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Die Erfindung bezieht sich auf ein Ellipsometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2 zur Untersuchung einer Probe, mit einem Beleuchtungsstrahlengang, der ausgebildet ist, die Probe mit Beleuchtungsstrahlung bestimmter Polarisation und Divergenz unter einem bestimmten Winkel zu beleuchten, einem Messstrahlengang, der ausgebildet ist, an der Probe in einen Reflexwinkelbereich oder Reflexortsbereich reflektierte Beleuchtungsstrahlung als divergierendes Reflexstrahlungsbündel aufzusammeln und hinsichtlich spektraler Zusammensetzung und Polarisationszustand zu analysieren, wobei der Messstrahlengang aufweist: ein Spektrometer, in das das Reflexstrahlungsbündel eingekoppelt ist und das das Reflexstrahlungsbündel spektral aufgliedert, einen im Spektrometer angeordneten 2D-Detektor und eine Polarisatoreinrichtung, die dem Detektor vorgeordnet ist, und die das Reflexstrahlungsbündel vor der spektralen Zerlegung abhängig vom Polarisationszustand räumlich filtert.
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In der Analyse dünner Schichten, wie sie in der Photovoltaik, der Halbleiterfertigung sowie der Architekturglas-Produktion auftreten, müssen Schichtdicke, Brechzahl und auch Brechzahlverläufe ermittelt werden. Der grobe Schichtaufbau ist dabei in der Regel bekannt, allerdings bestehen - gerade in der Prozessentwicklung - große Schwankungsbreiten in den Werten. Eines der genauesten Verfahren zur Schicht-Messung ist die spektroskopische Ellipsometrie.
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In einem Ellipsometer wird ein Schichtsystem unter einem definierten Winkel - in der Regel nahe 45° - mit Strahlung eines wohldefinierten Polarisationszustandes beleuchtet. Der Polarisationszustand des reflektierten Lichtes wird mit einem Polarimeter analysiert. Der Name Ellipsometrie stammt daher, dass hierbei häufig linear polarisiertes Licht umgewandelt wird.
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Der gemessene Polarisationszustand wird mit einem aus einem Schichtmodell berechneten Polarisationszustand verglichen. Für einfache Grenzflächen werden hier meistens die Fresnelschen Gleichungen, für Schichtsysteme die sogenannte „Thin Film Matrix Theory“ eingesetzt. Die Parameter des simulierten Schichtsystems (Dicken und Brechzahlen) werden variiert, bis Messung und Simulation in Deckung sind. Da die Ellipsometrie nur zwei Ausgangsgrößen liefert - Elliptizität und Azimut - lassen sich naturgemäß auch nur zwei Parameter rekonstruieren. Häufig werden deshalb Schichtdicken bei bekannter Brechzahl des Vollmaterials ermittelt.
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Um mehr Parameter eines Schichtaufbaus untersuchen zu können, wurde die spektroskopische Ellipsometrie entwickelt, bei der der oben genannte Vorgang für ein ganzes Wellenlängenspektrum durchgeführt wird. Damit ergibt sich ein Satz von Parametern, der es erlaubt, auch mehrlagige Schichtsysteme zu rekonstruieren.
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Hinsichtlich des Ellipsometers sind verschiedene Varianten bekannt. Bei Ellipsometrie mittels rotierendem Polarisator wird entweder der Polarisator im Beleuchtungsstrahlengang oder der Polarisator im Messstrahlengang rotiert. In Abhängigkeit vom Rotationswinkel wird die transmittierte Leistung gemessen. Rotiert man zusätzlich oder statt des Polarisators eine Lambda-Viertel-Platte im Beleuchtungs- oder Messstrahlengang, kann zusätzlich noch die sogenannte Jones-Matrix vollständig ermittelt werden. Da Lambda-Viertel-Platten ein stark wellenlängenabhängiges Verhalten zeigen, ist diese Variante jedoch nicht für die spektroskopische Ellipsometrie ohne weiteres tauglich.
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Eine weitere Variante der Ellipsometrie ist die sogenannte Null-Ellipsometrie. Hier wird der Polarisationszustand der Beleuchtungsstrahlung so eingestellt, dass nach Reflexion an der Probe linear polarisiertes Licht vorliegt. Stellt man dann den Analysator, d. h. die Polarisatoreinrichtung im Messstrahlengang senkrecht zu dieser Polarisationsrichtung, ist die Intensität des detektierten Reflexstrahlungsbündels am Detektor nahezu null. Aus Polarisationswinkeln der Beleuchtungsstrahlung und der als Analysator dienenden Polarisatoreinrichtung vor dem Detektor können Brechzahl und Sichtdicke der Probe ermittelt werden. Da dieses Verfahren quasi im Dunkelfeld arbeitet, ist es auch gut dazu geeignet, minimale Variationen um einen voreingestellten Sollwert zu finden, also z. B. Schichtschwankungen um einen Sollwert flächenaufgelöst sichtbar zu machen.
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Spektroskopische Ellipsometer sind im Stand der Technik vielfach bekannt, so z. B. in Form der sukzessiven Beleuchtung der Probe mit schmalbandiger Beleuchtungsstrahlung verschiedener Wellenlänge, wie es in der
US 5076696 oder
EP 1574842 A1 beschrieben ist. Die
DE 10146945 A1 schlägt für ein spektral analysierendes Ellipsometer vor, die spektral aufgefächerte Strahlung durch ein Mikropolarisationsfilter zu führen, das nach der spektralen Auffächerung vor dem Detektor angeordnet ist und Filterpixel aufweist, wobei jedes Filterpixel einem Pixel des Detektors zugeordnet ist. Die Filterpixel haben unterschiedliche Durchlass- bzw. Hauptachsenrichtungen für polarisierte Strahlung. Bei diesem Ansatz steigt der Aufwand, welcher für die Polarisationseinrichtung im Messstrahlengang erforderlich ist, mit steigender Auflösung üblicher 2D-Detektoren spürbar an. In der
US 6320657 ist ein spektroskopische Ellipsometer offenbart, das sämtliche Wellenlängen parallel über einen Monochromator analysiert. Die Polarisationseinrichtung ist dabei als rotierender Kompensator ausgebildet. Die
US 5329357 beschreibt ebenfalls ein spektroskopisches Ellipsometer, bei dem Polarisator, d. h. Polarisation der Beleuchtungsstrahlung, und Analysator, d. h. dem Detektor vorgeordnete Polarisationseinrichtung, rotieren. Weiter ist hier offenbart, die Beleuchtungsstrahlung über die Lichtleitfaser bereitzustellen und auch die Reflexstrahlung über eine Lichtleitfaser aufzusammeln und dem Spektrometer zuzuführen.
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Neben mechanischer Einstellung der Polarisationskomponenten sind natürlich auch elektronische Einstellungen im Stand der Technik bekannt, so beispielsweise in der
US 7265835 und der
US 6753961 . Die
US 7492455 offenbart ein spektralanalysierendes Ellipsometer, das eine Vielzahl von Beleuchtungsquellen samt Polarisationseinstellung für die Beleuchtungsstrahlung enthält, die nacheinander in den Strahlengang geschaltet werden. Dabei werden nur diskrete Polarisationszustande verwendet und keine kontinuierlich variierenden Zustände, indem mehrere breitbandige Quellen jeweils mit diskreten Polarisationszuständen zur Bereitstellung der Beleuchtungsstrahlung kombiniert und für die Messung sequentiell aktiviert werden.
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Eine spektrale Erfassung einer Probe mittels Ellipsometer schildert auch die
US 2010/0004773 A1 . Hier wird ein Reflex an einer Probe in einem flächigen Probenbereich erfasst und auf einen 2D-Detektor abgebildet. Vor der Abbildung auf dem Detektor findet in einer der
US 2010/0004773 A1 beschriebenen Ausführungsformen mittels eines sogenannten Hypercubes eine räumliche Modulation der aufgenommenen Reflexstrahlung hinsichtlich des Polarisationszustandes statt. Der rechnerische Rekonstruktionsaufwand zur Probenanalyse ist jedoch beträchtlich.
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Die
US 7372568 B1 schildert ein Polarimeter zur Auswertung von vier Polarisationszuständen. Dabei wird ein Polarisatorblock verwendet, dessen Eintrittsfläche in vier Abschnitte unterteilt wird, die unterschiedliche Polarisationen bewirken.
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Die
DE 19621512 A1 beschreibt ein Polarimeter zur Auswertung des wellenlängenabhängigen Polarisationszustandes von Strahlung. Dazu wird ein Polarisationsgitter mit lithographisch hergestellten Mikrostrukturen sowie ein spektrales Ablenkgitter verwendet.
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Die
US 5440390 A offenbart ein Polarimeter, das ein Lichtleitfaserbündel aufweist, dessen Einzelstrahlen unterschiedliche Polarisationswirkungen haben. Die zu analysierende Strahlung wird in das Lichtleitfaserbündel eingekoppelt und dann so auf ein 2D-Detektor geleitet, dass die Strahlung aus den Endflächen der Einzelfasern räumlich auflösbar ist. Aus der Intensitätsverteilung auf dem 2D-Detektor wird dann eine Aussage über den Polarisationszustand der eingekoppelten Strahlung abgeleitet.
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Aus der
US 2007/0229852 A1 ist ein Ellipsometer bekannt, das übliche Prismen als Polarisator im Beleuchtungsstrahlengang und als Analysator im Detektionsstrahlengang aufweist.
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Die
DE 19547552 C1 betrifft das Gebiet der Luftraumüberwachung und offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustandes von Strahlung, die aus einem Halbraum an verschiedenen Bildelementen empfangen wird. Jedes Bildelement besteht aus mindestens drei nebeneinander angeordneten, unterschiedlichen Polarisationsfiltern. Die durch einen Polarisationsfilter gelaufene und polarisierte Strahlung wird dann über eine Lichtwellenleiter geleitet. Es gibt für jedes Bildelement drei Lichtwellenleiter. Alle Lichtwellenleiter werden dann in einem Eintrittsspalt eines Spektrometers längs des Spaltes nebeneinander angeordnet.
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Die
US 6052188 offenbart ein spektroskopisch arbeitendes Ellipsometer der eingangs genannten Art, wobei im Strahlengang zum Eintrittspalt des Spektrometers Lichtleitfasern verwendet werden können.
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Die
DE 10021378 A1 beschreibt ebenfalls ein Ellipsometer der eingangs genannten Art. Die an der Probe reflektierte Strahlung wird durch ein polarisierendes Wollaston-Prisma zur Filterung geleitet, so dass nach dem Prisma zwei Ausgangslichtstrahlen vorliegen, von denen einer s-polarisiert und der andere p-polarisiert ist. Diese beiden Strahlen werden dann mittels Kollimatoren in zwei Lichtleitfasern eingekoppelt und von dort zu einem Spektrometer geleitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ellipsometer der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine schnelle Analyse auch komplexerer Schichtsysteme möglich ist. Insbesondere sollte das Spektrometer in Produktionsprozessen unmittelbar eingesetzt werden können, also sogenannten In-Line-Fähigkeit haben.
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Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 2 definiert.
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Es ist vorgesehen ein Ellipsometer zur Untersuchung einer Probe, mit einem Beleuchtungsstrahlengang, der ausgebildet ist, die Probe mit Beleuchtungsstrahlung bestimmter Polarisation und Divergenz unter einem bestimmten Winkel zu beleuchten, einem Messstrahlengang, der ausgebildet ist, an der Probe in einen Reflexwinkelbereich oder Reflexortsbereich reflektierte Beleuchtungsstrahlung als divergierendes Reflexstrahlungsbündel aufzusammeln und hinsichtlich spektraler Zusammensetzung und Polarisationszustand zu analysieren, wobei der Messstrahlengang aufweist: ein Spektrometer, in das das Reflexstrahlungsbündel eingekoppelt ist und das das Reflexstrahlungsbündel spektral aufgliedert, einen im Spektrometer angeordneten 2D-Detektor und eine Polarisatoreinrichtung, die dem Detektor vorgeordnet ist, und die das Reflexstrahlungsbündel vor der spektralen Zerlegung abhängig vom Polarisationszustand räumlich filtert, wobei das Spektrometer einen längs erstreckten Eintrittsspalt aufweist, der Messstrahlengang das Reflexstrahlungsbündel auf den Eintrittsspalt leitet, wobei längs der Längserstreckung des Eintrittsspaltes der Reflexwinkel oder Reflexorte variiert, das Spektrometer das Reflexstrahlungsbündel quer zur Ausbreitungsrichtung des Reflexstrahlungsbündels und quer zur Längserstreckung des Eintrittspaltes spektral zerlegt auf den Detektor lenkt, und die Polarisatoreinrichtung mehrere Polarisatoren umfasst, die jeweils das Reflexstrahlungsbündel hinsichtlich unterschiedlicher Polarisationszustände filtern, wobei die Polarisatoren nebeneinander auf dem Eintrittsspalt oder im Eintrittsspalt des Spektrometers angeordnet sind.
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Es ist weiter vorgesehen ein Ellipsometer zur Untersuchung einer Probe, mit einem Probenbeleuchtungsstrahlengang, der ausgebildet ist, die Probe mit Beleuchtungsstrahlung bestimmter Polarisation und Divergenz unter einem bestimmten Winkel zu beleuchten, einem Messstrahlengang, der ausgebildet ist, an der Probe in einen Reflexwinkelbereich oder Reflexortsbereich reflektierte Beleuchtungsstrahlung als divergierendes Reflexstrahlungsbündel aufzusammeln und hinsichtlich spektraler Zusammensetzung und Polarisationszustand zu analysieren, wobei der Messstrahlengang aufweist: ein Spektrometer, in das das Reflexstrahlungsbündel eingekoppelt ist und das das Reflexstrahlungsbündel spektral aufgliedert, einen im Spektrometer angeordneten 2D-Detektor und eine Polarisatoreinrichtung, die dem Detektor vorgeordnet ist, und die das Reflexstrahlungsbündel vor der spektralen Zerlegung abhängig vom Polarisationszustand räumlich filtert, wobei der Messstrahlengang eine Kollimatoreinrichtung aufweist, die das Reflexstrahlungsbündel in ein Lichtleitfaserbündel einkoppelt, das Lichtleitfaserbündel mindestens eine Gruppe von mindestens vier Einzellichtleitfasern aufweist, die längs einer Längserstreckung nebeneinanderliegend an einem Eingang des Spektrometers enden, wobei die in die Gruppe eingekoppelte Reflexstrahlung einem Reflexwinkel oder Reflexort zugeordnet ist, und das Spektrometer das am Eingang zugeführte Reflexstrahlungsbündel quer zur Längserstreckung spektral zerlegt auf den Detektor lenkt, wobei die Polarisationseinrichtung durch eine polarisationsfilternde Eigenschaft der Einzellichtleiterfasern oder durch den Einzellichtleitfasern vor- oder nachgeordnete Polarisatoren verwirklicht ist, wobei die polarisationsfilternden Eigenschaften der Einzellichtleitfasern bzw. die Polarisatoren jeweils die Reflexstrahlung hinsichtlich unterschiedlicher Polarisationszustände filtern.
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Die Erfindung sieht also in einer ersten und einer zweiten Variante vor, die Reflexstrahlung spektral gefiltert und nach Reflexorten oder -winkeln aufgeteilt am Eingang des Spektrometers bereitzustellen. Arbeitet das Spektrometer mit einem herkömmlichen Eintrittsspalt, werden die Polarisatoren nebeneinander im Eintrittsspalt angeordnet, so dass die räumliche Trennung des Reflexstrahlungsbündels hinsichtlich der unterschiedlichen Polarisationszustände im Eintrittsspalt erfolgt.
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Analoges erfolgt, falls das Spektrometer keinen herkömmlichen Eintrittsspalt hat, sondern Lichtleitfasern, deren Endflächen als Eintrittsspalt fungieren. Dann wird nach der Auskopplung aus den Lichtleitfasern bzw. vor der Einkopplung in die Lichtleitfasern oder sogar bei Ein-/Auskopplung die Polarisationsfilterung vorgenommen.
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Die Plazierung an dieser Stelle, d. h. am Eintrittsspalt bzw. am Spektrometereingang hat den Vorteil, dass im Inneren des Spektrometers keine Filter mehr angeordnet werden müssen. Streulicht oder Rückreflexe von solchen Filtern werden damit vermieden. Weiter ist die geometrische Zuordnung zwischen den Eintrittsspalt bzw. Spektrometereingang und der strukturierten Polarisatoreinrichtung, welche die mehreren Polarisatoren umfasst, und dem Spektrum auf dem 2D-Detektor ideal. Eine etwaige Justierung der Polarisatoren hinsichtlich der Detektorpixel entfällt, da die spektrale Aufgliederung erst nach der räumlichen Trennung der unterschiedlichen Polarisationszustände erfolgt.
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Auch entfällt der große Aufwand, wie er im sogenannten Hypercube-System der
US 2010/0004773 A1 anfällt, welche die räumliche Aufgliederung deutlich vor dem Spektrometereingang bzw. Eintrittsspalt vornimmt.
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Im Falle der Erfindungsvariante, bei der Lichtleitfaserenden die Funktion des Eintrittsspaltes am Spektrometereingang übernehmen, sind mehrere Gruppen von je mindestens vier Einzellichtleitfasern vorgesehen und die Kollimatoreinrichtung ist so ausgebildet, dass sie die Reflexstrahlung abhängig von Reflexwinkel oder Reflexort auf die Gruppen verteilt. Jede Gruppe entspricht dann einem Spektrometerkanal, und das Spektrometer fächert die von einer Gruppe kommende Strahlung in eine Raumrichtung spektral auf. Die andere Raumrichtung ist dann den einzelnen Lichtleitfasergruppen zugeordnet und kodiert folglich den Reflexort bzw. den Reflexwinkel, je nach Ausgestaltung der Kollimatoreinrichtung.
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Besonders einfach können die Polarisatoren dadurch realisiert werden, dass sie auf die eintritts- oder austrittsseitigen Endflächen der Einzellichtleitfasern aufgebracht werden, die dann natürlich vorzugsweise polarisationserhaltend ausgebildet sind, insbesondere, wenn größere Faserlichtwege vorliegen. Bei kurzen Fasern kann mitunter auf Polarisationserhaltung verzichtet werden.
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Zusätzlich zu den unterschiedlich polarisierten Elementen des Reflexstrahlungsbündels ist es zweckmäßig, einen nicht polarisationsgefilterten Dunkel- und/oder einen Weißlichtkanal im Eintrittsspalt bzw. am Spektrometereingang vorzusehen. Dies erlaubt eine permanente Dunkelmessung und/oder eine Weißreferenz und damit eine bessere Auswertung der Strahlung durch eine bessere Normierung der Intensität.
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Verwendet man für die Polarisatoren die Polarisationsrichtungen 0°, 45°, 90° und zirkular, lässt sich der gesamte Stokes-Vektor der Strahlung spektral zerlegt abbilden.
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Unter „Reflex“ wird im Sinne der Beschreibung auch eine Streuung verstanden. Der Begriff ist also nicht auf eine spiegelnde Reflektion eingeschränkt. Grundsätzlich kann eine mitunter ausreichende Information über die Schicht auch aus einer Beleuchtung mit unpolarisierter Strahlung ableitbar sein. Unter Beleuchtungsstrahlung bestimmter Polarisation ist also auch unpolarisierte Strahlung zu verstehen.
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Um das Ellipsometer besonders an den Einsatz in einem Fertigungsprozess für Schichten auszubilden, ist es vorteilhaft, dafür so sorgen, dass die Reflexintensität, welche erfasst wird, möglichst justageunabhängig ist. Sie sollte sich also möglichst nicht ändern, wenn die Lage der Schicht variiert.
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Dies kann in einer ersten Variante besonders einfach dadurch erreicht werden, dass ein Beleuchtungsfleck beleuchtet wird, der sehr viel größer ist, als der erfasste Messfleck, in dem die Reflexionsstrahlung aufgesammelt wird. Analoges kann alternativ oder zusätzlich für die Apertur gelten. Durch den Größenunterschied ist sichergestellt, dass auch bei innerhalb gewisser Toleranzen variierender Lage der Schicht, insbesondere bei einer Verschiebung oder Verkippung der Schicht, der Messfleck/Messwinkelbereich immer einen Bereich erfasst, der innerhalb des Beleuchtungsfleckes/Beleuchtungswinkelbereiches liegt. Natürlich ist auch ein invertierter Ansatz möglich, d. h. dass der Messfleck/Messwinkelbereich sehr viel größer ist, als der Beleuchtungsfleck/Beleuchtungswinkelbereich. Wesentlich für diesen Vorteil ist es also, dass zwischen Beleuchtungsfleck und Messfleck ein Größen- und/oder Aperturunterschied besteht, der so gewählt ist, dass auch bei einer gewissen, vorbestimmten Variation der Lage der Schicht der kleinere Fleck/die größere Apertur vollständig innerhalb des größeren Fleckes/der kleineren Apertur bleibt.
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In einer zweiten Variante ist eine Nachführung vorgesehen. Über eine geeignete Messeinrichtung wird die Lage des Ellipsometers im Raum und/oder zur zu vermessenden Schicht ermittelt und geregelt in eine Soll-Lage gegenüber der Schicht nachgeführt.
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In einer dritten Variante kann bei der Bestimmung von Schichtparametern eine Korrektur vorgenommen werden, die die Lage des Ellipsometers im Raum und/oder zur Schicht berücksichtigt und etwaige Abweichungen von einer Soll-Lage zur Schicht ausgleicht, beispielsweise durch vorher bestimmte Korrekturwerte, die in einer Steuereinrichtung abgelegt sind. Natürlich ist auch hier eine Messung der Lage vorzusehen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schemadarstellung eines Ellipsometers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine Schemadarstellung eines Spektrometerspalts des Ellipsometers der 1,
- 3 eine Schemadarstellung der Aufspaltung der Polarisationsrichtungen für verschiedene Reflexwinkel oder Reflexorte in einem Ellipsometer ähnlich dem der 1,
- 4 eine Draufsicht auf eine Probe mit schematischer Darstellung von Beleuchtungs- und Deflektionsfleck,
- 5 ein Ellipsometer einer weiteren Bauweise und
- 6 eine schematische Darstellung des Eingangs des Ellipsometers der 5 mit der Erzeugung von hinsichtlich der Polarisation unterschiedlichen Kanälen und
- 7-9 Darstellungen ähnlich der 6 von unterschiedlich gestalteten Ellipsometereingängen.
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1 zeigt schematisch ein Ellipsometer 1 a, das zum Vermessen einer Schicht 2 auf der Oberfläche einer Probe 3 ausgebildet ist. Das Ellipsometer 1a hat einen Beleuchtungsstrahlengang 4 sowie einen Messstrahlengang 5. Der Beleuchtungsstrahlengang 4 enthält eine breitbandige Quelle 3, die z. B. Licht, also Strahlung im sichtbaren Spektralbereich abgibt. Der Quelle 6 nachgeordnet ist ein Kollimator 7, der die Strahlung parallelisiert und an einen Polarisator 8 weiterleitet, welcher, wie in der Ellipsometrie bekannt, die Strahlung polarisiert. Über eine Beleuchtungsoptik 9 wird ein Bündel konvergierender Beleuchtungsstrahlung 10 erzeugt, mit dem die Schicht 2 der Probe 3 beleuchtet wird. Der Öffnungswinkel w der Beleuchtungsstrahlung 10 kann dabei vorzugsweise eingestellt werden. so dass die Größe des beleuchteten Fleckes auf der Schicht 2 der Probe 3 variiert werden kann.
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Da der Beleuchtungsstrahlengang 4, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, um einen Winkel a gegenüber der Normalen N auf die Schicht 2 gekippt ist, wird die Beleuchtungsstrahlung nach einer Wechselwirkung mit der Probe (beispielsweise Beugung an einer periodischen Struktur etc.) als divergierendes Reflexstrahlenbündel 11 an der Probe 3 und insbesondere deren Schicht 2 reflektiert. Das Reflexstrahlenbündel 11 wird von einem Kollimator 12 aufgesammelt, wobei der Öffnungswinkel, in dem der Kollimator das Reflexstrahlenbündel aufsammelt, mit u bezeichnet ist. In der Darstellung der 1 ist der Messstrahlengang 5 so angeordnet, dass er ein Reflexstrahlenbündel 11 aufnimmt, das einem Strahlenbündel entspricht, das bei rein spiegelnder Reflexion (also im wesentlichen Beugung nullter Ordnung) erzeugt werden würde. Dann entspricht der Öffnungswinkel u dem Öffnungswinkel w. Eine Variation dieser Parameter ist möglich, je nach Einstellung des Kollimators 7 im Beleuchtungsstrahlengang 4, des Kollimators 12 im Messstrahlengang 5 und Eigenschaften der Probe (Streuung an Oberfläche).
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Der Kollimator 12 leitet das aufgesammelte Reflexstrahlenbündel zu einem Spektrometer 13. Dieses Spektrometer 13 verfügt über ein auffächerndes Element 14, welches die detektierte Strahlung spektral auffächert, wie noch erläutert werden wird. Die Strahlung wird dann auf einem zweidimensionalen Detektor 15 nachgewiesen.
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Das Spektrometer 13 verfügt über eine Eintrittsspaltblende 16, die in 2 schematisch dargestellt ist. Die Eintrittsspaltblende 16 erstreckt sich entlang einer Längsrichtung L und definiert einen Eintrittsspalt, wie er für Spektrometer gemeinhin bekannt ist. Auf dem Eintrittsspalt, d. h. auf der Eintrittsspaltblende 16 sind nun längs der Richtung L zwei Gruppen G1, G2 mit jeweils vier Polarisatoren 18 bis 21 angeordnet, welche die zugeführte Strahlung unterschiedlich hinsichtlich der Polarisation filtern, nämlich in den Polarisationsrichtungen 0° (Polarisator 18), 45° (Polarisator 19), 90° (Polarisator 20) sowie zirkular (Polarisator 21). Jeder Polarisator lässt also nur die entsprechende Polarisationsrichtung passieren. Der Eintrittsspalt wird also durch die Polarisatoreinrichtung 17, welche durch die am Eintrittsspalt 21 angeordneten Polarisatoren realisiert ist, längs der Richtung L räumlich in zwei Gruppen mit jeweils vier Polarisationsarten unterteilt. Darauf ist das auffächernde Element 14 so eingerichtet, dass es zum einen die übliche spektrale Auffächerung durchführt. Dies ist schematisch in 3 durch die Auffächerungsrichtung „lambda“ symbolisiert. Quer zu dieser Richtung bewirkt die Polarisationseinrichtung 17 eine derartige Aufteilung, dass durch die Polarisatoren 18 bis 21 definierten Gruppen wiederholt werden. Diese Wiederholung der Gruppen wird durch den Kollimator 12 bewirkt, der dafür sorgt, dass ein größerer Bereich der Schicht 2 der Probe 2 hinsichtlich Reflexionen abgetastet wird. Die Strahlung, welche längs der Richtung L an der Eintrittspaltblende 16 in Form des Reflexstrahlenbündels 11 vorliegt, ist also längs der Richtung L entweder hinsichtlich der Reflexorte oder hinsichtlich der Reflexionswinkel aufgegliedert. Eine Aufgliederung gemäß den Reflexorten wird dann erreicht, wenn der auf der Schicht 2 erfasste Bereich sich längs einer Richtung erstreckt, die in 1 senkrecht zur Zeichenebene liegt. Eine Aufgliederung nach Reflexionswinkeln erhält man, wenn der erfasste Bereich um 90° dazu gedreht ist, so dass er in der Schnittebene der 1 und senkrecht zur Normalen N verläuft.
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Die Orts- bzw. Winkelauflösung ist durch die Abmessung einer der Gruppen längs der Richtung L gegeben. Zwar zeigt 2 lediglich exemplarisch zwei Gruppen G1 und G2, jedoch kann und wird in den meisten Ausführungsformen eine höhere Anzahl an Gruppen verwendet werden.
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Das ist in 3 durch Gruppen G1, G2, G3 und Gn veranschaulicht, wobei das Bezugszeichen Gn veranschaulichen soll, dass die Zahl der Wiederholungen nicht auf vier beschränkt ist, sondern durchaus beliebig höher oder geringer gewählt werden kann. Durch die Ausbildung des Kollimators 12 und der Polarisationseinrichtung 17 sind dabei die Gruppen G1 bis Gn unterschiedlichen Reflexionswinkeln zugeordnet, d. h. stammen aus unterschiedlichen Bereichen innerhalb des Öffnungswinkels u. Alternativ können die Gruppen G1 bis Gn auch verschiedenen Orten auf der Probe 2 zugeordnet sein.
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Diese Zuordnung wird durch geeignete Ausbildung des Kollimators 12 erreicht.
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Um das Ellipsometer besonders an die Vermessung von Schichten anzupassen, die in einem Fertigungsprozess hergestellt werden, ist es zweckmäßig, dafür zu sorgen, dass die Reflexintensität möglichst justageunabhängig ist, sich also möglichst nicht ändert, wenn die Lage der Schicht 2 längs der Normalen N variiert. Dies kann besonders einfach dadurch erreicht werden, dass, wie in 4 dargestellt, die Beleuchtungsstrahlung 10 einen Beleuchtungsfleck 32 beleuchtet, der sehr viel größer ist, als der vom Kollimator 12 erfasste Messfleck 33. 4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Schicht 2. Für den Messfleck 33 ist schematisch die Unterteilung in die einzelnen Flecke dargestellt, die den Polarisatoren an der Eintrittsspaltblende zugeordnet sind. Dadurch, dass der Beleuchtungsfleck 32 räumlich eine Ausdehnung hat, die größer ist, als die des Messflecks 33, kann auch bei innerhalb gewisser Toleranzen variierender Lage der Schicht, insbesondere bei einer Verschiebung der Schicht 2 längs der Normalen N, sichergestellt werden, dass der Messfleck 33 immer einen Bereich erfasst, der innerhalb des Beleuchtungsfleckes 32 liegt.
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Natürlich ist auch ein invertierter Ansatz möglich, d. h. dass der Messfleck 33 sehr viel grösser ist, als der Beleuchtungsfleck 32, so dass die Beleuchtungsintensität innerhalb des Messflecks 33 konstant bleibt, auch wenn die Schicht 2 hinsichtlich ihrer Lage variiert. Wesentlich für diesen Vorteil ist also, dass zwischen Beleuchtungsfleck 32 und Messfleck 33 ein Größenunterschied besteht, der so gewählt ist, dass auch bei einer Variation der Lage der Schicht 2 innerhalb vorgegebener Grenzen, der kleinere Fleck vollständig innerhalb des größeren Fleckes liegt.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Ellipsometers 1b, das sich hinsichtlich des Beleuchtungsstrahlenganges nicht relevant von dem Ellipsometer 1a unterscheidet. Die Unterschiede liegen im Aufsammeln des Reflexstrahlenbündels 11 und der Ausgestaltung des Spektrometers begründet.
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Der Kollimator 12 des Ellipsometers 1a ist durch einen Faserkoppler 22 ersetzt, der das Reflexstrahlenbündel 11 in eine Lichtleitfaserbündel 23 einkoppelt, das mindestens eine Gruppe aus vier Einzellichtleitfasern aufweist. Das Lichtleitfaserbündel 23 führt das aufgesammelte Reflexstrahlenbündel 11 zum Spektrometer 24. Dieses weist nun keinen herkömmlichen Eintrittsspalt auf, sondern einen Eingang, in dem die Einzellichtleitfasern des Lichtleitfaserbündels nebeneinander liegen. 6 zeigt eine Draufsicht auf den Eingang 31. Die Einzellichtleitfasern sind zu Gruppen zusammengefasst, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils aus vier Einzellichtleitfasern bestehen. Die Enden dieser Einzellichtleitfasern sind mit Polarisatoren 27 bis 30 versehen. Die Gruppen G1 bis Gn liegen nebeneinander, und das auffächernde Element 25 des Spektrometers 24 fächert die derart zugeführte Strahlung spektral auf, so dass im Ergebnis wieder das in 3 dargestellte Feld auf dem zweidimensionalen Detektor erreicht ist.
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Die Zuordnung der Gruppen G1 bis Gn zu unterschiedlichen Auftrefforten bzw. Winkeln wird nun nicht vom Kollimator, sondern vom Faserkoppler 22 vorgenommen, der dafür sorgt, dass die Reflexstrahlung aus unterschiedlichen Reflexwinkeln innerhalb des Winkelbereichs u bzw. die Reflexstrahlung von unterschiedlichen Orten auf die verschiedenen Gruppen von Einzellichtleitfasern im Lichtleitfaserbündel 23 verteilt wird. Ansonsten gilt das zuvor zum Ellipsometer 1a gesagte sinngemäß.
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Die Polarisatoren auf den Austrittsendflächen der Einzellichtleitfasern vorzusehen, ist natürlich nur eine von mehreren Möglichkeiten. Prinzipiell können die Polarisatoren auch auf den Eintrittsflächen der Einzellichtleitfasern vorgesehen werden oder die Einzellichtleitfasern können selbst entsprechende polarisationsfilternde Eigenschaft haben.
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Die Verwendung eines Lichtleitfaserbündels 23 erlaubt es, die Zusammenfassung der Gruppen auch so vorzunehmen, dass in vier Gruppen G1 bis G4 jeweils die Lichtleitfasern eines Polarisationstyps zusammengefasst werden. Dies ist schematisch in 7 dargestellt. Die Einzellichtleitfasern 27 bis 30 der Gruppe G1 führen also alle Reflexstrahlung, die auf einem Polarisationswinkel vom 0° gefiltert wird. Sie unterscheiden sich untereinander durch den Reflexort oder den Reflexwinkel, dem sie zugeordnet sind. Analoges gilt für die Lichtleitfasern G2 bis G4. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass geringere Störungen durch Übersprechung zwischen den Einzelkanälen auftreten.
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Ebenfalls zu geringerem Übersprechen führt die Bauweise der 8, bei der zwischen zwei Gruppen G1 bis Gn, die sich hinsichtlich des Reflexortes oder Reflexwinkels unterscheiden, ein zusätzlicher Spalt 34 vorgesehen ist.
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9 zeigt schematisch, dass die Aufteilung der Strahlung aus den Einzellichtleitfasern nicht nur darauf beschränkt ist, dass die Strahlung eine Einzellichtleitfaser hinsichtlich genau eines Polarisationszustandes gefiltert wird. 9 zeigt exemplarisch ein Lichtleitfaserbündel 23, das aus vier Einzellichtleitfasern 35 besteht, deren Strahlung jeweils durch vier Einzelpolarisatoren 27, 28, 29, 30 gefiltert wird. Die Strahlung aus einer Einzellichtleitfaser 35 entspricht also einer Gruppe G1 bis Gn und führt Strahlung, die hinsichtlich eines Reflexortes oder eines Reflexwinkels aufgenommen wurde.
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Die 1 bis 8 zeigen also Bauweisen, bei denen innerhalb einer Ortsauflösungszelle oder einer Winkelauflösungszelle vier Einzellichtleitfasern verwendet werden. In 9 wird eine Einzellichtleitfaser verwendet. Andere Aufgliederungen sind gleichermaßen möglich.
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Die Signale des Detektors wie Information über die entsprechenden Winkeleinstellungen des Spektrometers 1a bzw. 1b werden einem nicht weiter erläuterten Steuergerät zugeführt, das die eingangs erwähnte Simulation zur Schichtanalyse durchführt. Das beschriebene Ellipsometer 1a bzw. 1b erlaubt dadurch verschiedenste Betriebsweisen. So kann beispielsweise die Beleuchtungsstrahlung längs einer Linie mit kleiner numerischer Apparatur durchgeführt werden. Die Detektion erfasst dann den spekularen Reflex als Funktion des Ortes, d. h. die genannten Gruppen G1 bis Gn geben die Ortsabhängigkeit der aufgezeichneten Spektren wieder.
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In einer konoskopischen Spektralellipsometrie wird breitbandig, mit hoher numerischer Apparatur an einem Punkt beleuchtet. Die Reflexe werden dann als Funktion des Winkels und natürlich der Wellenlänge detektiert, so dass die genannten Gruppen G1 bis Gn die Winkelabhängigkeit der spektral aufgegliederten Reflexstrahlung wiedergibt. Dieses System eignet sich besonders für die Analyse komplexer Multischichten, wohingegen die vorher genannte Betriebsweise sich insbesondere für die Überprüfung hergestellter Dünnschichten im Produktionsprozess anbietet. Detektiert man bei der konoskopischen Spektralellipsometrie nicht den spekularen Reflex, sondern Streulicht, lässt sich mit dieser Variante eine Analyse mikrostrukturierter Schichtsysteme durchführen.