DE102005062180B3

DE102005062180B3 - Infrarot-Ellipsometer

Info

Publication number: DE102005062180B3
Application number: DE200510062180
Authority: DE
Inventors: Ernst-Heiner Dr. Korte; Arnulf Dr. habil. Röseler
Original assignee: Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-12-24

Abstract

Ein Infrarot-Ellipsometer mit einer Infrarotquelle, einem Probenträger, einem vor dem Probenträger angeordneten Interferometer, einem vor dem Probenträger angeordneten ersten Polarisator, einem hinter dem Probenträger angeordneten zweiten Polarisator und einem hinter dem zweiten Polarisator angeordneten Detektor soll auf möglichst einfache Weise so verbessert werden, dass bei messtechnisch ungünstiger Phasendifferenz genaue Messergebnisse erzielt werden können. DOLLAR A Diese wird dadurch erreicht, dass der erste Polarisator (10) im Interferometer angeordnet ist und den Strahlteiler des Interferomters bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Infrarot-Ellipsometer mit einer Infrarotquelle, einem Probenträger, einem vor dem Probenträger angeordneten Interferometer, einem vor dem Probenträger angeordneten ersten Polarisator, einem hinter dem Probenträger angeordneten zweiten Polarisator und einem hinter dem zweiten Polarisator angeordneten Detektor.
Bei einer Reflektion wird die Amplitude und die Phasenlage einer einfallenden elektromagnetischen Welle in einer Weise beeinflusst, die von den optischen Eigenschaften des Materials abhängt, an dem die Reflektion stattfindet. Umgekehrt lassen sich diese Eigenschaften aus den gemessenen Änderungen der Amplitude und der Phase bestimmen. Ein dazu geeignetes Verfahren ist als Ellipsometrie bekannt.
Dieses Verfahren dient dazu, den Polarisationszustand der reflektierten Strahlung festzustellen, dieser wird im allgemeinsten Fall durch die vier sogenannten Stokes-Parameter angegeben, die die Gesamtintensität der reflektierten Strahlung sowie die Intensität ihrer linear- und zirkular-polarisierten Komponenten angibt. Insbesondere im Infrarot-Bereich ist es vorteilhaft, das Verfahren spektral einzusetzen, d.h. die Wellenlänge der Messstrahlung innerhalb eines Spektralbereiches zu variieren. Dazu wird üblicherweise eine der bekannten Bauformen eines Michelson-Interferometers zwischen Quelle und Polarisator angeordnet, das die Strahlung wellenlängenabhängig in einer Weise moduliert, dass aus dem gemessenen Interferogramm das Spektrum mit geeigneten Algorithmen einer Fourier-Transformation errechnet werden kann.

Ein gattungsgemäßes Infrarot-Ellipsometer dieser Art ist z.B. aus DD 1572 19 B oder aus DE 692 08 862 T2 bekannt.

Bei einem solchen ellipsometrischen Verfahren werden Messwerte bei unterschiedlichen Kombinationen der Azimute (Hauptdurchlassrichtung relativ zur Einfallsebene) eines ersten Polarisators vor der Probe und eines zweiten Polarisators (Analysators) nach der Probe aufgenommen. Steht polarisierte Strahlung zur Verfügung, kann unter Umständen auf den ersten Polarisator verzichtet werden. Geeignet gewählte Quotienten dieser Messwerte liefern einerseits den Quotienten der Amplituden sowie andererseits die Phasendifferenz zwischen den beiden Strahlungskomponenten senkrecht und parallel zur Einfallsebene. Da die Phasendifferenz als Cosinus-Funktion derselben auftritt, ist die Auswertung ungenau, wenn die Phasendifferenz in der Umgebung von 0° oder 180° liegt. Um in einem solchen Fall die Messung zu verbessern, kann ein Retarder (Phasenverschieber) eingesetzt werden: dieser verschiebt den Phasenunterschied zwischen den Komponenten um einen festen Betrag. Dieser Betrag ist im optimalen Fall 90°, kann aber auch bei anderen Werten zwischen etwa 60° und 150° oder bei äquivalenten Werten (Mehrdeutigkeit der Winkelfunktion) liegen. Insbesondere für die Ellipsometrie im Infrarot-Bereich wird die Total-Reflektion in Prismen zur Retardation ausgenutzt. Dies bedeutet eine zusätzliche Knickung des Strahlenganges, wobei die exakte Reproduzierbarkeit des optischen Weges erfahrungsgemäß beeinträchtigt wird, so dass bei gemeinsamer Auswertung der mit und ohne Retarder aufgenommenen Spektren die ansonsten sehr hohe Richtigkeit der ellipsometrischen Ergebnisse nicht sicher gegeben ist. Zusätzlich treten Probleme mit der räumlichen Inhomogenität und Anisotropie des Prismenmaterials auf.

Eine Variante kann durch ein optisches System erreicht werden, das unter der Bezeichnung "rotierender Retarder" bekannt ist. In Analogie zum Gradsichtprisma wird das Strahlenbündel im System geknickt, von außen gesehen tritt aber kein Versatz und keine Richtungsänderung der Messstrahlung auf. Die strenge Erfüllung dieser Bedingung zusammen mit der gewünschten Retardation erfordert Kompromisse.

Eine andere Herangehensweise wird mit dem Martin-Puplett-Interferometer realisiert. Hierbei wird die zur Beleuchtung der Probe verwendete Strahlung durch ein vorgeschaltetes Interferometer nicht nur wellenlängenabhängig, sondern auch bezüglich des Polarisationszustandes moduliert. Ein solches Martin-Puplett-Interferometer basiert auf dem Grundprinzip des Michelson-Interferometers, jedoch mit zwei wesentlichen Unterschieden:

1) an Stelle eines die Intensität der einfallenden Strahlung aufspaltenden Strahlteilers tritt ein polarisierender Strahlteiler, der solche Strahlung oder Strahlungskomponente durchlässt, deren Polarisationsebene mit seiner Hauptdurchlassrichtung übereinstimmt und die dazu senkrecht polarisierte Komponente reflektiert;
2) an Stelle der Planspiegel oder Tripelspiegel an den Enden der Interferometerarme treten Winkelspiegel, deren Spiegelflächen unter 90° zueinander stehen; wenn die Kante eines solchen Spiegels unter 45° zur Polarisationsebene der auf ihn fallenden Strahlung steht, wird die Polarisationsebene um 90° gedreht; dadurch wird die Strahlung, die den Strahlteiler zunächst passiert hat, nach der Reflektion am Winkelspiegel vom Strahlteiler reflektiert. Ebenso wird die am Strahlteiler zunächst reflektierte Strahlung auf dem Rückweg durchgelassen; die beiden Teilstrahlen mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen überlagern sich in einem Strahl, der das Interferometer in der vom Michelson-Interferometer her bekannten Richtung (W-Ausgang) verläßt.

Wegen der notwendigen Kantenspiegel stößt der Umbau eines kommerziellen Interferometers zur Polarisationsmodulation im Allgemeinen auf beträchtliche technische Probleme.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Infrarot-Ellipsometer auf möglichst einfache Weise so zu verbessern, dass auch bei messtechnisch ungünstiger Phasendifferenz genaue Messergebnisse erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Infrarot-Ellipsometer der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der erste Polarisator im Interferometer angeordnet ist und den Strahlteiler des Interferometers bildet.

Der Einsatz eines Polarisators als Strahlteiler im Interferometer mit Planspiegeln am Ende der Interferometerarme führt dazu, dass die Strahlungskomponente, die parallel zur Durchlassrichtung des Strahlteilers polarisiert ist, sowohl bei der Einstrahlung in das Interferometer als auch auf dem Rückweg nach der Reflektion am Planspiegel vom polarisierenden Strahlteiler durchgelassen wird. Entsprechend wird die senkrecht dazu polarisierte Strahlungskomponente auf beiden Wegen reflektiert. Die beiden durch den optischen Gangunterschied in den Interferometerarmen gegeneinander in Laufrichtung verschobenen Komponenten bilden einen Strahl, der das Interferometer in Richtung auf die Strahlungsquelle verlässt (G-Ausgang) und durch eine geeignete Vorrichtung auf die zu untersuchende Probe gelenkt wird. Der andere Ausgang der Interferometers ist strahlungslos (W-Ausgang).

Die vorbeschriebene Anordnung ermöglicht es vorteilhafterweise, dass die beiden Spiegel des Interferometers als Planspiegel oder als Spiegel mit ungerader Anzahl von Reflektionen (z.B. Tripelspiegel) ausgebildet sind, wobei ein Spiegel beweglich angeordnet ist.

Zur weiteren Verwendung muss der das Interferometer verlassende Strahl zwischen dem Interferometer und der Infrarotquelle ausgekoppelt werden. Dazu ist vorteilhaft zwischen der Infrarotquelle und dem Interferometer sowie dem Probenträger ein Intensitätsteiler (z.B. halbdurchlässiger Spiegel) angeordnet.

Eine alternative Möglichkeit zur Trennung von ein- und ausgehendem Strahl ist es, die beiden Spiegel in den Interferometerarmen um einen Winkel zu kippen, so dass die beiden reflektierten Strahlen sich an einer Stelle des polarisierenden Strahlteilers treffen, die versetzt ist gegenüber der, an der die einfallende Strahlung geteilt wurde. Durch diese "off-axis"-Anordnung können der einfallende Strahl und der aus dem Interferometer austretende Strahl verlustfrei voneinander getrennt und unabhängig geführt werden.

Wird zwischen dem Interferometer und dem Detektor eine reflektierende Probe eingefügt, d.h. am Probenträger befestigt, welche die Phase und Amplitude der Messstrahlung verändert, so bilden die Abfolge von polarisierendem Strahlteiler im Interferometer als erstem Polarisator, der Probe und des 2. Polarisators (Analysator) nach der Probe die Grundstruktur eines Ellipsometers. Die durch das Ellipsometer auf einen Detektor gelangende Intensität wird durch die nachfolgende Gleichung in Abhängigkeit vom Azimut des Polarisators und des Analysators beschrieben, wenn mit dem Azimut der Winkel der Hauptdurchlassrichtung des Polarisators zur Einfallsebene bezeichnet wird: i(d) = ∫I(w){(cos2β Rp + sin2β Rs) + [(cos2β Rp – sin2β Rs)sin2α – sin2β(RpRs)1/2 cos2αcosΔ]cos2πwd + [sin2β(RpRs)1/2sinΔ]sin2πwd}dwwobei

α: das Azimut des polarisierenden Strahlteilers bezüglich seiner Einfallsebene,
β: das Azimut des Analysators bezüglich der Probeneinfallsebene,
I(w): das Intensitätsspektrum der Quelle,
w: die Wellenzahl (entspricht inverser Wellenlänge),
i(d): das Interferogramm,
d: den optischen Gangunterschied zwischen den Interferometerarmen,
R_s, R_p: den Reflektionsgrad der Probe für Strahlung, die senkrecht bzw. parallel zur Einfallsebene polarisiert ist, und
Δ: die Phasendifferenz zwischen den Komponenten parallel und senkrecht zur Einfallsebene

bezeichnet. Die häufig verwendeten "ellipsometrischen Parameter" sind Δ und Ψ,
wobei tanΨ = √(R_p/R_s).

Die Fourier-Transformation der bei unterschiedlichen Einstellungskombinationen von α und β gemessenen Interferogramme liefern die gesuchten Spektren (spektral aufgelöste Information). Um die Sinus- und Kosinusterme der Phasendifferenz Δ optimal zu erfassen, muss das Azimut α genau 22,5° oder ungerade Vielfache davon betragen. Deshalb ist bevorzugt vorgesehen, dass das Azimut α des strahlteilenden ersten Polarisators in der Nähe von 22,5° oder in der Nähe eines ungeraden Vielfachen davon liegt. Das Azimut α = 45° und Vielfache davon erlauben keine Messung der Kosinuskomponente. Für einen Satz von Messungen werden bevorzugt Einzelmessungen bei den Azimutwerten beta des 2. Polarisators (Analysator) von 0°, 45°, 90° und 135° durchgeführt und ausgewertet, oder bei +45° und –45°.

Die wesentlichen Vorteile der Verwendung eines polarisieren den Interferometers in der Ellipsometrie lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
Der bewegliche Spiegel wirkt als Retarder, so dass die Nachteile der bisherigen Prismenretarder entfallen. Der Strahlteiler ist zugleich der erste Polarisator im Ellipsometer, so dass Intensitätsvorteile entstehen. Der erste Polarisator des Ellipsometers wird zweimal durchsetzt, so dass ein höherer Polarisationsgrad resultiert. Die gesamte in das Interferometer eingestrahlte Strahlungsleistung steht am G-Ausgang zur Verfügung.

Falls bei der erfindungsgemäßen Messeinrichtung ein halbdurchlässiger Spiegel als Strahlteiler (Intensitätsteiler) zwischen der Strahlungsquelle und dem Interferometer verwendet wird, reduziert dieser die Strahlungsleistung der einfallenden als auch der austretenden Strahlung auf jeweils etwa die Hälfte, insgesamt also auf etwa ein Viertel. Dies entspricht der bei einem Ellipsometer nach dem Stand der Technik zur Messung verfügbaren Stahlungsleistung: bei einem solchen steht am W-Ausgang des Interferometers und damit vor dem ersten Polarisator des Ellipsometers die halbe Quellenleistung zur Verfügung, wenn der Strahlteiler funktionsgemäß je die Hälfte der Strahlungsleistung reflektiert und transmittiert; der erste Polarisator mindert die Strahlungsleistung der typischerweise teil- oder unpolarisierten Strahlung noch einmal um etwa die Hälfte, so dass an der Probe in etwa nur ein Viertel der Quellenleistung zur Messung zur Verfügung steht.

Mit einem herkömmlichen Ellipsometer muss ohne und mit Retarder (hier entstehen zudem Reflektionsverluste) gemessen werden; für die erfindungsgemäße Lösung ist bei gleicher Strahlungsleistung am Detektor nur die halbe Messzeit gegenüber der herkömmlichen Arbeitsweise erforderlich.

Bei der zuvor erläuterten off-axis Konfiguration entfällt der Strahlteiler zur Auskopplung des vom Interferometer modulierten Strahls auf die Probe und die damit verbundenen Intensitätsverluste. Bei einer solchen Ausführung steht also unter sonst gleichen Bedingungen eine höhere Strahlungsleistung zur Messung an der Probe zur Verfügung als bei herkömmlichen Messanordnungen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in:
1 ein Prinzipschema eines Infrarot-Ellipsometers nach einer ersten Ausgestaltung und in
2 ein Prinzipschema eines Infrarot-Ellipsometers nach einer zweiten Ausgestaltung.
Ein Infrarot-Ellipsometer ist in den Zeichnungen allgemein mit 1 bezeichnet. Dieses Ellipsometer 1 weist zunächst eine Infrarotquelle 2 auf, deren Infrarotstrahlung über einen halbdurchlässigen Spiegel (Intensitätsteiler) 3 zu dem G-Ausgang bzw. Eingang 5 eines Interferometers geführt wird. Der W-Ausgang dieses Interferometers ist mit 6 bezeichnet, dieser ist strahlungslos. Das Interferometer weist in üblicher Weise einen festen Planspiegel 7 und um 90° versetzt dazu einen in Richtung des Pfeiles 8 beweglichen Planspiegel 9 auf. Wesentlich für die Ausbildung des Interferometers des Ellipsometers 1 ist nun, dass der Strahlteiler des Interferometers als Polarisator 10 ausgebildet ist, welcher den ersten Polarisator 10 des Ellipsometers 1 bildet.
Im Strahlengang hinter einem Probenträger 4 mit Probe ist ein zweiter Polarisator 11 angeordnet und hinter dem zweiten Polarisator 12 ein Detektor, dies ist durch den Pfeil 12 angedeutet.
Die Infrarotstrahlung aus der Infrarotquelle 2 wird über den Intensitätsteiler 3 in den G-Ausgang bzw. Eingang des Interferometers geführt und gelangt durch den ersten Polarisator 10 nur in Transmission zum Planspiegel 7 und in Transmission zurück sowie in den anderen Arm des Interferometers zum Planspiegel 9 durch Reflektion. Die Strahlung wird anschließend in Richtung der Quelle zum G-Ausgang 5 geführt, der andere W-Ausgang 6 ist strahlungslos. Die Strahlung, die das Interferometer passiert hat, wird zur weiteren Verwendung durch den halbdurchlässigen Spiegel (Intensitätsteiler) 3 ausgekoppelt und auf die Probe, die sich auf dem Probenträger 4 befindet, geführt.
In 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform gezeigt, in welcher dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwandt sind, sofern gleiche Teile betroffen sind. 2 zeigt eine "off-axis"-Anordnung, bei der die Planspiegel 7, 9 an den Enden der Interferometerarme so verdreht angeordnet sind, dass der Weg der reflektierten Strahlung nicht mit dem der einfallenden Strahlung zusammenfällt, sondern die beiden Strahlen an einer anderen Stelle des Polarisators 10 wieder zusammengeführt werden. Daher unterscheidet sich der Weg der austretenden Strahlung von dem der von der Quelle 2 kommenden Strahlung und kann über einen Spiegel 13 verlustfrei auf die Probe (auf dem Probenträger 4) geführt werden.

Claims

Infrarot-Ellipsometer mit einer Infrarotquelle, einem Probenträger, einem vor dem Probenträger angeordneten Interferometer, einem vor dem Probenträger angeordneten ersten Polarisator, einem hinter dem Probenträger angeordneten zweiten Polarisator und einem hinter dem zweiten Polarisator angeordneten Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Polarisator (10) im Interferometer angeordnet ist und den Strahlteiler des Interferometers bildet.
Infrarot-Ellipsometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spiegel (7, 9) des Interferometers als Planspiegel oder als Spiegel mit ungerader Anzahl von Reflektionen ausgebildet sind, wobei ein Spiegel (9) beweglich angeordnet ist.
Infrarot-Ellipsometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Infrarotquelle (2) und dem Interferometer sowie dem Probenträger (4) ein Intensitätsteiler (3) angeordnet ist.
Infrarot-Ellipsometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spiegel (7, 9) in den Interferometerarmen jeweils aus der Position senkrecht zur auffallenden Strahlung so um einen Winkel gedreht angeordnet sind, dass sich die reflektierte Strahlung aus den beiden Interferometerarmen an einer gegenüber der Einstrahlung versetzten Stelle des ersten Polarisators (10) trifft.
Infrarot-Ellipsometer nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Azimut des strahlteilenden ersten Polarisators (10) in der Nähe von 22,5° oder einem ungeraden Vielfachen davon relativ zur Probeneinfallsebene liegt.