-
Die Erfindung betrifft ein Spektrometer zur Analyse von Raman- und Fluoreszenzstrahlung, die von einer mit DUV-Strahlung belichteten Probe emittiert wird, mit einer Eintrittsapertur und einem ersten Detektor.
-
Bei der Raman-Spektroskopie wird eine Probe, wie zum Beispiel ein Halbleiter oder eine biomedizinische Probe, mit monochromatischer Strahlung einer bestimmten Anregungswellenlänge beleuchtet und das Spektrum der an der Probe gestreuten Strahlung untersucht. Die gestreute Strahlung weist neben der Anregungswellenlänge zusätzliche Wellenlängen (Raman-Linien) auf, die Aufschluss über die Materialeigenschaften der Probe geben. Da die Intensität der gestreuten Strahlung bei der Anregungswellenlänge um ein Vielfaches höher ist als die Intensität bei den Raman-Linien, muss die gestreute Strahlung bei der Anregungswellenlänge mit geeigneten Notch- oder Kantenfiltern unterdrückt werden, um eine Analyse zu ermöglichen.
-
Neben der Raman-Strahlung entsteht bei der Raman-Spektroskopie auch immer Fluoreszenzstrahlung mit einem breitbandigen Spektrum zwischen ca. 270 nm und 800 nm. Bei der klassischen Raman-Spektroskopie mit Anregungswellenlängen vom ultravioletten bis nahen infraroten Spektralbereich (ca. 350 nm - 850 nm) überlagert das Spektrum der Fluoreszenzstrahlung die Raman-Linien, so dass der hohe Informationsgehalt der Raman-Linien oftmals nur unzureichend ausgewertet werden kann. Wird jedoch eine Anregungswellenlänge im Bereich des tiefen Ultraviolett (englisch deep ultraviolet, DUV) von 200 nm bis 250 nm genutzt, entstehen die Raman-Linien im Spektrum der gestreuten Strahlung in bekannter Weise im Bereich von einigen tausend Wellenzahlen oberhalb der Anregungswellenlänge. Im Gegensatz dazu ändert sich die Lage des Spektrums der Fluoreszenzstrahlung nicht, so dass die Strahlung bei der Anregungswellenlänge, die Raman- und Fluoreszenzstrahlung spektral voneinander getrennt sind. Ein zusätzlicher Informationsgewinn entsteht durch eine Variation der Anregungswellenlänge, die Ausnutzung von Resonanzbedingungen oder durch die gleichzeitige Nutzung mehrerer verschiedener Anregungswellenlängen.
-
Problematisch ist jedoch, dass Notch- oder Kantenfilter im DUV-Bereich nicht oder nur sehr begrenzt zur Verfügung stehen, so dass mehrstufige Spektrometeranordnungen genutzt werden müssen, um die gestreute Strahlung bei der Anregungswellenlänge zu unterdrücken. Nachteilig hieran ist, dass eine solche Anordnung viel Platz benötigt, höhere Kosten und mehr Justagearbeit verursacht sowie mit einem erheblichen Energieverlust verbunden ist.
-
Ein weiteres Problem ist die gleichzeitige Messung der Raman-Linien bzw. des Raman-Spektrums und des breitbandigen Fluoreszenz-Spektrums, um die Materialeigenschaften der Probe vollständig zu erfassen. Da das Raman-Spektrum eine sehr feine Struktur aufweist, ist hier eine Messung mit einer hohen Auflösung besonders wichtig. Im Gegensatz dazu benötigt die Messung des Fluoreszenz-Spektrums nur ein geringes Auflösungsvermögen bei maximaler Empfindlichkeit. Da sowohl die Raman- als auch die Fluoreszenz-Strahlung wegen ihrer geringen Intensität mit einem hohen Öffnungswinkel der Abbildungsoptik abgebildet werden müssen, ist die Ausleuchtung zweier unabhängiger Spektrometer problematisch.
-
Aus
DE 101 20 425 A1 ist ein Spektrometer zur gleichzeitigen Analyse von mehreren UV-Fluoreszenzfarbstoffen in einer Probe bekannt, welches eine Eintrittsapertur und einen ersten Detektor aufweist, wobei im Strahlengang hinter der Eintrittsapertur zusätzlich ein zweiter Detektor und im Strahlengang vor den beiden Detektoren ein dispergierendes Element zur räumlichen Trennung der Fluoreszenz-Strahlung angeordnet ist. Aus
DE 696 15 818 T2 ist eine Vorrichtung bekannt, die bei Anregung mit Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm sowohl Raman- als auch Fluoreszenz-Strahlung in getrennten Spektralbereichen detektieren kann. Aus
US 2009/0 248 342 A1 ist ein Verfahren zur Analyse von Raman- und Fluoreszenz-Strahlung bekannt, die von einer mit DUV-Strahlung belichteten Probe emittiert wird. Dabei wird die von der Probe emittierte Raman- und Fluoreszenzstrahlung räumlich getrennt und in zwei unterschiedliche Detektoren geführt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Spektrometer der eingangs bezeichneten Art anzugeben, das bei einem kompakten Aufbau die gleichzeitige spektrale Analyse der Raman- und Fluoreszenz-Strahlung ermöglicht, die von einer mit DUV-Strahlung belichteten Probe emittiert werden.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Spektrometer der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
-
Es wird somit ein einziges Spektrometer zur Verfügung gestellt, in dem die von der Probe emittierte Strahlung im Strahlengang nach der Eintrittsapertur durch das dispergierende Element propagiert, wobei die Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge eine räumliche Aufspaltung erfährt. Diese räumliche Trennung der Strahlung ist dabei so ausgebildet, dass die Raman-Strahlung in den ersten Detektor und die Fluoreszenzstrahlung in den zweiten Detektor propagiert, wobei die störende Strahlung bei der Anregungswellenlänge entweder geblockt oder wieder aus dem Spektrometer geleitet wird. Besonders vorteilhaft hieran ist, dass keine Notch- oder Kantenfilter nötig sind und dass die Raman-Strahlung sowie die Fluoreszenzstrahlung in zwei unterschiedlichen Detektoren gleichzeitig analysierbar sind, die für die Analyse des jeweiligen Spektrums optimiert sind.
-
Dabei weist der erste Detektor einen optischen Flächensensor mit einer im Strahlengang vorgeordneten Echelle-Anordnung auf. Eine solche Echelle-Anordnung weist wenigstens ein Echelle-Gitter auf, dem ein übliches Beugungsgitter vorgeordnet ist, um die Lineardispersion bzw. Querdispersion der Echelle-Anordnung zu optimieren. Hierbei ist die Lineardispersion bzw. Querdispersion ein Maß für die räumliche Aufspaltung zweier Spektrallinien. Bei geeigneter Dimensionierung der Lineardispersion des dispergierenden Elementes, des Echelle-Gitters und des Beugungsgitters wird neben einer vollständigen Trennung der Beugungsordnungen auch eine Harmonisierung der Echelle-Ordnungsabstände erreicht, so dass auf dem Flächensensor ein zweidimensionales Spektrenmuster mit hoher Dispersion erzeugt wird, wobei das Echelle-Gitter eine hohe Beugungseffektivität über den gesamten Bereich des Spektrums der Raman-Strahlung liefert. Dies führt zu nahezu äquidistanten Abständen zwischen benachbarten Echelle-Beugungsordnungen, so dass die Anzahl der Beugungsordnungen auf dem Flächensensor und die Fläche der Eintrittsapertur maximal gestaltet werden können, ohne dass es zu Ordnungsüberlappungen (Übersprechen) kommt. Der Flächensensor selbst kann z.B. als CCD-Matrix, CID, oder sCMOS ausgebildet sein. Durch eine solche Echelle-Anordnung lässt sich das feinstrukturierte Spektrum der Raman-Strahlung optimal analysieren.
-
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der zweite Detektor einen optischen Zeilensensor aufweist. Ein solcher Zeilensensor, der als CCD-Zeile, Fotodioden-Array oder Fotomultiplier ausgebildet sein kann, weist eine geringe Zahl von Pixelelementen auf, um das Spektrum der Fluoreszenzstrahlung mit einer hohen Empfindlichkeit und einem geringen Ausleserauschen zu erfassen. Dies bietet den Vorteil, dass das Spektrum der Fluoreszenzstrahlung mit einem maximalen Signal-zu-Rausch-Verhältnis messbar ist.
-
Weiterhin ist vorgesehen, dass das dispergierende Element ein Prisma ist. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass das Prisma aus einem optisch transparentem Material, wie Quarz oder Kalziumfluorid, gefertigt ist und einen normalen Dispersions- bzw. Brechzahlverlauf aufweist, so dass Strahlung mit einer längeren Wellenlänge schwächer dispergiert wird als Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge. Dies hat den Vorteil, dass die Fluoreszenzstrahlung im Prisma einer geringeren Dispersion ausgesetzt ist und die räumliche Ausdehnung des Spektrums auf dem zweiten Detektor reduziert wird, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis weiter zu verbessern.
-
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass im Strahlengang zwischen dem dispergierenden Element und den beiden Detektoren ein Blendensystem angeordnet ist, welches am kurzwelligen Ende eine Blende mit einer Spaltschneide aufweist. Da die Strahlung nach dem dispergierenden Element in Abhängigkeit der Wellenlänge räumlich getrennt auf das Blendesystem auftrifft, kann die unerwünschte Strahlung bei der Anregungswellenlänge durch die Blende mit der Spaltschneide so geblockt werden, dass sie nicht in den ersten oder zweiten Detektor propagiert. Durch diesen Aufbau wird die hochaufgelöste Messung des Spektrums der Raman-Strahlung ermöglicht, da im DUV-Bereich keine geeigneten Notch- oder Kantenfilter zur Verfügung stehen.
-
Ferner ist vorgesehen, dass das Blendensystem am langwelligen Ende eine Blende mit einer reflektierenden Oberfläche und einer Spaltschneide aufweist. Auf diese Blende mit einer scharfen, zum Spalt gerichteten Spaltschneide trifft von der Raman-Strahlung durch die Spaltschneide getrennt die Fluoreszenzstrahlung, die hierdurch reflektiert und im Gegensatz zur Raman-Strahlung in den zweiten Detektor geführt wird. Dies ermöglicht einen sehr kompakten und wartungsarmen Aufbau des gesamten Spektrometers.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Blendensystem wenigstens eine bewegliche Blende aufweist. Um mehr Informationen über die Probe zu erhalten, kann diese nacheinander oder gleichzeitig mit verschiedenen Anregungswellenlängen im DUV-Bereich bestrahlt werden. Eine bewegliche Blende hat den Vorteil, dass bei Änderung der Anregungswellenlänge oder Verwendung mehrerer Anregungswellenlängen die jeweils unerwünschte Strahlung unterdrückt werden kann, ohne den Aufbau des Spektrometers zu ändern. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Blende motorisiert und fernsteuerbar ist. Bei einer gleichzeitigen Bestrahlung mit verschiedenen Anregungswellen sind ggf. mehrere bewegliche Blenden nötig, um die unerwünschte Strahlung zu unterdrücken.
-
Weiterhin sieht eine Ausgestaltung vor, dass im Strahlengang vor und nach dem dispergierenden Element ein erster Hohlspiegel bzw. ein zweiter Hohlspiegel angeordnet sind. Der erste (sphärische) Hohlspiegel wird genutzt, um die aus der Eintrittsapertur kommende Strahlung auf das dispergierende Element zu lenken und der zweite Hohlspiegel richtet den Strahlengang auf das Blendensystem aus. Dabei sind der erste oder zweite Hohlspiegel bevorzugt beweglich und können motorisiert sowie fernsteuerbar sein. Diese Anordnung erzeugt ein astigmatisches, in tangentialer und sagittaler Schnittweite jeweils scharfes Bild der Eintrittsapertur.
-
Ferner ist vorgesehen, dass im Strahlengang hinter dem Blendensystem und vor dem optischen Flächensensor ein dritter Hohlspiegel und ein vierter Hohlspiegel angeordnet sind. Mit dem dritten Hohlspiegel wird die Raman-Strahlung nach der Propagation durch das Blendensystem auf das Beugungsgitter der Echelle-Anordnung gelenkt. Auch diese Hohlspiegel können beweglich, motorisiert sowie fernsteuerbar sein. Hierdurch ist eine weitere Korrektur des Strahlengangs möglich.
-
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass im Strahlengang hinter dem Blendensystem und vor dem optischen Zeilendetektor ein fünfter Hohlspiegel und sechster Hohlspiegel angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass beide Hohlspiegel beweglich und motorisiert sowie fernsteuerbar sind, wobei der sechste Hohlspiegel als Kamera-Spiegel ausgebildet sein kann. Vorteilhaft hieran ist, dass die Fluoreszenzstrahlung optimal auf dem zweiten Detektor positionierbar ist.
-
Weiter ist vorgesehen, dass der erste, dritte und fünfte Hohlspiegel Kollimatoren sind. Die Einzelstrahlen der Strahlung, die durch die Eintrittsapertur propagiert und auf den ersten Hohlspiegel auftrifft, weist eine gewisse Divergenz auf. Diese Divergenz wird durch eine geeignete Wahl der Brennweite des ersten Hohlspiegels kompensiert, so dass die Strahlung nach dem ersten Hohlspiegel einen parallelen Verlauf der Einzelstrahlen aufweist.
-
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Ablenkebenen am dritten Hohlspiegel und am vierten Hohlspiegel sowie am fünften Hohlspiegel und am sechsten Hohlspiegel jeweils senkrecht zu den Ablenkebenen am ersten Hohlspiegel und am zweiten Hohlspiegel verlaufen. Dadurch kann der Astigmatismus des Prismensystems (erster und zweiter Hohlspiegel) durch die nachfolgenden Optiken (dritter und vierter bzw. fünfter und sechster Hohlspiegel) in beiden Detektoren unabhängig voneinander exakt kompensiert werden. So entstehen auf beiden Detektoren anastigmatische Bilder der Eintrittsapertur.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt
- 1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Spektrometers.
-
Nicht dargestellt sind eine Probe sowie ein Lasersystem, dass eine DUV-Strahlung zur Verfügung stellt. Nach der Belichtung der Probe mit der DUV-Strahlung propagiert die an der Probe gestreute Strahlung durch eine Eintrittsapertur 2 in das Spektrometer 1. Die gestreute Strahlung umfasst dabei nicht erwünschte Strahlung bei der Anregungswellenlänge des DUV-Lasersystems, spektral feinstrukturierte Raman-Strahlung und Fluoreszenzstrahlung mit einem breiten, gering strukturierten Spektrum. Der Strahlengang 3 der zu untersuchenden Strahlung im Spektrometer ist mit Pfeilen dargestellt, wobei mehrere Pfeile skizzenhaft auf eine wellenlängenabhängige räumliche Trennung der Strahlung hinweisen.
-
Nach der Eintrittsapertur 2 trifft die zu untersuchende Strahlung auf einen ersten (sphärischen) Hohlspiegel 14, der im Strahlengang 3 angeordnet ist. Die divergente Strahlung wird durch diesen ersten Hohlspiegel 14 kollimiert, so dass ein paralleler Strahlenverlauf entsteht. Der erste Hohlspiegel 14 ist vorzugsweise beweglich ausgebildet und lenkt die Strahlung in einer ersten Ebene in Richtung eines dispergierenden Elementes 6.
-
Das dispergierende Element 6 überführt die spektral aufgespaltete Strahlung (Strahlung mit der Anregungswellenlänge, Raman- und Fluoreszenzstrahlung) in eine räumliche Aufspaltung, die im Strahlengang 3 nach dem dispergierenden Element 6 mit mehreren Pfeilen dargestellt ist. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass das dispergierende Element 6 ein Prisma aus einem optisch transparenten Material mit normaler Dispersion, wie z.B. Quarz oder Kalziumfluorid, ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Raman-Strahlung einer hohen Dispersion und die Fluoreszenzstrahlung einer geringen Dispersion ausgesetzt wird. Es ist jedoch auch denkbar, dass das dispergierende Element 6 mehrere Prismen oder ein Beugungsgittergitter aufweist. Nach dem dispergierenden Element 6 propagiert die Strahlung auf einen zweiten Hohlspiegel 15.
-
Der zweite Hohlspiegel 15 ist vorzugsweise ebenfalls beweglich ausgebildet und lenkt die Strahlung in einer zweiten Ablenkebene ab. Vorzugsweise sind die beiden Ablenkebenen an den Hohlspiegeln 14 und 15 senkrecht. Der zweite Hohlspiegel 15 lenkt die Strahlung auf ein Blendensystem 10.
-
Das Blendensystem 10 weist am kurzwelligen Ende (links) eine Blende 12 mit Spaltschneide, ggf. eine bewegliche Blende 11 und am langwelligen Ende (rechts) eine Blende 13 mit reflektierender Oberfläche auf. Dabei weist die Blende 13 an der dem Spalt zugewandten Seite eine scharfe Spaltschneide auf. Die Blende 11 ist bevorzugt als Streifenblende ausgebildet. Unerwünschte Strahlung bei der Anregungswellenlänge wird durch die Blende 12 mit der Spaltschneide so geblockt, dass sie nicht in den ersten Detektor 4 propagiert. Der Spalt zwischen der Blende 12 und der Blende 13 mit der reflektierenden Oberfläche ist so gewählt, dass durch diesen nur die Raman-Strahlung in einen ersten Detektor 4 ungehindert propagiert. Dabei wird durch die Spiegelschneide an der Blende 13 eine eindeutige Trennung zwischen der Raman- und Fluoreszenz-Strahlung erreicht. Die bewegliche Blende 11 dient zur Unterdrückung der Strahlung bei ggf. weiteren oder der veränderbaren Anregungswellenlänge des DUV-Lasersystems. Um einen besonders großen Informationsgewinn über die Probe zu erhalten, ist es sinnvoll, die Anregungswellenlängen in einem bestimmten Bereich zu variieren. Hierdurch verschiebt sich die Position der zu unterdrückende Strahlung an der Position des Blendensystems 10. Durch die bewegliche Blende 11, die motorisiert und fernsteuerbar sein kann, ist die Unterdrückung der unerwünschten Strahlung in einfacher Weise möglich. An der Blende 13 mit der reflektierenden Oberfläche wird nur die Fluoreszenzstrahlung reflektiert und in einen zweiten Detektor 5 geführt.
-
Der erste Detektor 4 weist eine Echelle-Anordnung mit einem dritten Hohlspiegel 16, einem Beugungsgitter 7, einem Echelle-Gitter 8, einem vierten Hohlspiegel 9 und einem optischen Flächensensor 19 auf. Hierdurch wird die Raman-Strahlung scharf auf dem Flächensensor 19 abgebildet. Es ist bevorzugt, dass die Ablenkebenen am dritten Hohlspiegel 16 und am vierten Hohlspiegel 9 horizontal verlaufen, so dass in Verbindung mit den senkrecht verlaufenden Ablenkungsebenen des ersten Hohlspiegels 14 und des zweiten Hohlspiegels 15 astigmatische Abbildungsfehler korrigiert werden.
-
Der zweite Detektor 5 weist einen fünften Hohlspiegel 17, einen sechsten Hohlspiegel 18 und einen optischen Zeilensensor 20 auf. Es ist bevorzugt, dass die Ablenkebenen am fünften Hohlspiegel 17 und am sechsten Hohlspiegel 18 horizontal verlaufen, so dass in Verbindung mit den senkrecht verlaufenden Ablenkungsebenen des ersten Hohlspiegels 14 und des zweiten Hohlspiegels 15 astigmatische Abbildungsfehler korrigiert werden. Zwischen den Hohlspiegeln 17 und 18 können außerdem zusätzliche Mittel zur Dispersion der Strahlung angeordnet sein.
-
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So können alle Blenden des Blendensystems 10 beweglich und motorisiert sein, wobei auch mehr als drei Blenden denkbar sind, um bei einer gleichzeitigen Anregung der Probe mit verschiedenen Wellenlägen die unerwünschte Strahlung bei den Anregungswellenlängen zu unterdrücken. Auch die Verwendung weiterer Spiegelkombinationen ist denkbar. Natürlich umfasst die Erfindung auch eine entsprechende Einhausung, Ausleseelektronik sowie Spannungsversorgung. Anstelle der beschriebenen Spiegeloptik (Hohlspiegel 14, 15, 16, 9, 17, 18) können auch geeignete Linsenoptiken verwendet werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Spektrometer
- 2
- Eintrittsapertur
- 3
- Strahlengang
- 4
- erster Detektor
- 5
- zweiter Detektor
- 6
- dispergierendes Element
- 7
- Beugungsgitter
- 8
- Echelle-Gitter
- 9
- vierter Hohlspiegel
- 10
- Blendensystem
- 11
- bewegliche Blende
- 12
- Blende
- 13
- Blende mit reflektierender Oberfläche
- 14
- erster Hohlspiegel
- 15
- zweiter Hohlspiegel
- 16
- dritter Hohlspiegel
- 17
- fünfter Hohlspiegel
- 18
- sechster Hohlspiegel
- 19
- optischer Flächensensor
- 20
- optischer Zeilensensor
