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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines optischen Parameters einer Halbleiterstruktur, insbesondere einer Halbleiterlaserstruktur.
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Halbleiterstrukturen und insbesondere Halbleiterlaserstrukturen bestehen aus mehreren Schichten von unterschiedlichen Halbleitermaterialien, die epitaktisch übereinander aufgewachsen sind und gegebenenfalls anschließend dann selektiv geätzt werden. Diese einzelnen Schichten bestehen aus unterschiedlichen Halbleiterverbindungen oder unterschiedlich dotierten Materialien, die jeweils unterschiedlichen Funktionen in der Struktur dienen, in Halbleiterlaserstrukturen beispielsweise der Lichterzeugung, Lichtführung und Stromführung. Dementsprechend hat jede Schicht in einer derartigen Struktur unterschiedliche optische Eigenschaften und Parameter, beispielsweise einen materialabhängigen Brechungsindex und unterschiedliche Dispersionseigenschaften.
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Wenngleich die vorliegende Erfindung zur Bestimmung von optischen Parametern prinzipiell bei beliebigen Halbleiterstrukturen eingesetzt werden kann, bei denen ein oder mehrere optische Parameter von Bedeutung sind, so wird im Folgenden insbesondere der Fall von Halbleiterlaserstrukturen diskutiert werden, da bei diesen die optischen Eigenschaften und Parameter eine herausragende Bedeutung aufweisen. Bei in einer solchen Struktur erzeugtem Laserlicht überlappt sich dieses nämlich mit mehreren der Schichten. Somit ergibt sich für die Lichtverteilung in der Halbleiterlaserstruktur ein „effektiver“ Brechungsindex, der Auswirkungen auf die letztendliche Emissionswellenlänge des entsprechenden Lasers hat. Der effektive Brechungsindex ergibt und berechnet sich aus dem gewichteten Mittelwert der Brechungsindizes der vom Licht durchstrahlten Schichten. Eine Schicht, die einen Großteil des Laserlichts führt, geht stärker in diese Mittelbildung ein als Schichten, die nur kleine Anteile des Lichts führen.
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Die genaue Kenntnis der optischen Eigenschaften von Halbleiterstrukturen ist zur Klassifizierung derartiger Strukturen insbesondere dann von Bedeutung, wenn höchste Anforderungen an die Präzision dieser Bauteile gestellt werden, die im Bereich der Herstellungstoleranzen oder darunter zu liegen haben. Während der Herstellung derartiger Halbleiterstrukturen auf Wafern entstehen nämlich sowohl während der lithographischen Ätzverfahren als auch während der epitaktischen Wachstumsverfahren über einen einzelnen Wafer hinweg Inhomogenitäten, beispielsweise in Richtung von der Mitte des Wafers aus zu seinem Rand.
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Da in der Regel mehrere separate Halbleiterstrukturen auf einem einzelnen Wafer erzeugt werden, die in einem späteren Herstellungsschritt vereinzelt werden, unterscheidet sich - insbesondere im bereits diskutierten Beispiel von Halbleiterlaserstrukturen - der effektive Brechungsindex von Lasern in der Wafer-Mitte von demjenigen am Wafer-Rand. Ferner unterscheidet sich der effektive Brechungsindex auch zwischen Chargen von nacheinander hergestellten Wafern, wenn an einer bestimmten Stelle jedes Wafers gemessen wird, aufgrund von Schwankungen in den Herstellungsanlagen. Um die gewünschte Zielwellenlänge einzustellen, müssen die Strukturen mit einem wellenlängenselektiven Element, wie einem absorbierenden Metallgitter, versehen werden. Würde man somit für die zur Wellenlängenselektion von Halbleiterlasern verwendeten Elemente aller derartig hergestellten Halbleiterlaser immer dieselbe Periode wählen, würde man über mehrere Wafer hinweg Laser mit streuenden Emissionswellenlängen produzieren. Ebenfalls streuen bereits auf einem einzelnen Wafer die Emissionswellenlängen von Lasern in der Wafer-Mitte im Vergleich zu Lasern am Wafer-Rand.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die genannten Gitterperioden zur Wellenlängenselektion anhand von Erfahrungswerten aus vorausgegangenen Prozessabläufen zu modifizieren. Wenngleich hierdurch einige der beschriebenen Effekte ausgeglichen werden können, so verbleibt dennoch eine Reststreuung der Emissionswellenlänge zwischen den derart hergestellten Halbleiterlasern, die in einem Intervall von etwa einigen Nanometern Breite liegt.
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Da in einigen Anwendungsfeldern, wie beispielsweise der Datenübertragung mit schmalen Bandabständen in Glasfasern auf dem Kommunikationssektor sowie in der Gassensorik, in der hochpräzise das Vorliegen von Gasen anhand ihrer äußerst schmalen Absorptionslinien bestimmt wird, eine wesentlich genauere Kenntnis der exakten Emissionswellenlängen einer einzelnen Halbleiterlaserstruktur vonnöten ist, wurde bisher der effektive Brechungsindex derartiger Halbleiterlaserstrukturen am Ende ihres Herstellungsprozesses bestimmt, indem die Emissionswellenlänge im Betrieb des Lasers mit einem Spektrometer gemessen worden ist. Somit lässt sich erst der Herstellung der Halbleiterstrukturen nachfolgend eine Charakterisierung der einzelnen Bauteile durchführen, auf deren Grundlage dann die exakte Emissionswellenlänge der entsprechenden Laserstruktur ermittelt wird, so dass das Bauteil dann dementsprechend ausgewiesen werden kann. Diese der Produktion nachfolgende Charakterisierung ist allerdings sehr teuer und zeitaufwändig und es kann nur indirekt und zeitverzögert in den Herstellungsprozess von später herzustellenden Strukturen eingegriffen werden, beispielsweise wenn eine klare Tendenz in Richtung kleinerer oder größerer Werte der Emissionswellenlänge ermittelt wird, die sich systematisch beheben lässt. Wünschenswert wäre jedoch eine Messung von wenigstens einem optischen Parameter von Halbleiterstrukturen, ohne dass diese zunächst einmal in Betrieb genommen werden müssen.
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Es ist demzufolge die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen von wenigstens einem optischen Parameter einer Halbleiterstruktur, insbesondere einer Halbleiterlaserstruktur, bereitzustellen, mittels welcher bzw. welchem der entsprechende optische Parameter gemessen werden kann, ohne die Halbleiterstruktur selbst in Betrieb nehmen zu müssen, so dass insbesondere eine Bestimmung des Parameters bereits während der Herstellung der Struktur ermöglicht wird. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, regelnd auf den Herstellungsprozess der Halbleiterstrukturen einzugreifen, so dass unter Umständen auf eine nachfolgende Charakterisierung der einzelnen Halbleiterstrukturen vollständig verzichtet werden kann, wodurch sich ein enormes Einsparpotential auf vielerlei Ebenen eröffnet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe umfasst zunächst die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens zwei unabhängige optische Messvorrichtungen mit wenigstens einer Lichtquelle und wenigstens einem Detektor, sowie eine Datenverarbeitungsvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, von den Detektoren der optischen Messvorrichtungen Daten zu erhalten und aus den erhaltenen Daten den wenigstens einen optischen Parameter der Halbleiterstruktur abzuleiten, wobei die optischen Messvorrichtungen dazu eingerichtet und angeordnet sind, Messungen an einem einzelnen Messpunkt durchzuführen. Hierbei können die Messungen entweder zeitgleich oder unabhängig voneinander durchgeführt werden, es ist jedoch stets sicherzustellen, dass der jeweilige Messpunkt der einzelnen Messeinheiten übereinstimmt.
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Durch das Verwenden wenigstens zweier unabhängiger optischer Messvorrichtungen ist es möglich, ausreichende Messdaten über Eigenschaften der Halbleiterstruktur aufzunehmen, die anschließend mit Hilfe von beispielsweise einem numerischen und/oder iterativen Modell in der Datenverarbeitungsvorrichtung analysiert werden können, sodass hieraus der momentane und/oder voraussichtliche effektive Brechungsindex der Struktur vorhergesagt werden kann, was durch Verwendung von Daten von einer der Messvorrichtungen alleine nicht möglich wäre, da diese die Struktur nicht ausreichend bestimmen.
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Die optischen Messvorrichtungen können hierbei wenigstens zwei umfassen aus einer Ellipsometrie-Messvorrichtung, einer Reflektometrie-Messvorrichtung, einer Interferometrie-Messvorrichtung, einer Mikroskopie-Vorrichtung, einer Konfokalmikroskopie-Vorrichtung, einer Spektroskopievorrichtung, einem Profilometer und einer Elektronenm ikroskopie-Vorrichtung.
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Hierbei wird in der Ellipsometrie Licht verwendet, welches unter einer definierten Polarisationsrichtung eine Probe, in diesem Fall die Halbleiterstruktur, beleuchtet. Durch die Wechselwirkung des Lichts mit den Oberflächenschichten ändert sich die Polarisation davon auf deterministische Weise, und die Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts kann aufgezeichnet werden. Im Gegensatz hierzu wird in der Reflektometrie die Drehung der Polarisation durch die Probe ignoriert und die Probe wird in der Regel senkrecht beleuchtet. Da an jeder Grenzfläche zwischen Schichten sowie zwischen der untersten Schicht und einem Substrat Licht reflektiert wird, ergibt sich ein messbares Interferenzsignal, das von der Anzahl, Dicke und dem Brechungsindex der einzelnen Schichten abhängt. In der örtlich aufgelösten Interferometrie, beispielsweise nach Michelson, kann schließlich die Strukturierung der Oberfläche einer Halbleiterstruktur exakt vermessen werden. Hierbei bildet die zu vermessende Probe den zweiten Spiegel eines Michelson-Interferometers.
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Des Weiteren können die optischen Messvorrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Ellipsometrie-Messvorrichtung umfassen, welche wiederum wenigstens zwei monochromatische Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge sowie einen oder mehrere Detektoren umfasst. Alternativ wäre auch denkbar, Lichtquellen mit gleicher Wellenlänge, aber einem unterschiedlichen Einfallswinkel zu verwenden. In beiden Varianten und auch einer möglichen Kombination daraus ist selbstverständlich ebenfalls darauf zu achten, dass die mehreren Lichtquellen denselben Messpunkt beleuchten. Durch die Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen ist es möglich, eine wellenlängenabhängige Dispersion der Probe abzuschätzen.
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Als Lichtquellen werden in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise monochromatische Lichtquellen und insbesondere Laser-Lichtquellen in den optischen Messvorrichtungen verwendet, deren Wellenlängen insbesondere zwischen etwa 200 nm und 20 µm, weiter insbesondere zwischen 760 nm und 2300 nm, liegen können. Hierbei ist es beispielsweise beim Einsatz von mehreren Lichtquellen in einer einzelnen Ellipsometrie-Messvorrichtung wünschenswert, einen möglichst großen Wellenlängenabstand zwischen den Lasern zu wählen, um eine präzise Messung der Dispersion der Halbleiterstruktur über einen großen Wellenlängenbereich erzielen zu können. Die Verwendung von Laser-Lichtquellen gegenüber monochromierten Breitbandlichtquellen ist bevorzugt, weil Laser spektral deutlich reiner und stabiler sind und kommerziell mit einer hohen Ausgangsleistung zur Erzielung eines optimalen Signal-Rausch-Verhältnisses erhältlich sind.
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Alternativ oder zu dem Einsatz von monochromatischen Lichtquellen wäre jedoch auch das Vorsehen von Weißlicht-Ellipsometrie und/oder - Reflektometrie möglich. Ferner sei festgehalten, dass der Begriff der monochromatischen Lichtquelle in diesem Zusammenhang auch den Einsatz von polychromatischen Lichtquellen zusammen mit entsprechenden Filtern vor oder nach dem Messpunkt einschließt.
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Um eine ausreichend hohe Auflösung für die in der Regel sehr feinen Halbleiterstrukturen erzielen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Messpunkt eine Ausdehnung von weniger als 300 µm, vorzugsweise weniger als 150 µm, aufweist. Es ist somit deutlich, dass der Begriff des „Messpunkts“ nicht im streng geometrischen Sinne zu verstehen ist, sondern dass er selbstverständlich eine endliche Ausdehnung aufweist und gemäß der Abstrahlcharakteristiken der einzelnen Lichtquellen auch eine variable Form aufweisen kann, in der Regel eine Kreis- oder Ellipsenform. Ferner kann zu seiner Lokalisierung im Zusammenhang mit der Justierung der Lichtquellen und der Detektoren die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner ein Mikroskop und/oder eine Mikroskopkamera umfassen, welches/welche vorzugsweise mit der Datenverarbeitungsvorrichtung in Datenverbindung steht, so dass der Vorgang der Justierung und Einstellung der Lichtquellen und Detektoren automatisch oder halbautomatisch angewiesen und durchgeführt werden kann.
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Um die korrekte Positionierung der Lichtquellen und Detektoren sicherstellen zu können und um ferner beispielsweise auch Messungen unter einem variablen Einstrahlwinkel durchführen zu können, kann es ferner vorteilhaft sein, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner wenigstens einen Antrieb zur Positionierung von wenigstens einer der Lichtquellen und/oder wenigstens einem der Detektoren umfasst, wobei der Antrieb oder die Antriebe vorzugsweise mit der Datenverarbeitungsvorrichtung in Datenverbindung steht/stehen, um wie bereits angesprochen den Vorgang der Justierung und Einstellung der Lichtquellen und Detektoren automatisch oder halbautomatisch durchführen zu können.
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Wie ebenfalls bereits angedeutet, kann die Datenverarbeitungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, als optischen Parameter den effektiven Brechungsindex der Halbleiterstruktur in dem Messpunkt abzuleiten, im Rahmen der vorliegenden Erfindungen können jedoch auch andere Parameter bestimmt werden, beispielsweise Dispersionseigenschaften, die Dotierung der Halbleiterstruktur und/oder die Stöchiometrie der verwendeten Elemente und ähnliches.
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Einer der entscheidenden Vorteile der vorliegenden Erfindung ist es, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner dazu eingerichtet sein kann, in eine Herstellungsanlage für Halbleiterstrukturen integriert oder integrierbar zu sein, insbesondere in eine Herstellungsanlage, die eine Vakuumkammer aufweist und/oder sich vollständig im Vakuum befindet, in welcher die Halbleiterstruktur während der Bestimmung des wenigstens einen optischen Parameters aufgenommen ist, da ein Betrieb der Halbleiterstruktur während der Messungen nicht notwendig ist.
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Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls eine Herstellungsanlage für Halbleiterstrukturen, insbesondere für Halbleiterlaserstrukturen, umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von wenigstens einem optischen Parameter von Halbleiterstrukturen, und insbesondere ferner umfassend eine Vakuumkammer, in welcher die Halbleiterstrukturen während der Bestimmung des wenigstens einen optischen Parameters aufgenommen sind.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines optischen Parameters einer Halbleiterstruktur, insbesondere einer Halbleiterlaserstruktur, gegebenenfalls unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wie oben beschrieben, umfassend die folgenden Schritte:
- - Durchführen von wenigstens zwei unabhängigen optischen Messungen jeweils mithilfe wenigstens einer Lichtquelle, und
- - Ableiten des wenigstens einen optischen Parameters der Halbleiterstruktur aus den Ergebnissen der wenigstens zwei Messungen,
wobei die beiden Messungen an einem einzelnen Messpunkt an der Halbleiterstruktur durchgeführt werden. Hierbei können die optischen Messungen entsprechend wenigstens zwei umfassen aus einer ellipsometrischen Messung, einer reflektometrischen Messung, einer interferometrischen Messung, einer mikroskopischen Messung, einer konfokalmikroskopischen Messung, einer spektroskopischen Messung, einer profilometerischen Messung und einer elektronenmikroskopischen Messung..
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Um die sich durch die wenigstens zwei optischen Messungen ergebenden Daten in einer Weise zu verarbeiten, die das Ableiten des wenigstens einen optischen Parameters erlaubt, kann der Schritt dieses Ableitens eine numerische Simulation der Halbleiterstrukturen und des Lichtverlaufs umfassen. Hierzu wird in der Regel die Lösung eines vieldimensionalen Gleichungssystems notwendig sein, in welches Kenntnisse über feste Parameter der Strukturen als Randbedingungen eingehen können, beispielsweise bekannte Eigenschaften der verwendeten Materialien und ähnliches. Ferner können in der numerischen Simulation auch Informationen verwendet werden, welche in früher durchgeführten Bestimmungen von optischen Parametern wenigstens einer anderen Halbleiterstruktur gewonnen worden sind. Auf diese Weise können beispielsweise bei einer iterativen Näherung während der Analyse auf Grundlage der früher gewonnenen Daten zur Bestimmung wenigstens eines optischen Parameters bereits geeignete Startwerte gewählt werden, was den Rechenaufwand verringert und die Präzision der Analyse erhöht.
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Weiterhin kann der Schritt des Durchführens von Messungen mehrmals bei unterschiedlichen Temperaturen der Halbleiterstruktur durchgeführt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine temperaturabhängige Dispersion der Halbleiterstruktur bestimmt werden.
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Wenn zur Messung des wenigstens einen optischen Parameters der Halbleiterstruktur diese Halbleiterstruktur nicht betrieben werden muss, kann der Schritt des Durchführens von Messungen zwischen zwei Schritten der Herstellung der Halbleiterstruktur in einer Herstellungsanlage für Halbleiterstrukturen durchgeführt werden, wobei gegebenenfalls der Bestimmung des wenigstens einen optischen Parameters nachfolgende Schritte der Herstellung der Halbleiterstruktur an die Ergebnisse der Bestimmung angepasst werden können. Auf diese Weise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine unmittelbare Rückkopplung oder gar das Etablieren einer Regelschleife, die einen Eingriff in Herstellungsprozesse ermöglicht und eine Feinabstimmung der nachfolgenden Schritte zur Anpassung von Parametern der Struktur und zur Verkleinerung von deren Streuungen während der Herstellung ermöglicht.
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Um insbesondere in dem genannten Fall der Integration der Messung des wenigstens einen optischen Parameters diesen in einer Weise in den Herstellungsprozess integrieren zu können, dass letzterer nicht zunehmend ineffizient wird, kann der Schritt des Durchführens der Messungen weniger als 5 Minuten dauern.
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Insbesondere kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Halbleiterstruktur ein Stegwellenleiter-Halbleiterlaser sein, das heißt mit einem schmalen, bei einem Ätzschritt nicht abgetragenen Bereich vorgesehen sein, durch den der Betriebsstrom in das Bauteil gelangt. In solchen Bauteilen wird in der Regel die Dimensionierung dieses Stegwellenleiters derart gewählt, dass die transversale Fundamentalmode selektioniert wird, wodurch die Emissionswellenlänge des Lasers festgelegt wird.
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Um einen hohen Grad an Serialisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erzielen, kann der wenigstens eine optische Parameter für mehrere Halbleiterstrukturen auf einem einzelnen Wafer aufeinander folgend bestimmt werden. In ähnlicher Weise kann das Verfahren auch sequentiell an mehreren repräsentativen Stellen an einer einzelnen Halbleiterstruktur wiederholt durchgeführt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen deutlich, wenn diese zusammen mit den beiliegenden Figuren betrachtet wird. Diese zeigen im Einzelnen:
- 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 2a und 2b zwei Varianten einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 4 eine schematische Darstellung einer interferometrischen Vermessung einer Probenoberfläche; und
- 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in einer Herstellungsanlage für Halbleiterstrukturen integriert ist.
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1 zeigt zunächst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu Bestimmung wenigstens eines optischen Parameters einer Halbleiterstruktur, die ganz allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet ist. Ferner ist in 1 die Halbleiterstruktur selbst als Teil eines Wafers P ausgebildet, wobei der Wafer P nach Beendigung aller Herstellungsschritte vereinzelt wird, das heißt in eine Mehrzahl von kleineren Einheiten von Halbleiterstrukturen aufgeteilt wird.
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Die Vorrichtung 100 umfasst zwei unabhängige optische Messvorrichtungen, nämlich eine Interferometrie-Messvorrichtung 110 und eine Ellipsometrie-Messvorrichtung 120. Die beiden Messvorrichtungen 110 und 120 umfassen jeweils eine monochromatische Lichtquelle in Form eines Lasers, die mit 112 bzw. 122 bezeichnet sind. Die beiden Laser 112 und 122 sind auf einen einzelnen Messpunkt S auf dem Wafer P gerichtet, wobei die Ausmaße des Messpunkts S weniger als 300 µm betragen.
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Um die exakte Ausrichtung der beiden Laser 112 und 122 auf den Messpunkt S sicherstellen zu können, ist der Laser 112 der Interferometrie-Messvorrichtung 110 in einer anpassbaren Position an einer Haltevorrichtung 114 angebracht, während der Laser 122 der Ellipsometrie-Messvorrichtung 120 an einem einstellbaren Tragearm 124 angeordnet ist, der auch als „Laserarm“ bezeichnet wird. Die jeweiligen Justierungen der Positionen und Ausrichtungen der Laser 112 und 122 können insbesondere über mechanische Präzisionsvorrichtungen erfolgen.
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In diesem Zusammenhang ist die Darstellung der Interferometrie-Messvorrichtung in der 1 rein schematisch und zur Verdeutlichung zu verstehen, insbesondere kann der Laser 112 der Interferometrie-Messvorrichtung 110 im Wesentlichen senkrecht auf den Wafer P gerichtet sein, beispielsweise in der in 4 gezeigten Weise, so dass eine senkrechte Rückstreuung des einfallenden Lichts zur Messung herangezogen wird. Dem hingegen ist der Laser 122 der Ellipsometrie-Messvorrichtung 120 unter einem Winkel auf den Wafer P gerichtet, so dass sein Lichtstrahl auch unter einem entsprechenden Ausfallwinkel detektiert werden muss.
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Die beiden Messvorrichtungen 110 und 120 umfassen hierzu ferner jeweils einen Detektor 116 bzw. 126, die ebenfalls hinsichtlich Ihrer Position anpassbar sind, im Falle des Detektors 116 der Interferometrie-Messvorrichtung 110 erneut an der Haltevorrichtung 114 und im Fall des Detektors 126 der Ellipsometrie-Messvorrichtung 120 an einem weiteren einstellbaren Arm 128, der auch als „Detektorarm“ bezeichnet wird.
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Nachdem sichergestellt worden ist, dass die beiden Laser 112 und 122 denselben Messpunkt S auf dem Wafer P beleuchten und die beiden Detektoren 116 und 126 das aus dem Messpunkt S zurückgelenkte Licht des entsprechenden Lasers 112 bzw. 122 aufnehmen, werden die jeweiligen Signale der Detektoren 116 und 126 an eine lediglich schematisch dargestellte Datenverarbeitungsvorrichtung 130 weitergeleitet, die anhand der erhaltenen Daten und numerischer Modelle eine Analyse der Messergebnisse durchführt und den wenigstens einen zu bestimmenden optischen Parameter der Halbleiterstruktur auf dem Wafer P ableitet.
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Die 2a und 2b zeigen nun zwei Varianten einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 200 bzw. 200' bezeichnet sind.
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Die beiden Vorrichtungen 200 und 200' umfassen jeweils in gleicher Weise wie die in 1 gezeigte Vorrichtung 100 zunächst einmal eine Interferometrie-Messvorrichtung 110, auf deren Beschreibung dementsprechend an dieser Stelle verzichtet werden soll. Im Gegensatz zu der Vorrichtung 100 aus 1 umfassen die Ellipsometrie-Messvorrichtungen 220 und 220` der Vorrichtungen 200 und 200' jedoch nicht nur eine einzelne Laser-Lichtquelle, sondern zwei Lichtquellen 222a und 222b bzw. drei Lichtquellen 222a' bis 222c'. Hierbei unterscheiden sich die beiden Varianten aus 2a und 2b dahingehend, dass in der Vorrichtung 200 aus 2a mehrere Laserarme 224a und 224b vorgesehen sind, von welchen jeder eine der Lichtquellen 222a und 222b trägt, während in der Variante 220` aus 2b lediglich ein einzelner Laserarm 224' vorgesehen ist, welcher sämtliche der drei Lichtquellen 222a' bis 222c' trägt.
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Es versteht sich, dass beide Varianten aus den 2a und 2b ihre Vorteile und ihre Nachteile haben, insbesondere ist in der Variante 200 aus 2a ein jeweiliger Antriebsmechanismus für beide der Laserarme 224a und 224b vorzusehen, was eine Anpassung der Positionen der beiden Lichtquellen 222a und 222b im Betrieb erlaubt, jedoch einen erhöhten konstruktiven Aufwand erfordert, während in der Variante 200' aus 2b eine äußerst präzise Ausrichtung der drei Lichtquellen 222a' bis 222c' an dem Laserarm 224' vorzunehmen ist, wonach dieser dann allerdings im Ganzen verlagert werden kann und keine präzise Nachjustierung der Lichtquellen untereinander mehr notwendig ist.
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Wenngleich in den 2a und 2b die jeweiligen Ellipsometrie-Messvorrichtungen 220 und 220` jeweils einen einzelnen Detektor 226 bzw. 226' umfassen, welcher an einem jeweiligen Detektorarm 228 bzw. 228' angebracht ist, so versteht es sich, dass in weiteren Varianten mehrere Detektoren vorgesehen sein könnten, die in ähnlicher Weise wie die Lichtquellen in den 2a und 2b jeweils an eigenen Detektorarmen angebracht sein könnten oder von einem gemeinsamen Detektorarm getragen werden könnten.
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Indem die mehreren Lichtquellen aus den 2a und 2b unterschiedliche Messparameter aufweisen, beispielweise Laserlicht mit verschieden Wellenlängen aussenden oder in einem anderen Winkel auf den Messpunkt S am Wafer P eingestrahlt werden, werden zusätzliche von der Datenverarbeitungsvorrichtung verwertbare Daten erfasst, die eine präzisere Bestimmung des wenigstens einen optischen Parameters oder die Bestimmung einer größeren Zahl von Parametern ermöglichen.
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3 zeigt nun in ähnlicher Weise eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet ist, und in der ebenfalls eine Interferometrie-Messvorrichtung 110 zum Einsatz kommt, wie sie bereits im Zusammenhang mit der 1 beschrieben worden ist. In dieser Ausführungsform unterscheidet sich die Ellipsometrie-Messvorrichtung 320 dadurch von der Ellipsometrie-Messvorrichtung 120 aus 1, dass sie ferner einen entfernbaren Polfilter 329 umfasst, während die Ellipsometrie-Messvorrichtungen 120 und auch 220 und 220` aus 2a und 2b einen fest installierten Polfilter aufweisen, der in den entsprechenden Figuren nicht dargestellt ist.
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Indem der Polfilter 329 nun aus dem Strahlengang herausgenommen wird, kann anstelle einer ellipsometrischen Messung eine reflektometrische Messung durchgeführt werden, sodass die Ellipsometrie-Messvorrichtung 320 ebenfalls als Reflektometrie-Messvorrichtung dienen kann. Auch hierdurch können zusätzliche Daten gewonnen werden, die von der Datenverarbeitungseinheit 330 zur Bestimmung zusätzlicher optischer Parameter des Wafers P oder wenigstens zur präziseren Bestimmung einzelner Parameter herangezogen werden können.
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4 zeigt nun schematisch den Aufbau einer Interferometrie-Messvorrichtung 400, die beispielsweise als Interferometrie-Messvorrichtung 110 wie in den 1 bis 3 verwendet, eingesetzt werden kann. Die Interferometrie-Messvorrichtung 400 umfasst zunächst eine Laserlichtquelle 402, deren Laserstrahl durch einen Kollimator 404 aufgeweitet wird und anschließend auf einen Strahlteiler 406 trifft. Dort wird der Strahl aufgeteilt, wobei der transmittierte Teil des Strahls auf einen beweglichen Spiegel 408 trifft, dort reflektiert wird und von dem Strahlteiler teilweise zu dem Wafer P reflektiert wird, der mit der Interferometrie-Messvorrichtung 400 vermessen wird.
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Der von dem Wafer P nun wiederum reflektierte Teil des Strahls wird durch den Strahlteiler 406 ebenfalls teilweise in Richtung einer CCD Kamera 410 transmittiert, wobei diese Kamera 410 zusätzlich den von den Strahlteiler 406 reflektierten Anteil des von dem Kollimator aufgeweiteten ursprünglichen Laserstrahls erhält. Hierdurch wird von der Kamera 410 das durch Interferenz zwischen den verschieden Strahlengängen entstehende Interferenzmuster aufgezeichnet und es können Informationen über die Struktur des Wafers P gewonnen werden. Die Interferometrie-Messvorrichtung 400 entspricht somit im Wesentlichen einem Michelson-Interferometer, wobei der Wafer P einen der beiden Spiegel darstellt.
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Zuletzt ist in 5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, die mit dem Bezugszeichen 500 bezeichnet und in eine Herstellungsanlage 600 für Halbleiterstrukturen integriert ist.
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Die Herstellungsanlage 600 umfasst eine Vakuumkammer 602, in der die üblichen Herstellungsschritte für Halbleiterstrukturen, wie beispielsweise lithographische Ätzschritte und epitaktische Wachstumsschritte durchgeführt werden. Dementsprechend befindet sich der durch die Vorrichtung 500 zu vermessende Wafer innerhalb der Vakuumkammer 602 und ist daher in der Darstellung aus 5 nicht zu sehen.
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Die Vakuumkammer 602 umfasst jedoch ferner drei Sichtfenster 604a bis 604c, durch die eine optische Messung von Parametern des Wafers bereits während seiner Herstellung möglich ist. Hierzu umfasst die Vorrichtung 500 erneut eine Ellipsometrie- und Reflektometrie-Messvorrichtung 620 sowie eine Interferometrie-Messvorrichtung 610, die jeweils analog zu den Messvorrichtungen aus den 1 und 3a dargestellt und aufgebaut sind.
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Hierbei tritt der von der Laserquelle 622 der Ellipsometrie-Messvorrichtung ausgesendete Laserstrahl durch ein erstes Sichtfenster 604a in die Vakuumkammer 602 ein, trifft dort in einem Messpunkt auf den zu vermessenden Wafer, und das von dem Messpunkt reflektierte Licht tritt erneut durch das zweite Sichtfenster 604b aus der Vakuumkammer 602 aus, um auf den Detektor 626 außerhalb der Vakuumkammer zu treffen. In ähnlicher Weise kann das Licht von der Lichtquelle 612 der Interferometrie-Messvorrichtung 610 durch das dritte Sichtfenster 604c in die Vakuumkammer 602 eindringen, wobei das von dem Wafer reflektierte Licht anschließend ebenfalls wieder durch das Sichtfenster 604c austritt und von dem Detektor 616 in der Interferometrie-Messvorrichtung 610 detektiert werden kann.
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Wenngleich die Datenverarbeitungsvorrichtung 630 somit unter Umständen den Einfluss des Lichtdurchgangs durch die Sichtfenster 604a bis 604c auf die Strahleigenschaften berücksichtigen und in die Modelle zur Auswertung der Messergebnisse einfließen lassen muss, so kann der in 5 gezeigte Aufbau dennoch einem Aufbau überlegen sein, in welchem die Messvorrichtungen selbst innerhalb der Vakuumanlage angeordnet sind.
