DE102010041814A1

DE102010041814A1 - ellipsometer

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Publication number: DE102010041814A1
Application number: DE102010041814A
Authority: DE
Inventors: Dr. Totzeck Michael; Nico Correns; Dr. Widulle Frank; Prof. Dr. Koos Christian
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-10-01
Also published as: WO2012042022A1; DE102010041814B4

Abstract

Ellipsometer zur Untersuchung einer Probe (2, 3), mit einem Beleuchtungsstrahlengang (4), der ausgebildet ist, die Probe (2, 3) mit Beleuchtungsstrahlung (10) bestimmter Polarisation und Divergenz (w) unter einem bestimmten Winkel (α) zu beleuchten, einem Meßstrahlengang (5), der ausgebildet ist, an der Probe (2, 3) in einen Reflexwinkelbereich (u) oder Reflexortsbereich reflektierte Beleuchtungsstrahlung (10) als divergierendes Reflexstrahlungsbündel (11) aufzusammeln und hinsichtlich spektraler Zusammensetzung und Polarisationszustand zu analysieren, wobei der Meßstrahlengang (5) aufweist: ein Spektrometer (13), in das das Reflexstrahlungsbündel (11) eingekoppelt ist und das das Reflexstrahlungsbündel (11) spektral aufgliedert, einen im Spektrometer (13) angeordneten 2D-Detektor (15) und eine Polarisatoreinrichtung, die dem Detektor (15) vorgeordnet ist, und die das Reflexstrahlungsbündel (11) vor der spektralen Zerlegung abhängig vom Polarisationszustand räumlich filtert, wobei das Spektrometer (13) einen Eintrittsspalt (17) aufweist, das Spektrometer (13) das Reflexstrahlungsbündel (11) in einer ersten Richtung (lambda) quer zur Ausbreitungsrichtung des Reflexstrahlungsbündels (11) spektral zerlegt auf den Detektor (15) lenkt und das Reflexstrahlungsbündel auch in einer zweiten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung nach Reflexwinkeln (G1–Gn) oder Reflexorten aufgefächert auf den Detektor (15) leitet, und die Polarisatoreinrichtung mehrere Polarisatoren (18–21) umfaßt, die jeweils das Reflexstrahlungsbündel (11) hinsichtlich unterschiedlicher Polarisationszustände filtern, wobei die Polarisatoren nebeneinander auf dem Eintrittsspalt (17) oder im Eintrittsspalt (17) des Spektrometers (15) angeordnet sind.Ellipsometer for examining a sample (2, 3) with an illuminating beam path (4), which is designed to illuminate the sample (2, 3) with illuminating radiation (10) of specific polarization and divergence (w) at a specific angle (α) , a measuring beam path (5), which is designed to collect on the sample (2, 3) in a reflection angle region (u) or reflection location region reflected illumination radiation (10) as a diverging reflection radiation beam (11) and to analyze it with regard to spectral composition and polarization state, the Measuring beam path (5) has: a spectrometer (13), into which the reflected radiation beam (11) is coupled and which splits the reflected radiation beam (11) spectrally, a 2D detector (15) arranged in the spectrometer (13) and a polarizer device, which Detector (15) is arranged upstream, and which spatially filters the reflection beam (11) before spectral decomposition depending on the polarization state, w or the spectrometer (13) has an entrance slit (17), the spectrometer (13) directs the reflected radiation beam (11) in a first direction (lambda) transversely to the direction of propagation of the reflected radiation beam (11) onto the detector (15) and directs the reflected radiation beam also leads to the detector (15) in a second direction transversely to the direction of propagation according to reflection angles (G1-Gn) or reflex locations, and the polarizer device comprises a plurality of polarizers (18-21), each filtering the reflection radiation beam (11) with regard to different polarization states, wherein the polarizers are arranged side by side on the entry slit (17) or in the entry slit (17) of the spectrometer (15).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf 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.The invention relates to an ellipsometer for examining a sample, having an illumination beam path, which is designed to illuminate the sample with illumination radiation of certain polarization and divergence at a certain angle, a Meßstrahlengang which is formed on the sample in a reflex angle range or Reflexortsbereich reflected illumination radiation as a divergent reflection beam bundle and to analyze the spectral composition and polarization state, the Meßstrahlengang comprising: a spectrometer into which the reflected radiation beam is coupled and which spectrally splits the reflected radiation beam, a spectrometer arranged in the 2D detector and a polarizer means, the detector is upstream, and spatially filters the reflected radiation beam before the spectral decomposition depending on the polarization state.

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.In the analysis of thin layers, as they occur in photovoltaics, semiconductor manufacturing and architectural glass production, layer thickness, refractive index and refractive index profiles must be determined. The coarse layer structure is generally known, but there are - especially in the process development - large fluctuation ranges in the values. One of the most accurate methods for layer measurement is spectroscopic ellipsometry.

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.In an ellipsometer, a layer system at a defined angle - usually near 45 ° - illuminated with radiation of a well-defined polarization state. The polarization state of the reflected light is analyzed with a polarimeter. The name Ellipsometrie comes from the fact that this is often converted linearly polarized light.

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 Ausgangsgroßen liefert – Elliptizität und Azimut – lassen sich naturgemäß auch nur zwei Parameter rekonstruieren. Häufig werden deshalb Schichtdicken bei bekannter Brechzahl des Vollmaterials ermittelt.The measured polarization state is compared with a polarization state calculated from a layer model. For simple interfaces, the Fresnel equations are used here, and for thin-film systems the so-called "Thin Film Matrix Theory". The parameters of the simulated layer system (thicknesses and refractive indices) are varied until measurement and simulation are in line. Since ellipsometry provides only two output quantities - ellipticity and azimuth - naturally only two parameters can be reconstructed. Frequently therefore layer thicknesses are determined with a known refractive index of the solid material.

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.In order to investigate more parameters of a layer structure, the spectroscopic ellipsometry was developed, in which the above process is performed for a whole wavelength spectrum. This results in a set of parameters that allows to reconstruct multilayer layer systems.

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.With regard to the ellipsometer, different variants are known. In ellipsometry using a rotating polarizer, either the polarizer in the illumination beam path or the polarizer in the measurement beam path is rotated. Depending on the angle of rotation, the transmitted power is measured. If, in addition to or instead of the polarizer, a lambda-quarter plate is rotated in the illumination or measuring beam path, the so-called Jones matrix can additionally be completely determined. Since quarter-wave plates show a strongly wavelength-dependent behavior, this variant is not suitable for spectroscopic ellipsometry without further ado.

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.Another variant of ellipsometry is the so-called null-ellipsometry. Here, the polarization state of the illumination radiation is adjusted so that after reflection on the sample linearly polarized light is present. Then set the analyzer, d. H. the polarizer device in the measuring beam path perpendicular to this polarization direction, the intensity of the detected reflected radiation beam at the detector is almost zero. From polarization angles of the illumination radiation and the polarizer device serving as an analyzer in front of the detector, refractive index and visible thickness of the sample can be determined. Since this method works in the dark field, so to speak, it is also well suited to find minimal variations around a preset setpoint, so z. B. layer fluctuations to make a target surface resolved visible.

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 anzuordnen, das nach der spektralen Auffächerung vor dem Detektor angeordnet ist und Filterpixel aufweist, wobei jedes Filterpixel einem Pixel des Detektor 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.Spectroscopic ellipsometers are widely known in the art, such. B. in the form of successive illumination of the sample with narrow-band illumination radiation of different wavelengths, as shown in the US 5076696 or EP 1574842 A1 is described. The DE 10146945 A1 Proposes for a spectrally analyzing ellipsometer to arrange the spectrally fanned radiation through a micropolarization filter placed after the spectral fanning in front of the detector and having filter pixels, each filter pixel being associated with a pixel of the detector. The filter pixels have different transmission or major axis directions for polarized radiation. In this approach, the effort required for the polarization device in the measurement beam path increases noticeably with increasing resolution of conventional 2D detectors. In the US 6320657 discloses a spectroscopic ellipsometer that analyzes all wavelengths in parallel via a monochromator. The polarization device is designed as a rotating compensator. The US 5,329,357 also describes a spectroscopic ellipsometer in which Polarizer, ie polarization of the illumination radiation, and analyzer, that is, the polarizer upstream of the detector, rotate. Furthermore, it is disclosed here to provide the illumination radiation via the optical fiber and also to collect the reflection radiation via an optical fiber and to supply it to the spectrometer.

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.In addition to mechanical adjustment of the polarization components of course, electronic settings in the prior art are known, for example in the US 7265835 and the US 6753961 , The US 7492455 discloses a spectral-analyzing ellipsometer which includes a plurality of illumination sources, including polarization adjustment for the illumination radiation, which are successively switched into the beam path. In this case, only discrete states of polarization are used and no continuously varying states in that several broadband sources are each combined with discrete polarization states to provide the illumination radiation and activated sequentially for the measurement.

Am weitesten hinsichtlich der spektralen Erfassung einer Probe geht die US 2010/0004773 A1 , die ein Ellipsometer gemäß der eingangs genannten Art schildert. Hierbei wird der Reflex an der Probe in einem flächigen Probenbereicht erfaßt und auf einem 2D-Detektor abgebildet. Vor der Abbildung auf dem Detektor findet in einer der US 2010/0004773 A1 beschriebenen Ausführungsform mittels eines sogenannten Hypercubes eine räumliche Modulation der aufgenommenen Reflexstrahlung hinsichtlich des Polarisationszustandes statt. Der rechnerische Rekonstruktionsaufwand zur Probenanalyse ist jedoch beträchtlich.The furthest in terms of spectral detection of a sample is the US 2010/0004773 A1 , which describes an ellipsometer according to the type mentioned. In this case, the reflection on the sample is recorded in a two-dimensional sample area and imaged on a 2D detector. Before imaging on the detector takes place in one of the US 2010/0004773 A1 described embodiment by means of a so-called hypercube a spatial modulation of the received reflex radiation with respect to the polarization state instead. However, the computational reconstruction effort for sample analysis is considerable.

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.The invention has the object of developing an ellipsometer of the type mentioned in that rapid analysis of more complex layer systems is possible. In particular, the spectrometer should be able to be used directly in production processes, so have so-called in-line capability.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem 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.This object is achieved with an ellipsometer for examining a sample, with an illumination beam path, which is designed to illuminate the sample with illumination radiation of certain polarization and divergence at a certain angle, a Meßstrahlengang which is formed on the sample in a reflex angle range or Reflexionsbereich reflected illumination radiation as a divergent reflection beam bundle and analyze the spectral composition and polarization state, the Meßstrahlengang comprising: a spectrometer into which the reflected radiation beam is coupled and which spectrally splits the reflected radiation beam, arranged in a spectrometer 2D detector and a polarizer device, the Precedent detector, and spatially filters the reflected radiation beam before the spectral decomposition depending on the polarization state, wherein the spectrometer erstre erstre The spectrometer deflects the reflection beam bundle across the propagation direction of the reflected radiation beam and transversely to the longitudinal extent of the entrance slit spectrally disassembled onto the detector, and the polarizer device, the spectrometer deflects the reflection beam bundle transversely to the propagation direction of the reflected radiation beam and transversely to the longitudinal extent of the entrance slit on the detector gap, the measuring beam path directs the reflected radiation beam on the entrance slit comprises a plurality of polarizers each filtering the reflected radiation beam with respect to different polarization states, wherein the polarizers are arranged side by side on the entrance slit or in the entrance slit of the spectrometer.

Die Aufgabe wird weiter gelöst durch 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.The object is further achieved by an ellipsometer for examining a sample, with a sample illumination beam path, which is designed to illuminate the sample with illumination radiation of particular polarization and divergence at a certain angle, a Meßstrahlengang which is formed on the sample in a reflex angle range or Reflexionsbereich reflected illumination radiation as a divergent reflection beam bundle and analyze the spectral composition and polarization state, the Meßstrahlengang comprising: a spectrometer into which the reflected radiation beam is coupled and which spectrally splits the reflected radiation beam, arranged in a spectrometer 2D detector and a polarizer device, the Precedent detector, and spatially filters the reflected radiation beam before the spectral decomposition depending on the polarization state, wherein the Meßstrahlengang a Kollimatoreinrich tion, which couples the reflected radiation beam into an optical fiber bundle, the optical fiber bundle has at least one group of at least four Einzellichtleitfasern which end along a longitudinal extension adjacent to one another at an input of the spectrometer, wherein the coupled into the group reflex radiation is associated with a reflex angle or reflex location, and Spectrometer deflected spectrally dispersed at the entrance to the longitudinal direction of the reflection beam bundle, wherein the polarization device is realized by a polarization filtering property of the individual optical fibers or by the Einzelellichtleitfasern upstream or downstream polarizers, wherein the polarization-filtering properties of the Einzelellichtleitfasern or the polarizers respectively the reflection radiation filter for different polarization states.

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. The invention thus provides, in a first and a second variant, for spectrally filtering the reflection radiation and for distributing it at reflex locations or angles at the input of the spectrometer. When the spectrometer operates with a conventional entrance slit, the polarizers are arranged side by side in the entrance slit, so that the spatial separation of the reflected beam with respect to the different polarization states in the entrance slit takes place.

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.The same happens if the spectrometer has no conventional entrance slit, but optical fibers whose end faces act as an entrance slit. Then, after the coupling out of the optical fibers or before the coupling into the optical fibers or even during coupling / decoupling the polarization filtering is performed.

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.The placement at this point, d. H. at the entrance slit or at the spectrometer input has the advantage that in the interior of the spectrometer filter no longer need to be arranged. Stray light or back reflections of such filters are thus avoided. Further, the geometric association between the entrance slit or spectrometer entrance and the structured polarizer means comprising the plurality of polarizers and the spectrum on the 2D detector is ideal. A possible adjustment of the polarizers with respect to the detector pixels is omitted, since the spectral breakdown takes place only after the spatial separation of the different polarization states.

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.Also eliminates the great effort, as in the so-called Hypercube system of US 2010/0004773 A1 occurs, which makes the spatial breakdown significantly before the spectrometer entrance or entrance slit.

Im Falle der Erfindungsvariante, bei der Lichtleitfaserenden die Funktion des Eintrittsspaltes am Spektrometereingang übernehmen, ist es zweckmäßig, mehrere Gruppen von je mindestens vier Einzellichtleitfasern vorzusehen und die Kollimatoreinrichtung so auszubilden, 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.In the case of the variant of the invention in which optical fiber ends take over the function of the entrance slit at the spectrometer input, it is expedient to provide several groups of at least four individual optical fibers and to design the collimator device in such a way that it distributes the reflected radiation to the groups depending on the angle of reflection or reflex location. Each group then corresponds to a spectrometer channel, and the spectrometer spectrally fans the radiation coming from a group into a spatial direction. The other spatial direction is then assigned to the individual optical fiber groups and consequently codes the reflex location or the reflection angle, depending on the design of the collimator device.

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.The polarizers can be realized in a particularly simple manner by being applied to the entry or exit-side end faces of the individual optical fibers, which are then of course preferably polarization-preserving, in particular if larger fiber light paths are present. With short fibers, polarization maintenance can sometimes be dispensed with.

Zusätzlich zu den unterschiedlich polarisierten Elementen des Reflexstrahlungsbündels ist es zweckmäßig, zusätzlich 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.In addition to the differently polarized elements of the reflected radiation beam, it is expedient to additionally provide a dark-polarized and / or a white-light channel in the entrance slit or at the spectrometer input. This allows a permanent dark measurement and / or a white reference and thus a better evaluation of the radiation by a better normalization of the intensity.

Verwendet man für die Polarisatoren die Polarisationsrichtungen 0°, 45°, 90° und zirkular, läßt sich der gesamte Stokes-Vektor der Strahlung spektral zerlegt abbilden.If the polarization directions 0 °, 45 °, 90 ° and circular are used for the polarizers, the entire Stokes vector of the radiation can be spectrally decomposed.

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.By "reflex" is meant in the sense of the description also a scatter. The term is therefore not limited to a specular reflection. In principle, sometimes sufficient information about the layer can also be derived from illumination with unpolarized radiation. Under illumination radiation of certain polarization is thus to understand unpolarized radiation.

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.In order to form the ellipsometer particularly for use in a manufacturing process for layers, it is advantageous to ensure that the reflection intensity which is detected is as independent of adjustment as possible. It should not change as much as possible if the position of the layer varies.

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.This can be achieved in a first variant particularly simply by illuminating a lighting spot which is much larger than the detected measuring spot in which the reflection radiation is collected. The same can apply alternatively or additionally for the aperture. The difference in size ensures that even when the layer varies within certain tolerances, in particular when the layer is shifted or tilted, the measuring spot / measuring angle range always detects an area which is within the illumination spot / illumination angle range. Of course, an inverted approach is possible, d. H. that the measuring spot / measuring angle range is much larger than the illumination spot / illumination angle range. It is therefore essential for this advantage that there is a size and / or aperture difference between the illumination spot and the measuring spot, which is chosen so that even with a certain, predetermined variation of the position of the layer, the smaller spot / the larger aperture is completely within the larger one Stain / the smaller aperture remains.

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. In a second variant, a tracking is provided. By means of a suitable measuring device, the position of the ellipsometer in the space and / or the layer to be measured is determined and regulated in a desired position relative to the layer.

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.In a third variant, in the determination of layer parameters, a correction can be made which takes into account the position of the ellipsometer in space and / or the layer and compensates for any deviations from a desired position to the layer, for example by previously determined correction values in a control device are stored. Of course, a measurement of the situation is also provided here.

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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:

1 eine Schemadarstellung eines Ellipsometers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 1 3 is a schematic representation of an ellipsometer according to a first embodiment of the invention,

2 eine Schemadarstellung eines Spektrometerspalts des Ellipsometers der 1, 2 a schematic representation of a spectrometer gap of the ellipsometer the 1 .

3 eine Schemadarstellung der Aufspaltung der Polarisationsrichtungen für verschiedene Reflexwinkel oder Reflexorte in einem Ellipsometer ähnlich dem der 1, 3 a schematic representation of the splitting of the polarization directions for different angles of reflection or reflex locations in an ellipsometer similar to that of 1 .

4 eine Draufsicht auf eine Probe mit schematischer Darstellung von Beleuchtungs- und Deflektionsfleck, 4 a top view of a sample with a schematic representation of illumination and deflection spot,

5 ein Ellipsometer einer weiteren Bauweise und 5 an ellipsometer of another construction and

6 eine schematische Darstellung des Eingangs des Ellipsometers der 5 mit der Erzeugung von hinsichtlich der Polarisation unterschiedlichen Kanälen und 6 a schematic representation of the entrance of the ellipsometer of 5 with the generation of different polarization channels and

7–9 Darstellungen ähnlich der 6 von unterschiedlich gestalteten Ellipsometereingängen. 7 - 9 Representations similar to the 6 of differently designed ellipsometer inputs.

1 zeigt schematisch ein Ellipsometer 1a, 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. 1 schematically shows an ellipsometer 1a for measuring a layer 2 on the surface of a sample 3 is trained. The ellipsometer 1a has a lighting beam path 4 and a Meßstrahlengang 5 , The illumination beam path 4 contains a broadband source 3 that z. B. light, that emits radiation in the visible spectral range. The source 6 downstream is a collimator 7 that parallelizes the radiation and to a polarizer 8th which, as known in ellipsometry, polarizes the radiation. About a lighting optics 9 becomes a bundle of convergent illumination radiation 10 generated, with which the layer 2 the sample 3 is illuminated. The opening angle w of the illumination radiation 10 can preferably be adjusted. so that the size of the illuminated spot on the layer 2 the sample 3 can be varied.

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).Because the illumination beam path 4 As can be seen from the drawing, by an angle a to the normal N on the layer 2 is tilted, the illumination radiation after an interaction with the sample (for example, diffraction on a periodic structure, etc.) as a divergent reflection beam 11 at the rehearsal 3 and in particular their layer 2 reflected. The reflex beam 11 is from a collimator 12 collected, wherein the opening angle at which the collimator collects the reflection beam is denoted by u. In the presentation of the 1 is the Meßstrahlengang 5 arranged so that it is a reflex beam 11 which corresponds to a beam that would be produced in the case of purely specular reflection (ie substantially zero-order diffraction). Then, the opening angle u corresponds to the opening angle w. A variation of these parameters is possible, depending on the setting of the collimator 7 in the illumination beam path 4 , the collimator 12 in the measuring beam path 5 and properties of the sample (scattering on surface).

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.The collimator 12 directs the collected reflex beam to a spectrometer 13 , This spectrometer 13 has a fanning element 14 which spectrally fans the detected radiation, as will be explained later. The radiation is then on a two-dimensional detector 15 demonstrated.

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 Bereicht 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.The spectrometer 13 has an entrance slit 16 , in the 2 is shown schematically. The entrance slit 16 extends along a longitudinal direction L and defines an entrance slit commonly known to spectrometers. On the entrance slit, ie on the entrance slit 16 are now along the direction L two groups G1, G2, each with four polarizers 18 to 21 arranged, which filter the supplied radiation differently with respect to the polarization, namely in the polarization directions 0 ° (polarizer 18 ), 45 ° (polarizer 19 ), 90 ° (polarizer 20 ) as well as circular (polarizer 21 ). Each polarizer leaves only the Pass corresponding polarization direction. The entrance slit is thus through the polarizer device 17 which by the at the entrance slit 21 arranged polarizers is divided along the direction L spatially into two groups, each with four polarization types. This is the fanning element 14 set up so that it performs the usual spectral fanning on the one hand. This is schematically in 3 symbolized by the fan-out direction "lambda". Transverse to this direction causes the polarization device 17 such a division that by the polarizers 18 to 21 be repeated in defined groups. This repetition of the groups is through the collimator 12 causes, which ensures that a larger area of the layer 2 the sample 2 is scanned for reflections. The radiation which is along the direction L at the entrance slit 16 in the form of the reflex beam 11 is present, ie along the direction L is broken down either in terms of the reflex locations or with respect to the reflection angle. A breakdown according to the reflex locations is achieved when the on the layer 2 detected area extends along a direction that in 1 perpendicular to the drawing plane. A breakdown by angles of reflection is obtained when the detected area is rotated by 90 ° thereto so that it is in the sectional plane of the 1 and perpendicular to the normal N runs.

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.The spatial or angular resolution is given by the dimension of one of the groups along the direction L. Although shows 2 by way of example only two groups G1 and G2, however, a larger number of groups may and will be used in most embodiments.

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.Is in 3 illustrated by groups G1, G2, G3 and Gn, wherein the reference Gn is intended to illustrate that the number of repetitions is not limited to four, but can be chosen arbitrarily higher or lower. By training the collimator 12 and the polarizer 17 are the groups G1 to Gn assigned to different reflection angles, ie come from different areas within the opening angle u. Alternatively, groups G1 to Gn may also be at different locations on the sample 2 be assigned.

Diese Zuordnung wird durch geeignete Ausbildung des Kollimators 12 erreicht.This assignment is made by suitable training of the collimator 12 reached.

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.In order to adapt the ellipsometer particularly to the measurement of layers which are produced in a manufacturing process, it is expedient to ensure that the reflection intensity is as independent of adjustment as possible, that is, if possible, does not change if the position of the layer 2 varies along the normal N. This can be achieved particularly simply by the fact that, as in 4 represented, the illumination radiation 10 a spot of illumination 32 illuminated, which is much larger than that of the collimator 12 detected measuring spot 33 , 4 schematically shows a plan view of the layer 2 , For the measuring spot 33 schematically the division into the individual spots is shown, which are assigned to the polarizers at the entrance slit. Due to the fact that the illumination spot 32 spatially has an extent that is greater than that of the measuring spot 33 , can also at within varying tolerances varying position of the layer, in particular during a shift of the layer 2 along the normal N, be sure that the measuring spot 33 always detects an area that is within the lighting spot 32 lies.

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.Of course, an inverted approach is possible, ie that the measuring spot 33 is much larger than the illumination spot 32 so that the illumination intensity within the measurement spot 33 remains constant, even if the shift 2 varies with regard to their location. Essential for this advantage is that between illumination spot 32 and measuring spot 33 There is a difference in size, which is chosen so that even with a variation of the position of the layer 2 within predetermined limits, the smaller spot lies completely within the larger spot.

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. 5 shows an alternative embodiment of an ellipsometer 1b that is not relevant to the illumination beam path from the ellipsometer 1a different. The differences lie in the collection of the reflex beam 11 and the design of the spectrometer justified.

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.The collimator 12 of the ellipsometer 1a is through a fiber coupler 22 replaced, the the reflex beam 11 in an optical fiber bundle 23 coupled, which has at least one group of four Einzelellichtleitfasern. The fiber optic bundle 23 leads the collected reflex beam 11 to the spectrometer 24 , This now has no conventional entrance slit, but an entrance in which the Einzellichtleitfasern the optical fiber bundle are adjacent. 6 shows a plan view of the entrance 31 , The Einzelellichtleitfasern are grouped together, each consisting of four Einzelellichtleitfasern in the present embodiment. The ends of these Einzelellichtleitfasern are polarizers 27 to 30 Mistake. The groups G1 to Gn are juxtaposed, and the fan-out element 25 of the spectrometer 24 fanned the radiation thus supplied spectrally, so that in the result again in 3 shown field is reached on the two-dimensional detector.

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.The assignment of groups G1 to Gn at different points of incidence or angles now becomes not from the collimator, but from the fiber coupler 22 made, which ensures that the reflection radiation from different angles of reflection within the angular range u and the reflection radiation from different locations on the different groups of Einzellichtleitfasern in Lichtleitfaserbündel 23 is distributed. Otherwise, this applies previously to the ellipsometer 1a said analogously.

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.Of course, providing the polarizers on the exit end faces of the single-fiber fibers is just one of several possibilities. In principle, the polarizers can also be provided on the entry surfaces of the individual optical fibers, or the individual optical fibers themselves can have corresponding polarization-filtering properties.

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.The use of an optical fiber bundle 23 makes it possible to make the combination of groups so that in four groups G1 to G4 each of the optical fibers of a polarization type are summarized. This is schematically in 7 shown. The single-fiber fibers 27 to 30 The group G1 thus carry all the reflection radiation, which is filtered at a polarization angle of 0 °. They differ from each other by the reflex location or the angle of reflection to which they are assigned. The same applies to the optical fibers G2 to G4. This approach has the advantage that less interference by crosstalk between the individual channels occur.

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.Also leads to less crosstalk, the construction of the 8th in which an additional gap exists between two groups G1 to Gn which differ with regard to the reflex location or angle of reflection 34 is provided.

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. 9 shows schematically that the distribution of the radiation from the Einzelellichtleitfasern is not limited only to the fact that the radiation of a Einzelellichtleitfaser is filtered in terms of exactly one polarization state. 9 shows an example of an optical fiber bundle 23 , which consists of four individual optical fibers 35 consists of their radiation each by four Einzelpolarisatoren 27 . 28 . 29 . 30 is filtered. The radiation from a single optical fiber 35 thus corresponds to a group G1 to Gn and carries radiation that was recorded in terms of a reflex location or an angle of reflection.

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.The 1 to 8th So show constructions in which four Einzelellichtleitfasern be used within a spatial resolution cell or an angular resolution cell. In 9 a single optical fiber is used. Other breakdowns are equally possible.

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.The signals of the detector as information about the corresponding angular settings of the spectrometer 1a respectively. 1b are fed to a not further explained control unit, which performs the above-mentioned simulation for layer analysis. The described ellipsometer 1a respectively. 1b thereby allows a variety of operations. Thus, for example, the illumination radiation can be carried out along a line with a small numerical apparatus. The detection then detects the specular reflex as a function of the location, ie the said groups G1 to Gn represent the location dependency of the recorded spectra again.

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.In a conoscopic spectral ellipsometry is illuminated broadband, with high numerical apparatus at one point. The reflections are then detected as a function of the angle and, of course, of the wavelength, so that the said groups G1 to Gn represent the angular dependence of the spectrally resolved reflection radiation. This system is particularly suitable for the analysis of complex multilayers, whereas the aforesaid mode of operation is particularly suitable for the inspection of produced thin films in the production process. If one does not detect the specular reflex in conoscopic spectral ellipsometry but scattered light, an analysis of microstructured layer systems can be carried out with this variant.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5076696 [0008]
EP 1574842 A1 [0008]
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US 2010/0004773 A1 [0010, 0010, 0017]

Claims

Ellipsometer for the examination of a sample ( 2 . 3 ), with - an illumination beam path ( 4 ), which is designed to sample ( 2 . 3 ) with illumination radiation ( 10 ) of certain polarization and divergence (w) at a certain angle (α), - a measuring beam path ( 5 ), which is formed on the sample ( 2 . 3 ) reflected in a reflex angle range (u) or Reflexortsbereich illumination ( 10 ) as divergent reflected radiation beam ( 11 ) and to analyze in terms of spectral composition and polarization state, wherein the Meßstrahlengang ( 5 ): - a spectrometer ( 13 ) into which the reflected radiation beam ( 11 ) is coupled and that the reflected radiation beam ( 11 ) spectrally, - one in the spectrometer ( 13 ) arranged 2D detector ( 15 ) and - a polarizer device connected to the detector ( 15 ) is arranged upstream, and which the reflex radiation beam ( 11 ) spatially filters before the spectral decomposition depending on the polarization state, characterized in that - the spectrometer ( 13 ) an elongated entrance slit ( 17 ), - the measuring beam path ( 5 ) the reflected radiation beam ( 11 ) on the entrance slit ( 17 ), wherein along the longitudinal extent of the entrance slit ( 17 ) the angle of reflection (G1-Gn) or reflex locations varies, - the spectrometer ( 13 ) the reflected radiation beam ( 11 ) transversely to the propagation direction of the reflected radiation beam ( 11 ) and transversely to the longitudinal extent of the entrance slit ( 17 ) spectrally decomposed onto the detector ( 15 ), and - the polarizer means a plurality of polarizers ( 18 - 21 ), each of which the reflex radiation beam ( 11 ) with respect to different polarization states, the polarizers being arranged side by side on the entrance slit (FIG. 17 ) or in the entrance slit ( 17 ) of the spectrometer ( 15 ) are arranged.

Ellipsometer for the examination of a sample ( 2 . 3 ), with - a sample illumination beam path ( 4 ), which is designed to sample ( 2 . 3 ) with illumination radiation ( 10 ) of certain polarization and divergence (w) at a certain angle (α), - a measuring beam path ( 5 ), which is formed on the sample ( 2 . 3 ) reflected in a reflex angle range (u) or Reflexortsbereich illumination ( 10 ) as divergent reflected radiation beam ( 11 ) and to analyze in terms of spectral composition and polarization state, wherein the Meßstrahlengang ( 5 ): - a spectrometer ( 24 ) into which the reflected radiation beam ( 11 ) is coupled and that the reflected radiation beam ( 11 ) spectrally, - one in the spectrometer ( 24 ) arranged 2D detector ( 26 ) and - a polarizer device connected to the detector ( 26 ) is arranged upstream, and which the reflex radiation beam ( 11 ) spatially filters before the spectral decomposition depending on the polarization state, characterized in that - the measuring beam path ( 5 ) a collimator device ( 22 ), which the reflected radiation beam ( 11 ) into an optical fiber bundle ( 23 ), - the optical fiber bundle ( 23 ) comprises at least one group of at least four Einzelellichtleitfasern along a longitudinal extension next to each other at an entrance ( 31 ) of the spectrometer ( 24 ), wherein the reflex radiation coupled into the group ( 11 ) is assigned to an angle of reflection or reflex location, and - the spectrometer ( 24 ) at the entrance ( 31 ) supplied reflection beam ( 11 ) transversely to the longitudinal extent spectrally decomposed on the detector ( 15 ), wherein - the polarization device by a polarization-filtering property of the individual optical fibers or by the Einzelellichtleitfasern upstream or downstream polarizers ( 27 - 30 ), wherein the polarization-filtering properties of the individual optical fibers or the polarizers ( 27 - 30 ) each the reflex radiation ( 11 ) with respect to different polarization states.

Ellipsometer according to claim 2, characterized in that a plurality of groups (G1-Gn) of at least four individual optical fibers are provided and the collimator device ( 22 ) the reflex radiation ( 11 ) depending on the angle of reflection or reflex location on the groups (G1-Gn) distributed

Ellipsometer according to claim 2 or 3, characterized in that the individual fibers are optical fibers, on whose one end surface a polarizer is applied, wherein the optical fibers are preferably polarization-preserving.

Ellipsometer according to one of the above claims, characterized in that in addition at least one non-polarization filtered dark and one white light channel in the entrance slit ( 17 ) or at the spectrometer input ( 31 ) is provided.

Ellipsometer according to one of the above claims, characterized in that the polarizers ( 18 - 21 ; 27 - 30 ) or polarization-filtering single-light fibers, a first linear polarization state, a second orthogonal thereto linear polarization state, a third, at an angle of 45 ° to the first polarization state linear polarization state and a circular polarization state filter.

Ellipsometer according to claim 2 or any one of the above claims in conjunction with claim 2, characterized in that each Einzelellichtleitfaser a multipolarization filter is arranged downstream, that along the longitudinal extent adjacent different polarization states filtering individual polarizers.

Ellipsometer according to claim 3 or one of the above claims in conjunction with claim 3, characterized in that an additional gap is provided in each case between the plurality of groups (G1-Gn).

Ellipsometer according to one of the above claims, characterized in that the illumination radiation ( 4 ) illuminates a location or angle range which is greater or smaller than the reflex angle range (u) or the reflex area, of which the Meßstrahlengang ( 5 ) the reflected radiation beam ( 11 ).