DD299779A7

DD299779A7 - SPEKTRO - ELLIPSOMETER

Info

Publication number: DD299779A7
Application number: DD32449088A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Kirsch; Volkmar Naumburger; Wolfgang Gottschall; Leonid M Asinowski; Maksim L Aleksandrow; Aleksander L Melzin
Original assignee: Zentrum Fuer Wissenschaftlichen Geraetebau,De; Adw Der Udssr,Su
Priority date: 1988-12-30
Filing date: 1988-12-30
Publication date: 1992-05-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spektro-Ellipsometer, insbesondere zur Loesung von Forschungsaufgaben, zur Kontrolle physikalischer Parameter unterschiedlicher Oberflaechenstrukturen und von Mehrschichtbelaegen, die Halbleiter, Dielektrika und Metalle enthalten. Gegenueber den bisher bekannten Ellipsometern, die nach dem Prinzip der fotoelastischen Modulatoren arbeiten und bei denen die Frequenzgeneratoren fuer die Modulatoren asynchron zueinander liefen, werden erfindungsgemaesz statt dessen die Anregungsfrequenzen der Modulatoren von einem gemeinsamen Generator abgeleitet. Dadurch kann die bisher bestehende physikalisch bedingte Genauigkeitsschranke ueberschritten werden und eine erhebliche Erhoehung der Aussagefaehigkeit der Meszergebnisse erzielt werden. Fig. 1{Ellipsometer; Modulator, fotoelastisch; Anregungsfrequenz; Taktgeber; Oberflaechenstruktur; Mehrschichtbelaege; Halbleiter; Dielektrika}The invention relates to a spectro-ellipsometer, in particular for the solution of research tasks, for the control of physical parameters of different surface structures and of multilayer coatings containing semiconductors, dielectrics and metals. Compared to the previously known ellipsometers, which operate on the principle of photoelastic modulators and in which the frequency generators for the modulators ran asynchronously to each other, erfindaesz instead the excitation frequencies of the modulators are derived from a common generator. As a result, the previously existing physical accuracy limit can be exceeded and a considerable increase in the reliability of the measurement results can be achieved. Fig. 1 {ellipsometer; Modulator, photoelastic; Excitation frequency; clock; superficies; Mehrschichtbelaege; Semiconductor; dielectrics}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Spektro-Ellipsometer, insbesondere zur Lösung von Forschungsaufgaben, zur Kontrolle physikalischer Parameter unterschiedlicher Oberflächenstrukturen und von Mehrschichtbelägen, die Halbleiter, Dielektrika und Metalle enthalten, und kann zur Lösung anderer herkömmlicher Aufgaben der Spektro-Ellipsometrie Anwendung finden.The invention relates to a spectro-ellipsometer, in particular for solving research tasks, for controlling physical parameters of different surface structures and of multilayer coatings containing semiconductors, dielectrics and metals, and can be used to solve other conventional spectro-ellipsometric tasks.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Bekannt ist eine Vorrichtung mit zwei elektrooptischen Modulatoren in Tandemanordnung, einem Linearpolarisator, einem optischen Bandfilter und einem Lichtempfänger mit elektronischem Meßsystem (Soobjenie specialnoj astrofiziceskoj observatorii Izd. SAD ANSSSRJ 983, vyp. 38, S. 5-29).A device is known with two electro-optical modulators in tandem, a linear polarizer, an optical band filter and a light receiver with electronic measuring system (Soobjenie specialnoj astrofiziceskoj observatorii Izd. SAD ANSSSRJ 983, type 38, p. 5-29).

Dabei liegt der Azimut der Richtachse des ersten Modulators parallel zur Transmissionsebene des Polarisators, während der Azimut der Richtachse des zweiten Modulators mit ihr einen Winkel von 45 Grad bildet. Die Modulatoren sind elektrisch mit je einem Sinussignalgenerator verbunden und werden nacheinander so eingeschaltet, daß der Meßvorgang in zwei Etappen erfolgt. In jeder Etappe ist ein Modulator in Betrieb, während der andere ausgeschaltet bleibt. Auf den Lichtempfänger gelangt jeweils ein amplitudenmoduliertes optisches Signal. In jeder Etappe werden die Amplituden des Ausgangssignals auf der Modulationsfrequenz und auf der doppelten Modulationsfrequenz gemessen. Entsprechend den so gemessenen vier Amplitudenwerten der Harmonischen des Ausgangssignals wird der Stokessche Vektor der zu analysierenden Strahlung bestimmt.The azimuth of the straightening axis of the first modulator is parallel to the transmission plane of the polarizer, while the azimuth of the straightening axis of the second modulator forms an angle of 45 degrees with it. The modulators are electrically connected to a respective sine signal generator and are turned on in succession so that the measuring process takes place in two stages. In each stage, one modulator operates while the other remains off. In each case an amplitude-modulated optical signal reaches the light receiver. In each stage, the amplitudes of the output signal are measured at the modulation frequency and at twice the modulation frequency. According to the four amplitude values of the harmonics of the output signal measured in this way, the Stokes vector of the radiation to be analyzed is determined.

Nachteilig ist hierbei, daß die Anwendung elektrooptischer Modulatoren zwangsläufig zu einer Einschränkung des Spektralbereiches der genutzten Strahlung führt und die hohen Steuerspannungen sowie die statische Doppelstrahlbrechung die Meßgenauigkeit verringern. Weiterhin verringert die Notwendigkeit der zwei aufeinanderfolgenden Mess· ingen mit Umschalten der Modulatoren die Betriebsschnelligkeit der Vorrichtung (Spectrochemical Acta, PtA 1976,32A, pp.717-722). Bekannt ist ein Spektro-Ellipsometer mit HF-Polarisationsmodulation und mit Spektralstrahlungsquelle, Polarisator, fotoelastischem Modulator mit Sinussignalgenerator, Prüfkörperhalterung, Analysator, Monochromator, Lichtempfänger einschließlich Verstärkungs- und Meßtrakt, der das Signal des oben erwähnten Sinussignalgenerators als Referenzsignal verwendet, sowie mit einem Verarbeitungs- und Darstellungssystem, alles in aufeinanderfolgender Anordnung (Review ofThe disadvantage here is that the application of electro-optical modulators inevitably leads to a limitation of the spectral range of the radiation used and reduce the high control voltages and the static double refraction, the measurement accuracy. Furthermore, the necessity of the two successive measuring cycles with switching of the modulators reduces the operating speed of the device (Spectrochemical Acta, PtA 1976, 32A, pp.717-722). Known is a spectro-ellipsometer with RF polarization modulation and with spectral radiation source, polarizer, photoelastic modulator with sine signal generator, specimen holder, analyzer, monochromator, light receiver including amplification and Meßtrakt, which uses the signal of the above-mentioned sine signal generator as a reference signal, as well as a processing and presentation system, all in a sequential order (Review of

Scientific Instrumentation, ν. 53, Nr. 1, pp. 969-977,1982). Die Modulation der Polarisation (Elliptizität) der linear polarisierten Strahlung erfolgt durch einen fotoelastischen Modulator, dossen optische Richtachse einen Winkel von 45 Grad zur Transmissionsebene des Polarisators bildet. Dio vom Prüfkörper reflektierte Strahlung geht durch den Analysator, der die Polarisationsmodulation in eine Amplitudenmodulation umwandelt. Der Monochromator erzeugt den erforderlichen Spektralbereich für den Lichtempfänger. Durch Messung bestimmt man die Amplitude des in den Lichtempfänger gelangenden Signals auf der Modulationsfrequenz und auf dnr doppelten Modulationsfrequenz und errechnet aus diesen die eilipsometrischen Winkel. Das entspricht der Rakonstruktion eines unvollständigen Stokesschen Vektors (zwei Elemente des Stokesschen Vektors).Scientific Instrumentation, ν. 53, No. 1, pp. 969-977.1982). The modulation of the polarization (ellipticity) of the linearly polarized radiation is carried out by a photoelastic modulator, the optical directing axis forms an angle of 45 degrees to the transmission plane of the polarizer. Dio radiation reflected by the specimen passes through the analyzer, which converts the polarization modulation into an amplitude modulation. The monochromator generates the required spectral range for the light receiver. By measuring one determines the amplitude of the reaching into the light receiver signal on the modulation frequency and dnr double modulation frequency and calculates from these the ellipsometric angle. This corresponds to the rakonstruction of an incomplete Stokes vector (two elements of the Stokes vector).

Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist die Beschränkung der Klasse der Meßobjekte auf lediglich homogene Oberflächenstrukturen mit ebenen Phasengrenzan aufgrund der ausschließlichen Messung der eilipsometrischen Winkel und ohne Machweis des Depolarisationsgrades. Außerdem führt die Negierung des Depolarisationsgrades sogar bei Messu igen in Annäherung an das ideale Oberflächenmodell (d. h. der Gleichförmigkeit und Ebenheit der Phasengrenzon) zu Fehlern aufgrund der instrumentellon Dopolarisation und schließt somit die Möglichkeit exakter absoluter Messungen aus.A disadvantage of this device is the limitation of the class of the test objects to only homogeneous surface structures with planar Phasengrenzan due to the exclusive measurement of eilipsometrischen angle and without instructions of Depolarisationsgrades. In addition, the negation of the degree of depolarization, even in terms of the ideal surface model (i.e., the uniformity and flatness of the phase boundary), leads to errors due to the instrumental dopolarization, thus precluding the possibility of accurate absolute measurements.

Weiterhin ist ein Eilipsometer bekannt mit 3 hintereinander angeordneten fotoelastischen Modulatoren, einem Analysator, einem Lichtempfänger, einschließlich Verstärkungs- und Meßtrakt, in dem sich wiederum ein Vorverstärker und drei Synchrondetektoren befinden, mit einem Elektronikbaustein einschließlich zwei Sinussignalgeneiatoren, die elektrisch mit den fotoelastischen Modulatoren und d6m Frequenzsynthetisator verbunden sind, dessen Eingang wiederum elektrisch mit den Ausgängen der oben erwähnten Sinussignalgeneratoren verbunden ist, während die Eingangssignale als Referenzsignale von den Synchrondetektoren des Verstärkungs- und Meßtraktes verwendet werden und einer Verurbeitungseinrichtung. Dabei sind die Modulatoren so um die optische Achse gedreht, daß ihre optischen F .chtachsen untereinander einen gleichen Winkel bilden (Applied Optics, 1978, ν. 18, Nr. 8, pp. 1217-1220).Furthermore, an ellipsometer is known with 3 successive arranged photoelastic modulators, an analyzer, a light receiver, including amplification and Meßtrakt, which in turn is a preamplifier and three synchronous detectors, with an electronic component including two sine signal generators, which are electrically connected to the photoelastic modulators and d6m Frequency synthesizer are connected, the input in turn is electrically connected to the outputs of the above-mentioned sine signal generators, while the input signals are used as reference signals from the synchronous detectors of the amplification and Meßtraktes and a Verurbeitungseinrichtung. In this case, the modulators are rotated about the optical axis that their optical F .chtachsen form an equal angle with each other (Applied Optics, 1978, ν. 18, No. 8, pp. 1217-1220).

Die Polarisationsmodulation der zu untersuchenden Strahlung erfolgt durch zwei fotoelastische Modulatoren auf Frequenzen f, und 1], deren Verhältnis eine irrationale Zahl ist (fi/f₂ = 1,49148). Nach dem Durchgang durch den Analysator wird die Polarisationsmodulation in eine Amplitudenmodulation umgewandelt und am Eingang des Lichtempfängers liegt ein optisches Signalan, dessen Frequenzspektrum aus Harmonischen der Art nf ι - kf₂ besteht, wobei n,k = 0, +1, -2... sind. Im Verstärkungs· und Meßtrakt wird die Amplitude der drei Harmonischen 2f,, 2(f₂ - f,), 2f, - f₂ und der Gleichkomponente gemessen, aus denen die Elemente des vollständigen Stokesschen Vektors rekonstruiert werden. Die Nachteile diesar Vorrichtung bestehen in einer geringen Meßgenauigkeit, bedingt durch die Instabilität der Modulationsamplitude und durch die Unvollkommenheit des Meßsystems, infolge einer nicht optimalen Wahl des Verhältnisses der Modulationsfrequenzen sowie in dem geringen Informationsgehalt der Messungen, bedingt durch die Nichteignung der Vorrichtung für Spektral- und Winkelmessungen.The polarization modulation of the radiation to be examined is performed by two photoelastic modulators at frequencies f, and 1] whose ratio is an irrational number (fi / f ₂ = 1.49148). After passing through the analyzer, the polarization modulation is converted into an amplitude modulation and at the input of the light receiver is an optical signal whose frequency spectrum consists of harmonics of the type nf-kf ₂ , where n, k = 0, +1, -2 .. . are. In the amplification and measuring section, the amplitude of the three harmonics 2f, 2 (f ₂ -f,), 2f, -f ₂ and the DC component is measured, from which the elements of the complete Stokes vector are reconstructed. The disadvantages of this device consist in a low accuracy of measurement, due to the instability of the modulation amplitude and the imperfection of the measuring system, due to a non-optimal choice of the ratio of the modulation frequencies and in the low information content of the measurements, due to the unsuitability of the device for spectral and angle measurements.

Aus der CH-PS 482213 ist ein Verfahren zum Reduzieren des Störlichtes in digitalen Lichtablenkern bekannt, das darauf beruht, daß quer zu dem Nutzstrahl sin Feststrahl durch wenigstens einen Polarisationsschalter geschickt wird. Ziel dieses Verfahrens ist die Kontrolle und Kompensation von Störungen, die z. B. durch Änderung der elektrooptischen Konstanten aufgrund von Temperaturschwankungen entstehen können.From CH-PS 482213 a method for reducing the stray light in digital Lichtablenkern is known, which is based on that sine beam is sent through at least one polarization switch across the Nutzstrahl. The aim of this method is the control and compensation of disturbances z. B. by changing the electro-optical constants may arise due to temperature fluctuations.

Aus der DE-OS 2453233 ist bekannt, zur Konstanthaltung der Frequenzverschiebung ausgehend von einem Oszillator Modulatoren über Frequenzteiler mit unterschiedlichem Teilungsverhältnis anzusteuern.From DE-OS 2453233 it is known to control the frequency shift starting from an oscillator modulators via frequency dividers with different division ratio.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Genauigkeit und des Informationsgehaltes der Messungen.The aim of the invention is to increase the accuracy and the information content of the measurements.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Modulatoren so zu verändern, daß sie die Einführung einer Modulationsamplitudenstabilisierung auf der Grundlage eines zusätzlichen optischen Referenzkanals ermöglichen. Frfindungsgemäß wird das bei einem Spektro-fllipsometer mit HF-Polarisationsmodulation und mit zwei in feststehenden Winkeln in der optischen Achse eines Arbeitslichtstrahles angeordneten fot^elastischen Modulatoren, mit einem Lichtempfänger, einem Verstärker, einem Tiefpaßfilter, einem A-D-Umsetzer, einem Rechenwerk, einem Mikroprozessor, einem Verschluß, einem elektromechanischen Wandler, einem Frequenzsynthetisator, einem Linearpolarisator sowie einem für jeden der beiden Modulatoren aus je einem optoelektronischen Geber und optoelektronischen Wandler gebildeten, rechtwinklig zur optischen Achse des Meßkanals angeordneten Referenzkanal und einem zentralen Taktgeber mit zwei Frequenzteilern, dadurch erreicht, daß die zwei Frequenzteiler (9), (10) über je einen Frequenzsynthetisator (28) mit den fotoelastischen Modulatoren (21a), (21 b) verbunden sind, wobei an die Ausgänge der Frequenzteiler (9), (10) eine Koinzidenzschaltung (12) gekoppelt ist, deren Ausgang mit dem Unterbrecheroingang des Mikroprozessors (18) verbunden ist, daß in dem Arbeitslichtstrahl ein Lichtempfänger (7) angeordnet ist, dessen Ausgang über den Verstärker (13), dessen Regelsignalausgang mit dem Regeleingang des Lichtempfängers (7) und dessen Haltesignaleingang mit dem Haltesignalausgang des Mikroprozessors (18) beschaltet ist, und über das Tiefpaßfilter (14), den A-D-Umsetzer (15), mit dem Rechenwerk (16) und über einen Mikrorechnerbus mit einem Meßwertspeicher (17), einem Koeffizientenspeicher (19) und dem Mikroprozessor (18) verbunden ist, wobei deren Takteingänge mit dem zentralen Taktgeber (11) verbunden sind.The invention has for its object to modify the modulators so that they allow the introduction of a modulation amplitude stabilization based on an additional optical reference channel. According to the invention, this is provided by a photoperiod modulator with an RF polarization modulation spectrofluorometer and two fixed-angle photonic modulators in the optical axis of a working light beam, comprising a light receiver, an amplifier, a low-pass filter, an AD converter, an arithmetic unit, a microprocessor , a shutter, an electromechanical transducer, a frequency synthesizer, a linear polarizer and a reference channel for each of the two modulators of one optoelectronic encoder and optoelectronic transducer formed, arranged at right angles to the optical axis of the measuring channel and a central clock generator with two frequency dividers, achieved in that the two frequency dividers (9), (10) are each connected to the photoelastic modulators (21a), (21b) via a frequency synthesizer (28), a coincidence circuit (12) being connected to the outputs of the frequency dividers (9), (10) is coupled, whose output with the sub brecheroingang of the microprocessor (18) is connected, that in the working light beam, a light receiver (7) is arranged, whose output via the amplifier (13) whose control signal output to the control input of the light receiver (7) and its Haltesignaleingang to the holding signal output of the microprocessor (18 ), and via the low-pass filter (14), the AD converter (15), to the arithmetic unit (16) and via a microcomputer bus with a measured value memory (17), a coefficient memory (19) and the microprocessor (18) is connected , Whose clock inputs are connected to the central clock (11).

Dadurch, daß die beiden Modulatoren mit Anregungsfrequenzen angeregt werden, die in einem festen Verhältnis zueinander stehen, bilden diese im Meßsignal Frequenzkomponenten, die sich auf eine gemeinsame subharmonische Schwingung zurückführen lassen. Das hat zur Folge, daß die im Rechenwerk durchzuführende Fouriertransformation ideal ausgeführt werden kann.The fact that the two modulators are excited with excitation frequencies which are in a fixed relationship to each other, they form in the measurement signal frequency components, which can be attributed to a common subharmonic vibration. As a result, the Fourier transformation to be performed in the arithmetic unit can be ideally carried out.

Weiterhin wird durch die Einführung der erfindungsgemäßen Referenzkanäle für eine ständige Überwachung der Modulationsamplitude gesorgt. Damit können die Fehlereinflüsse der Anregungsspannungserzeugung eliminiert werden.Furthermore, the introduction of the reference channels according to the invention ensures constant monitoring of the modulation amplitude. Thus, the error effects of the excitation voltage generation can be eliminated.

AusführungsbelsplelAusführungsbelsplel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in scliomatischor DarstellungThe invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. The accompanying drawings show in scliomatischor representation

Fig. 1: eine Ansicht des erfindunnsgemäßen Spektro-Ellipsometers Fig.2: einen fotoelastischen N Julator.Fig. 1: a view of erfindunnsgemäßen spectro-ellipsometer Figure 2: a photoelastic N Julator.

Die Strahlung einer Spektralstrahlungsquelle 1 passiert ein Linearpolarisator 2 und fotoelastische Modulatoren 3 und 4, die eine Polarisationsmodulation (Elliptizitätsmodulation) der Strahlung auf zwei Frequenzen ft und f₂ bewirken.The radiation of a spectral radiation source 1 passes through a linear polarizer 2 and photoelastic modulators 3 and 4 which cause polarization modulation (ellipticity modulation) of the radiation at two frequencies ft and f ₂ .

Die von einem Prüfkörper 5 reflektierte Strahlung geht durch einen Linearpolarisator 6, der als Analysator funktioniert und die Elliptizitätsmodulation in eine Amplitudenmodulation des Lichtstromes umwandelt. Die Registrierung des Signals erfolgt durch einen Lichtempfänger 7 hinter dem Austrittsschlitz eines Monochromator 8, der den erforderlichen Bereich des optischen Spektrums gewährleistet.The radiation reflected by a test piece 5 passes through a linear polarizer 6, which functions as an analyzer and converts the ellipticity modulation into an amplitude modulation of the luminous flux. The registration of the signal is carried out by a light receiver 7 behind the exit slot of a monochromator 8, which ensures the required range of the optical spectrum.

Das registrierte optische Signal hat ein kompliziertes Frequenzspektrum, das Harmonische mit den Frequenzen nf, - kf₂ enthält, wobei η und k beliebige ganze Zahlen darstellen. Dabei werden die Frequenzen f_t und f₂ so gewählt, daß das registrierte Signal periodisch ist. Die Dauer seiner Periode entspricht der Periode der gemeinsamen Subharmonischen der Frequenzen fi und f₂. Die Modulationsfrequenzen fi und f₂ werden durch digitale Frequenzteiler 9 und 10 gebildet, an deren Eingang das Signal eines zentralen Taktgebers 11 anliegt, die gemeinsame Subharmonische entsteht durch eine Koinzidenzschaltung 12.The registered optical signal has a complex frequency spectrum containing harmonics with the frequencies nf, -kf ₂ , where η and k represent any integers. The frequencies f _t and f ₂ are chosen so that the registered signal is periodic. The duration of its period corresponds to the period of the common subharmonics of the frequencies fi and f ₂ . The modulation frequencies fi and f ₂ are formed by digital frequency dividers 9 and 10, at whose input the signal of a central clock 11 is applied, the common subharmonics is produced by a coincidence circuit 12.

Die Aufgabe des elektronischen Meßsystems besteht in der Bestimmung der Amplituden der folgenden Harmonischen des registrierten Signals:The task of the electronic measuring system is to determine the amplitudes of the following harmonics of the registered signal:

F₀ = 0; F, = 2f₂; F₂ = f, + f₂; F₃ = 2f, - f₂ F ₀ = 0; F, = 2f ₂ ; F ₂ = f, + f ₂ ; F ₃ = 2f, - f ₂

Dazu wird das Signal vom Lichtempfängor 7 nach Passieren eines Verstärkers 13 und eines Tiefpaßfilters 14 mit Hilfe des A-D-Umsetzers 15 gequantelt und liegt an einem Rechenwerk 16 an, in dem eine Summierung der Signalwerte in einer Periode erfolgt, die gleich der Periode der gemeinsamen Subharmonischen der Modulationsfrequenzen mit den entsprechenden Signalwerten ist, die im vorangegangenen Zeitraum erhalten wurden und sich in einem Meßwertspeicher 17 befinden. Die Akkumulationsdauer wird von einem Mikroprozessor 18 vorgegeben und ändert sich programmgemäß, dabei ist sie ein Vielfaches der Periode des registrierten Signals. Die Amplitude des registrierten Signals auf den Frequenzen Fo, Ft, F₂, F₃ wird durch Multiplikation der Signalwerte in der Periode der Subharmonischen, die sich im Meßwertspeicher 17 befinden, mit den Werten der entsprechenden, in einem Koeffizientenspeicher 19 befindlichen Funktionen bestimmt. Der Nachweis des Einflusses von Nebenlicht und des Dunkelstromrauschens des Lichtempfängers 7 geschieht in Form von Dunkel-Meßzyklen, die in einer Stellung eines Verschlusses 20 durchgeführt werden, bei der der Lichtstrom gesperrt wird. Dabei wird die Empfindlichkeit des Lichtempfängers 7 auf dem Niveau fixiert, das der letzten Meßwertregistrierung entspricht (Arbeitszyklus). Während der Messungen wird die Empfindlichkeit des Lichtempfängers 7 so geregelt, daß das Niveau der Gleichkomponente des Ausgangssignals bei Veränderung der Intensität des Lichtstromes zum Lichtempfänger 7 unverändert bleibt. Diese Regelung ist notwendig zur Beibehaltung einer richtigen Normung der Meßsignale bei spektralen und dynamischen Messungen. Der fotoelastische Modulator 3; 4 arbeitet wie folgt (Fig. 2): In dem fotoelastischen Modulator 21 in Form eines Stabes, aus amorphem Material, in diesem Beispiel aus Quarzglas, wird mit Hilfe von an ihn angeschlossenen elektromechanischen Wandlern 22, in diesem Beispiel aus keramischen Strahlern bestehend, eine stehende Schallwelle erregt, d.h. die Enden des Stabes funktionieren als Resonator, und die Schwingungsbäuche der Schallwelle befinden sich in ¹A Stablänge Abstand von jedem Ende. Deshalb müssen die optischen Achsen eines Meßkanals 23 und eines Referenzkanals 24 der Modulationsamplitudenstabilisierung, bestehend aus einem Geber 25 und einem optoelektrischen Wandler 26, im Querschnitt des Stabes 21 in '/< Stablänge von den Enden entfernt liegen, d. h. im Bereich des Schwingungsbauches der Schallwelle. Im gleichen Bereich müssen die elektromechanischen Wandler 22 und ein elektromechanischer Geber 27 angeschlossen werden. Der elek.romechanische Geber 27 dient der Bildung des Rückführungssignals zu Frequenzsynthesatoren 28 zur Gewährleistung der Resonanzabstimmung ihrer Ausgänge unter Belastung, d. h. mit den elektromechanischen Wandlern 22 während der Messung. Vom optoelektronischen Wandler 26, in dem die Signalamplitude auf der Modulationsfrequenz erzeugt wird, wird das Signal zum Eingang der Amplitudenregelung des Frequenzsynthesators 28 gleichzeitig mit einem Referenzsignal übertragen, dessen Größe bei der Eichung des Gerätes festgelegt wird, somit entsteht ein Differenzsignal durch Veränderung der Ausgangssignalamplitude des Frequenzsynthetisators 28.For this purpose, the signal is quantized by the Lichtempfängor 7 after passing through an amplifier 13 and a low-pass filter 14 by means of the AD converter 15 and is applied to an arithmetic unit 16 in which a summation of the signal values in a period equal to the period of the common subharmonic the modulation frequencies with the corresponding signal values, which were obtained in the previous period and are in a measured value memory 17. The accumulation time is set by a microprocessor 18 and changes according to the program, being a multiple of the period of the registered signal. The amplitude of the registered signal on the frequencies Fo, Ft, F ₂ , F ₃ is determined by multiplying the signal values in the period of the subharmonics located in the measured value memory 17 by the values of the corresponding functions located in a coefficient memory 19. The detection of the influence of secondary light and the dark current noise of the light receiver 7 is done in the form of dark measuring cycles, which are performed in a position of a shutter 20, in which the luminous flux is blocked. The sensitivity of the light receiver 7 is fixed at the level corresponding to the last measured value registration (duty cycle). During the measurements, the sensitivity of the light receiver 7 is controlled so that the level of the DC component of the output signal remains unchanged when the intensity of the luminous flux to the light receiver 7 changes. This control is necessary to maintain proper standardization of the measurement signals in spectral and dynamic measurements. The photoelastic modulator 3; 4 operates as follows (Fig. 2): In the photoelastic modulator 21 in the form of a rod of amorphous material, in this example made of quartz glass, with the aid of electromechanical transducers 22 connected thereto, consisting of ceramic radiators in this example standing sound wave is excited, ie the ends of the rod work as a resonator, and the antinodes of the sound wave are in ¹ A rod length distance from each end. Therefore, the optical axes of a measuring channel 23 and a reference channel 24 of the modulation amplitude stabilization, consisting of a transmitter 25 and an opto-electrical converter 26, in the cross section of the rod 21 in '/ <rod length from the ends must be located, ie in the region of the vibration amplitude of the sound wave. In the same area, the electromechanical transducer 22 and an electromechanical encoder 27 must be connected. The elek.romechanischer encoder 27 serves to form the feedback signal to frequency synthesizers 28 to ensure the resonance tuning of their outputs under load, ie with the electromechanical transducers 22 during the measurement. From the optoelectronic transducer 26, in which the signal amplitude is generated at the modulation frequency, the signal to the input of the amplitude control of the frequency synthesizer 28 is transmitted simultaneously with a reference signal whose size is set during the calibration of the device, thus creating a difference signal by changing the output signal amplitude of Frequency synthesizer 28.

Das beanspruchte Spektro-Ellipsometer besitzt folgende Vorzüge: Das Verhältnis der Modulationsfrequenzen kann so gewählt werden, daß das Meßsignal periodisch ist, das wird erreicht durch Teilung der Frequenz des zentralen Taktgebers 11 mit Hilfe der digitalen Frequenzteiler 9 und 10, während die Signalperiode mit der digitalen Koinzidenzschaltung 12 erzeugt wird. Die Periodizität des Meßsignals gewährleistet die Einsatzeffektivität der digitalen Signalverarbeitung, dadurch kann das Signal über mehrere Perioden hinweg in digitaler Form gespeichert werden. Erforderlich dabei ist eine starre Synchronisation des A-D-Umsetzers 15, die durch den Taktgeber 11 gewährleistet wird. Bei den bisher bekannten technischen Lösungen war das Meßsignal grundsätzlich nicht periodisch, weil das Verhältnis der Modulationsfrequenzen als irrationale Zahl gewählt wurde. Die Realisierung dieses Frequenzverhältnisses durch Teilung der Frequenz des Steuergenerators war nicht möglich, weil für die Erregung der Modulatoren zwei unabhängige Generatoren verwendet werden. Bei dieser Realisierung war nurdie Anwendung eines Analogsystems für die Signalverarbeitung möglich, weder Synchronisation noch Speicherung waren möglich und das begrenzte grundsätzlich die Genauigkeitskennwerte des Systems.The claimed spectro-ellipsometer has the following advantages: The ratio of the modulation frequencies can be chosen so that the measuring signal is periodic, this is achieved by dividing the frequency of the central clock 11 by means of the digital frequency divider 9 and 10, while the signal period with the digital Coincidence circuit 12 is generated. The periodicity of the measurement signal ensures the deployment efficiency of the digital signal processing, thereby the signal can be stored over several periods in digital form. Required is a rigid synchronization of the A-D converter 15, which is ensured by the clock 11. In the hitherto known technical solutions, the measuring signal was basically not periodic, because the ratio of the modulation frequencies was selected as an irrational number. The realization of this frequency ratio by dividing the frequency of the control generator was not possible because two independent generators are used for the excitation of the modulators. In this implementation, only the use of an analog system for signal processing was possible, neither synchronization nor storage was possible, and this basically limited the accuracy characteristics of the system.

Vorteilhaft ist weiterhin die spezielle Konstruktion der fotoelastischen Modulatoren 3 und 4, durch die die optische Modulationsamplitudenstabilisierung zusammen mit der elektrischen Stabilisierung verwendet werden kann, die der elektromechanische Geber 27 nutzt. Dabei nutzt das elektrische System das Signal vom speziellen elektromechanischen Geber 27 zur Resonanzabstimmung des Ausganges der Frequenzsynthetisatoren 28 mit dem Modulator bei Änderung von dessen Resonanzfrequenz (verursacht durch Temperaturdrift und andere Faktoren). Somit entsteht ein Zweikreis-Stabilisierungssystem: durch das elektrische System auf Grundlage des elektromechanischen Gebers 27 erfolgt eineAlso advantageous is the special construction of the photoelastic modulators 3 and 4, by which the optical modulation amplitude stabilization can be used together with the electrical stabilization used by the electromechanical transducer 27. In doing so, the electrical system uses the signal from the particular electromechanical encoder 27 to resonantly tune the output of the frequency synthesizers 28 with the modulator as its resonant frequency changes (caused by temperature drift and other factors). Thus, a two-circuit stabilization system is created: by the electrical system based on the electromechanical encoder 27 is a

Grobstabilisierung und -abstimmung und durch das optische System die endgültige Feinabstimmung der Amplitude. In den bisher bekannten technischen Lösungen fehlte dieses Stabilisierungssystem, das führte zur Veränderung der Modulationsamplitude während der Messung und zu einer damit verbundenen geringeren Genauigkeit der Ergebnisse. Die Einführung zusätzlicher Elemente wie der Spektralstrahlungsquelle 1 und des Monochromators 8 sowie die Mikroprozessorsteuerung der Erregerspannungsamplitude der fotoelastischen Modulatoren 3 und 4 in Abhängigkeit von der Wellenlänge der vom Monochromator 8 erzeugten Strahlung macht Spektralmessungen möglich, die zusätzliche Informationen über das Untersuchungsobjekt vermitteln. Bei den bisherigen technischen Lösungen fehlen diese Möglichkeiten. Die Möglichkeit der Drehung des Empfängerbausteins und des Prüfkörpers 5 um eine gemeinsame mechanische Achse gewährleistet die Ausführung von Messungen bei variiertem Reflexionswinkel, dio zusätzliche Informationen über das Untersuchungsobjekt erbringen.Coarse stabilization and tuning, and through the optical system the final fine tuning of the amplitude. In the technical solutions known hitherto, this stabilization system was lacking, which led to a change in the modulation amplitude during the measurement and an associated lower accuracy of the results. The introduction of additional elements such as the spectral radiation source 1 and the monochromator 8 as well as the microprocessor control of the excitation voltage amplitude of the photoelastic modulators 3 and 4 in dependence on the wavelength of the radiation generated by the monochromator 8 makes spectral measurements possible, which convey additional information about the examination subject. The previous technical solutions lack these possibilities. The possibility of rotation of the receiver module and the test body 5 about a common mechanical axis ensures the execution of measurements at a varied reflection angle, the additional information about the object to be examined.

Die optimale Wahl des Spektralbereichs und der Einfallswinkel ermöglicht außer zusätzlichen Informationen oine Erhöhung der Meßgenauigkeit.The optimal choice of the spectral range and the angle of incidence allows, in addition to additional information, an increase in measuring accuracy.

In Betracht gezogene Druckschriften: DE-OS 2453233 (G 02 F 1/11) CH-PS 482 213 (G 02 F 3/00)Documents considered: DE-OS 2453233 (G 02 F 1/11) CH-PS 482 213 (G 02 F 3/00)

Claims

1. A spectro-ellipsometer with RF polarization modulation and with two arranged at fixed angles in the optical axis of a working light beam photoelastic modulators, with a light receiver, an amplifier, a low-pass filter, an AD converter, an arithmetic unit, a microprocessor, a shutter, a Electromechanical transducer, a frequency synthesizer, a linear polarizer and a reference channel for each of the two modulators of one optoelectronic encoder and optoelectronic transducer formed, arranged at right angles to the optical axis of the measuring channel and a central clock with two frequency dividers, characterized in that the two frequency divider (9 ), (10) via a respective frequency synthesizer (28) with the photoelastic modulators (21 a), (21 b) are connected to the outputs of the frequency divider (9), (10) a coincidence circuit (12) is coupled, the Output with the breaker input of the micropro Zessors (18) is connected in that in the working light beam, a light receiver (7) is arranged, whose output via the amplifier (13) whose control signal output to the control input of the light receiver (7) and its Haltesignaleingang connected to the holding signal output of the microprocessor (18) is connected via the low-pass filter (14), the AD converter (15), with the arithmetic unit (16) and via a microcomputer bus with a measured value memory (17), a coefficient memory (19) and the microprocessor (18) whose clock inputs are connected to the central clock generator (11).

2. spectro-ellipsometer according to claim 1, characterized in that the photoelastic modulators (21) are designed as rods of amorphous material to which at a distance of ¹ A rod length from the rod end of two electromechanical transducers (22) are connected, in Parallel connection electrically connected to the corresponding outputs of the frequency synthesizers (28), wherein the rods at the same distance from the end, but on one of the free sides, an electromechanical encoder (27) is connected, which is electrically connected to the corresponding control inputs of the frequency synthesizers (28 ) connected is.

3. spectro-ellipsometer according to claim 1 and 2, characterized in that both the optical axis of the reference channel (24) and the optical axis of the measuring channel (23) through the rod of the photoelastic modulator (21) at a distance of V4 rod length of Bar end runs out.

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