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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren für winkelaufgelöste Reflektometrie, bei denen wenigstens eine Strahlungsquelle, eine Probenhalterung für eine zu vermessende Probe sowie ein Detektor für Strahlung der Strahlungsquelle so angeordnet sind, dass von der Strahlungsquelle emittierte Messstrahlung auf die Probenoberfläche einer in die Probenhalterung eingesetzten Probe gerichtet und nach Reflexion an der Probe vom Detektor erfasst werden kann.
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Mit winkelaufgelöster Reflektometrie lassen sich zerstörungsfrei die Dicken, Rauigkeiten und Dichten von dünnen Schichten und Schichtsystemen bestimmen. Durch Nutzung von Messstrahlung mit einer kurzen Wellenlänge für die Reflektometrie kann eine Sub-Nanometerauflösung erreicht werden. So bietet vor allem der extreme ultraviolette (EUV) Spektralbereich von 5 bis 50 nm bzw. 25 eV bis 250 eV eine sehr hohe Auflösung und die Möglichkeit, zusätzlich Informationen über die chemische Zusammensetzung der untersuchten Schichten bzw. Schichtsysteme zu erhalten.
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Stand der Technik
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In der Analytik mit Röntgenstrahlung wird die Röntgenreflektometrie (XRR: X-Ray Reflectometry) angewendet. Dies ist eine oberflächensensitive Messmethode, die u.a. in der Chemie, Materialwissenschaft und Physik eingesetzt wird, um Oberflächen, dünne Schichten oder Mehrschichtsysteme zu charakterisieren. Bei der XRR wird üblicherweise nur bei einer Wellenlänge gemessen und der Winkel gescannt, d.h. die Reflektivität bei unterschiedlichen Einfallswinkeln der Röntgenstrahlung auf die Probe vermessen.
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Weiterhin sind Techniken für spektralaufgelöste Reflektometrie bekannt. Zur Ermittlung spektralaufgelöster Reflektivitätskurven kann hierbei durch schrittweise Veränderung der Wellenlänge der Messstrahlung die Reflektivität der Probe als Funktion der Wellenlänge gemessen werden. Dieser Wellenlängenscan wird für unterschiedliche Einfallswinkel durchgeführt, so dass sich dadurch Messzeiten im Bereich von mehreren Stunden pro Probe ergeben können. Die Wellenlängenauswahl kann bei breitbandigen Strahlungsquellen über einen Monochromator erfolgen.
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Zur Verkürzung der Messzeiten können auch polychromatische Reflektivitätsmessungen durchgeführt werden. Dies erfordert für jeden der Einfallswinkel nur eine Messung mit der polychromatischen Strahlung. So zeigt bspw. die
DE 199 48 264 A1 eine Anordnung und ein Verfahren zur polychromatischen Reflektometrie im extremen Ultraviolett- und im weichen Röntgenwellenlängenbereich. Die polychromatische Messstrahlung wird dabei nach der Reflexion an der Probe spektral zerlegt und von einem mehrkanaligen Detektor erfasst. Auf diese Weise wird bei Variation des Einfallswinkels eine wellenlängenabhängige Information über die Reflektivität bei jedem der eingestellten Einfallswinkel erhalten. Eine Wellenlängenkalibrierung kann durch den Einsatz von kalibrierten Referenzproben erfolgen.
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Allerdings ist bei winkelaufgelösten Messungen eine aufwändige Mechanik zur Rotation des Detektors um die Probe erforderlich, wie dies bspw. aus dem Poster von A.Farahzadi et al. „Flexible EUV and XUV Spectrophotometer for Reflection, Transmission and Absorption Metrology", EUVL 2012, 4.-8. Juni 2012, ersichtlich ist. Eine derartige Anordnung benötigt aufgrund der Drehmechanik für den Detektor auch entsprechend viel Bauraum.
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M. Banyay, et al., „XUV Metrology: Surface Analysis with Extreme Ultraviolet Radiation," In: Proc. of SPIE, 2009, Vol. 7361, 736113-1 bis 736113-12, befassen sich mit der Oberflächenanalyse mittels XUV-Reflektometrie. Es werden dabei unterschiedliche bekannte Anordnungen für die Reflektometrie eingesetzt, wie sie z.T. bereits oben erläutert wurden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung für winkelaufgelöste Reflektometrie anzugeben, die sich in kompakter Bauweise realisieren lässt und insbesondere auch für die polychromatische Reflektometrie im extremen ultravioletten und weichen Röntgenwellenlängenbereich geeignet ist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Durchführung winkelaufgelöster Reflektometrie mit einer derartigen Anordnung angegeben werden.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit der Anordnung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Die vorgeschlagene Anordnung für winkelaufgelöste Reflektometrie weist wenigstens eine Strahlungsquelle, eine Probenhalterung für eine zu vermessende Probe sowie einen Detektor für Strahlung der Strahlungsquelle auf. Diese Komponenten sind so angeordnet, dass von der Strahlungsquelle emittierte Messstrahlung auf die Probenoberfläche einer in der Probenhalterung eingesetzten Probe gerichtet und nach Reflexion an der Probe vom Detektor erfasst werden kann. Die vorgeschlagene Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Probenhalterung zusammen mit einem Umlenkspiegel für die an der Probe reflektierte Messstrahlung so auf einem um eine Drehachse drehbaren Träger angeordnet ist, dass sie eine parallele Einstellung der Probenoberfläche zur Spiegeloberfläche des Umlenkspiegels ermöglicht.
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Bei der vorgeschlagenen Anordnung muss der Detektor bei einer Änderung des Einfallswinkels der Messstrahlung auf die Probenoberfläche nicht mehr entsprechend verfahren werden, so dass für den Detektor keine aufwändige Mechanik für eine Rotation um die Probe mehr erforderlich ist. Vielmehr wird bei der vorgeschlagenen Anordnung die Probenoberfläche parallel zur Spiegeloberfläche ausgerichtet. Eine Veränderung des Einfallswinkels der Messstrahlung auf die Probenoberfläche erfolgt dabei durch Drehung des drehbaren Trägers um die Drehachse des Trägers, auf dem die Probenhalterung sitzt. Da der Umlenkspiegel ebenfalls auf diesem drehbaren Träger angeordnet ist, bleibt die Probenoberfläche jederzeit parallel zur Spiegeloberfläche, so dass auch bei einer Änderung des Einfallswinkels der reflektierte Messstrahl immer in der gleichen Richtung vom Spiegel reflektiert wird und auf den Detektor trifft. Die Probenhalterung ist dabei vorzugsweise im Bereich der Drehachse des Trägers angeordnet und geeignet justier- bzw. einstellbar, um einen Verlauf der Drehachse des Trägers durch die Auftreffstelle der Messstrahlung auf der Probenoberfläche zu erreichen. Die vorgeschlagene Anordnung lässt sich gegenüber einer Anordnung mit einem um die Probe rotierbaren Detektor deutlich kompakter ausführen, da der für die Rotation des Trägers erforderliche Bauraum wesentlich geringer ausfällt.
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Bei der Drehung des drehbaren Trägers verschiebt sich der reflektierte Messstrahl auf dem Umlenkspiegel. In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorgeschlagenen Anordnung ist dieser Umlenkspiegel auf einer Linearachse montiert, durch die er parallel zu seiner Spiegeloberfläche verschoben werden kann. Die Verschiebung kann bspw. mit einem motorischen Antrieb, insbesondere einem Schrittmotor, erfolgen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Messstrahl bei Veränderung des Einfallswinkels auf die Probenoberfläche durch Drehung des Trägers immer an der gleichen Stelle auf den Umlenkspiegel trifft. Dies ermöglicht die Nutzung eines kleineren Umlenkspiegels als im Falle einer starren Anordnung dieses Spiegels. Weiterhin bietet diese Ausgestaltung vor allem bei Reflektometrie im EUV-Bereich oder im Bereich weicher Röntgenstrahlung den Vorteil, dass Messungen nicht durch eine örtlich unterschiedliche Reflektivität des Spiegels beeinflusst werden können. Der Spiegel wird dabei vorzugsweise durch eine automatische Steuerung in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Trägers so bewegt, dass der Messstrahl immer an der gleichen Stelle auf den Spiegel trifft. Diese Steuerung steuert dabei auch den Drehantrieb für den Träger und somit die Einstellung bzw. Änderung des Einfallswinkels auf die Probe bei einer winkelaufgelösten Reflektivitätsmessung.
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Die vorgeschlagene Anordnung weist vorzugsweise eine Strahlungsquelle auf, die im extremen Ultraviolett- und/oder im weichen Röntgenwellenlängenbereich emittiert. Damit lassen sich mit der Anordnung hochaufgelöste reflektometrische Messungen in diesem Wellenlängenbereich durchführen. Vorzugsweise werden hierzu Strahlungsquellen genutzt, die polychromatische Strahlung divergent emittieren, wie bspw. ein Pinchplasma, ein Kanalpinchplasma oder ein laserinduziertes Plasma. Der Umlenkspiegel muss in diesem Falle für eine Reflexion dieser Strahlung ausgebildet sein. Besonders bevorzugt wird hierbei ein auf dem Prinzip des streifenden Einfalls reflektierender Spiegel benutzt, wie er aus EUV-Anwendungen bekannt ist.
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Die vorgeschlagene Anordnung lässt sich jedoch auch für die Reflektometrie in anderen Wellenlängenbereichen einsetzen. Die im Folgenden angeführten bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sowohl für den bevorzugten Bereich der extremen Ultraviolettstrahlung oder weichen Röntgenstrahlung als auch für andere Wellenlängenbereiche der Reflektometrie einsetzen. Als Strahlungsquelle kommt dabei vorzugsweise eine polychromatische Strahlungsquelle zum Einsatz, um wellenlängenaufgelöste Messungen durchzuführen. Für die wellenlängenaufgelösten Messungen wird ein mehrkanaliger Detektor eingesetzt, bspw. ein Zeilendetektor. In einer weiteren Ausgestaltung wird eine CCD-Kamera für die Detektion eingesetzt. Für den Bereich des EUV sowie der weichen Röntgenstrahlung kommt insbesondere eine CCD-Kamera mit rückseitig gedünntem CCD-Chip zum Einsatz.
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Für die spektralaufgelösten Messungen ist zwischen dem Umlenkspiegel und dem Detektor eine Einrichtung zur spektralen Aufspaltung der reflektierten Messstrahlung angeordnet. Durch diese Aufspaltung werden unterschiedliche Kanäle des Detektors mit unterschiedlichen spektralen Anteilen beleuchtet, die dadurch getrennt voneinander erfasst werden können. Zur spektralen Zerlegung kann bspw. ein Gitterspektrograph oder ein fokussierendes Gitter, bspw. ein Toroidialgitter, eingesetzt werden.
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Die vorgeschlagene Anordnung kann auch mit einem Monochromator betrieben werden, der zwischen der Strahlungsquelle und der Probenhalterung angeordnet wird. Mit diesem Monochromator lassen sich sequenzielle Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen durchführen, falls der Monochromator in der Wellenlänge abstimmbar ist. In diesem Falle ist kein mehrkanaliger Detektor für die Detektion der reflektierten Messstrahlung erforderlich. Es ergeben sich allerdings längere Messzeiten.
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Selbstverständlich kann die vorgeschlagene Anordnung auch weitere Elemente enthalten. So können bspw. eine oder mehrere Komponenten zur Kollimation der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung eingesetzt werden. Im Bereich der EUV- oder weichen Röntgenstrahlung kann für die Kollimation bspw. eine Blende, ein Blendensystem, ein röntgenoptisches Element oder auch eine Abstandskollimation eingesetzt werden. Im Falle von längerwelliger Strahlung können geeignete Linsen, Linsensysteme oder gekrümmte Spiegel oder Spiegelsysteme für die Kollimation genutzt werden.
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Für die Durchführung einer spektralaufgelösten winkelabhängigen Messung wird vorzugsweise eine Referenzmessung zur Bestimmung der auf die Probe einfallenden Messstrahlung vorgenommen. Dies kann bspw. durch Einsetzen einer Referenzprobe erfolgen, deren Reflexion für die unterschiedlichen Wellenlängenanteile bekannt ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Referenzmessung mit Hilfe eines geeigneten Gitters durchzuführen, dessen nullte Ordnung für die Beleuchtung der Probe genutzt wird. Eine höhere Ordnung, insbesondere die erste Ordnung, kann dabei auf einen zusätzlichen Mehrkanaldetektor gelenkt werden, über den dann die spektrale Verteilung der einfallenden Messstrahlung erfasst wird. Es besteht auch die Möglichkeit, die Referenzprobe - in der Regel ein Referenzspiegel - nahe der zu vermessenden Probe zu positionieren, wobei in diesem Fall die einfallende Messstrahlung so geführt wird, dass sie sowohl auf die zu vermessende Probe als auch auf die Referenzprobe trifft. Mit dem Detektor werden dann die Reflexionen beider Objekte gleichzeitig erfasst, so dass die Kalibrierung ohne zusätzliche Messung erfolgen kann.
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Bei Nutzung der vorgeschlagenen Anordnung für die polychromatische winkelaufgelöste Reflektometrie lassen sich sehr schnell die Schichtdicken, Rauigkeiten, Dichten und weitere chemische Informationen von Proben ermitteln. Damit werden eine signifikante Zeitersparnis und aufgrund des kompakten Aufbaus auch eine Kostenersparnis gegenüber Messungen mit rotierender Kamera um die Probe herum erreicht. Die schnelle Ermittlung von Schichtdicken, Rauigkeiten und Dichten von Proben ermöglicht neue Messtechnikgeräte für die Industrie, insbesondere die Halbleiterindustrie, zur zerstörungsfreien Analyse von dünnen Schichten. Beispielhafte Anwendungsgebiete sind die Vermessung neuer High-k Dielektrika, OLEDs oder Kontaminationsschichten von Optiken.
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Figurenliste
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Die vorgeschlagene Anordnung sowie das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung bei einem Einfallswinkel der Messstrahlung von 2° auf die Probenoberfläche;
- 2 eine schematische Darstellung der Ausgestaltung der 1 bei einem Einfallswinkel der Messstrahlung von 15° auf die Probenoberfläche; und
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung bei einem Einfallswinkel der Messstrahlung von 2° auf die Probenoberfläche.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die folgenden Beispiele zeigen Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Anordnung in stark schematisierter Darstellung zur schnellen Messung von polychromatischen, winkelaufgelösten Reflexionskurven. Hierbei wird eine breitbandige, gepulste EUV-Plasmaquelle als Strahlungsquelle 1 zur Lichterzeugung eingesetzt. Die Messstrahlung wird in allen drei Beispielen mit einem Spektralgitter 7 in der ersten Beugungsordnung spektral zerlegt und das erzeugte Spektrum mit einem mehrkanaligen CCD-Detektor 8 gemessen. Die Strahlung der nullten Beugungsordnung des Gitters 7 wird auf die zu untersuchende Probe 2 gerichtet, die in eine in den Figuren nicht erkennbare Probenhalterung eingesetzt ist. Die Probenhalterung ist dabei zusammen mit einem Umlenkspiegel 3 auf einem drehbaren Träger angeordnet, beispielsweise einem Drehteller, der um eine zentrale Drehachse gedreht werden kann. Diese Drehmöglichkeit ist in den Figuren mit einem Doppelpfeil angedeutet. Die Drehachse verläuft senkrecht zur Zeichenebene durch die Auftreffstelle der Messstrahlung auf der Probenoberfläche. Probenhalterung bzw. Probe 2 und Umlenkspiegel 3 sind dabei so zueinander angeordnet, dass die zu vermessende Probenoberfläche und die Spiegeloberfläche parallel zueinander verlaufen und der einfallende Messstrahl nach Reflexion an der Probenoberfläche auf die Spiegeloberfläche des Umlenkspiegels 3 trifft. Dadurch werden Winkeländerungen des Messstrahls durch Änderung des Einfallswinkels auf die Probenoberfläche durch Reflexion am Umlenkspiegel 3 kompensiert, so dass der Messstrahl unabhängig vom Einfallswinkel der Messstrahlung auf die Probe 2 immer in der gleichen Richtung bzw. unter dem gleichen Winkel auf den Detektor bzw. die nächste zwischen dem Detektor und dem Umlenkspiegel 3 angeordnete Komponente trifft. Dies ist im vorliegenden Beispiel ein zweites Spektralgitter 6, welches die an der Probe 2 und dem Umlenkspiegel 3 reflektierte Messstrahlung spektral zerlegt. Die Strahlung der ersten Beugungsordnung dieses zweiten Gitters 6 wird mit einem zweiten CCD-Detektor 5 gemessen, der eine entsprechend hohe Anzahl an Kanälen aufweist.
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In der 1 ist hierbei der drehbare Träger so eingestellt, dass die Messstrahlung unter einem Einfallswinkel von 2° auf die Probenoberfläche trifft. Die Änderung des Einfallswinkels für die winkelaufgelösten Messungen erfolgt durch entsprechende Drehung des Trägers um die zentrale Drehachse. 2 zeigt hierzu schematisch die Verhältnisse bei einem Einfallswinkel von 15°, bei dem der Träger gegenüber der 1 entsprechend gedreht wurde. In den Beispielen der 1 und 2 ist der Umlenkspiegel 3 auf einer Linearachse angeordnet, die eine Bewegung des Spiegels parallel zu seiner Spiegeloberfläche ermöglicht, wie dies durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Dadurch kann auch bei einem kleineren Umlenkspiegel 3 bei einer Drehung des Trägers um einen größeren Winkel noch eine Reflexion am Umlenkspiegel 3 erreicht werden, wie dies in der 2 angedeutet ist. Der Umlenkspeigel 3 wird hierzu bei Drehung des Trägers entsprechend dem geänderten Winkel näher zu der Probe 2 oder weiter von der Probe 2 weg bewegt. Die Linearachse muss hierzu selbstverständlich für einen ausreichend großen Verschiebebereich des Umlenkspiegels 3 ausgebildet sein, um den für die Messung einstellbaren Winkelbereich des Trägers durch Verschiebung des Umlenkspiegels 3 abdecken zu können.
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Durch Einsatz eines Shutters im Strahlengang nahe der Strahlungsquelle 1 und Synchronisation dieses Shutters mit den beiden Detektoren 5, 8 können bei ausreichender Strahlungsstärke der Strahlungsquelle 1 und Empfindlichkeit der Detektoren 5, 8 Einzelpulsmessungen durchgeführt werden. Dabei können mit einer Pulslänge im Bereich von 150 ns die polychromatischen Spektren sehr schnell gemessen werden. Für die erforderliche Winkelauflösung wird der Träger entsprechend zwischen den Messungen schrittweise gedreht, um dadurch den Einfallswinkel schrittweise zu verändern. Bei jedem neuen Einfallswinkel werden die beiden Spektren gemessen. Die Vermessung einer Probe kann auf diesem Wege innerhalb von Sekunden bis Minuten erfolgen. Durch Division der Reflektivitätskurven verschiedener Einfallswinkel durch die Reflektivitätskurve bei einem Einfallswinkel kann auf eine Kalibrier- bzw. Referenzprobe verzichtet werden. Die winkelaufgelösten Reflektivitätsspektren können dann wie bei den bisher bekannten Techniken der polychromatischen winkelaufgelösten Reflektometrie ausgewertet werden, um auf Schichtdicken, Rauigkeiten und Dichten der Probe zu schließen. So können die Emissionsspektren der Strahlungsquelle bspw. mit einem synthetischen Spektrum korreliert werden, welches aus Daten der bekannten NIST Datenbank (NIST: National Institute of Standards and Technology) erzeugt wurde. Damit lässt sich im Sinne einer besten Anpassung die Wellenlängenskala mit einer absoluten Genauigkeit von besser als der Auflösung des Spektrographen ermitteln. Durch Korrelation der Linienpositionen bei der jeweiligen Messung mit dem Referenzspektrum, wird die Reproduzierbarkeit der Wellenlängenskala mit der gleichen Genauigkeit erreicht. Insbesondere kann durch Modellierung eines Schichtsystems und Annäherung des vom Schichtsystem resultierenden Reflektivitätsspektrums an das gemessene Spektrum auf Dicken und Rauigkeiten der Schichten der Probe geschlossen werden. Durch die Berücksichtigung mehrerer Einfallswinkel kann mittels ISO-Reflexionskurven auf den komplexen Brechungsindex der Probe geschlossen und die Dichte der Probe bestimmt werden.
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Für eine Referenzmessung kann auch eine Referenzprobe gleichzeitig mit der zu vermessenden Probe eingesetzt werden. Die Referenzprobe stellt einen Referenzspiegel dar, der eine bekannte wellenlängenabhängige Reflektivität aufweist. Wird dieser Referenzspiegel sehr nahe an der zu vermessenden Probe platziert, so kann bei einer entsprechenden Ausdehnung des Querschnitts des Messstrahls eine gleichzeitige Messung des Reflektivitätsspektrums der Probe und des Referenzspiegels durchgeführt werden. 3 zeigt ein Beispiel für eine derartige Ausgestaltung. Der Probenhalter nimmt hierbei sowohl die Probe 2 als auch den Referenzspiegel 9 auf, wie dies in der 3 schematisch angedeutet ist. Der von der Strahlungsquelle 1 über das Gitter 7 eintreffende Messstrahl weist am Auftreffpunkt einen ausreichend großen Querschnitt auf, so dass er sowohl die Probe 2 wie auch den Referenzstrahl 9 trifft. Der über das weitere Gitter 6 spektral zerlegte reflektierte Messstrahl enthält somit sowohl Anteile durch Reflexion an der Probe 2 als auch Anteile durch Reflexion am Referenzspiegel 9. Der Detektor 5 ist hierbei so dimensioniert, dass er nebeneinander sowohl die spektralen Anteile der Reflexion an der Probe 2 als auch die der Reflexion am Referenzspiegel 9 erfasst. Dies ist in der 3 ebenfalls angedeutet. Auf diese Weise wird mit dem Messspektrum 11 der Probe 2 gleichzeitig das Referenzspektrum 12 erfasst und kann der Auswertung für die Wellenlängenkalibration und Reflektivitätsbestimmung zugeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strahlungsquelle
- 2
- Probe
- 3
- Umlenkspiegel
- 5
- CCD-Detektor
- 6
- Spektralgitter
- 7
- Spektralgitter
- 8
- CCD-Detektor
- 9
- Referenzspiegel
- 11
- Messspektrum der Probe
- 12
- Referenzspektrum
