DE102015103706A1

DE102015103706A1 - Optische Sensoranordnung zur Bestimmung der Eigenschaften einer dünnen Schicht

Info

Publication number: DE102015103706A1
Application number: DE102015103706.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Martin Schädel; Andreas Winzer; Dennis Mitrenga
Original assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik GmbH
Current assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik GmbH
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Sensoranordnung zur Bestimmung der Eigenschaften einer dünnen Schicht (04), insbesondere der Schichtdicke. Die Sensoranordnung umfasst eine Sendeeinheit (01), welche einen Sendelichtstrahl (05) auf die dünne Schicht (04) abstrahlt, und eine Empfangseinheit (02), welche einen die dünne Schicht (04) durchlaufenden und reflektierten Empfangslichtstrahl (06) empfängt. Die Sendeeinheit (01) besitzt mindestens zwei Laserlichtquellen (101), die je einen Teilstrahl mit voneinander abweichenden Wellenlängen emittieren, sowie ein Sendestrahlformungsmittel (103), welches die Teilstrahlen auf der optischen Achse des Sendelichtstrahls (05) zusammenführt. Die Empfangseinheit (02) besitzt ein Empfangsstrahlformungsmittel (107), welches den reflektierten Empfangslichtstrahl (06) in mindestens zwei polarisierte Empfangsteilstrahlen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung aufteilt, sowie mindestens zwei Fotodetektoren (108), welche jeweils einen der polarisierten Empfangsteilstrahlen empfangen und jeweils ein von der Intensität des Empfangsteilstrahles abhängiges Messsignal bereitstellen. Sendeeinheit (01) und Empfangseinheit (02) sind so positioniert sind, dass der Sendelichtstrahl (05) in einem vorbestimmten Winkel zwischen 35° und 85° zur Flächennormalen auf die dünne Schicht (04) auftrifft und der reflektierte Empfangslichtstrahl (06) in der optischen Achse der Empfangseinheit (02) verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Sensoranordnung zur Bestimmung der Eigenschaften einer dünnen Schicht. Die Sensoranordnung umfasst dazu eine Sendeeinheit, welche einen Sendelichtstrahl auf die dünne Schicht abstrahlt, und eine Empfangseinheit, welche einen an der dünnen Schicht reflektierten Empfangslichtstrahl empfängt und auswertet.
Für die Analyse der Eigenschaften dünner Schichten, insbesondere von Schichtdicke und Brechungsindex existieren im Stand der Technik verschiedene Lösungsansätze. Dazu zählen die spektroskopische Ellipsometrie, die Laser-Ellipsometrie und die Reflexionsspektroskopie. Die theoretischen Zusammenhänge dieser Methoden sind seit langem bekannt und werden daher nachfolgend nur kurz zusammengefasst.
Bei der spektroskopischen Ellipsometrie wird die wellenlängenabhängige Polarisationsänderung bei der Reflexion untersucht. Anhand der spektralen Information und dem zugrunde liegenden physikalischen Verhalten von Materie (Dispersion, Kramers-Kronig-Relation, etc.) ist sie in Verbindung mit einer leistungsfähigen Auswertesoftware in der Lage, auch äußerst komplexe, mehrschichtige, anisotrope und nicht-ideale Systeme zu charakterisieren. Die hohe Leistungsfähigkeit wird aber durch einen vergleichsweise hohen apparativen Aufwand erkauft. Insbesondere sind mechanische Bewegungen von Komponenten der Messanordnung erforderlich, welche die Komplexität und Größe solcher Messsysteme erhöhen. Die Notwendigkeit mindestens eine 360° Drehung der Lichtpolarisation durchlaufen zu müssen und mit hinreichender Winkelauflösung Messungen durchzuführen, limitiert zudem die notwendigen Messzyklen auf Werte im Bereich mehrerer Millisekunden. Bei anderen Systemen, die Gittermonochromatoren verwenden, liegt die Messzeit im Bereich von Minuten bis Stunden.
Die Laser-Ellipsometrie basiert auf dem gleichen Messprinzip, jedoch werden hier eine oder mehrere Laser als Lichtquellen verwendet. Ein Vorteil ist der reduzierte apparative Aufwand, da keine spektrale Zerlegung des Messlichts erforderlich ist. Ein Nachteil ist der Verlust der spektralen Information. Damit verlieren die physikalischen Modelle zur Beschreibung der Materialeigenschaften (Dispersion) ihre Anwendbarkeit. Somit liefert Laser-Ellipsometrie nur zwei Messgrößen (pro Wellenlänge) und kann demzufolge auch nur maximal zwei Probeneigenschaften (pro Wellenlänge) eindeutig bestimmen. Auch bei der Laser-Ellipsometrie sind mechanisch bewegliche Teile und entsprechende Motoren erforderlich, was die Baugröße, Anfälligkeit und die Herstellungskosten solcher Systeme erhöht. Auch hier limitiert die Notwendigkeit, zumindest eine Umdrehung des Polarisators mit der benötigten Winkelauflösung zu erfassen, die minimale Messzeit.
Eine weitere Methode, um einfache Schichtsysteme zu charakterisieren, ist die spektroskopische Analyse von Reflexions- und/oder Transmissionsdaten. Liegt eine Absolutwertmessung der Reflexion (oder Transmission) vor und sind die Eigenschaften (insbesondere der Brechungsindex) des Substrates bekannt, kann der Spektralverlauf durch Variation der Beschichtungseigenschaften (Brechungsindex n und Schichtdicke d) angepasst werden. Dafür sind jedoch entsprechende Modelle für die Dispersion (Spektralverlauf von n(λ)) erforderlich, deren Anwendbarkeit mit anderen Methoden überprüft werden muss. Zudem kommt es trotz dieser Modelle häufig zu starker Korrelation zwischen den Ergebnissen von Brechungsindex und Schichtdicke, da beide im gleichen Maße die optische Weglänge (n·d) des Lichtes innerhalb der Beschichtung bestimmen, und somit die Interferenzen und den Spektralverlauf der Reflexion (oder Transmission) in ähnlicher Weise beeinflussen. Die spektrale Analyse ist auf exakte Absolutwerte sowie die Möglichkeit der spektralen Zerlegung des Messlichtes angewiesen.
Die DE 197 07 926 A1 beschreibt ein abbildendes Mikro-Ellipsometer, dessen Detektor durch eine abbildende Optik und einen zweidimensionalen Flächendetektor erweitert wurde. Durch diese Erweiterung wird es möglich mit hoher Ortsauflösung die Oberflächeneigenschaften zu beurteilen. Der Aufbau greift auf mechanisch rotierende Baugruppen zurück.
Die DE 100 21 378 A1 beschreibt eine optische Messanordnung mit einem Ellipsometer. Ein kompakter Messkopf realisiert durch gekrümmte Spiegelflächen die Einstrahlung und die Erfassung des reflektierten Lichts unter definierten Winkeln. Auf diesem Weg können zwar einige der optischen Komponenten eines Standard-Ellipsometer-Aufbaus eingespart werden, jedoch erfordert das System weiterhin die Verwendung beweglicher Teile.
Die DE 44 23 288 A1 zeigt eine Anordnung zum Messen der Dicke einer transparenten Beschichtung auf einem Druckerzeugnis. Ein an der Beschichtung reflektierter Lichtstrahl wird dabei durch einen Strahlteiler in zwei Polarisationskomponenten aufgeteilt und mit zwei Fotodetektoren analysiert. Das reflektierte Licht von der Luft/Beschichtung-Grenzfläche zeigt eine andere Polarisation als Reflexionsanteile von der Beschichtung/Substrat-Grenzfläche. Durch die polarisationsabhängige Messung lassen sich so die Einzelbeiträge getrennt darstellen. Über bildgebende Detektoren wird dann aus dem räumlichen Bildabstand die Schichtdicke der Beschichtung bestimmt.
Aus der US 7,411,677 B2 ist ein Ellipsometer bekannt, welches ohne bewegliche Teile ähnliche Informationen wie die Standard-Ellipsometrie erzeugt. Dazu wird die Polarisation des einfallenden und des detektierten Lichts über einen zweidimensionalen Phasenmodulator manipuliert bzw. analysiert. Durch ortsaufgelöste Detektoren kann so gleichzeitig die Wirkung der Probe auf die Lichtreflexion verschiedener Einfallspolarisationen untersucht werden. Der beschriebene Aufbau benötigt eine senkrechte Beleuchtung. Dadurch reduziert sich der Informationsgehalt der Messung und die Eindeutigkeit und Belastbarkeit der Ergebnisse wird eingeschränkt.
Die US 7,088,448 B1 beschreibt ein Ellipsometer-Messgerät mit Faserführung des Lichts. Dadurch kann der Messkopf vergleichsweise klein gestaltet werden und auch schwer zugängliche oder gewölbte Oberflächen können untersucht werden. Der Aufbau bedient sich ansonsten der Standardkomponenten eines Ellipsometers. Durch den Aufbau wird zwar der Zugang zu schwer zugänglichen Proben geschaffen, die Komplexität und Größe des Gesamtaufbaus wird jedoch nicht reduziert.
Die vorliegende Erfindung geht im Übrigen von theoretischen Grundlagen der Schichtdickenmessung aus, die dem Fachmann generell bekannt sind und daher hier nur kurz genannt werden. Bekannte Verfahren sind beispielsweise beschrieben in H. Fujiwara, Spectroscopic Ellipsometry, John Wiley and Sons, Ltd., 2007 sowie in H. G. Tomkins, E. A. Irene, Handbook of Ellipsometry, 1. Auflage, Springer, Berlin 2006. Ein mathematisches Modell, welches die Theorie der durch die Erfindung genutzten Zusammenhänge beschreibt, wurde beschrieben in L. A. A. Pettersson, L. S. Roman, O. Inganäs, Modeling photocurrent action spectra of photovoltaic devices based on organic films, J. Appl. Phys, 86(1): 487–496, 1999.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine verbesserte optische Sensoranordnung zur Bestimmung der Eigenschaften dünner Schichten bereitzustellen. Insbesondere soll die Sensoranordnung die Bestimmung der Schichtdicke und/oder des Brechungsindex an Schichten gestatten, die typischer Weise in Halbleiterprozessen verwendet werden. Der Aufbau der Sensoranordnung soll sich einfach gestalten, insbesondere auf während der Messung bewegliche Komponenten verzichten, um die Sensoranordnung in industriellen Herstellungsprozessen einsetzen zu können und insgesamt preiswert zu gestalten.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung nutzt den bekannten Zusammenhang, dass Eigenschaften dünner Schichten, insbesondere die Dicke und der Brechungsindex Einfluss nehmen auf die Polarisation von Laserlichtstrahlen, die in einem vorbestimmten Winkel auf die Schicht auftreffen. Wird die Änderung der Polarisation von an der dünnen Schicht reflektiertem Laserlicht bestimmt und ist der Einfallswinkel bekannt, lassen sich daraus Rückschlüsse auf die Dicke und den Brechungsindex der Schicht ziehen. Dies erfolgt beispielsweise durch Modellierung der Messwerte mithilfe eines Transfer-Matrix-Verfahrens und die Anwendung eines Levenberg-Marquard-Algorithmus. Einzelheiten zu den mathematischen Verfahren, die eine Auswertung der Messwerte gestatten, finden sich beispielsweise in dem o.g. „Handbook of Ellipsometry”.
Bei den zu vermessenden Schichten handelt es sich beispielsweise um SiO₂, SiO_xN_y und SiN_x Schichten auf Siliziumsubstrat. Entscheidend für die Eignung der Schicht zur Messung mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es, dass die Schicht die verwendete Lichtstrahlung nicht vollständig absorbiert; d. h. die Schicht ist für die Lichtstrahlung wenigstens teilweise transparent, sodass bei entsprechenden Einfallswinkeln Lichtanteile reflektiert werden, welche die zu untersuchende Schicht durchlaufen haben und somit Informationen zu deren Schichtdicken enthalten.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur optischen Messung der Eigenschaften einer dünnen Schicht besitzt zunächst eine Sendeeinheit, welche einen Sendelichtstrahl auf die zu untersuchende dünne Schicht abstrahlt, und eine Empfangseinheit, welche einen an der dünnen Schicht reflektierten Empfangslichtstrahl empfängt und dessen Intensität misst.
Die Sendeeinheit umfasst zwei oder mehr Laserlichtquellen, die je einen Teilstrahl bereitstellen. Die Teilstrahlen besitzen voneinander abweichende Wellenlängen, wobei der Wellenlängenunterschied vorzugsweise möglichst groß ist, besonders bevorzugt wenigstens 10%, insbesondere mehr als 30% der erwarteten Dicke der zu vermessenden Schicht beträgt. Gleichzeitig sind die Wellenlängen aller Teilstrahlen so gewählt, dass sie in einem Wellenlängenbereich liegen, der von der zu vermessenden dünnen Schicht nicht vollständig absorbiert wird. Die Sendeeinheit umfasst außerdem ein Sendestrahlformungsmittel, welches die Teilstrahlen auf eine gemeinsame optische Achse führt. Durch geeignete Ansteuerung werden die Teilstrahlen sequenziell aktiviert, d. h. nacheinander ein- und ausgeschaltet, sodass die Reflexionsgrade der Teilstrahlen einzeln von der Empfangseinheit erfasst werden können. Die Polarisation jedes Teilstrahls ist dabei so auszurichten, dass Komponenten mit paralleler und senkrechter Polarisation im Bezug auf die Einfallsebene enthalten sind.
Bevorzugt wird als Sendestrahlformungsmittel ein nicht-polarisierender Strahlteiler verwendet, der zwei Teilstrahlen auf eine gemeinsame optische Achse eines Sendelichtstrahls führt. Bei weitergebildeten Ausführungen können mehrere nicht-polarisierende Strahlteiler kaskadiert werden, um mehr als zwei Teilstrahlen zum Sendelichtstrahl zusammenzuführen.
Die von der Sendeeinheit bereitgestellten Teilstrahlen haben eine gemeinsame optische Achse, wenn sie als Sendelichtstrahl die Sendeeinheit verlassen. Sie treffen die Probe unter demselben Winkel am selben Ort, in einer bevorzugten Ausführungsform aber sequenziell. In einer abgewandelten Ausführung können die einzelnen Laserlichtquellen gleichzeitig, jedoch mit unterschiedlicher Modulationsfrequenz ihrer Intensität betrieben werden. Aus den erfassten Signalen kann dann nach dem Lock-In-Verfahren der Beitrag der einzelnen Laserquellen am Gesamtsignal ermittelt werden. Das Lock-In-Verfahren kompensiert dabei gleichzeitig eventuell störendes Umgebungslicht, stellt jedoch einen erhöhten Aufwand an Elektronik- und/oder Softwareverarbeitung der Sensorsignale dar.
Die Empfangseinheit umfasst ein Empfangsstrahlformungsmittel, welches den an der zu vermessenden dünnen Schicht reflektierten Empfangslichtstrahl in mindestens zwei polarisierte Empfangsteilstrahlen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung aufteilt. Somit erfasst jeder Empfänger jeweils eine Polarisationskomponente des Empfangslichtstrahls. Durch den sequenziellen Betrieb (oder gegebenenfalls amplitudenmodulierten zeitgleichen Betrieb in Verbindung mit Lock-In-Analyse der Signale) kann so der polarisationsabhängige Reflexionsgrad jeder Lichtwellenlänge getrennt erfasst werden. Bevorzugt werden als Empfangsstrahlformungsmittel ein oder mehrere polarisierende Stahlteiler verwendet, ggf. mit vorgeschalteten nicht-polarisierenden Strahlteilern zur Aufteilung des Empfangslichtstrahls.
Die Empfangseinheit besitzt mindestens zwei fotoelektrische Empfänger bzw. Fotodetektoren, welche jeweils einen der polarisierten Empfangsteilstrahlen empfangen und jeweils ein von der Intensität des Empfangsteilstrahles abhängiges Messsignal bereitstellen. Vorzugsweise handelt es sich bei den fotoelektrischen Empfängern um Fotodioden.
Sendeeinheit und Empfangseinheit sind so positioniert, dass der Sendelichtstrahl in einem vorbestimmten, bekannten Winkel zwischen 35° und 85° zur Flächennormalen auf die dünne Schicht auftrifft und der Empfangslichtstrahl in der optischen Achse der Empfangseinheit verläuft. Die optischen Achsen von Sendeeinheit und Empfangseinheit stehen somit jeweils im selben Absolutwert eines vorbestimmten Winkels (bei wechselndem Vorzeichen) zur Flächennormalen der zu vermessenden Schicht. Der vorbestimmte Winkel liegt bevorzugt im Bereich von 55° bis 75°, besonders bevorzugt zwischen 60 und 70°.
Die von den mindestens zwei Empfängern aufgenommenen Messwerte geben aufgrund der Zerlegung in ihre polarisierten Anteile die Lichtintensitäten mit paralleler bzw. senkrechter Polarisation an. Sie sind damit ein Maß der beiden polarisierten Reflexionskoeffizienten R_p und R_s der zu vermessenden Schicht.
Mithilfe der bekannten theoretischen Zusammenhänge und unter Verwendung z. B. der oben erwähnten mathematischen Modelle, lassen sich daraus die Schichtdicke d und der Brechungsindex n der Schicht bestimmen. Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in diesem Zusammenhang darin, dass mindestens zwei Wellenlängen als Sendelichtstrahl genutzt werden. Denn die Reflexionskoeffizienten R_p und R_s sind periodisch im Parameterraum, sodass bei Verwendung nur einer Wellenlänge mehrere mathematische Lösungen der angewandten Gleichungssysteme existieren, die eine sichere Bestimmung beispielsweise der korrekten Schichtdicke nicht gestatten. Die Mehrdeutigkeit wird durch Verwendung von zwei oder mehr Wellenlängen beseitigt, wie weiter unten noch erläutert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sende- und Empfängereinheit an einem gemeinsamen Träger angebracht, sodass ihre Position zueinander während der Messung unveränderlich ist. Bevorzugt kommen aber Justageelemente zum Einsatz, die im Herstellungsprozess eine korrekte Ausrichtung der Sende- und Empfangseinheiten am Träger gestatten. Der Träger kann mechanisch mit einer elektronischen Auswerteeinheit bzw. mit deren Gehäuse verbunden sein, wodurch ein sehr kompaktes Gerät entsteht, welches preiswert und in großen Stückzahlen herstellbar ist.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 ein simulierter Verlauf der Reflexionsgrade einer SiO₂/Si Probe unter Lichteinfall;
2 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung;
3 eine zweite Ausführungsform der Sensoranordnung zur Erfassung von mehr als zwei Polarisationsrichtungen;
4 eine dritte Ausführungsform der Sensoranordnung, bei welcher drei Wellenlängen im Sendelichtstrahl zusammengeführt sind;
5 eine weitere Sensoranordnung zur Bestimmung von Eigenschaften dünner Schichten, die in Ergänzung oder anstelle mehrerer Lichtwellenlängen mehrere feste Lichteinfallswinkel nutzt.
Anhand des in 1 gezeigten Diagramms soll einleitend kurz erläutert werden, warum zur Erlangung der gewünschten Informationen über die dünne Schicht mehr als eine Wellenlänge (bzw. alternativ mehr als ein Einfallswinkel) benötigt werden. Das Diagramm zeigt den simulierten Verlauf der parallelen (größere Amplitude) und senkrechten (kleinere Amplitude) Reflexionsgrade einer SiO₂/Si Probe unter 65° Lichteinfall mit einer Lichtwellenlänge 670 nm (durchgezogen) und 850 nm (gestrichelt) in Abhängigkeit von der SiO₂-Schichtdicke. Ebenfalls eingezeichnet sind die experimentellen Daten (Rechtecke und Dreiecke) einer Probe mit etwa 310 nm SiO₂ Schichtdicke.
Für eine bessere Anschaulichkeit der folgenden Erläuterungen wird folgender einfacher Aufbau angenommen: Eine Probe aus Siliziumsubstrat trägt eine Siliziumoxidbeschichtung unbekannter Schichtdicke. Die optischen Eigenschaften aller beteiligten Materialien sollen zunächst als bekannt vorausgesetzt werden. Ziel ist es, anhand der Messungen der polarisationsabhängigen Reflexionsgrade die Schichtdicke der SiO₂-Schicht zu bestimmen. Mit den aus der Literatur bekannten Zusammenhängen kann der zu erwartende Reflexionsgrad in Abhängigkeit von Einfallswinkel, Schichtdicke und Lichtwellenlänge vorhergesagt werden. Dies ist in 1 für die Wellenlängen 670 nm und 850 nm unter 65° Lichteinfall dargestellt. Da SiO₂ für beide Wellenlängen transparent ist, zeigen sich periodische Kurvenverläufe. Die Periode ist dabei direkt an die optische Weglänge gekoppelt: OWL = Brechungsindex·Schichtdicke·Cosinus(Durchgangswinkel)
Gleiche Wertepaare R_p-R_s stellen sich immer dann ein, wenn die OWL ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge erreicht. Wird nur eine einzelne Lichtwellenlänge genutzt (bei feststehendem Einfallswinkel), kann aufgrund dieser Periodizität die Schichtdicke nicht eindeutig bestimmt werden.
Eine Eindeutigkeit wird erreicht, wenn zusätzliche neue Informationen erzeugt werden. Eine Möglichkeit dafür ist die Nutzung eines anderen (oder mehrerer anderer) Einfallswinkel. Der Einfallswinkel beeinflusst direkt den Durchgangswinkel innerhalb der Beschichtung (entsprechend dem Snelliusschem Brechungsgesetz). Es ergibt sich somit eine andere optische Weglänge und damit ein anderes resultierendes R_p-R_s Wertepaar.
Eine andere Möglichkeit zur Erlangung der zusätzlichen Information, welche von der erfindungsgemäßen Sensoranordnung bevorzugt genutzt wird, besteht darin, eine zweite Wellenlänge (oder mehrere andere Wellenlängen) auf die zu untersuchende dünne Schicht zu strahlen. Wie 1 zu entnehmen ist, ergeben sich für abweichende Wellenlängen nämlich Verläufe mit unterschiedlicher Periode. Die Kombination der vier erfassten Werte erlaubt nun die eindeutige Schichtdickenbestimmung.
Qualitativ erfolgt die Bestimmung der gesuchten Probeneigenschaften (z. B. Schichtdicke, Brechungsindex) wie folgt:

1. Experimentelle Bestimmung der polarisationsabhängigen Reflexionsgrade;
2. Annahme eines modellhaften Probenaufbaus (beinhaltet Startwerte aller beteiligten optischen Eigenschaften und Schichtdicken und deren konkrete Abfolge);
3. Berechnung der theoretisch zu erwartenden Reflexionsgrade;
4. Vergleich mit den experimentellen Daten (z. B. mit dem Kriterium „mittlere quadratische Abweichung“);
5. Schrittweise Variation ausgewählter Modellparameter (z. B. Schichtdicke der SiO₂-Schicht – das entspricht dem Kurvenverlauf aus 1);
6. Erneuter Vergleich mit den experimentellen Daten;
7. Mehrere Iterationen führen zu den mathematisch bestmöglichen Modelleigenschaften.

Auf diese Weise lassen sich auch mehrere unbekannte Probeneigenschaften gleichzeitig ermitteln. Dabei gilt jedoch, dass sich nicht mehr Unbekannte eindeutig bestimmen lassen, als unabhängige experimentelle Daten vorliegen.
In 2 ist eine einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur optischen Messung einer dünnen Schicht vereinfacht dargestellt. Die Sensoranordnung umfasst eine Sendeeinheit 01 und einer Empfangseinheit 02. Beide Einheiten 01, 02 sind in einem festen, vorbestimmten und damit bekannten Winkel zueinander und zu einer Oberfläche einer Probe 03 ausgerichtet. Der diese Ausrichtung beschreibende Winkel α zwischen der Probenoberflächennormale und einem Sendelichtstrahl 05 der Sendeeinheit 01 liegt im Bereich zwischen 35° und 85°, bevorzugt im Bereich 55° und 75°. Die Oberfläche der Probe 03 bildet eine zu untersuchende dünne Schicht 04. Dazu können beide Einheiten 01, 02 z. B. auf einem starren Träger (nicht dargestellt) montiert werden.
Die Sendeeinheit 01 enthält in der dargestellten Ausführungsform zwei Laserlichtquellen 101, wie zum Beispiel Halbleiterlaserdioden, insbesondere Oberflächenemittierende Laserdioden (VCSEL). Die Lichtwellenlängen der beiden Laserlichtquellen 101 unterscheiden sich signifikant voneinander. Das emittierte Licht beider Laser wird jeweils als Teilstrahl durch Optiken 102 (z. B. Mikrooptische Linsensysteme) vorzugsweise sequenziell in einen polarisationsneutralen Strahlteilerwürfel 103 eingekoppelt und dort auf eine gemeinsame optische Achse geführt. Die beiden Teilstrahlen verlaufen somit als ein Sendelichtstrahl 05 auf einer gemeinsamen optischen Achse. Bevorzugt werden dazu Strahlprofile mit nahezu parallelem Strahlverlauf und geringem Durchmesser erzeugt. Eine andere Möglichkeit ist ein auf den Messfleck auf der Probenoberfläche fokussierter Strahlenverlauf, der auf der dünnen Schicht 04 einen minimalen Strahldurchmesser (Taille) aufweist.
Die Laserquellen 101 können eine bevorzugte Polarisationsrichtung oder auch (teilweise) unpolarisiertes Licht als Teilstrahl erzeugen. Die Polarisation und die Gesamtintensität müssen für die Messung an der Probe jedoch bekannt sein bzw. unmittelbar vor der Probenmessung durch Untersuchungen an einer geeigneten Referenzprobe bestimmt werden. Erforderlich ist zudem, dass das emittierte Licht in Bezug auf die Einfallsebene (aufgespannt durch die Oberflächennormale und die optische Achse) sowohl parallele als auch senkrechte Komponenten enthält. Bei linear polarisierten Laserquellen kann eine geeignete Polarisationsausrichtung durch mechanische Drehung der Lichtquelle (in der Ebene) bei der Montage leicht erreicht werden.
Die Sendeeinheit 01 besitzt außerdem einen Monitor-Detektor 104, welcher zur Regelung und/oder Beobachtung der Lichtintensität und möglicher Lichtintensitätsänderungen der Laserlichtquellen 101 dient. Die Signale des Monitor-Detektors 104 werden vorzugsweise bei der Auswertung der Probeneigenschaften berücksichtigt. Als Monitor-Detektor eignen sich beispielsweise Fotodioden, die für die gewählten Lichtwellenlängen der Laserlichtquellen 101 hinreichende spektrale Empfindlichkeit aufweisen.
Die Probe 03 besteht aus einem Träger (Substrat) mit einer Oberflächenstruktur oder einer Oberflächenbeschichtung 04. Die Beschichtung 04 kann dabei aus mehreren Teilschichten bestehen. Die Schicht 04 muss den Sendelichtstrahl 05 zumindest teilweise spiegelnd reflektieren, sodass ein hinreichend großer Anteil des Sendelichtstrahls 05 nach Durchlaufen der dünnen Schicht 04 als Empfangslichtstrahl 06 zur Empfangseinheit 02 reflektiert und von dieser erfasst werden kann.
Die Auswahl der Lichtwellenlängen der Laserlichtquellen 101 orientiert sich am konkreten Aufbau der zu untersuchenden dünnen Schicht 04 auf der Probe 03. Für Proben mit sehr dünner Beschichtungsdicke (im Bereich unter 100 nm) eignen sich Lichtwellenlängen im UV, VIS und NIR-Spektralbereich. Für mittlere Beschichtungsdicken (100 bis 1000 nm) eignen sich VIS und NIR Wellenlängen. Für dicke Beschichtungen (im Bereich über 1000 nm) eigenen sich rote, NIR und IR Wellenlängen.
Der Wellenlängenunterschied zwischen beiden Laserlichtquellen sollte dabei vorzugsweise mehr als 10% der erwarteten Schichtdicke betragen. Zudem sollen Lichtwellenlängen gewählt werden, bei denen das Schichtmaterial vollständig oder zumindest teilweise transparent ist. Mögliche und bevorzugte Kombinationen sind 670/850 nm oder 780/950 nm.
Die Empfangseinheit 02 umfasst einen Polarisationsstrahlteiler 107 als Empfangsstrahlformungsmittel und mindestens zwei Fotodetektoren 108. Der Polarisationsstrahlteiler 107 teilt den an der Schicht 04 reflektierten Empfangslichtstrahl 06 beider Laserlichtquellen 101 in parallele und senkrechte Anteile (in Bezug auf die Lichteinfallsebene) auf, sodass einer der Fotodetektoren 108 Signale der senkrechten und der andere Fotodetektor 108 Signale der parallelen Lichtkomponente erfasst. Die Fotodetektoren 108 müssen dazu hinreichende spektrale Empfindlichkeit für beide Lichtwellenlängen aufweisen. Die Fotodetektoren 108 können Fotodioden, z. B. bestehend aus Silizium sein.
In einer günstigen Ausführung werden die Fotodetektoren 108 jeweils als nebeneinander liegende Doppeldetektoren ausgebildet. Die Doppeldetektoren für die parallele und senkrechte Lichtkomponente werden dabei um 90° zueinander (in der senkrecht zum Lichtstrahl stehenden Ebene) gedreht. Aus dem Vergleich der vier Signale kann die Position des Lichtflecks auf den Detektoren ermittelt werden. Diese Information kann genutzt werden, um die Ausrichtung von Sendeeinheit 01, Empfangseinheit 02 und Probenoberfläche 04 zueinander zu überprüfen oder nachzusteuern. Die Wirkung dieser Anordnung entspricht einem klassischen Vierquadrantendetektor.
3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, die eine Erweiterung der Ausführung nach 2 darstellt. Damit ist es möglich, mehr als zwei Polarisationsrichtungen zu erfassen. Diese Anordnung eignet sich insbesondere für komplexere Schichten, bei denen zum Beispiel Lichtstreuung oder Lichtabsorption auftritt, oder bei Mehrschichtsystemen mit mehreren unbekannten Eigenschaften.
Die Empfangseinheit 02 wird dazu dahingehend erweitert, dass der einfallende Empfangslichtstrahl 06 zunächst durch einen polarisationsneutralen Strahlteiler 203 aufgeteilt wird. Dieser kann Intensitätsaufteilungsverhältnisse zwischen 5:95 und 50:50 aufweisen. Günstig sind Teilerverhältnisse im Bereich 25:75 bis 50:50. Ein Teil des so aufgeteilten Empfangslichtstrahls wird wiederum durch den Polarisationsstrahlteilerwürfel 107 in senkrechte und parallele Anteile aufgeteilt und durch Fotodetektoren 108 erfasst. Der andere Teil des Empfangslichtstrahls 06 durchläuft einen weiteren Polarisationsstrahlteiler 207, der gegenüber dem ersten Polarisationsstrahlteiler 107 um einen bekannten Winkel (in der Ebene senkrecht zur Lichtstrahlrichtung) gedreht ist. Die Drehung kann im Bereich zwischen 1° und 89° liegen. Günstig ist der Bereich zwischen 25° und 75°. Besonders bevorzugt werden die Bereiche zwischen 25° und 40° sowie zwischen 50° und 75°. Die Intensitäten der Empfangsteilstrahlen an den Ausgängen dieses weiteren Polarisationsstrahlteilers 207 werden durch weitere Fotodetektoren 208 erfasst.
Durch die Erfassung zusätzlicher Polarisationsrichtungen werden zusätzliche Informationen über die Polarisationsart des reflektierten Empfangslichtstrahls und somit über die Eigenschaften der untersuchten Schicht gewonnen. Gegenüber der Ausführung nach 2 erlaubt die Ausführung nach 3 die Bestimmung der Form des im Allgemeinen elliptisch polarisierten Reflexionslichts. Als Merkmale für die Form der Ellipse kann z. B. das Verhältnis der beiden Hauptachsen und der Drehwinkel der Hauptachsen gegenüber einem festgelegten Koordinatensystem bestimmt werden. Diese Informationen werden aus den Signalverhältnissen der Fotodetektoren bestimmt und sind somit nicht mehr abhängig von der absoluten Lichtintensität. Dies stellt einen Vorteil insbesondere für zu untersuchende Schichten mit unbekanntem Streulicht- oder Lichtabsorptionsanteil dar. Die Auswertung von Schichteneigenschaften aus der Ellipsenform kann analog zu etablierten Verfahren der (Laser-)Ellipsometrie erfolgen.
Zusätzliche Erweiterungen im Sinne der Ausführungsform nach 3 sind durch weitere polarisationsneutrale und polarisierende Strahlteilerwürfel-Paarungen innerhalb der Empfangseinheit denkbar, um z. B. die Sicherheit der experimentellen Ergebnisse weiter zu erhöhen. Auch eine Kombination mit den nachfolgend beschriebenen Erweiterungen in Bezug auf die 4 und 5 ist denkbar.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Sensoranordnung. Es handelt sich auch hierbei um eine Erweiterung der Ausführungsform gemäß 2, nämlich durch Nutzung einer zusätzlichen Lichtwellenlänge. Dazu besitzt die Sendeeinheit 01 einen zweiten polarisationsneutralen Strahlteiler 303, einen weiteren Monitor-Detektor 304 sowie eine dritte Laserlichtquelle 301 mit zugehöriger Optik 302, über welche ein dritter Teilstrahl mit von den anderen beiden Teilstrahlen abweichender Lichtwellenlänge auf die optische Achse 05 eingekoppelt wird.
Damit werden zusätzliche Informationen zu Probeneigenschaften gewonnen. Diese können genutzt werden, um eine höhere Anzahl unbekannter Probeneigenschaften zu bestimmen, oder bei gleicher Anzahl die Sicherheit der Ergebnisse zu erhöhen.
5 zeigt eine weitere Sensoranordnung zur Bestimmung von Eigenschaften dünner Schichten, die zwar auf denselben theoretischen Grundlagen wie die Sensoranordnungen gemäß den 2 bis 4 basiert, allerdings in einem wesentlichen Punkt von diesen abweicht. In Ergänzung oder auch anstelle mehrerer Lichtwellenlängen können auch mehrere feste, vorbestimmte und damit bekannte Lichteinfallswinkel genutzt werden. Während die zuvor beschriebenen Ausführungsformen immer einen feststehenden, vorbestimmten Winkel α zwischen dem Sendelichtstrahl und der Flächennormalen der zu untersuchenden Schicht nutzen konnten und zur Informationsgewinnung mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen benötigten, lassen sich die benötigten Informationen grundsätzlich auch durch eine Änderung des Lichteinfallswinkels an der Schicht erlangen, ohne dass mehrere Wellenlängen benötigt werden. Auch durch die mehreren vorbestimmten Einfallswinkel werden unterschiedliche, polarisationsabhängige Reflexionsgrade erzeugt, die den genannten mathematischen Modellen zugeführt werden können, um daraus Eigenschaften der dünnen Schicht zu bestimmen. Wenn dies mit der Verwendung mehrerer Wellenlängen im Sendelichtstrahl kombiniert wird, können durch die Messung der einfallswinkelabhängigen Größen zusätzliche Informationen gewonnen und daraus zusätzliche Schlussfolgerungen zu den Probeneigenschaften gezogen bzw. eine erhöhte Sicherheit der Ergebnisse erreicht werden.
Grundsätzlich kann die Änderung des Lichteinfallswinkels aber auch mit nur einer einzigen Wellenlänge betrieben werden, wie dies in 5 veranschaulicht ist. Die Sendeeinheit 01 umfasst dazu drei voneinander unabhängige Laserlichtquellen 101 mit Optiken 102, welche drei einzelne Sendelichtstrahlen 05a, 05b, 05c in drei verschiedenen Winkeln zur Schicht 04 senden. Die mehreren Laserlichtquellen können im einfachsten Fall dieselbe Wellenlänge haben, beispielsweise auch von einer gemeinsamen Lichtquelle gespeist werden. Die Empfangseinheit 02 umfasst drei zugeordnete Polarisationsteiler 107 mit jeweils zwei Fotodetektoren 108, die drei reflektierte Empfangsstrahlen 06a, 06b und 06c empfangen und in der beschriebenen Weise verarbeiten.
In einer nochmals abgewandelten Ausführungsform können als Lichtquelle anstelle der einzelnen Laser 101 mit Optik 102 auch die vollständigen Sendeeinheiten 01 (gemäß 2 oder 4) genutzt werden. Ebenso sind Erweiterungen der Empfangseinheiten im Sinne der Ausführung nach 3 einsetzbar.
Bezugszeichenliste

01: Sendeeinheit
02: Empfangseinheit
03: Probe
04: dünne Schicht / Probenoberfläche
05: Sendelichtstrahl / optische Achse
06: Empfangslichtstrahl
101: Laserlichtquelle
102: Optik
103: polarisationsneutraler Strahlteilerwürfel
104: Monitor-Detektor
107: Polarisationsstrahlteilerwürfel
108: Fotodetektor
203: polarisationsneutraler Strahlteilerwürfel
207: Polarisationsstrahlteiler
208: Fotodetektoren
301: Laserlichtquelle
302: Optik
303: polarisationsneutraler Strahlteilerwürfel
304: Monitor-Detektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19707926 A1 [0006]
DE 10021378 A1 [0007]
DE 4423288 A1 [0008]
US 7411677 B2 [0009]
US 7088448 B1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Fujiwara, Spectroscopic Ellipsometry, John Wiley and Sons, Ltd., 2007 [0011]
H. G. Tomkins, E. A. Irene, Handbook of Ellipsometry, 1. Auflage, Springer, Berlin 2006 [0011]
L. A. A. Pettersson, L. S. Roman, O. Inganäs, Modeling photocurrent action spectra of photovoltaic devices based on organic films, J. Appl. Phys, 86(1): 487–496, 1999 [0011]

Claims

Optische Sensoranordnung zur Bestimmung der Eigenschaften einer dünnen Schicht (04), insbesondere der Schichtdicke, umfassend eine Sendeeinheit (01), welche einen Sendelichtstrahl (05) auf die dünne Schicht (04) abstrahlt, und eine Empfangseinheit (02), welche einen die dünne Schicht (04) durchlaufenden und reflektierten Empfangslichtstrahl (06) empfängt, wobei: – die Sendeeinheit (01) mindestens zwei Laserlichtquellen (101) umfasst, die je einen Teilstrahl mit voneinander abweichenden Wellenlängen emittieren, wobei die Wellenlängen aller Teilstrahlen in einem Wellenlängenbereich liegen, der von der dünnen Schicht (04) nicht vollständig absorbiert wird; – die Sendeeinheit (01) ein Sendestrahlformungsmittel (103) umfasst, welches die Teilstrahlen auf der optischen Achse des Sendelichtstrahls (05) zusammenführt, sodass von jedem Teilstrahl Anteile mit paralleler und senkrechter Polarisationsrichtung gesendet werden; – die Empfangseinheit (02) ein Empfangsstrahlformungsmittel (107) umfasst, welches den reflektierten Empfangslichtstrahl (06) in mindestens zwei polarisierte Empfangsteilstrahlen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung aufteilt; – die Empfangseinheit (02) mindestens zwei Fotodetektoren (108) umfasst, welche jeweils einen der polarisierten Empfangsteilstrahle empfangen und jeweils ein von der Intensität des Empfangsteilstrahles abhängiges Messsignal bereitstellen; – Sendeeinheit (01) und Empfangseinheit (02) so positioniert sind, dass der Sendelichtstrahl (05) in einem vorbestimmten Winkel zwischen 35° und 85° zur Flächennormalen auf die dünne Schicht (04) auftrifft und der reflektierte Empfangslichtstrahl (06) in der optischen Achse der Empfangseinheit (02) verläuft.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Auswerteeinheit umfasst, welcher die von den Fotodetektoren (108) gelieferten Messsignale zugeführt werden und die daraus mithilfe eines Auswertemodells die Schichtdicke (d) und/oder den Brechungsindex (n) der dünnen Schicht (04) bestimmt.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wellenlängen der Teilstrahlen um wenigstens 10%, vorzugsweise mehr als 30% einer angenommenen Schichtdicke (d) voneinander unterscheiden.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendestrahlformungsmittel durch einen oder mehrere nicht-polarisierende Strahlteilerwürfel (103) gebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangsstrahlformungsmittel durch mindestens einen polarisierenden Stahlteilerwürfel (107) gebildet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Empfangsstrahlformungsmittel einen polarisationsneutralen Strahlteilerwürfel (203) umfasst, der den Empfangslichtstrahl (06) an zwei nachgeordnete polarisierende Stahlteilerwürfel (107, 207) aufteilt, welche zueinander um einen vorbestimmten Winkel in der Ebene senkrecht zur Empfangslichtstrahlrichtung gedreht sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sendeeinheit (01) und Empfangseinheit (02) an einem gemeinsamen Träger unbeweglich angebracht sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Sendeeinheiten (01) und weitere Empfangseinheiten (02) vorgesehen sind, die jeweils eigene Sendelichtstrahlen (05) senden bzw. eigene an der dünnen Schicht (04) reflektierte Empfangslichtstrahlen (06) empfangen, jeweils mit voneinander abweichenden Winkeln zur Flächennormalen der dünnen Schicht.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Winkel, in welchem der Sendelichtstrahl (05) zur Flächennormalen auf die dünne Schicht (04) auftrifft zwischen 55° und 75°, bevorzugt zwischen 60° und 70° beträgt.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodetektoren (108) jeweils als nebeneinander liegende Doppeldetektoren ausgebildet sind, wobei die Doppeldetektoren für die parallele und senkrechte Empfangslichtkomponente in der senkrecht zum Empfangslichtstrahl (06) stehenden Ebene um 90° zueinander gedreht angeordnet sind.