DE10307423A1 - Quality control of strongly ionized crystals, whereby high energy radiation is used to generated electron-hole pairs in the crystal and the corresponding absorption spectrum measured - Google Patents

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DE10307423A1 DE2003107423 DE10307423A DE10307423A1 DE 10307423 A1 DE10307423 A1 DE 10307423A1 DE 2003107423 DE2003107423 DE 2003107423 DE 10307423 A DE10307423 A DE 10307423A DE 10307423 A1 DE10307423 A1 DE 10307423A1
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Abstract

Quality control method, especially for strongly ionized crystals, in which a crystal (14) is irradiated with electromagnetic radiation (13) and reflected radiation (15) within a given wavelength bandwidth is detected. The bandwidth includes an absorption range in which the radiation is absorbed to form electron-hole pairs, with a resultant broad absorption peak detected in the spectrum of the reflected radiation. The width of the peak indicates the quality of the crystal.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsbestimmung von, insbesondere stark ionischen, Kristallen und die Verwendung derartig bestimmter Kristalle.The invention relates to a method for quality determination of, especially strongly ionic, crystals and the use such certain crystals.

Für die Abbildungseigenschaften der in Optiken verwendeten Kristalle sind häufig Fehlstellen und Versetzungen im Kristall von Bedeutung. Insbesondere für die Optiken für die energiereiche kurzwellige Strahlung im fernen Ultraviolett, wie sie beispielsweise für die Mikrolithographie verwendet wird, sind diese Fehlstellen und Versetzungen, also alle Abweichungen von der perfekten Gitterperiodizität, von besonderer Bedeutung. Für diese kurzwellige elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von beispielsweise 193 nm bzw. 157 nm oder noch darunter sind nur wenige Materialien für Optiken geeignet. Ein derzeit häufig verwendetes Material ist Calciumfluorid. Die Qualität der verfügbaren Kristalle ist mittlerweile zwar so gut, daß sich an Kristallen mit Dicken einiger Zentimeter praktisch keine Absorption bei den genannten Wellenlängen feststellen läßt. Jedoch hat sich gezeigt, daß elektromagnetische Strahlungen derart kurzer Wellenlängen trotzdem eine Schädigung (Laserdamage) im Material hervorrufen kann, welche die Absorption erhöht.For the imaging properties of the crystals used in optics are common Defects and dislocations in the crystal are important. In particular for the Optics for the high-energy short-wave radiation in the far ultraviolet, like for example for microlithography is used, these are imperfections and Dislocations, i.e. all deviations from the perfect lattice periodicity, are special Importance. For this short-wave electromagnetic radiation with a wavelength of, for example 193 nm or 157 nm or even less are only a few materials for optics suitable. A currently common The material used is calcium fluoride. The quality of the crystals available is now so good that crystals with thicknesses a few centimeters practically no absorption in the above wavelength can be determined. however has been shown to be electromagnetic Radiations of such short wavelengths still damage (laser damage) in the material, which increases the absorption.

In der WO 01/86032 ist ein mehrstufiges Verfahren zur Qualitätsbestimmung von Fluoridkristallen beschrieben, die Pb, Ce sowie Na als Verunreinigungen enthalten. Dabei wird neben der durch Bleiabsorption hervorgerufenen Luminiszenz auch die Orientierung von Kleinwinkelkorngrenzen durch Diffraktion von Synchrotronstrahlung bestimmt.In WO 01/86032 there is a multi-stage Quality determination procedure described by fluoride crystals, the Pb, Ce and Na as impurities contain. In addition to that caused by lead absorption Luminescence also through the orientation of small-angle grain boundaries Diffraction determined by synchrotron radiation.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich die Qualität von Kristallen auch dann noch quantitativ bestimmen läßt, wenn eine Absorption praktisch nicht nachweisbar ist.The basis of the invention The problem is to specify a method that can be used to improve the quality of crystals can also be determined quantitatively when absorption is practically not is detectable.

Zur Lösung des Problems wird ein Verfahren der eingangs genannten Art angegeben, bei dem eine elektromagnetische Strahlung auf einen Kristall eingestrahlt und die Absorption bzw. Änderung dieser Strahlung im Kristall in Reflexion in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich von λ1-λ2 bestimmt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich nun dadurch aus, dass der vorbestimmte Wellenlängenbereich denjenigen Bereich am unteren Rande der Bandkante umfasst, bei dem die Strahlung durch Anregung von Exzitonen im Kristall absorbiert wird und wobei die wellenlängenabhängige Reflektivität R = (IRefl(λ)): (IIn(λ)) detektiert wird. Die Wellenlängenabhängigkeit der Reflektivität wird als Maß für die Qualität des Kristalls verwendet. Als zweckmäßige Merkmale zur Bestimmung der Qualität haben sich die Lage des Minimums und des Maximums insbesondere zueinander sowie die dazwischenliegende Steigung gezeigt. Vorzugsweise wird im Absorptionsbereich jedoch eine komplexe dielektrische Funktion ε bestimmt und daraus der Imaginärteil ε ermittelt. Dabei dient die Peakbreite insbesondere die Peakhalbwertsbreite des Imaginärteiles im Absorptionsbereich, d.h. im Bereich der Exzitonenbildung als Maß für die Qualität des Kristalles.To solve the problem, a method of the type mentioned is specified in which electromagnetic radiation is radiated onto a crystal and the absorption or change of this radiation in the crystal is determined in reflection in a predetermined wavelength range of λ1-λ2. The method according to the invention is now characterized in that the predetermined wavelength range encompasses that region at the lower edge of the band edge in which the radiation is absorbed by excitation in the crystal and the wavelength-dependent reflectivity R = (I Refl (λ)): ( I is detected in (λ)). The wavelength dependence of the reflectivity is used as a measure of the quality of the crystal. The position of the minimum and maximum, in particular in relation to one another, and the slope in between have been shown to be useful features for determining the quality. Preferably, however, a complex dielectric function ε is determined in the absorption region and the imaginary part ε is determined therefrom. The peak width serves in particular the peak half width of the imaginary part in the absorption area, ie in the area of exciton formation as a measure of the quality of the crystal.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auch bei nahezu perfekten Kristallen energiereiche elektromagnetische Strahlung sogenannte Exzitonen erzeugen kann. Ein solches Exziton entsteht, wenn ein Elektron aus einem Valenzband des Kristalls in ein Leitungsband desselben angehoben wird und dabei ein Loch, also eine Stelle im Valenzband erzeugt, an der negative elektrische Ladung fehlt. Diese beiden treten miteinander in Wechselwirkung und das dabei entstehende Elektron-Loch-Paar wird als Exziton bezeichnet. Die Anregungsenergie für ein derartiges Exziton entspricht der Bandlücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, reduziert um die Bindungsenergie des Exzitons. Insbesondere entstehen sogenannte freie Exzitonen mit einem Elektron-Loch-Abstand, der in etwa im Bereich der Gitterkonstante liegt. Diese Exzitonen werden an Fehlstellen oder Versetzungen gestreut. Die Streuung an lokalen Verunreinigungen verkürzt die Exziton-Lebensdauer τ-1 = τ-1 ph + τ-1 sc, wobei ph Phononen und sc Scattering bedeutet. Wenn nun schrittweise aufeinanderfolgend für mehrere Wellenlängen elektromagnetische Strahlung erzeugt, auf den Kristall eingestrahlt und die Intensität der reflektierten Strahlung gemessen wird, so läßt sich daraus die wellenlängenabhängige komplexe dielektrische Funktion bestimmen. Es hat sich gezeigt, daß der Imaginärteil der dielektrischen Funktion einen Peak beschreibt, der einem Exziton zugeordnet werden kann. Dieser Peak enthält einen Maximalwert und eine bestimmte Peakbreite. Die Peakbreite dieses Exzitonenpeaks ist dabei klein genug, so daß sich dieser Peak insbesondere auch die Peakbreite recht deutlich bestimmen läßt. Es hat sich gezeigt, dass die Lebensdauer 1/Halbwertsbreite des Exzitons insbesondere bei niedrigen Temperaturen ein empfindliches Maß für die Anzahl der Fehlstellen und Versetzungen im Kristall darstellt.The method according to the invention is based on the knowledge that even with almost perfect crystals, high-energy electromagnetic radiation can produce so-called excitons. Such an exciton occurs when an electron is lifted from a valence band of the crystal into a conduction band of the crystal and thereby creates a hole, that is, a point in the valence band from which negative electrical charge is missing. These two interact with each other and the resulting electron-hole pair is called an exciton. The excitation energy for such an exciton corresponds to the band gap between the valence band and the conduction band, reduced by the binding energy of the exciton. In particular, so-called free excitons arise with an electron-hole distance that is approximately in the range of the lattice constant. These excitons are scattered at missing parts or transfers. The scatter of local impurities shortens the exciton lifetime τ -1 = τ -1 ph + τ -1 sc , where ph means phonons and sc scattering. If electromagnetic radiation is then successively generated for several wavelengths, irradiated onto the crystal and the intensity of the reflected radiation is measured, the wavelength-dependent complex dielectric function can be determined from this. It has been shown that the imaginary part of the dielectric function describes a peak that can be assigned to an exciton. This peak contains a maximum value and a certain peak width. The peak width of this exciton peak is small enough that this peak, in particular the peak width, can be determined quite clearly. It has been shown that the lifetime 1 / half-width of the exciton is a sensitive measure of the number of defects and dislocations in the crystal, especially at low temperatures.

Besonders gut für die Qualitätsbestimmung eignet sich die Halbwertsbreite des Exzitonenpeaks. Die Halbwertsbreite des Exzitonenpeaks hängt mit der Lebensdauer des Exzitons zusammen. Insbesondere ist die Halbwertsbreite des Exzitonenpeaks umgekehrt proportional zur Lebensdauer des Exzitons.Particularly well suited for quality determination the half-width of the exciton peak. The full width at half maximum of the exciton peak depends with the lifetime of the exciton. In particular, the Half width of the exciton peak inversely proportional to the lifetime of the exciton.

Je mehr Fehlstellen und Versetzungen es im Kristall gibt, desto schneller zerfällt das Exziton wieder und desto kürzer ist somit die Lebensdauer des Exzitons. Die Halbwertsbreite des Exzitonenpeaks ist somit dahingehend ein Maß für Unordnung, also für Fehlstellen und Versetzungen im Material, d.h. die Halbwertsbreite ist umso größer, je größer die Unordnung im Kristall ist.The more defects and dislocations there are in the crystal, the faster the exciton disintegrates and the shorter the lifespan of the exciton. The half-width of the exciton peak is therefore a measure of disorder, that is to say Defects and dislocations in the material, ie the larger the disorder in the crystal, the greater the half-width.

Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die elektromagnetische Strahlung hochenergetische Strahlung, insbesondere Synchrotronstrahlung. Mittels dieser hochenergetischen Strahlung läßt sich die Qualität des Kristalls besonders effizient bestimmen. Eine bevorzugte hochenergetische Strahlung ist Synchrotronstrahlung, die in hoher Qualität und hoher Intensität verfügbar ist.In another training of Invention is high energy electromagnetic radiation Radiation, especially synchrotron radiation. By means of this high energy Radiation can be the quality of the crystal particularly efficiently. A preferred high energy Radiation is synchrotron radiation that is of high quality and high intensity available is.

Es ist außerdem von Vorteil, wenn die vorgegebenen Wellenlängen mittels eines Monochromators eingestellt werden. Dieser Monochromator ermöglicht es, einen schmalen Wellenlängenbereich schrittweise aufeinanderfolgend auszuwählen. Dadurch lassen sich gute und reproduzierbare Ergebnisse erzielen. Insbesondere wird dadurch ein schrittweiser Scan möglich.It is also an advantage if the given wavelengths can be adjusted using a monochromator. This monochromator allows it, a narrow wavelength range gradually to select successively. This enables good and reproducible results to be achieved. In particular, this enables a step-by-step scan.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Strahlung an einer Spaltfläche, insbesondere der (111) Fläche, reflektiert. Derartige Spaltflächen lassen sich in hoher Qualität erzeugen, so daß unerwünschte Fehler bei der Qualitätsbestimmung des Kristalls ausgeschlossen werden können. Insbesondere die (111) Fläche läßt sich schnell und einfach erzeugen.In one embodiment of the invention the radiation at a slit surface, in particular the (111) Surface, reflected. Such gap areas can be in high quality generate so that unwanted errors in quality determination of the crystal can be excluded. In particular the (111) area let yourself generate quickly and easily.

Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die dem Maximalwert zugehörige Wellenlänge und/oder die Halbwertsbreite mit einem Ansatz

Figure 00050001
wobei ω = c / λ
n0 der statische Brechungsindex des Kristalls ist,
τ die Exzitonenlebensdauer ist,
ω0 der Exzitonenanregungsenergie entspricht,
εband der Anteil der Anregungen über die Bandlücke ist,
λ die Wellenlänge ist,
aus der Funktion
Figure 00050002
wobei R (λ) das wellenlängenabhängie Reflexionssignal,
ε (λ) die komplexe dielektrische Funktion,
λ die Wellenlänge ist,
mittels eines least-square Algorithmus ermittelt wird. Bei diesem sogenannten least-square Algorithmus werden die einzelnen Parameter variiert und zu jeder Wellenlänge die Abweichung des berechneten Intensitätswertes von dem gemessenen Intensitätswert bestimmt. Anschließend wird die Summe der Quadrate der Abweichungen gebildet. Als Ergebnis erhält man die Parameter, für die sich ein Minimum der Summe der Quadrate dieser Abweichungen ergibt. Dieser least-square Algorithmus kann beispielsweise auf einem konventionellen Computer durchgeführt werden. Standard fit routine aus dem gnu C++ libraries wie es beispielsweise in dem Programm "gnuplot" implementiert ist (erhältlich unter www.gnuplot.info/).A further development of the invention is characterized in that the wavelength associated with the maximum value and / or the half-value width with one approach
Figure 00050001
where ω = c / λ
n 0 is the static refractive index of the crystal,
τ is the exciton lifetime,
ω 0 corresponds to the exciton excitation energy,
ε band is the share of the excitations over the band gap,
λ is the wavelength
out of function
Figure 00050002
where R (λ) is the wavelength-dependent reflection signal,
ε (λ) the complex dielectric function,
λ is the wavelength
is determined using a least-square algorithm. In this so-called least-square algorithm, the individual parameters are varied and the deviation of the calculated intensity value from the measured intensity value is determined for each wavelength. The sum of the squares of the deviations is then formed. The result is the parameters for which there is a minimum of the sum of the squares of these deviations. This least-square algorithm can, for example, be carried out on a conventional computer. Standard fit routine from the gnu C ++ libraries as implemented, for example, in the "gnuplot" program (available at www.gnuplot.info/).

Prinzipiell ist das erfindungsgemäße Verfahren an einem Reflektionssignal in beliebigem Winkel nachweisbar, jedoch ist es bevorzugt das Reflektionssignal möglichst nahe zum ebenfalls möglichst senkrechten Strahleneinfall zu bestimmen. Das heisst, dass der Strahleneinfall sowie das gemessene Reflektionssignal möglichst im rechten Winkel zur Oberfläche des Kristalls stehen soll. Bevorzugte Abweichungen hierzu betragen maximal 15 Grad insbesondere maximal 10 Grad, wobei maximal 5 Grad bzw. maximal 2 Grad ganz besonders bevorzugt ist.In principle, the method according to the invention detectable at any angle at a reflection signal, however it is preferred that the reflection signal is as close as possible to the as vertical as possible To determine the incidence of radiation. That means that the radiation incidence and the measured reflection signal, if possible, at right angles to the surface of the Crystal should stand. Preferred deviations from this are maximal 15 degrees, in particular a maximum of 10 degrees, with a maximum of 5 degrees or a maximum of 2 degrees is particularly preferred.

Obwohl die erfindungsgemäße Bestimmung auch unter normaler Atmosphäre (Druck, Luft etc.) durchführbar ist, wird sie vorzugsweise im Vakuum insbesonders im Ultrahochvakuum durchgeführt. Dadurch lassen sich die Einflüsse von Verunreinigungen durch die Umgebungsluft ausschließen. Insbesondere, wenn die elektromagnetische Strahlung an einer Spaltfläche reflektiert werden soll, läßt sich so eine saubere und reproduzierbare Spaltfläche sicherstellen.Although the determination according to the invention also in a normal atmosphere (Pressure, air, etc.) feasible , it is preferably in a vacuum, especially in an ultra-high vacuum carried out. This allows the influences exclude contamination from the ambient air. In particular, when the electromagnetic radiation reflects on a slit surface should be thus ensuring a clean and reproducible gap area.

Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird zumindest der Kristall während der Qualitätsbestimmung auf eine, insbesondere tiefe Temperatur stabilisiert. Durch diese stabilisierte möglichst homogene Kristalltemperatur wird eine bessere Vergleichbarkeit der einzelnen Intensitätsdaten gewährleistet. Bei einer tiefen Temperatur lassen sich zudem thermische Effekte reduzieren. Im Idealfall zeigen sich bei T=0 Kelvin nur noch die Streuung an Verunreinigungen (Störstellen, Versetzungen), die die Lebensdauer eines Exzitons begrenzen. Übliche Messtemperaturen betragen 4 bzw. 4,2 K bis 400 K vorzugsweise 75 bzw. 77 K bis 300 K. Als besonders zweckmäßig haben sich Temperaturen zwischen 150 insbesondere 170 K und Raumtemperatur erwiesen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der zu bestimmende Kristall während des gesamten Messverfahrens über das gesamte Volumen hinweg eine einheitliche Temperatur auf.In another training of At least the crystal is invented during the quality determination stabilized to a, especially low temperature. Through this stabilized as homogeneous as possible Crystal temperature will be better comparability of each intensity data guaranteed. At a low temperature, thermal effects can also be experienced to reduce. Ideally, only those are shown at T = 0 Kelvin Scattering of impurities (impurities, Dislocations) that limit the lifespan of an exciton. Usual measuring temperatures are 4 or 4.2 K to 400 K, preferably 75 or 77 K to 300 K. Have been particularly useful temperatures between 150 in particular 170 K and room temperature proved. In a particularly preferred embodiment, the one to be determined has Crystal during of the entire measurement process the entire volume has a uniform temperature.

Das Verfahren mit den Erfindungsmerkmalen läßt sich vorteilhaft zur Qualitätsbestimmung von stark ionischen Kristallen verwenden. Insbesondere eignet es sich zur Qualitätsbestimmung von Calciumfluorid, Magnesiumfluorid, Bariumfluorid und Strontiumfluorid und Mischkristallen sowie von Korundkristallen wie Saphir.The method with the features of the invention let yourself advantageous for quality determination of strongly ionic crystals. It is particularly suitable for quality determination of calcium fluoride, magnesium fluoride, barium fluoride and strontium fluoride and mixed crystals as well as corundum crystals such as sapphire.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:In the following an embodiment of the Invention with reference to the figures explained. Show it:

1 eine schematische Darstellung zum Durchführen des Verfahrens mit den Erfindungsmerkmalen, 1 1 shows a schematic representation for carrying out the method with the features of the invention,

2 eine mit Synchrotronstrahlung gemessene Reflektivität, aufgetragen über der Wellenlänge, und 2 a reflectivity measured with synchrotron radiation, plotted against the wavelength, and

3 ein aus der Messung in 2 abgeleitetes Diagramm des Realteils und des Imaginärteils der dielektrischen Funktion, aufgetragen über die Wellenlänge. 3 on from the measurement in 2 derived diagram of the real part and the imaginary part of the dielectric function, plotted against the wavelength.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens mit den Erfindungsmerkmalen. Dargestellt ist eine Strahlungsquelle 10 zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung 11. Die Strahlungsquelle 10 kann beispielsweise ein Synchrotron 10 zum Erzeugen von Synchrotronstrahlung 11 sein. Die von dem Synchrotron 10 ausgehende Synchrotronstrahlung 11 durchläuft einen Monochromator 12 zum Erzeugen einer monochromatischen Strahlung 13. Die monochromatische Strahlung 13 trifft auf einen Kristall 14 und wird an diesem reflektiert. Die reflektierte Strahlung 15 gelangt von dem Kristall 14 zu einem Detektor 16, wo die Intensität der reflektierten Strahlung 15 gemessen wird. Nicht in der 1 dargestellt ist eine Steuerung für den Monochromator 12 und den Kristall 14. Wieterhin nicht in der 1 dargestellt sind Auswertemittel, wie beispielsweise ein Computer, zum Aufnehmen und Auswerten der von dem Detektor 16 gemessenen Intensität. Die nicht in der Figur dargestellte Steuerung dient zum Einstellen des von dem Monochromator 12 durchgelassenen Wellenlängenbereichs und zum eventuellen Steuern der Parameter des Kristalls 14. Solche Parameter können beispiels weise der Winkel des Kristalls 14 zu der monochromatischen Strahlung 13 sowie die Temperatur des Kristalls 14 sein. 1 shows a schematic representation of an apparatus for performing the method with the features of the invention. A radiation source is shown 10 to generate electromagnetic radiation 11 , The radiation source 10 can for example be a synchrotron 10 for generating synchrotron radiation 11 his. The synchrotron 10 outgoing synchrotron radiation 11 passes through a monochromator 12 to generate monochromatic radiation 13 , The monochromatic radiation 13 meets a crystal 14 and is reflected on this. The reflected radiation 15 gets from the crystal 14 to a detector 16 where the intensity of the reflected radiation 15 is measured. Not in the 1 a control for the monochromator is shown 12 and the crystal 14 , Still not in the 1 Evaluation means, such as a computer, are shown for recording and evaluating those from the detector 16 measured intensity. The control, not shown in the figure, is used to set the monochromator 12 transmitted wavelength range and for possibly controlling the parameters of the crystal 14 , Such parameters can be, for example, the angle of the crystal 14 to the monochromatic radiation 13 as well as the temperature of the crystal 14 his.

Ebenfalls nicht in der Figur dargestellt sind Mittel zum Einstellen der Temperatur des Kristalls 14.Means for adjusting the temperature of the crystal are also not shown in the figure 14 ,

2 zeigt ein Diagramm der Reflektivität. Aufgetragen ist die mit einer Synchrotronstrahlung bestimmete Reflektivität auf der Ordinate gegen die Wellenlänge in nm auf der Abszisse. Die Reflektivität R ist eine absolute dimensionslose Größe zwischen 0 und 1 normiert auf die eingetrahlte Intensität angegeben:

Figure 00090001
wobei I (λ) die von dem Detektor 16 ermittelte Intensität der reflektierten Strahlung 15 und I0 (λ) die Intensität der monochromatischen Strahlung 13 ist. Für das Reflexionssignal R gilt die folgende Gleichung:
Figure 00090002
wobei ε (λ) die komplexe dielektrische Funktion und λ die Wellenlänge ist. Mit einem Ansatz:
Figure 00090003
wobei ω = c / λ,
n0 der statische Brechungsindex des Kristalls ist,
τ die
Exzitonenanregungsenergie ist,
ω0 der Exzitonenanregungsenergie entspricht,
εband der Anteil der Anregungen über die Bandlücke ist, und
λ die Wellenlänge ist,
läßt sich mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus die komplexe dielektrische Funktion bestimmen. Dazu können beispielsweise die einzelnen Parameter mittels eines sogenannten least-square Algorithmus variiert werden und zu jedem Satz Parameter die Abweichung des so ermittelten Reflexionssignales von dem gemessenen Reflexionssignal bestimmt werden. Es wird dann für alle Wellenlängen die Summe der Quadrate der Abweichungen bestimmt. Als Ergebnis des leastsquare Algorithmus erhält man den Parametersatz mit dem diese Summe der Quadrate der Abweichungen den kleinsten Wert annimmt. Die komplexe dielektrische Funktion läßt sich dabei aufteilen: ε(λ)=ε'(λ)+ε''(λ) 2 shows a diagram of reflectivity. The reflectivity determined with a synchrotron radiation is plotted on the ordinate against the wavelength in nm on the abscissa. The reflectivity R is an absolute dimensionless quantity between 0 and 1 normalized to the radiated intensity:
Figure 00090001
where I (λ) is from that of the detector 16 determined intensity of the reflected radiation 15 and I 0 (λ) the intensity of the monochromatic radiation 13 is. The following equation applies to the reflection signal R:
Figure 00090002
where ε (λ) is the complex dielectric function and λ is the wavelength. With one approach:
Figure 00090003
where ω = c / λ,
n 0 is the static refractive index of the crystal,
τ the
Exciton excitation energy is
ω 0 corresponds to the exciton excitation energy,
ε band is the share of the excitations over the band gap, and
λ is the wavelength
the complex dielectric function can be determined using a suitable algorithm. For this purpose, for example, the individual parameters can be varied by means of a so-called least-square algorithm and the deviation of the reflection signal thus determined from the measured reflection signal can be determined for each set of parameters. The sum of the squares of the deviations is then determined for all wavelengths. The result of the leastsquare algorithm is the parameter set with which this sum of the squares of the deviations takes the smallest value. The complex dielectric function can be divided: ε (λ) = ε '(λ) + ε''(λ)

Dabei ist ε|(λ) der Realteil und ε||(λ) der Imaginärteil der komplexen dielektrischen Funktion ε (λ).Where ε | (λ) the real part and ε || (λ) the imaginary part of the complex dielectric function ε (λ).

3 zeigt ein Diagramm der dielektrischen Funktion aufgetragen gegen die Wellenlänge. Aufgetragen ist der Realteil bzw. der Imaginärteil der dielektrischen Funktion auf der Ordinate gegen die Wellenlänge in nm auf der Abszisse. Der Realteil ε|(λ) ist in der Figur mit einer durchgezogenen Linie wiedergegeben. Der Imaginärteil ε||(λ) ist in der Figur mit einer gepunkteten Linie dargestellt. Wie sich der Figur entnehmen läßt, ist im Bereich einer Wellenlänge von 112 nm ein Maximum des Imaginärteils ε||(λ) zu sehen. 3 shows a diagram of the dielectric function plotted against the wavelength. The real part or the imaginary part of the dielectric function is plotted on the ordinate against the wavelength in nm on the abscissa. The real part ε | (λ) is shown in the figure with a solid line. The imaginary part ε || (λ) is shown in the figure with a dotted line. As can be seen from the figure, there is a maximum of the imaginary part ε || in the region of a wavelength of 112 nm to see (λ).

Dieses Maximum läßt sich der Erzeugung eines sogenannten Exzitons bei dem verwendeten Calciumfluoridkristall zuordnen.This maximum can be generated so-called excitons in the calcium fluoride crystal used assign.

Dabei ist die dem Exzitonenpeak zugeordnete Peakbreite kennzeichnend für die Dichte der Verunreinigung bzw. Versetzung, an denen das Exziton gestreut wird. Der Exzitonenpeak liegt bei CaF2 bei einer Wellenlänge von 112 nm.The peak width assigned to the exciton peak is characteristic of the density of the contamination or dislocation at which the exciton is scattered. The exciton peak at CaF 2 is at a wavelength of 112 nm.

Weiter ist die Breite dieses Exzitonenpeaks der Lebensdauer τ des Exzitons umgekehrt proportional. Eingetragen in der Figur ist die sogenannte Halbwertsbreite H, bei der die Intensität auf ihren halben Wert abgeklungen ist. Als Maß für die Breite können aber auch andere Definitionen der Breite verwendet werden, wie beispielsweise die 1/e Breite, bei der die Intensität auf einen Wert 1/e abgeklungen ist.The width of this exciton peak is the Lifetime τ des Excitons are inversely proportional. Entered in the figure is so-called half-width H, at which the intensity on their half value has subsided. As a measure of the width, however other definitions of width can also be used, such as the 1 / e width at which the intensity declined to a value 1 / e is.

Da der Zusammenhang gilt:

Figure 00110001
ist die Breite, nämlich die Halbwertsbreite H, ein Maß für die Unordnung im Kristall. Die Lebensdauer τ eines Exzitons ist nämlich umso kleiner, je mehr durch chemische Verunreinigungen oder Versetzungen hervorgerufene Abweichungen von der perfekten Gitterperiodizität es in dem Kristall gibt. Auf diese Weise kann somit mittels Bestimmen der Breite H sowohl die Dichte der Verunreinigungen als auch gleichzeitig die Dichte von Kristallstörungen, wie Versetzungen etc., in einem Kristall bestimmt werden.Since the relationship applies:
Figure 00110001
is the width, namely the half width H, a measure of the disorder in the crystal. The lifespan τ of an exciton is in fact shorter, the more deviations from the perfect lattice periodicity caused by chemical impurities or dislocations exist in the crystal. In this way, by determining the width H, both the density of the impurities and, at the same time, the density of crystal defects, such as dislocations, etc., can be determined in a crystal.

1010
Synchrotronsynchrotron
1111
Synchrotronstrahlungsynchrotron
1212
Monochromatormonochromator
1313
monochromatische Strahlungmonochromatic radiation
1414
Kristallcrystal
1515
reflektierte Strahlungreflected radiation
1616
Detektordetector

Claims (10)

Verfahren zur Qualitätsbestimmung von insbesondere stark ionischen Kristallen, bei dem eine elektromagnetische Strahlung (13) auf einen Kristall eingestrahlt und die in Reflexion (15) dieser Strahlung im Kristall (14) in einem Wellenlängenbereich λ12 bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenbereich einen Absorptionsbereich umfasst, in dem die Strahlung unter Ausbildung von Exzitonen absorbiert wird, wobei durch diese Absorption ein eine Breite aufweisenden erzeugten Peak detektiert und aus der Peakbreite die Qualität des Kristalles bestimmt wird.Method for determining the quality of particularly strongly ionic crystals, in which an electromagnetic radiation ( 13 ) radiated onto a crystal and reflected ( 15 ) this radiation in the crystal ( 14 ) is determined in a wavelength range λ 12 , characterized in that the wavelength range comprises an absorption range in which the radiation is absorbed with the formation of excitons, whereby a generated peak having a width is detected by this absorption and the quality from the peak width of the crystal is determined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Absorptionsbereich eine komplexe dielektrische Funktion ε bestimmt und daraus der Imaginärteil (ε||) ermittelt wird und aus der Peakbreite die Qualität des Kristalles bestimmt wird.Method according to Claim 1, characterized in that a complex dielectric function ε is determined in the absorption region and the imaginary part (ε || ) is determined therefrom and the quality of the crystal is determined from the peak width. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Peakbreite die Halbwertsbreite (H) verwendet wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that that as Peak width the half width (H) is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektromagnetische Strahlung hochenergetisch, insbesondere Synchrotronstrahlung (11), ist.Method according to one of the preceding claims, in which the electromagnetic radiation is high-energy, in particular synchrotron radiation ( 11 ), is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebenen Wellenlängen mittels eines Monochromators (12) eingestellt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined wavelengths by means of a monochromator ( 12 ) can be set. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung (13) an einer Spaltfläche, insbesondere der (111) Fläche, reflektiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation ( 13 ) is reflected on a slit surface, in particular the (111) surface. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Maximalwert zugehörige Wellenlänge und/oder die Halbwertsbreite (H) mit einem Ansatz
Figure 00150001
wobei ω = c / λ, n0 der statische Brechungsindex des Kristalls ist, τ die Exzitonenlebensdauer ist, ω0 der Exzitonenanregungsenergie entspricht, εband der Anteil der Anregungen über die Bandlücke ist, λ die Wellenlänge ist, aus der Funktion
Figure 00150002
wobei R (λ) das wellenlängenabhängige Reflexionssignal, ε (λ) die komplexe dielektrische Funktion, λ die Wellenlänge ist, mittels eines least-square Algorithmus ermittelt wird.
Method according to one of the preceding claims, characterized in that the wavelength associated with the maximum value and / or the half-value width (H) with one approach
Figure 00150001
where ω = c / λ, n 0 is the static refractive index of the crystal, τ is the exciton lifetime, ω 0 corresponds to the exciton excitation energy, ε tied the portion of the excitations over the band gap, λ is the wavelength, from the function
Figure 00150002
where R (λ) the wavelength-dependent reflection signal, ε (λ) the complex dielectric function, λ the wavelength, is determined using a least-square algorithm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es im Vakuum, insbesondere im Ultrahochvakuum, durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized it is carried out in a vacuum, in particular in an ultra-high vacuum. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Kristall (14) während der Qualitätsbestimmung auf eine Temperatur von 4 K bis 400 K stabilisiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least the crystal ( 14 ) is stabilized to a temperature of 4 K to 400 K during the quality determination. Verwendung von mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche erhaltenen Kristall, zur Herstellung von Linsen, Prismen, Lichtleitstäben, optischen Fenstern sowie optischen Komponenten für die DUV-Photolithographie, Steppern, Excimer-lasern, Wafern, Computerchips, sowie integrierten Schaltungen und elektronischen Geräten, die solche Schaltungen und Chips enthalten.Use of the method according to one of the previous claims obtained crystal, for the production of lenses, prisms, light guide rods, optical Windows and optical components for DUV photolithography, Steppers, excimer lasers, wafers, computer chips, as well as integrated Circuits and electronic devices containing such circuits and contain chips.
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