемую поверхность коллимированного пучка лучей рентгеновского излучения, измерение интенсивности отраженного излучения при помощи детекторов и определение величины шероховатости по измеренным параметрам, отличающийся тем, что коллимированный пучок лучей рентгеновского излучения направляют на исследуемую поверхность под углом скольжения = _c(_c+0,4^o), где _c - критический угол, сканируют пучком рентгеновского излучения по исследуемой поверхности в направлении, перпендикулярном проекции оси пучка на исследуемую поверхность, а измерение интенсивности отраженного излучения производят линейкой детекторов,

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что = 0,5-0,6^o.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что линейка детекторов представляет собой линейку обратно смещенных фотодиодов с предусилителями и модем для передачи данных в компьютер.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что рентгеновское излучение коллимируют до расходимости 10^-4 радиан.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что размер поперечного сечения пучка коллимированного рентгеновского излучения 1 х 1 мм².

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что скорость сканирования выбирают равной 1 мм/t_н, где t_н - время накопления детектора.

7. Устройство для контроля шероховатости поверхности, включающее источник рентгеновского излучения с коллиматором, элемент относительного перемещения источника коллимированного излучения и исследуемой поверхности и детекторы для измерения интенсивности отраженного от исследуемой поверхности рентгеновского излучения, отличающееся тем, что источник рентгеновского излучения с коллиматором установлен относительно исследуемой поверхности с обеспечением угла скольжения коллимированного рентгеновского излучения = _c(_c+0,4^o), где _c - критический угол, элемент относительного перемещения источника коллимированного излучения и исследуемой поверхности выполнен в виде сканирующей платформы для размещения образца с исследуемой поверхностью, а детекторы выполнены в виде линейки детекторов.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что линейка детекторов представляет собой линейку обратно смещенных фотодиодов с предусилителями и модем для передачи данных в компьютер.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что подложка, на которой сформированы чувствительные элементы фотодиодов, находится в тепловом контакте с элементом Пельтье.

10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что дополнительно содержит компьютер, подключенный к модему.

11. Устройство по любому из пп.7 - 10, отличающееся тем, что сканирующая платформа снабжена контроллером и шаговым двигателем, управляемым компьютером.

12. Устройство по любому из пп.7 - 11, отличающееся тем, что коллиматор выполнен щелевым.

13. Устройство по любому из пп.7 - 11, отличающееся тем, что коллиматор выполнен в виде параболического отражателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контроля сверхгладких плоских поверхностей с нанометровым уровнем шероховатости, таких как, например, подложки полупроводниковых микроэлектронных приборов, компакт-дисков, лазерных, и рентгеновских зеркал и пр.

Известны способы контроля шероховатости поверхности с помощью атомносиловых микроскопов и устройства, позволяющие измерять величину шероховатости поверхности - атомно-силовые микроскопы (например, [1]). Однако площадь, покрываемая одним атомно-силовым измерением, чрезвычайно мала (порядка 3x3 мкм²), что не позволяет контролировать весь образец за приемлемое время.

Известны также способы рентгеновской рефлектометрии, заключающиеся в направлении на исследуемую поверхность коллимированного пучка лучей рентгеновского излучения, измерении интенсивности отраженного излучения при помощи детекторов и определение величины шероховатости по измеренным параметрам. Известно также устройство для реализации указанного способа, содержащее источник рентгеновского излучения с коллиматором, элемент относительного перемещения источника коллимированного излучения и исследуемой поверхности и детекторы для измерения интенсивности отраженного от исследуемой поверхности рентгеновского излучения [2]. Способы рентгеновской рефлектометрии позволяют обследовать за одно измерение сравнительно большую площадью 500 мм², но имеют низкую пространственную разрушающую способность.

Технической задачей изобретения является уменьшение времени измерения путем увеличения площади, обследуемой за одно измерение до 10⁴ мм² и увеличение пространственной разрушающей способности до величины порядка 1 мм.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля шероховатости поверхности, включающем направление на исследуемую поверхность коллимированного пучка лучей рентгеновского излучения, измерение интенсивности отраженного излучения при помощи детекторов и определение величины шероховатости по измеренным параметрам, коллимированный пучок лучей рентгеновского излучения направляют на исследуемую поверхность под углом скольжения = _c-(_c+0,4^o), где _c - критический угол, сканируют пучком рентгеновского излучения по исследуемой поверхности в направлении, перпендикулярном проекции оси пучка на исследуемую поверхность, а измерение интенсивности отраженного излучения производят линейкой детекторов.

Для обеспечения пространственной разрешающей способности порядка 1 мм необходим угол скольжения = 0,5-0,6^o.

Как правило, линейка детекторов представляет собой линейку обратно смещенных фотодиодов с предусилителями и модем для передачи данных в компьютер.

Для обеспечения точности измерений и высокой пространственной разрушающей способности рентгеновское излучение коллимируют до расходимости 10^-4 радиан.

В соответствии с шагом диодной линейки и шириной чувствительного элемента детектора размер поперечного сечения пучка коллимированного рентгеновского излучения выбирают 1x1 мм².

При этом скорость сканирования выбирают равной 1 мм/t_н, где t_н - время накопления детектора.

Поставленная задача достигается также тем, что в устройстве для контроля шероховатости поверхности, включающем источник рентгеновского излучения с коллиматором, элемент относительного перемещения источника коллимированного излучения и исследуемой поверхности и детекторы для измерения интенсивности отраженного от исследуемой поверхности рентгеновского излучения, источник рентгеновского излучения с коллиматором установлен относительно исследуемой поверхности с обеспечением угла скольжения коллимированного рентгеновского излучения = _c-(_c+0,4^o), где _c - критический угол, элемент относительного перемещения источника коллимированного излучения и исследуемой поверхности выполнен в виде сканирующей платформы для размещения образца с исследуемой поверхностью, а детекторы выполнены в виде линейки детекторов.

При этом линейка детекторов представляет собой линейку обратно смещенных фотодиодов с предусилителями и модем для передачи данных в компьютер.

Для снижения темнового шума фотодиодов подложка, на которой сформированы чувствительные элементы фотодиодов, находится в тепловом контакте с элементом Пельтье.

Как правило устройство для контроля шероховатости поверхности дополнительно содержит компьютер, подключенный к модему.

Для обеспечения возможности сканирования сканирующая платформа снабжена контроллером и шаговым двигателем, управляемым компьютером.

В частных случаях коллиматор выполнен щелевым или в виде параболического отражателя.

На фиг. 1 изображены экспериментальные данные (крестики и точки) и теоретические кривые по формулам (1)-(3) (сплошные линии) коэффициентов отражения двух кварцевых образцов с различной шероховатостью; CuK излучение



На фиг. 2 изображена угловая зависимость отношения сигнал-шум для кремниевого образца.

На фиг. 3а,б показана оптическая схема устройства.

На фиг. 4 изображена схема установки.

На фиг. 5 показана геометрия линейки детекторов.

На фиг. 6 показан сигнал детектора без компенсации (а) и с компенсацией (б).

На фиг. 7 показан сигнал детектора, получаемый при засветке прямым рентгеновским пучком.

На фиг. 8 проиллюстрировано влияние расходимости пучка.

На фиг. 9а,б изображены варианты выполнения коллиматора.

На фиг. 10 показаны структура первого тест-объекта (а) и его изображение (б).

На фиг. 11 показаны структура второго тест-объекта (а) и его изображение (б).

На фиг. 11 показаны структура второго тест-объекта (а) и его изображение (б).

На фиг. 12 показаны структура третьего тест-объекта (а) и его изображение (б).

Способ контроля шероховатости основан на следующем.

Согласно формулам Френеля коэффициент отражения по интенсивности плоской неполяризованной монохроматической волны от идеально гладкой поверхности равен [3]:









Здесь _r и _i - вещественная и мнимая части диэлектрической восприимчивости, - длина волны. Шероховатости экспоненциально уменьшает коэффициент отражения:

R(,) = R₀()exp[-²f()], (2)

где - среднеквадратичная высота шероховатости;

f() - известна функция угла скольжения .

Аналитический вид функции f() исследовался многими авторами и было установлено, что в случае превалирования высоких пространственных частот профиля шероховатости можно принять [4-9]:



Характерный вид угловой зависимости коэффициента отражения представлен на фиг. 1 для двух значений . Угол скольжения, при котором коэффициент отражения резко падает, равен и называется критическим углом. Ясно, что шероховатость образца в разных точках его поверхности можно оценить, если измерить коэффициент отражения при углах скольжения, больших критического. Предположим, требуется различить два участка поверхности с шероховатости ₁ и ₂. Чем больше разность R(,₁)-R(,₂), тем лучше условия для различения этих участков. С этой точки зрения, как показывает фиг. 1, следует выбирать максимально большой угол скольжения. Однако с другой стороны, чем больше угол скольжения, тем меньше интенсивность отраженной волны, и тем больше влияние шумовых флуктуаций выходного сигнала детектора. Таким образом, должно существовать оптимальное значение угла скольжения . Найдем это значение.

Пусть число фотонов в падающем пуске равно N. Тогда разность между амплитудами сигналов, отраженных от участков поверхности с шероховатостями ₁ и ₂, равна



Амплитуда случайных флуктуаций выходного сигнала детектора в первом приближении пропорциональна сумме среднеквадратичной амплитуды флуктуаций числа фотоэлектронов, выбитых регистрируемом излучением, и средней амплитуды собственных шумов детектора :



Можно ввести параметр q, имеющий смысл отношения сигнал-шум:



Угловая зависимость q() представлена на фиг. 2, откуда следует, что оптимальный угол скольжения равен приблизительно 0.3^o для кремния. Практически такое же значение оптимально для кварца и алюминия. Для образцов с уровнем шероховатости более оптимальное значение угла скольжения должно выдерживаться довольно точно, чтобы получить достаточно высокое отношение сигнал-шум. Для образцов с шероховатостью порядка и меньше это условие не является сильно ограничивающим, поскольку углы скольжения большие оптимального, скажем 0,5^o-0,6^o, дают практически такое же отношение сигнал-шум.

Принцип осуществления способа и действия устройства для контроля шероховатости поверхности ясен из фиг. 3. Параллельный рентгеновский пучок 1 квадратного поперечного сечения 1x1 мм² падает на исследуемый образец 2 под углом скольжения . Размер образца D, угол скольжения и ширина пучка в вертикальной плоскости d связаны очевидным соотношением d = Dsin. Если поверхность образца плоская, отраженный пучок также параллельный, так что информация о каждом элементе 3 поверхности шириной переносится к детектору параллельным пучком 4, шириной sin в вертикальной плоскости. Таким образом, если требуется иметь пространственную разрешающую способность в плоскости образца, равную , то пространственная разрешающая способность детектора должна быть равна = sin. Для многих практических приложений достаточно иметь пространственную разрешающую способность = 1 мм. Пространственная разрешающая способность детектора ограничена шагом диодной линейки 5, который в нашем случае равен 12 мкм, так что значение = 1 мм соответствует углу скольжения = arcsin(/) 0,5-0,6^o. Это значение несколько превосходит оптимальную величину угла скольжения, найденную выше. Тем не менее, для сверхгладких поверхностей с шероховатостью порядка это отличие можно считать пренебрежимо малым.

Устройство позволяет исследовать образцы 6 с максимальным размером 100x100 мм². Максимальное число элементов разрешения в направлении рентеновского пучка равно 100. Чтобы иметь также же число элементов разрешения вдоль ортогональной оси мы ограничили ширину пучка в плоскости образца величиной 1 мм, что также соответствует ширине одного чувствительного элемента детектора в этом направлении. Таким образом, полное число элементов разрешения в изображении объекта, размером 100x100 мм², равно 100x100.

Основными частями устройства для измерения шероховатости поверхности являются (фиг. 4) сканирующая платформа 7 (сканер) с контроллером 8 шаговых двигателей 9-12, детектор 13, коллиматор 14 с рентгеновским источником 15 и компьютер 16 с программным обеспечением. Сканер 7 предназначен для юстировки исследуемого образца 6 по отношению к падающему рентгеновскому пучку и для одномерного сканирования относительно неподвижных детектора 13 и рентгеновского пучка. Юстировка заключается в угловой ориентации образца относительно двух взаимно перпендикулярных осей в плоскости его поверхности и линейном перемещении в вертикальном направлении. Задачей юстировки является ориентация исследуемой поверхности под требуемым углом скольжения 0,5^o-0,6^o по отношению к падающему рентгеновскому пучку и позиционирование в вертикальном направлении для полного перекрытия пучка. Необходимым условием юстировки является также надлежащая ориентация образца вокруг оси, параллельной направлению сканирования, так как от этого зависит появление сдвиговых искажений в изображении. Эти три операции выполняются шаговыми двигателями 14 - 16 с редукторами. Угловой шаг для обоих вращательных движений равен 6 угл.с., а перемещение в вертикальной плоскости выполняется с шагом 2 мкм. Сканирование осуществляется также шаговым двигателем с линейным шагом 5 мкм. Все четыре шаговых двигателя управляются многоканальным контроллером 8. Линейная скорость сканирования, а следовательно, и полное время получения одного изображения, могут меняться так, чтобы соответствовать времени накопления детектора. Например, если время накопления детектора задано равным 1c, то линейная скорость сканирования должна быть равной 1 мм/с, что соответствует скорости вращения шагового двигателя 200 шагов/с. В свою очередь, время накопления должно выбираться исходя из необходимости обеспечить приемлемое отношение сигнал-шум 2-10, которое может меняться от образца к образцу в зависимости от его шероховатости и материала. Например, в наших первых экспериментах время накопления выбиралось равным 1c.

Детектор 13 представляет собой линейку из 2580 обратно смещенных фотодиодов с предусилителями и модем для передачи данных в компьютер. Геометрия чувствительных элементов схематически показана на фиг. 5. Кремниевая подложка, на которой сформированы чувствительные элементы, охлаждается и стабилизируется до температуры приблизительно 10^oC с помощью микрохолодильника Пельтье. Охлаждение значительно снижает темновой шум и позволяет регистрировать отдельные рентгеновские кванты [10]. Для защиты чувствительных элементов от воздействия видимого света входное окно детектора закрыто бериллиевой фольгой.

Темновой ток чувствительных элементов и разброс их чувствительности компенсируются путем вычитания опорных значений, измеряемых и записываемых в память компьютера перед началом измерений. Результат такой компенсации показан на фиг. 6. Полная длина чувствительной области детектора составляет около 30 мм, так что только малая часть ее используется для измерений. Как видно из фиг. 7, только 150 отдельных чувствительных элементов из 2580 дают вклад в изображение.

Существуют несколько причин, по которым падающее рентгеновское излучение должно быть хорошо коллимированным в вертикальной плоскости. Прежде всего, углы скольжения в каждой точке поверхности образца должны быть одинаковыми, чтобы иметь одинаковые сигналы от разных точек с одинаковой шероховатостью. Во-вторых, параллельный пучок не вносит искажений в изображение. Кроме того, расходимость падающего пучка отрицательно влияет на пространственную разрушающую способность. Схема, представленная на фиг. 8, поясняет ситуацию. Предположим, требуется, чтобы разрешающая способность шероховатости порядка не ухудшалась расходимостью падающего пучка. Тогда из фиг. 1 следует, что для углов скольжения порядка 0,5^o-0,6^o должно иметь место ограничение < 0,02^o-0,3^o. С другой стороны, чтобы расходимость не влияла на пространственную разрушающую способность, должно выполняться соотношение D < , где - вертикальный размер одного чувствительного элемента детектора. В нашем случае D 100 mm и = 0,01 mm, так что < 10^-4 радиан 0.006^o. Следовательно, пространственная разрешающая способность является значительно более ограничивающим фактором, чем разрешающая способность шероховатости. Поэтому коллиматор, установленный между рентгеновской трубкой и образцом (фиг. 4), рассчитан так, чтобы уменьшить расходимость до 10^-4радиан. На первом этапе работы мы использовали простейший щелевой коллиматор (фиг. 9a). При этом расходимость пучка лучей, приходящих в одну точку поверхности образца, равна 0,1 мм/1000 мм=10^-4 радиан, то есть равна величине, необходимой для обеспечения пространственной разрешающей способности. С другой стороны, расходимость выходящего конуса лучей равна 1 мм/1000 мм=10^-3 радиан 0,06^o, что приблизительно в два раза больше величины, полученной выше для разрешающей способности шероховатости. Поэтому при использовании щелевого коллиматора получается несколько искаженное по яркости изображение, а именно более яркое у детектора и, соответственно, более темное со стороны коллиматора. Лучшее качество изображения получается при использовании параболического коллиматора, показанного на фиг. 9б.

Приведенные ниже примеры иллюстрируют работоспособность вышеописанного устройства и его главные особенности.

Пример 1. Тест-объект был приготовлен на кремниевой подложке 100 мм путем нанесения вольфрамовых слоев толщиной в виде параллельных полос шириной 10-15 мм (фиг. 10a). Шероховатость подложки, измеренная путем подгонки теоретической зависимости коэффициента отражения (1)-(3) к экспериментальным данным, была равна Различие толщин слоев вольфрама в соседних полосах проявилось в различии значений углов скольжения, соответствующих резкому спаду кривой отражения: чем толще слой, тем дальше по шкале углов начинается резкий спад отражения. Углы резкого падения коэффициентов отражения ограничены снизу критически углом кремния 0.22^o, а сверху - критическим углом вольфрама 0.56^o. Это приводило к значительному различию между коэффициентами отражения соседних полос, но не столь большому, как следует из формул Френеля (1), поскольку шероховатость слоя вольфрама увеличивается с увеличением его толщины.

Интенсивность падающего на образец коллимированного пуска составляла около 210⁵ имп/с, так что скорость счета отраженного пучка не превышала 10 имп/с с элемента разрешения на поверхности образца. Интенсивность собственных шумов детектора измерялась величиной 0,2-0,3 ипм/с с одного чувствительного элемента после вычитания темнового сигнала. В этих условиях приходилось выбирать время интегрирования не менее 1c, что обеспечивало отношение сигнал-шум в элементе изображения порядка 10. Для того, чтобы просканировать всю поверхность образца, длина сканирования выбиралась равной 110 мм, что при выбранном времени интегрирования соответственно времени сканирования 110c.

Первое полученное изображение приведено на фиг. 10б. Направление сканирования совпадает с вертикальными полями картины. Легко видеть образец круглой формы с параллельными полосами на нем. Темный сегмент в правом верхнем углу соответствует непокрытой части пластины, отражение от которой масло по сравнению с покрытыми частями. Правая темная, прямолинейная, слегка наклонная по отношению к правому полю граница соответствует краю защитной щели детектора, предотвращающей поражение чувствительных элементов прямым рентгеновским пучком. Наклон этой границы вызван небольшим рассогласованием между направлением сканирования и линией щели.

Если бы поверхность образца была идеально плоской, а рентгеновский пучок не имел расходимости в вертикальной плоскости, то темные и светлые участки изображения относились бы к областям соответственно с большой и малой шероховатостью. В общем случае при интерпретации наблюдаемого контраста необходимо учитывать неплоскостность пластины, влияние толщины вольфрамовых слоев на коэффициент отражения и расходимость падающего пучка. Расходимость падающего пуска проявляется в плавном регулярном увеличении яркости картины слева направо, тем больше, чем меньше угол скольжения лучей, падающих на поверхность пластины. Неплоскостность же должна проявляться в плавном, но хаотичном изменении яркости вследствие плавных локальных изменений угла скольжения луча.

Важной особенностью представленного изображения является повышенный контраст границ между соседними полосами. Это явление нельзя объяснить просто изменением угла отражения лучей на переходной ступеньке. Действительно, перепад высот на этих границах очень мал, порядка Если предположить, что протяженность ступеньки порядка элемента пространственного разрешения прибора, то есть порядка 1 мм, то изменение угла отражения составляет всего радиан. Такие угловые отклонения лучей лежат вне области чувствительности метода. Если же предположить, что изменение угла отражения на ступеньке сравнимо с пороговой для данного метода величиной, определенной в предыдущем разделе, то есть порядка 10^-4 радиан, то протяженность ступеньки получается равной всего что более чем на порядок меньше пространственной разрешающей способности прибора. Из сказанного следует, что природу отмененного явления еще предстоит установить. Тем не менее, уже сейчас очевидна его практическая ценность. В самом деле, однородные структуры высотой порядка нескольких нанометров не могут быть обнаружены традиционной оптической или растровой электронной микроскопией. Поэтому разработанный прибор может быть полезен не только для визуализации пространственного распределение шероховатости, но также и для визуализации регулярных структур с нанометровым уровнем высот.

Пример 2. Тест-объект был приготовлен на плоской кварцевой подложке 70 мм со средней шероховатостью и максимальной неплоскостностью менее 410^-5 радиан (8 угл.с.). Шесть параллельных друг другу вольфрамовых полос шириной 6, 4, 3, 2, 1.5 и 1 мм толщиной около были нанесены на поверхность подложки, как показано на фиг. 11а. Вследствие островкового случайного характера осаждения шероховатость поверхности полос, как и ожидалось, оказалась существенно больше, чем шероховатость подложки: около Поверх созданной пространственной структуры был нанесен тонкий слой вольфрама толщиной около Ожидалось, что шероховатость этого слоя будет существенно меньше, чем шероховатость полос. Рентгеновские измерения дали значение то есть меньше, чем шероховатость подложки. В результате на подложке была сформирована регулярная пространственная структура из одного материала с различием в шероховатости отдельных областей в

Изобретение второго тест-объекта приведено на фиг. 11б. Можно видеть все шесть полос, хотя контраст последних трех самых узких из них существенно меньше, чем первых трех широких. Полосы на картине выглядят темными, то есть коэффициент отражения этих участков меньше, чем остальной части образца. Это доказывает, что природа наблюдаемого контраста в большей шероховатости полос, а не в большей их толщине. В самом деле, предположим, что шероховатость всех участков образца одинакова. Тогда при фиксированном угле скольжения отражение от толстого слоя вольфрама больше, чем от тонкого. Следовательно, полосы выглядели бы в изображении светлыми, т.е. обратно наблюдаемой картине.

Пример 3. Третий тест-объектов был сформирован путем выборочного травления кварцевой подложки, аналогичной той, что использовалась для первого тест-объекта. В результате на подложке были созданы участки с повышенной шероховатостью порядка показанные на фиг. 12а. Изображение этого тест-объекта, приведенное на фиг. 12б, отличается от предыдущего меньшим отношением сигнал-шум и меньшим пространственным разрешением, поскольку критический угол для кварца в два раза меньше, чем для вольфрама.

Источники информации

1. Европейский патент N 0794406, кл. G 01 B 7/34, 1997 г.

2. Заявка Великобритании N 1474191, кл. G 01 B 11/30, 1977 г.

3. М.Брон, Э.Вольф. Основы оптики, Гл. 1, М.: Наука, 1972.

4. М. А. Исакович. Рассеяние волн на статистически шероховатой поверхности. ЖЭТФ 23, N 3(9), с. 305-314, 1952.

5. L.Nevot, P.Croce. Caracterisation des surfaces par reflexion rasante de rayons X. Application a l"etude du polissage de quelques verres silicates. Revue de Physique Appliquee 15, No.3, pp. 761-779, 1980.

6. B. Vidal, P.Vincent. Metallic multilayers for x-rays using classical thin-film theory. Applied Optics 23, No.11, pp. 1794-1801, 1984.

7. B.Pardo, L.Nevot, J-M.Andre. Matrical formalism for interfacial roughness analysis of LSMs. Proc.SPIE 984, pp. 166-172, 1988.

8. F.Stanglmeyer, B. Lengeler, W.Weber, H.Gobel and M.Schuster. Determination of the dispersive correction f"(E) to the atomic form factor from x-ray reflection. Acta Cryst. A 48. pp. 626-639, 1992.

9. D. K. G. de Boer. Influence of the roughness profile on the specular reflectivity of x-rays and neutrons. Physical Review B 49, No.9, pp. 5817 - 5820, 1994.

10. И.П.Долбня, С.Г.Курыло. Абсолютная спектральная чувствительность фотодиодных линеек с рентгеновском диапазоне 7-12 кэВ. препринт ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск, 1991.