DE102016202971A1

DE102016202971A1 - Ellipsometervorrichtung und Ellipsometrieverfahren zur Untersuchung einer Probe

Info

Publication number: DE102016202971A1
Application number: DE102016202971.1A
Authority: DE
Inventors: Uwe Richter; Bernd Gruska; Helge Ketelsen; Karsten Hinrichs; Andreas Furchner; Özgür Savas
Original assignee: Sentech Instruments GmbH; Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Current assignee: Sentech Instruments GmbH; Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2017-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ellipsometervorrichtung zur Untersuchung einer Probe (20), insbesondere einer Probe (20) mit mindestens einer Beschichtung (21), wobei die Ellipsometervorrichtung eine monochromatische Lichtquelle (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) im Einzelschussbetrieb betrieben wird und diese einen ersten Lichtstrahl (2) auf die Probe (20) abstrahlt, wobei der erste Lichtstrahl (2) mindestens eine Polarisationsvorrichtung (8) passiert und der von der Probe (20) reflektierte erste Lichtstrahl (2) als zweiter Lichtstrahl (3) über mindestens einen Strahlteiler () und mindestens eine Polarisationsvorrichtung (9, 10) auf mindestens zwei Detektorvorrichtungen (6, 7) zur Messung mindestens eines ellipsometrischen Winkels der Probe (20) trifft. Die Erfindung betrifft auch ein Ellipsometrieverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ellipsometervorrichtung zur Untersuchung einer Probe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Ellipsometrieverfahren zur Untersuchung einer Probe mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Die Verwendung der Ellipsometrie zur Untersuchung von Proben ist bekannt. Dabei werden in bekannter Weise die ellipsometrischen Winkel Δ und ψ als Ellipsometrieparameter gemessen, die abhängig von der Polarisationsänderung eines von der Probe reflektierten Lichtstrahls sind. Bei Verwendung eines geeigneten Modells für Materialeigenschaften der Probe kann aus den Ellipsometrieparametern auf Eigenschaften der Probe, wie z.B. die Dicke einer Schicht auf der Probe, geschlossen werden.
Die DE 10 2006 049 687 A1 beschreibt Vorrichtungen und Verfahren, bei denen u.a. auch biologische Proben mittels der Ellipsometrie im mittleren Infrarotbereich untersucht werden können. Ellipsometervorrichtungen aus dem Stand der Technik haben gerade in dem für biologische Materialien relevanten mittleren Infrarotbereich Messzeiten in der Größenordnung von mehreren 10 Sekunden bis zu mehreren Minuten.
Es besteht die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, mit denen sich Proben schnell untersuchen lassen.
Die Aufgabe wird durch eine Ellipsometervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei wird eine monochromatische Lichtquelle im Einzelschussbetrieb verwendet, so dass bei der Lichtabstrahlung mindestens zwei Detektoren zur Bestimmung der Polarisationsänderung des Lichts, insbesondere des von einer Probe reflektierten Lichts gleichzeitig, d.h. synchrone Messungen, ausführen. Dadurch werden keine beweglichen optischen Elemente im Strahlengang benötigt, die ansonsten für eine Erfassung von Eigenschaften zeitlich hintereinander verwendet werden.
Die Lichtquelle strahlt einen ersten Lichtstrahl auf die Probe, wobei der erste Lichtstrahl mindestens eine Polarisationsvorrichtung passiert und der von der Probe reflektierte erste Lichtstrahl als zweiter Lichtstrahl über mindestens einen Strahlteiler und mindestens eine Polarisationsvorrichtung auf mindestens zwei Detektorvorrichtungen zur Messung mindestens eines der ellipsometrischen Winkel (Δ und ψ oder ψ allein) zur Bestimmung von optischen Parametern der Probe trifft.
Unter einer Lichtquelle im Einzelschussbetrieb wird verstanden, dass mit einem Lichtsignal gleichzeitig, d.h. synchron mindestens zwei Intensitätsmessungen durchgeführt werden, aus denen der ellipsometrische Winkel ψ oder ggf. ψ und Δ bestimmt werden kann.
In einer Ausführungsform weist die Lichtquelle einen Laser und / oder eine Synchrotronstrahlungsquelle auf. Der Laser ist z.B. als durchstimmbarer Laser, insbesondere als Quantenkaskadenlaser, als CO₂-Laser oder als DBR-Laser ausgebildet.
Insbesondere für biologische Proben ist es vorteilhaft, wenn die Lichtquelle Licht im mittleren Infrarotbereich mit einer Wellenlänge zwischen 3 bis 30 μm, insbesondere 3 bis 15 μm abstrahlt.
Für ein gutes Signal-Rauschverhältnis ist es vorteilhaft, wenn die Lichtquelle Licht mit einer hohen Brillanz von mehr als 10¹⁹ Sch, insbesondere mehr als 10²¹ Sch abstrahlt. Auch strahlt in einer weiteren zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform die Lichtquelle Licht mit einer großen Kohärenzlänge von mehr als 1 m ab.
Für eine genaue Lokalisierung der Messergebnisse ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine abbildende Optik zur Einstellung einer Lichtfleckgröße auf der Probe vorgesehen ist, insbesondere zur Einstellung eines Lichtfleckes mit einem Durchmesser kleiner als 500 μm, ganz besonders für einen Lichtfleck mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 200 μm.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Ellipsometrievorrichtung mindestens ein Mittel zur Bestimmung von optischen Parametern mindestens eines ellipsometrischen Winkels auf. Dieses Mittel, z.B. eine Datenverarbeitungsvorrichtung mit einem geeigneten Modell zur Verknüpfung mindestens eines ellipsometrischen Winkels Δ und ψ mit optischen Parametern, kann insbesondere Schichtdicken, Brechungsindices, die Anisotropie von Brechungsindizes, die Struktur der Probe, Absorptionsbanden der Probe, die Rauigkeit der Probe, Bandlücken der Probe, die Ladungsträgerkonzentration und / oder den Schichtwiderstand der Probe bestimmen. Diese Erfassung kann statisch oder auch zeitabhängig erfolgen, so dass z.B. anhand der berechneten optischen Parameter wie den Absorptionsbanden der Reaktionsfortschritt einer Reaktion auf der Probe bestimmt werden kann.
Alternativ ist es auch möglich, dass in dem ersten Lichtstrahl und / oder dem zweiten Lichtstrahl mindestens ein Retarder angeordnet ist.
Die Aufgabe wird auch durch ein Ellipsometrieverfahren zur Untersuchung einer Probe mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Mit einer monochromatischen Lichtquelle im Einzelschussbetrieb wird ein erster Lichtstrahl auf die Probe abgestrahlt, wobei der erste Lichtstahl mindestens eine Polarisatorvorrichtung passiert. Die Probe reflektiert den ersten Lichtstrahl und ein reflektierter zweiter Lichtstrahl trifft über mindestens einen Strahlteiler und mindestens eine Polarisatorvorrichtung auf mindestens zwei Detektorvorrichtungen zur Messung mindestens eines ellipsometrischen Winkels (Δ und ψ oder ψ allein).
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Messzeit zur Bestimmung des mindestens einen ellipsometrischen Winkels, zwischen 10 und 100 ms beträgt.
In einer Ausführungsform weist die Probe ein Halbleitermaterial, ein Metall, ein Glasmaterial, ein Polymermaterial und / oder ein biologisches Material auf. Solche Proben können z.B. in Biosensoren, Biochips oder Bioarrays angeordnet sein.
In einer Ausführungsform werden die Verfahrensschritte des Anspruchs 10 für eine Vielzahl von Messpunkten auf der Probe durchgeführt, wobei die Messpunkte insbesondere in einem regelmäßigen Muster auf der Probe angeordnet sind. Damit kann z.B. eine räumliche Variation des mindestens einen ellipsometrischen Winkels – und folglich auch der daraus abgeleiteten optischen Parameter – auf der Probe bestimmt werden.
Zusätzlich oder alternativ können in einer Ausführungsform mindestens ein ellipsometrischer Winkel und / oder mindestens ein optischer Parameter der Probe zeitabhängig bestimmt (d.h. gemessen und / oder berechnet) werden. Somit kann räumlich und / oder zeitlich eine Veränderung auf der Probe nachgewiesen werden. Damit können z.B. chemische Reaktionen auf der Probe erfasst werden.
Anhand von beispielhaften Ausführungsformen werden die Überwachungsvorrichtung und das Überwachungssystem anhand von Figuren beschrieben. Dabei zeigt
1 den schematischen Aufbau einer Ausführungsform einer Ellipsometervorrichtung zur Untersuchung einer Probe;
1A eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 1 mit Retardern;
2 den schematischen Aufbau einer Ausführungsform einer Ellipsometervorrichtung zur Bestimmung nur eines ellipsometrischen Winkels ψ;
3 den schematischen Aufbau einer weiteren Ausführungsform einer Ellipsometervorrichtung zur Bestimmung nur eines ellipsometrischen Winkels ψ;
4A die Untersuchung einer Beschichtung eines Substrates; Messergebnis für den ellipsometrischen Winkel ψ;
4B die Untersuchung einer Beschichtung eines Substrates; Messergebnis für den ellipsometrischen Winkel Δ;
4C die Untersuchung einer Beschichtung eines Substrates; Ellipsometerspektrum für den ellipsometrischen Winkel ψ;
5 die Untersuchung einer Goldschicht auf einem Siliziumsubstrat; Ellipsometerspektrum für den ellipsometrischen Winkel ψ;
6A die Untersuchung einer Beschichtung auf einem Substrat, schematische Darstellung;
6B die Untersuchung einer Beschichtung auf einem Substrat; Messergebnis für den ellipsometrischen Winkel ψ;
6C die Untersuchung einer Beschichtung auf einem Substrat.
In 1 ist in schematischer Weise eine Ausführungsform einer Ellipsometrievorrichtung dargestellt, mit der Eigenschaften einer Probe 20, insbesondere bildgebend, untersucht werden können. Unter bildgebend soll hier verstanden werden, dass räumlich verteilte Messungen, wie in 4 bis 6 dargestellt, durchgeführt werden.
Dabei strahlt eine monochromatische Lichtquelle 1 im Einzelschussbetrieb einen ersten Lichtstrahl 2 auf die Probe 20 ab. In der hier dargestellten Ausführungsform soll die Lichtquelle im mittleren Infrarotbereit (d.h. mit Wellenlängen zwischen 3 und 30 μm) strahlen.
Eine solche einzelschussfähige Lichtquelle 1 kann z.B. ein Quantenkaskadenlaser sein, der darüber hinaus für verschiedene Wellenlängen durchstimmbar ist. In der hier dargestellten Ausführungsform soll die Lichtquelle 1 mit einer hohen Brillanz und einer großen Kohärenzlänge strahlen.
Die Brillanz ist in diesem Zusammenhang ein wichtiges Maß, da sie die Strahlquelle selbst, unabhängig von einer Optik, charakterisiert.
Die Brillanz beschreibt die Auswirkungen der räumlichen und zeitlichen Kohärenz der Lichtquelle 1 (Strahlungsquerschnitt und Raumwinkel sowie Zeit- und Bandbreitenintervall). Die Einheit für die Brillanz ist das Schwinger für ein Photon innerhalb einer bestimmten Bandbreite:
Je größer die Brillanz, desto mehr Photonen einer bestimmten Wellenlänge und Richtung werden auf einem Fleck per Zeiteinheit konzentriert. Die hier zum Einsatz kommende Brillanz ist größer als 10¹⁹ Sch. Die Kohärenzlänge ist größer als 1 m.
Typischerweise beträgt die Pulsweite der Lichtquelle 1 zwischen 40 und 500 ns, wobei diese Werte in 20 ns Schrittweiten eingestellt werden können. Die Pulswiederholrate liegt z.B. zwischen 0,1 bis 100 kHz, wobei diese Werte in 0,1 Hz Schrittweiten eingestellt werden können. Lasersysteme können z.B. im Wellenlängenbereich von 3 bis 13 μm durchgestimmt werden.
In anderen Ausführungsformen können die Parameter der Lichtquelle 1 anders gewählt werden (z.B. auch als DC-Lichtquelle). Auch können statt des Quantenkaskadenlasers ein CO₂-Laser oder ein DBR-Laser (Distributed Bragg Reflection Laser) verwendet werden. Grundsätzlich ist es auch möglich eine Synchrotronstrahlungsquelle als Lichtquelle zu verwenden.
Im ersten Lichtstrahl 2 ist eine Polarisationsvorrichtung 8 angeordnet, die das Licht auf 45° zur Einfallsebene polarisiert. Grundsätzlich sind aber auch andere Polarisationswinkel möglich. Dieses polarisierte Licht trifft dann auf die Probe 20.
Des Weiteren ist in der hier dargestellten Ausführungsform noch eine abbildende Optik 11, 11’ in den Lichtstrahlen 2, 3 angeordnet. Damit lässt sich die Messfleckgröße auf der Oberfläche der Probe 20 reduzieren (diese kann in einer Größenordnung von 200 μm liegen) und damit wird die Ortsauflösung deutlich erhöht. Grundsätzlich ist die Verwendung einer abbildenden Optik optional.
Durch die Reflexion des ersten Lichtstrahls 2 an der zu untersuchenden Probe 20 ändert sich der Polarisationszustand des Lichtes. Diese Änderung lässt sich mithilfe der ellipsometrischen Winkel ψ und Δ (Ellipsometrieparameter) beschreiben und liefert Informationen z.B. über die Schichtdicken verschiedener Schichten auf einem Substrat und / oder die Brechungsindices der verschiedenen Schichten. Die ellipsometrischen Winkel können aber auch bei der Untersuchung von biologischem Material verwendet werden, was im Folgenden noch beschrieben wird.
Das reflektierte Licht trifft als zweiter Lichtstrahl 3 auf einen Strahlteiler 4, der das Licht jeweils auf vier Detektoren 6, 6‘, 7, 7‘ lenkt, wobei das Licht jeweils vorher noch über polarisierende Strahlteiler 9, 10 läuft, so dass das vom Strahlteiler 4 kommende Licht nochmals aufgeteilt wird.
Somit kann das von der Probe 20 reflektierte Licht gleichzeitig in den vier Detektoren 6, 6‘, 7, 7‘ ausgewertet werden. Damit können die Intensitäten zur Bestimmung der ellipsometrischen Winkel Δ und ψ synchron gemessen werden, was das wesentliche Kennzeichen des Einzelschussbetriebes ist.
Für die gleichzeitige Messung von ψ und Δ werden mindestens vier Detektoren 6, 6‘, 7, 7‘ benötigt, welche die Intensitäten bei vier verschiedenen Polarisator-Stellungen detektieren (üblicherweise 0°, 45°, 90° und 135°).
In einer alternativen Ausgestaltung (1A) können in den Lichtstrahlen 2, 3 Retarder 12, 12‘ angeordnet werden, so dass Messungen bei 0° und 180° für Δ mit größerer Genauigkeit durchgeführt werden können. Solche Retarder 12, 12‘ können auch in den Ausführungsformen der 2 und 3 verwendet werden.
In einer alternativen Ausgestaltungen gemäß 2 und 3 kann der Aufbau gemäß 1 vereinfacht werden, wenn nur der ellipsometrische Winkel ψ als einziger Ellipsometrieparameter gemessen werden soll. Der grundsätzliche Aufbau der Ellipsometrievorrichtung ist der gleiche wie bei der Ausführungsform gemäß 1 oder 1A. Allerdings wird bei der Ausführungsform gemäß 2 jeweils nur ein Detektor 6, 7 nach dem Strahlteiler 4 verwendet. Anstelle der polarisierenden Strahlteiler 9, 10, werden Polarisatoren 9’, 10’ verwendet.
Die Ausführungsformen gemäß 1 oder 1A können zur alleinigen Messung des ellipsometrischen Winkels ψ auch so abgewandelt werden, dass der Strahlteiler 4 und eine der Detektorengruppen 6, 6‘ wegegelassen wird. Die Detektion erfolgt dann nur über eine Detektorengruppe 7, 7‘. Dies ist in 3 dargestellt.
Die Verwendung des Einzelschussbetriebs erlaubt die Messung von ψ (und ggf. Δ) in einigen zehn Millisekunden, da die zur Bestimmung der ellipsometrischen Winkel nötigen Intensitäten synchron erfasst werden. Zusätzlich ist durch die Verwendung eines durchstimmbaren Lasers als Lichtquelle 1 die Aufnahme von (ψ/Δ)-Spektren in einem gewissen Bereich des mittleren Infraroten möglich.
Dieses vorgestellte Prinzip der Ausführungsformen gemäß 1, 1A, 2, 3 erlaubt somit, zum Beispiel durch Verwendung eines geeigneten durchstimmbaren Quantenkaskadenlasers, die schelle Messung von ψ (ggf. ψ und Δ) mit einem kleinem Messfleck über den gesamten Spektralbereich der Laserlichtquelle mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis.
Die Schnelligkeit wird durch die Verwendung des Einzelschussbetriebs ermöglicht, da die Detektorvorrichtungen 6, 6‘, 7, 7‘ gleichzeitig Messungen vornehmen. Des Weiteren wird die Schnelligkeit der Messungen durch die hohe Brillanz (d.h. die hohe Leistung der Lichtquelle) ermöglicht. Durch den Einzelschussbetrieb wird auch erreicht, dass jede Intensitätsmessung zur Bestimmung mindestens eines ellipsometrischen Winkels an einem Punkt der Probe 20 synchron und somit mit einer identischen Lichtintensität der Lichtquelle erfolgt, was die Genauigkeit der Messung der ellipsometrischen Winkel steigert. Mögliche Intensitätsschwankungen der Lichtquelle 1 zwischen zwei Messungen haben somit nahezu keinen Einfluss auf das Messergebnis.
Die erreichbare hohe Messgeschwindigkeit erschließt neue Anwendungsgebiete für solch eine Ellipsometervorrichtung. Mit Messzeiten von < 100 ms können Reaktionsprozesse auf oder in einer Probe 20 nahezu in Echtzeit beobachtet werden. Zusätzlich können großflächige Mappings von großen Proben 20 bzw. mithilfe des kleinen Messspots sehr fein aufgelöste Mappings in deutlich reduzierter Zeit durchgeführt werden.
Der Vorteil der ellipsometrischen Messung im mittleren infraroten Spektralbereich liegt insbesondere in der Vielzahl der zugänglichen, insbesondere biologischen Materialien. Zusätzlich zu Schichtdicken sind Informationen über die chemische Zusammensetzung bzw. Molekülstruktur und -orientierung der Schichten aufgrund der Molekülschwingungen in diesem Spektralbereich zugänglich. Die beschriebene Vorrichtung eignet sich daher insbesondere zur Charakterisierung biologischer Oberflächen / Schichten und / oder Polymeren. Dabei liefert die Messung spektral neben einer Molekülschwingung Informationen über die Schichtdicke der zu untersuchenden Schicht und die Messung spektral auf einer solchen Schwingung lässt Rückschlüsse auf die Struktur der Schicht zu.
Im Zusammenhang mit den 4 bis 6 werden einige Anwendungen der Ausführungsformen der Ellipsometervorrichtungen und der Ellipsometrieverfahren beschrieben.
4A, 4B und 4C zeigen die Ergebnisse von Messungen an einer Probe 20, die mit einem PNIPAAm(Poly(N-isopropylacrylamid)-Film beschichtet wurde. Filme dieser Art werden z.B. als Adhäsiv für Zellen verwendet, damit diese bei einer bestimmten Temperatur (hier 37 °C) auf einer Oberfläche anhaften. Bei einer Abkühlung auf unter 32 °C verliert der Film seine adhäsive Wirkung.
Die Messungen wurden mit einem Laser mit einer pointing stability von weniger als 1 mrad, einem elliptischen gausschen, nicht-astigmatischen Profil, einer minimalen Strahleinschnürung von weniger als 2,5 mm bei einem Abstand von etwa 30 bis 50 cm vom Laser und einer Divergenz von weniger als 5 mrad ausgeführt. Durch die Verwendung einer abbildenden Optik konnten kleinere Spotgrößen verwirklicht werden als eigentlich durch die Strahleinschnürung vorgegeben.
Die Messfläche auf der Probe 20 umfasst hier eine Fläche von 25 mm × 20 mm (siehe 4A, 4B). Im vorliegenden Fall wurden die ellipsometrischen Winkel Δ, ψ als Ellipsometrieparameter für eine Anzahl von Messpunkten ermittelt. In der 4A ist der ellipsometrische Winkel ψ, in 4B der ellipsometrische Winkel Δ als Parameter (siehe jeweils Skala am rechten Rand der 4A, 4B) aufgetragen.
Der ellipsometrische Winkel ψ hat Werte über die gesamte Fläche der Probe 20 zwischen 25° und 70°, wobei ein relativ scharfes Maximum bei ca. 44° liegt. Der ellipsometrische Winkel Δ weist Werte über die gesamte Fläche von ca. 110° bis 180° auf, wobei das Maximum bei ca. 160° liegt.
In 4C ist ein Messergebnis für den ellipsometrischen Winkel ψ dargestellt, bei dem für 124 s eine Abtastung mit 2 cm^–1 pro Sekunde erfolgt. Dabei wurden jeweils 100 Messpunkte gemittelt. Die Messwerte der ellipsometrischen Winkel ψ liegen zwischen 42 und 44,2°. Das Minimum des ellipsometrischen Winkels ψ (als Beispiel hier gemessen bei x = 5 mm, y = 5 mm) liegt bei ca. 1670 cm^–1, was der Absorptionsbande der Schicht auf der Probe 20 entspricht.
In 5 ist ein Messergebnis dargestellt, bei dem der ellipsometrische Winkel ψ allein (d.h. unter Verwendung einer Ausführungsform nach 2 oder 3) ermittelt wird.
Gemessen wird hier ein ca. 16 mm langer Streifen, bei dem eine Goldbeschichtung auf einem Siliziumsubstrat aufgebracht ist. Die Goldbeschichtung läuft dabei kontinuierlich aus, d.h. es gibt keinen vollkommen scharfen Übergang. In der 5 ist erkennbar, dass bis zur Koordinate –5 mm der ellipsometrische Winkel ψ unverändert bei ca. 17° (nahe dem Wert für Silizium, d.h. hier keine geschlossene Goldschicht) bleibt. Zwischen den Koordinaten –5 mm und –1 mm liegt ein stetes Wachstum des ellipsometrischen Winkels ψ auf ca. 40° vor, was für eine dichter werdende Goldschicht spricht. Ab dann bleibt der Winkel im Wesentlichen bei 40° konstant, so dass ab hier ein geschlossener Goldfilm vorliegt.
Bei dieser Messung wurden 1600 Punkte in 10 μm Schritten gemessen. Die Messung des ellipsometrischen Winkels ψ dauerte nur einige Sekunden. Eine Vergleichsmessung für beide ellipsometrischen Winkel, ohne Verwendung des vollständigen Einzelschussprinzips dauerte 400 Minuten, d.h. eine Viertelminute pro Messpunkt.
In den 6A bis 6C werden Messergebnisse an einer Probe 20 dargestellt, bei der eine Beschichtung von Polyanilin (PANI) auf einem Siliziumsubstrat (Si) durchgeführt wurde. Polyanilin wird z.B. im Zusammenhang mit Solarzellen verwendet. In 6A ist dargestellt, das ein Bereich des 20 mm langen Siliziumsubstrats (Si) mit einem Bereich Polyanilin (PANI) beschichtet wurde. Es sind zwei Punkte in den unterschiedlichen Bereichen eingezeichnet, an denen jeweils der ellipsometrische Winkel für das jeweilige Material gemessen wurde.
In 6C ist das Verhältnis des ellipsometrischen Winkel ψ_PANI von PANI zu dem ellipsometrischen Winkel ψ_Si des Silizium in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt.
Auch ist eine horizontale Linie dargestellt, entlang derer ein Scan durchgeführt wurde, dessen Ergebnis in 6B dargestellt ist.
In 6B sind die Messwerte für den ellipsometrischen Winkel ψ entlang der Geraden in 6A dargestellt. Der Wert für das Siliziumsubstrat beträgt ungefähr 15,5° bis 16°. Der Wert für die PANI Beschichtung ist mit ungefähr 17° erkennbar höher.
Der Scan erfolgte an 400 Stellen in 40 μm Schritten in ca. 100 Minuten für die Messung beider ellipsometrischen Winkel, d.h. ca. 0,25 Minuten für eine komplette Messung an einem Punkt, ohne Verwendung des vollständigen Einzelschussprinzips. Die Messung des ellipsometrischen Winkels ψ für alle 400 Messpunkte dauerte nur Sekunden.
Bezugszeichenliste

1: monochromatische Lichtquelle
2: erster Lichtstrahl
3: zweiter Lichtstrahl von Probe reflektiert
4: Strahlteiler
6: erste Detektorvorrichtung
6‘: dritte Detektorvorrichtung
7: zweite Detektorvorrichtung
7‘: vierte Detektorvorrichtung
8: erste Polarisatorvorrichtung
9: zweite Polarisatorvorrichtung (polarisierender Strahlteiler)
9‘: Polarisator
10: dritte Polarisatorvorrichtung (polarisierender Strahlteiler)
10‘: Polarisator
11: abbildende Optik im ersten Lichtstrahl
11‘: abbildende Optik im zweiten Lichtstrahl
12: Retarder im ersten Lichtstrahl
12‘: Retarder im zweiten Lichtstrahl
20: Probe
30: Mittel zur Bestimmung eines optischen Parameters der Probe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006049687 A1 [0003]

Claims

Ellipsometervorrichtung zur Untersuchung einer Probe (20), insbesondere einer Probe (20) mit mindestens einer Beschichtung (21), wobei die Ellipsometervorrichtung eine monochromatische Lichtquelle (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) im Einzelschussbetrieb betrieben wird und diese einen ersten Lichtstrahl (2) auf die Probe (20) abstrahlt, wobei der erste Lichtstrahl (2) mindestens eine Polarisationsvorrichtung (8) passiert und der von der Probe (20) reflektierte erste Lichtstrahl (2) als zweiter Lichtstrahl (3) über mindestens einen Strahlteiler (4) und mindestens eine Polarisationsvorrichtung (9, 10) auf mindestens zwei Detektorvorrichtungen (6, 7) zur Messung mindestens eines ellipsometrischen Winkels der Probe (20) trifft.
Ellipsometervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) einen Laser und / oder eine Synchronstrahlungsquelle aufweist.
Ellipsometervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser als durchstimmbarer Laser, insbesondere als Quantenkaskadenlaser, als CO₂-Laser oder als DBR-Laser ausgebildet ist.
Ellipsometervorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) Licht im mittleren Infrarotbereich mit einer Wellenlänge zwischen 3 bis 30 μm, insbesondere 3 bis 15 μm abstrahlt.
Ellipsometervorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) Licht mit einer hohen Brillanz von mehr als 10¹⁹, insbesondere mehr als 10²¹ Sch abstrahlt.
Ellipsometervorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) Licht mit einer großen Kohärenzlänge von mehr als 1 m abstrahlt.
Ellipsometervorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine abbildende Optik zur Einstellung einer Lichtfleckgröße auf der Probe (20), insbesondere zur Einstellung eines Lichtfleckes mit einem Durchmesser von weniger als 500 μm, ganz besonders mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 200 μm.
Ellipsometervorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel (30) zur Bestimmung von optischen Parametern aus mindestens einem der ellipsometrischen Winkel, insbesondere Schichtdicken, Brechungsindices, der Anisotropie von Brechungsindizes, der Struktur der Probe (20), Absorptionsbanden der Probe (20), der Rauhigkeit der Probe (20), Bandlücken der Probe (20), der Ladungsträgerkonzentration und / oder dem Schichtwiderstand der Probe (20), wobei diese Parameter auch zeitabhängig erfassbar sind.
Ellipsometervorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Lichtstrahl (2) und / oder dem zweiten Lichtstrahl (3) mindestens ein Retarder angeordnet ist.
Ellipsometrieverfahren zur Untersuchung einer Probe (20), insbesondere einer Probe (20) mit mindestens einer Beschichtung (21), dadurch gekennzeichnet, dass a) eine monochromatische Lichtquelle (1) im Einzelschussbetrieb, die einen ersten Lichtstrahl (2) auf die Probe (20) abstrahlt, wobei der erste Lichtstahl (2) über mindestens eine Polarisatorvorrichtung (8) passiert, b) die Probe (20) den ersten Lichtstrahl (2) reflektiert und c) ein reflektierter zweiter Lichtstrahl (3) über mindestens einen Strahlteiler (4, 5) und mindestens eine Polarisatorvorrichtung (9, 10) auf mindestens zwei Detektorvorrichtungen (6, 7) zur Messung mindestens eines ellipsometrischen Winkels der Probe (20) trifft.
Ellipsometrieverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzeit für den mindestens einen ellipsometrischen Winkel der Probe (20) zwischen 10 und 100 ms beträgt.
Ellipsometrieverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (20) ein Halbleitermaterial, ein Metall, ein Glasmaterial, ein Polymermaterial und / oder ein biologisches Material aufweist.
Ellipsometrieverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis c) für eine Vielzahl von Messpunkten auf der Probe (20) durchgeführt werden, wobei die Punkte insbesondere in einem regelmäßigen Muster auf der Probe (20) angeordnet sind.
Ellipsometrieverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ellipsometrische Winkel und / oder mindestens ein optischer Parameter der Probe (20) zeitabhängig bestimmt werden.