DE19708036C2 - Ellipsometrisches Mikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung beschreibt eine neuartige ellipsometrische Vorrichtung zur lateral ortsaufgelösten ellipsometrischen Mikroskopie und zur integrierenden Punktellipsometrie. Ellipsometrie ist eine optische Technik zur Messung von Schichtdicken und Brechungsindizes dünner transparenter und nicht transparenter Schichten und Schichtsysteme an Oberflächen oder Grenzschichten zwischen zwei Medien. Bei schrägem Einfall auf die Oberfläche oder Grenzschicht hängt die Reflexion (Reflexions- Ellipsometrie) oder Transmission (Transmissions-Ellipsometrie) der Probe von der Polarisation des einfallenden Lichtes ab. Gleichzeitig kommt es zu interferometrischen Gangunterschieden, die durch die Reflexion des Lichtes an den verschiedenen Grenzschichten der Probe entstehen. Beide Effekte werden bei der Ellipsometrie zur Messung ausgenutzt (Azzam, 1977).

Normale ellipsometrische Verfahren mitteln bei der Messung lateral über den Bereich, der von der Lichtquelle beleuchtet wird. Dies setzt für eine gute Messung auch eine laterale Homogenität der Proben im Bereich des ausgeleuchteten Meßflecks voraus. Typische Durchmesser des Beleuchtungsstrahls bei Ellipsometern ohne entsprechende Zusatzoptiken liegen im Bereich von 500 µm und mehr. Dies führt im Idealfall z. B. bei einem Einfallswinkel von 70 Grad zu einem Meßfleck von ca. 500 µm . 1000 µm. In vielen Bereichen, insbesondere in der Halbleiterindustrie werden aber ellipsometrische Messungen mit einer wesentlich höheren lateralen Auflösung benötigt. Um diese hohe Ortsauflösung zu erreichen, wurden in den letzten Jahren verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Ein Verfahren beruht auf der Verwendung einer sogenannten Mikrospot- Optik. Dabei wird der Laserstrahl auf der Beleuchtungsseite kollimiert, um einen möglichst kleinen Beleuchtungsfleck zu erreichen. Zur Rekonstruktion von Probenparametern (Schichtdicken und Brechungsindizes einzelner Schichten oder Schichtsysteme) aus den ellipsometrischen Messungen ist ein definierter Einfallswinkel des Lichtes unabdingbar. Dies setzt eine Beleuchtung der Probe durch einen parallelen Beleuchtungsstrahl voraus. Diese Bedingung steht im Widerspruch zur Kollimation des Beleuchtungslichtes in den obengenannten Mikrospot-Optiken (Barsukov, 1988(1); Barsukov, 1988(2)). Durch geeignete Blenden im Beobachtungsstrahlengang kann hier Abhilfe geschaffen werden. Ein weiteres Problem stellt derzeit eine geometrische Beschränkung der Kollimationsoptik durch den hohen Einfallswinkel dar, so daß zur Zeit nur Auflösungen im Bereich eines Strahldurchmessers von ca. 10 µm zu erreichen sind. Für ein wirkliches ellipsometrisches Bild der gesamten Oberfläche muß zudem die Probenoberfläche gerastert werden. Dies macht dieses Verfahren sehr langsam.

Ein anderes Konzept für ortsaufgelöste Ellipsometrie beruht darauf, daß die Detektionseinheit eines gewöhnlichen Ellipsometers durch eine Abbildungsoptik ersetzt wird, mit der die Probenoberfläche unter einem schrägen Winkel (Einfallswinkel, gemessen gegen die Probennormale) beobachtet wird, d. h. man ersetzt den Punktdetektor eines gewöhnlichen Ellipsometers durch einen bildgebenden Detektor (Hurd, 1988; Cohn, 1988; Beaglehole, 1988; Cohn, 1991; Liu, 1994; Prakash, 1995; Pak, 1995; Law, 1996). Das ellipsometrische Bild wird über eine CCD-Kamera aufgezeichnet und jedes einzelne Pixel-Element der CCD-Kamera wird als eigenes Ellipsometer betrachtet. Dabei treten verschiedene Probleme auf: Zunächst ist zu bemerken, daß für ellipsometrische Messungen zwar nur die nullte Ordnung des von der Probe reflektierten Lichtes (im Reflexions- Modus) benötigt wird. Um aber eine hohe laterale Auflösung bei der Messung zu erhalten, müssen nach der Abbeschen Theorie der Bildentstehung mindestens die ersten Beugungsordnungen des untersuchten Objektes mit abgebildeten werden und man erhält für das laterale Auflösungsvermögen eines Mikroskops (z. B. Bergmann, 1987):

Dabei ist s der Abstand zweier Objekte, die gerade noch getrennt aufgelöst werden können, λ ist die Wellenlänge des Lichtes A_I ist die numerische Apertur der Beleuchtungsoptik und A_O ist die numerische Apertur der Abbildungsoptik. Um eine hohe Auflösung zu erzielen sind daher entsprechende numerische Aperturen in der Beleuchtungs- und/oder in der Abbildungsoptik erforderlich, die in der Regel nur durch entsprechend groß dimensionierte Linsen oder durch Mikroskopobjektive erreichbar sind. Um eine laterale Auflösung von 1 µm zu erreichen ist bei einer Wellenlänge von 632.8 nm (HeNe-Laser) nach obiger Gleichung eine gesamte numerische Apertur A_I + A_O von mindestens 0.75 erforderlich. Derartig hohe numerische Aperturen stellen ein konstruktives Problem bei Einfallswinkeln von mehr als 50 Grad dar. Dieser Winkel wird durch eine Neigung der Probenoberfläche gegenüber der optischen Achse des Beleuchtungs- und des Beobachtungsstrahlengangs erzielt. Insbesondere auf Siliziumoberflächen (Halbleiterindustrie) wird aber Ellipsometrie in der Regel bei Einfallswinkeln von ca. 70 Grad betrieben, um eine hohe Auflösung in den ellipsometrischen Meßgrößen Δ und Ψ zu erhalten. Gleichzeitig führt die hohe numerische Apertur der Abbildungsoptik auch zu einer sehr geringen Tiefenschärfe der Abbildung. Bei den hohen Einfallswinkeln von 50 Grad und mehr wird somit bei herkömmlichen mikroskopischen Abbildungen nur ein sehr schmaler Streifen der Probe wirklich scharf abgebildet, da das reale Bild sehr stark gegen die optische Achse geneigt ist. Es wird daher versucht durch optische Hilfsmittel wie z. B. eine gegen die optische Achse geneigte Mattscheibe oder durch eine Drehung der CCD-Kamera gegen die optische Achse die Neigung des Bildes zu kompensieren und eine saubere, tiefenscharfe Abbildung zu erreichen (Rotermund, 1995; Jin, 1996). Eine andere aufwendige Kompensation könnte, ähnlich wie in der Brewster-Winkel-Mikroskopie (Hénon, 1991), durch ein Nachfokussieren der Optik und eine streifenweise Aufzeichnung des Bildes erfolgen.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, bei ellipsometrischen Messungen eine möglichst hohe laterale Auflösung bei einem beliebigen Einfallswinkel zwischen 0 und annähernd 90 Grad zu erreichen, gleichzeitig ein direktes Bild in mikroskopischer Qualität von der Oberfläche zu erhalten und damit ohne Rasterung ein großes Gesichtsfeld auszumessen.

Diese Probleme werden durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Mit dem vorgeschlagenen ellipsometrischen Mikroskop können lateral ortsaufgelöst Messungen zur Bestimmung von Schichtdicken und Brechungsindizes (Real- und Imaginärteil) von dünnen Schichten und Schichtsystemen auf festen und flüssigen, transparenten und nichttransparenten Substraten durchgeführt werden. Ebenso können mit dem vorgestellten Verfahren lateral ortsaufgelöst optische Parameter des Substrats selbst bestimmt werden. Schließlich ist das ellipsometrischen Mikroskop dazu geeignet Rauhigkeit, Probendefekte und polarisationsoptische Eigenschaften von dünnen Filmen oder makroskopisch dicken Substraten (Festkörper und Flüssigkeiten) zu untersuchen. Je nach gefordertem Einsatz kann das ellipsometrische Mikroskop sowohl in Reflexion als auch in Transmission eingesetzt werden.

Mit der Erfindung werden verschiedene Vorteile erzielt. Die Orientierung der optischen Achse des Abbildungssystem senkrecht zu Probenoberfläche erlaubt die Verwendung herkömmlicher Mikroskopobjektive (Linsen- oder Spiegelobjektive) mit sehr hoher numerischer Apertur. Dadurch erlaubt die Erfindung ellipsometrische Messungen mit einer lateralen Auflösung von bis zu 0.5 µm. Außerdem treten die Tiefenschärfeprobleme wie bei schrägem Beobachtungswinkeln nicht mehr auf. Durch die Abbildung der Probenoberfläche auf einen ortsauflösenden Detektor wird die ellipsometrische Information simultan über den gesamten Bereich des ausgeleuchteten und beobachteten Gesichtsfeldes gewonnen. Eine Rasterung der Oberfläche erübrigt sich somit. Dies bringt zum anderen gegenüber den normalerweise gebräuchlichen Mikrospot-Optiken einen enormen Zeitvorteil beim Messen.

Durch die Besonderheit der Beleuchtung eines punktförmigen Bereichs der hinteren Fokalebene des Mikroskopobjektivs wird eine Beleuchtung der untersuchten Oberfläche mit parallelem Licht unter definiertem Einfallswinkel erreicht. Eine Verschiebung des Beleuchtungspunktes in der hinteren Fokalebene erlaubt gleichzeitig eine einfache Veränderung des Einfallswinkels ohne aufwendige mechanische Aufbauten, wie z. B. ein Doppelgoniometer.

Für die ellipsometrische Mikroskopie im Durchlicht läßt sich alternativ eine Beleuchtung des untersuchten Objektes unter definiertem Einfallswinkel erreichen, indem der Kondensor in seiner hinteren Fokalebene in einem punktförmigen Bereich beleuchtet wird.

Möglichkeiten einer vorteilhaften und für verschiedene Einsatzzwecke angepaßten Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. So ist es möglich, das Ellipsometer in seinem polarisationsoptischen Grundaufbau nach einem der üblichen ellipsometrischen Verfahren aufzubauen. Die polarisationsoptischen Komponenten werden idealerweise in Bereichen mit parallelem Strahlengang eingebaut. Es können mit einem Grundaufbau durch den entsprechenden Einbau der polarisationsoptischen Komponenten leicht verschiedene Ellipsometeraufbauten (z. B. PCSA, PSA, PSCA, etc.; P: Polarisator; C: Kompensator; S. Probe; A: Analysator) realisiert werden. Der Einsatz von doppelbrechenden Materialien für die polarisations­ optischen Komponenten stellt dabei die einfachere Aufbauvariante dar, der Einsatz von elektrooptischen, magnetooptischen oder akustooptischen Komponenten bringt Vorteile bei Problemen wie Strahlversatz und Strahlablenkung durch die Drehung der doppel­ brechenden Komponenten mit produktionsbedingt nicht exakt planparallelen Stirnflächen. Durch den mikroskopartigen Aufbau des Ellipsometers können leicht verschiedene Lichtquellen in den Strahlengang über Strahlteilerwürfel, über Lichtleiter oder über direkten Anbau an das Mikroskop eingekoppelt werden. So können neben verschiedenen Laserlichtquellen auch das Licht einer Lampe mit geeigneter Monochromatisierung oder Licht aus einem Spektrometer in das Ellipsometer eingekoppelt werden.

Die Ausleuchtung eines definierten punktförmigen Bereichs in der hinteren Fokalebene des Mikroskopobjektivs läßt sich durch die Abbildung einer definierten punktförmigen Lichtquelle auf die hintere Fokalebene erreichen. Als punktförmige Lichtquelle eignet sich eine homogen ausgeleuchtete Lochblende. Bei der Verwendung von mehreren Lochblenden können auch einzelne Blenden zu- oder abgeschaltet werden. Durch direkte Montage von Polarisatoren vor die einzelnen Blenden, kann so einfach zwischen einzelnen Polarisationszuständen geschaltet werden oder es können verschiedene Polarisations­ zustände gemischt werden.

Analog ist es möglich, als punktförmige Lichtquellen die Enden von Lichtleitern zu verwenden. Bei der Verwendung von polarisationserhaltenden Lichtleitern und einer Beleuchtung des Lichtleiters mit polarisiertem Licht, erübrigt sich die Verwendung eines zusätzlichen Polarisators im Strahlengang des Mikroskops. Jede Lichtleiterfaser kann dann für sich eine eigene Polarisationsrichtung übertragen und durch Veränderung der Polarisation der Beleuchtung der Lichtleiterfaser oder durch geeignete faseroptische Komponenten kann diese Polarisation einfach geändert werden. Auch hier können einzelne Lichtleiter einfach zu oder abgeschaltet werden.

Eine Verwendung des ellipsometrischen Mikroskops bei verschiedenen Wellenlängen gestattet seinen Einsatz als Spektralellipsometer und erlaubt so einen weitaus größeren Einsatzbereich. Insbesondere sei hier auch auf die mögliche Verwendung von infrarotem oder ultraviolettem Licht hingewiesen.

Durch den entsprechenden Einsatz der polarisationsoptischen Komponenten kann das beschriebene Ellipsometer in jedem üblichen und gewünschten Ellipsometriemodus betrieben werden.

Durch den mikroskopartigen Aufbau des Ellipsometers ist eine Ausstattung mit üblichen Mikroskop-Probenverstelltischen leicht möglich. Dies ermöglicht ein leichtes und exaktes Positionieren der Proben im Ellipsometer. Der mikroskopartige Aufbau des Ellipsometers erlaubt eine laterale Positionsüberprüfung der Probe durch den optischen Aufbau, durch den auch die ellipsometrische Messung erfolgt.

Durch die Probenorientierung vertikal zur optischen Achse wird eine exakte Probenjustierung im Ellipsometer über ein Autokollimationsverfahren mit dem optischen Aufbau, der auch zur ellipsometrischen Messung benutzt wird, ohne großen zusätzlichen optischen und mechanischen Aufwand erreicht.

Durch die Möglichkeit, das Ellipsometer sowohl mit einem bildgebenden, ortsauflösenden Detektor (CCD-Kamera, SIT-Kamera, Restlicht-Kamera, etc.), als auch mit einem integrierenden Detektor (Photodiode, Photomultiplier, etc.) zu betreiben, ist ein einfaches Umschalten (bei entsprechendem Aufbau, auch eine simultane Messung) von ortsaufgelöster ellipsometrischer Ellipsometrie zu integraler Punktellipsometrie möglich.

Eine Erweiterung des Ellipsometeraufbaus mit anderen mikroskopischen und optischen Verfahren zur Probeninspektion ist möglich. So kann das Ellipsometer durch alle herkömmliche und konfokale Lichtmikroskopie-Verfahren, z. B. Brewster-Winkel-, Polarisations-, DIC-, Phasenkontrast-, Fluoreszenzmikroskopie, IR-Mikroskopie und IR- Spektroskopie durch Interferometrie und Ramanspektroskopie erweitert werden und bietet so eine Möglichkeit komplexe Strukturuntersuchung und Analysen durchzuführen. Insbesondere sind mikroskopische IR- und Ramanspektroskopie als mögliche Erweiterungen des ellipsometrischen Mikroskops möglich. Ebenso sind Erweiterungen durch zeitauflösende Techniken wie Fluoreszenzlebensdauermessungen möglich.

Die Ausstattung des Ellipsometers mit Vorrichtungen zum automatisierten Probenhandling und Probenalignment ermöglicht schließlich den Einsatz des Ellipsometers z. B. in Fertigungsstraßen und unter Reinraumbedingungen in der Halbleiterindustrie.

Durch eine direkte Integration des abbildenden ellipsometrischen Mikroskops in Anlagen zur Beschichtung und/oder Schichtabtragung ist an lateral strukturierten Oberflächen eine direkte Prozeßüberwachung und/oder eine Prozeßendkontrolle möglich.

Ähnlich wie bei normaler Mikroskopie sind auch mit dem ellipsometrischen Mikroskop Immersionstechniken möglich, die die Einsatzmöglichkeiten des Ellipsometers in Forschung und Entwicklung erheblich erweitern. So kann das Ellipsometer nicht nur an Luft als Medium betrieben werden, sondern es können z. B. für biophysikalische und biologische Untersuchungen auch Messungen unter Wasser, in Glyzerin/Wasser- Mischungen u. ä. durchgeführt werden. Ebenso können in der Physiko-Chemie Adsorptionsprozesse in Lösungen lateral ortsaufgelöst und zeitaufgelöst untersucht werden.

Eine sinnvolle Steuerung, Überwachung, Verarbeitung, Auswertung und Darstellung der Messungen und Ergebnisse erfolgt über entsprechenden Einsatz geeigneter Computer mit entsprechend geeigneter Bildaufnahme- und Bildverarbeitungs- Hard- und Software und entsprechenden, geeigneten visuellen und/oder druckenden Ausgabegeräten.

Literaturverzeichnis

Azzam, R. M. A., und N. M. Bashara. 1977. Ellipsometry and polarized light. North Holland, Amsterdam.
Barsukov, D. O., G. M. Gusakov, und A. A. Komarnitskii. 1988(1). Precision ellipsometry based on a focused light beam. Part 1. Opt. Spectrosc. (USSR). 64: 782-785.
Barsukov, D. O., G. M. Gusakov, und A. A. Komarnitskii. 1988(2). Precision ellipsometry based on a focused light beam. 2: Analysis of sensitivity. Opt. Spectrosc. (USSR). 65: 237- 240.
Beaglehole, D. 1988. Performance of a microscopic imaging ellipsometer. Rev. Sci. Instrum. 59: 2557-2559.
Bergmann, L., und C. Schaefer. 1987. Bergmann Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band III Optik. Walter de Gruyter, Berlin, New York.
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Liu, A.-H., P. C. J. Wayner, und J. L. Plawsky. 1994. Image scanning ellipsometry for measuring nonuniform film thickness profiles. Appl. Opt. 33: 1223-1229.
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Rotermund, H. H., G. Haas, R. U. Franz, R. M. Tromp, und G. Ertl. 1995. Imaging pattern formation in surface reactions from ultrahigh vacuum up to atmospheric pressures. Science. 270: 608-610.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen Ellipsometrische Mikroskopie

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Übersicht über den optischen Aufbau und den optischen Strahlengang eines ellipsometrischen Mikroskops (Auflicht) am Beispiel eines PCSA- (Polarizer-Compensator-Sample-Analyzer-) Aufbaus. Der Beleuchtungsstrahlengang ist dabei schwarz gezeichnet, der Beobachtungsstrahlengang ist grau gezeichnet. Es wird für das ellipsometrische Mikroskop eine möglichst punktförmige Lichtquelle (1) verwendet. Durch die darauffolgende Linse (2) wird das entstehende Lichtbündel parallelisiert.

Im Bereich des parallelen Strahlengangs wird durch den Polarisator (3) und den folgenden Kompensator (z. B. λ/4-Platte) (4) Licht mit definierter Polarisation erzeugt. Die folgende Feldblende (5) bestimmt den Bereich der in der Objektebene (6) ausgeleuchtet wird. Über eine Linse (7) wird die punktförmige Lichtquelle auf einen 45°-Spiegel (8) abgebildet. Über diesen Spiegel wird das Licht in den eigentlichen Mikroskop-Strahlengang eingekoppelt und die punktförmige Lichtquelle durch Abbildungslinsen (hier 2 Linsen) (9) und (10) auf die hintere Fokalebene (11) des Mikroskopobjektives abgebildet. Durch die Lage bzw. Stellung des 45°-Spiegels (Verschiebung radial zur Achse des Mikroskops, bzw. Verdrehung aus der 45°-Position) läßt sich der Fokalpunkt in der hinteren Fokalebene des Mikroskopobjektives (11) verschieben und damit ein anderer Einfallswinkel des Lichts auf die vordere Fokalebene (6) einstellen.

Die Probe wird durch diesen Aufbau unter definiertem Winkel in der vorderen Fokalebene (Objektebene) (6) des Mikroskopobjektivs beleuchtet. Das von der Probe reflektierte Licht wird durch die beiden Abbildungslinsen (9) und (10) am 45°-Spiegel vorbei durch eine Okularlinse (12) auf den Detektor (z. B. CCD-Kamera für eine Abbildung oder z. B. Photodiode für eine integrale Messung) (13) abgebildet. Im Okularstrahlengang (hier nicht ideal gezeichnet) wird die Polarisation des von der Probe reflektierten Lichtes durch einen Analysator (14) analysiert. Das gezeigte Ellipsometer könnte z. B. als Null-Instrument, als rotierender-Analysator-Ellipsometer, rotierender-Polarisator-Ellipsometer oder als rotierender-Kompensator-Ellipsometer betrieben werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Übersicht über den optischen Aufbau und den optischen Strahlengang eines ellipsometrischen Mikroskops (Durchlicht) am Beispiel eines PCSA- (Polarizer-Compensator-Sample-Analyzer-) Aufbaus. Der Beleuchtungsstrahlengang ist dabei schwarz gezeichnet, der Beobachtungsstrahlengang ist grau gezeichnet. Es wird für das ellipsometrische Mikroskop eine punktförmige Lichtquelle (15) verwendet. Durch die darauffolgende Linse (16) wird das entstehende Lichtbündel parallelisiert.

Im Bereich des parallelen Strahlengangs wird durch den Polarisator (17) und den folgenden Kompensator (z. B. λ/4-Platte) (18) Licht mit definierter Polarisation erzeugt. Die folgende Feldblende (19) bestimmt den Bereich der in der Objektebene (20) ausgeleuchtet wird. Über eine Linse (21) wird die punktförmige Lichtquelle in die hintere Fokalebene des Kondensors (22) abgebildet. Durch die Verschiebung der optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs gegen die optische Achse des Kondensors (22) wird der Beleuchtungspunkt in der hinteren Fokalebene des Kondensors verschoben und somit ein unterschiedlicher Beleuchtungswinkel in der Objektebene (20) erreicht. Das transmittierte Licht wird über das Objektiv (23) und Linse (24) auf den Detektor (z. B. CCD-Kamera für eine Abbildung oder z. B. Photodiode für eine integrale Messung) (25) abgebildet und durch den Analysator (26) analysiert. Das gezeigte Ellipsometer könnte z. B. als Null- Instrument, als rotierender-Analysator-Ellipsometer, als rotierender-Polarisator-Ellipso­ meter oder als rotierender-Kompensator-Ellipsometer betrieben werden.

Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit der Gestaltung der Lichtquelleneinheit aus Fig. 1 und Fig. 2 mit einer Quecksilberhöchstdrucklampe (27) mit Reflektor (28) und Kondensor (29). Anschließend wird das Licht durch einen Linienfilter (30) monochromatisiert und mittels einer Streuscheibe (31) wird die Lochblende (32) homogen ausgeleuchtet. Zum Schutz des Farbfilters kann ein Wärmeschutzfilter (33) eingebaut werden.

Fig. 4 zeigt die Möglichkeit, die Beleuchtung der Fig. 1 oder Fig. 2 durch einen Lichtleiter zu realisieren. Dabei wird ein durch eine geeignete Lichtquelle (34) (mit Licht definierter Polarisation) beleuchteter (polarisationserhaltender) Lichtleiter (35) so in den Aufbau integriert, daß ein Ende des Lichtleiters durch die beiden Linsen (36), (37) in die hintere Fokalebene (38) des Objektivs so abgebildet wird, wodurch in der Objektebene (39) eine parallele Beleuchtung unter definiertem Einfallswinkel und definierter Polarisation erreicht wird. Das von der Probe reflektierte Licht wird durch die beiden Abbildungslinsen (36) und (37) und einer Okularlinse (40) auf den Detektor (z. B. CCD-Kamera für eine Abbildung oder z. B. Photodiode für eine integrale Messung) (41) abgebildet. Im Okularstrahlengang (hier nicht ideal gezeichnet) wird die Polarisation des von der Probe reflektierten Lichtes durch einen Analysator (42) analysiert. Das gezeigte Ellipsometer könnte z. B. als Null-Instrument, als rotierender-Analysator-Ellipsometer, als rotierender- Polarisator-Ellipsometer oder als rotierender-Kompensator-Ellipsometer betrieben werden. Anstelle eines Lichtleiters können auch mehrere (schaltbare) Lichtleiter verwendet werden, die so eingebaut sind, das verschiedene Polarisationszustände und/oder Winkel der Beleuchtung eingestellt werden können. Werden keine polarisationserhaltenden Lichtleiter verwendet, wird vor dem Lichtleiterende im Mikroskopstrahlengang ein Polarisator verwendet.

Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit, die Beleuchtung der Fig. 1 oder Fig. 2 durch einen Lichtleiter zu realisieren. Dabei wird der von einer geeigneten Lichtquelle (43) (mit Licht definierter Polarisation) beleuchteter (polarisationserhaltender) Lichtleiter (44) so in den Aufbau integriert, daß sich das Ende des Lichtleiters in der hinteren Fokalebene (45) des Objektivs befindet, so daß in der Objektebene (46) eine parallele Beleuchtung unter definiertem Einfallswinkel und definierter Polarisation erreicht wird. Das von der Probe reflektierte Licht wird durch eine Okularlinse (47) auf den Detektor (z. B. CCD-Kamera für eine Abbildung oder z. B. Photodiode für eine integrale Messung) (48) abgebildet. Im Okularstrahlengang (hier nicht ideal gezeichnet) wird die Polarisation des von der Probe reflektierten Lichtes durch einen Analysator (49) analysiert. Das gezeigte Ellipsometer könnte z. B. als Null-Instrument, als rotierender-Analysator-Ellipsometer, als rotierender- Polarisator-Ellipsometer oder als rotierender-Kompensator-Ellipsometer betrieben werden. Anstelle eines Lichtleiters können auch mehrere (schaltbare) Lichtleiter verwendet werden, die so eingebaut sind, das verschiedene Polarisationszustände und Winkel der Beleuchtung eingestellt werden können. Werden keine polarisationserhaltenden Lichtleiter verwendet, wird vor dem Lichtleiterende im Mikroskopstrahlengang ein Polarisator verwendet.

Claims (19)

1. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie, wobei der Aufbau des Ellipsometers im Grundprinzip dem optischen Aufbau eines Auflicht- oder Durchlichtmikroskops entspricht wobei jedoch die Beleuchtung der Probe über das gesamte Gesichtsfeld unter einem definierten Einfallswinkel und mit definierter Polarisation erfolgt und wobei entweder im Falle von Auflicht die Beleuchtung der Probe unter einem definierten Einfallswinkel und mit definierter Polarisation dadurch erreicht wird, daß die hintere Fokalebene des Mikroskopobjektivs nur in einem punktförmigen Bereich mit definierter Polarisation beleuchtet wird oder, daß die hintere Fokalebene des Mikroskopobjektivs an einigen punktförmigen Bereichen abwechselnd oder gleichzeitig mit definiert polarisiertem Licht beleuchtet wird, oder wobei im Falle von Durchlicht die Beleuchtung der Probe unter einem definierten Einfallswinkel und mit definierter Polarisation dadurch erreicht wird, daß die hintere Fokalebene des Kondensors nur in einem punktförmigen Bereich mit definierter Polarisation beleuchtet wird oder, daß die hintere Fokalebene des Kondensors an einigen punktförmigen Bereichen abwechselnd oder gleichzeitig mit definiert polarisiertem Licht beleuchtet wird.

2. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach Patentanspruch 1, wobei bei Auflicht der Einfallswinkel durch eine geeignete Verschiebung des beleuchteten punktförmigen Bereichs in der hinteren Fokalebene des Mikroskopobjektivs und bei Durchlicht der Einfallswinkel durch eine geeignete Verschiebung des beleuchteten punktförmigen Bereichs in der hinteren Fokalebene des Kondensors verändert wird.

3. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ellipsometer der Anordnung seiner polarisationsoptischen Komponenten nach einem gängigen ellipsometrischen Verfahren entspricht, diese polarisationsoptischen Komponenten dabei in geeigneter Weise in den in Patentanspruch 1 genannten Mikroskopaufbau integriert sind und sowohl aus herkömmlichen doppelbrechenden Materialien bestehen können oder auch elektrooptischer, magnetooptischer oder akustooptischer Natur sein können.

4. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichteinkopplung in das Mikroskop sowohl direkt als auch über Strahlteilerwürfel oder Lichtleiter erfolgen kann und als Lichtquellen dabei Lampen mit geeigneter Monochromatisierung des Lichtes durch Filter oder Spektrometer und/oder Laserlichtquellen mit oder ohne Strahlaufweitung/Raumfilterung/Koheränz-Zerstörer Verwendung finden.

5. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtung der Objektebene mit Licht unter definiertem Einfallswinkel und definierter Polarisation im Fall von Auflichtmikroskopie durch eine geeignete Abbildung einer ausgeleuchteten Lochblende oder einer Anzahl von Lochblenden in die hintere Fokalebene des Mikroskopobjektivs erreicht wird oder im Fall von Durchlichtmikroskopie durch eine geeignete Abbildung einer ausgeleuchteten Lochblende oder einer Anzahl von Lochblenden in die hintere Fokalebene des Kondensors.

6. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtung der Probe mit definiertem Einfallswinkel und definierter Polarisation im Fall von Auflichtmikroskopie durch eine geeignete Abbildung des Endes eines Lichtleiters bzw. durch eine geeignete Abbildung einer Anzahl von Lichtleiterenden in die hinterer Fokalebene des Mikroskopobjektivs erreicht wird oder im Fall von Durchlichtmikroskopie durch eine geeignete Abbildung des Endes eines Lichtleiters bzw. durch eine geeignete Abbildung einer Anzahl von Lichtleiterenden in die hinterer Fokalebene des Kondensors.

7. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-5, wobei im Fall von Auflichtmikroskopie die Beleuchtung der hinteren Fokalebene des Mikroskopobjektivs durch eine direkte Positionierung des Endes eines Lichtleiters oder einer Anzahl von Enden von Lichtleitern in der hinteren Fokalebene des Mikroskopobjektives erreicht wird oder im Fall von Durchlichtmikroskopie durch die Beleuchtung der hinteren Fokalebene des Kondensors durch eine direkte Positionierung des Endes eines Lichtleiters oder einer Anzahl von Enden von Lichtleitern in der hinteren Fokalebene des Kondensors.

8. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ellipsometer bei verschiedenen Wellenlängen und/oder Einfallswinkeln betrieben werden kann.

9. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ellipsometer in einem der bekannten Ellipsometermodi betrieben werden kann.

10. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untersuchte Probe zur Fokussierung in Richtung der optischen Achse des Mikroskops, im Bedarfsfall auch in den zur optischen Achse orthogonalen Richtungen, durch geeignete Verstelleinheiten verschoben und im Bedarfsfall ebenfalls durch geeignete Verstelleinheiten um die optische Achse gedreht und um zur optischen Achse orthogonale Achsen gekippt werden kann.

11. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Probenpositionierung bezüglich der optischen Achse des Mikroskops über ein Autokollimationsverfahren erfolgt.

12. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektion des Meßsignals bei ortsaufgelöster Ellipsometrischer Mikroskopie über ein ortsauflösendes Detektionssystem in einem bildgebenden Modus erfolgt oder bei Punktellipsometrie über einen Punktsensor, der über das gesamte Gesichtsfeld einen integralen Meßwert liefert, oder daß durch eine Strahlaufteilung im Detektionsstrahlengang eine simultane Messung von ellipsometrischer Mikroskopie und Punktellipsometrie möglich ist.

13. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ellipsometer mit zusätzlichen Komponenten zur Probeninspektion durch herkömmliche und konfokale Verfahren der Lichtmikroskopie, IR-Spektroskopie, IR-Mikros­ kopie, Interferometrie, Ramanspektroskopie, mikroskopische IR- oder Ramanspektroskopie, zeitaufgelöste Fluoreszenzlebensdauermessung ausgerüstet ist, oder diese Komponenten in das ellipsometrische Mikroskop integriert werden können.

14. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ellipsometrische Mikroskop mit mechanischen, optischen und elektronischen Komponenten ausgestattet ist, die ein automatisiertes Handling und Alignment der Proben im Ellipsometer gestatten.

15. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ellipsometer in Anlagen zur Beschichtung und/oder zur Schichtabtragung im Rahmen der Prozeßüberwachung und/oder Prozeßendkontrolle integriert ist oder zur Prozeßüberwachung und/oder Prozeßendkontrolle verwendet wird.

16. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ellipsometrische Mikroskop nicht nur für Messungen in Luft, sondern auch für Messungen in anderen Medien verwendet werden kann.

17. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung, Überwachung, Verarbeitung, Auswertung und Darstellung der Messungen und Ergebnisse des ellipsometrischen Mikroskops mittels eines oder mehrerer geeigneter Computer mit entsprechend geeigneter Bildaufnahme- und Bildverarbeitungs- Hard- und Software und zugehörigen visuellen und/oder druckenden Ausgabegeräten erfolgt.

18. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lochblenden bzw. Lichtleiter schaltbar sind.

19. Ellipsometrisches Mikroskop zur lateral ortsaufgelösten Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtleiter polarisationserhaltend sind.