DE10307423B4 - Method for determining the quality of crystals - Google Patents

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DE10307423B4 DE2003107423 DE10307423A DE10307423B4 DE 10307423 B4 DE10307423 B4 DE 10307423B4 DE 2003107423 DE2003107423 DE 2003107423 DE 10307423 A DE10307423 A DE 10307423A DE 10307423 B4 DE10307423 B4 DE 10307423B4
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Abstract

Verfahren zur Qualitätsbestimmung von insbesondere stark ionischen Kristallen, bei dem eine elektromagnetische Strahlung (13) auf einen Kristall eingestrahlt und die Reflexion (15) dieser Strahlung im Kristall (14) in einem Wellenlängenbereich λ1 bis λ2 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 aufweisender Peak erzeugt, eine Peakbreite ermittelt und aus der Peakbreite die Qualität des Kristalles bestimmt wird.Method for determining the quality of in particular strongly ionic crystals, in which an electromagnetic radiation (13) is irradiated onto a crystal and the reflection (15) of this radiation in the crystal (14) is determined in a wavelength range λ 1 to λ 2 , characterized in that Wavelength range includes an absorption region in which the radiation is absorbed to form excitons, this absorption generates a width-having peak, a peak width determined and from the peak width, the quality of the crystal is determined.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsbestimmung von, insbesondere stark ionischen, Kristallen und die Verwendung derartig bestimmter Kristalle.The The invention relates to a method for determining the quality of, in particular strongly ionic, crystals and the use of such specific 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 picture properties The crystals used in optics are often flaws and dislocations important in the crystal. Especially for the optics for the high-energy Short-wave radiation in the far ultraviolet, as for example for the Microlithography, these are defects and dislocations, So all deviations from the perfect lattice periodicity, of particular Importance. For this short-wave electromagnetic radiation having a wavelength of, for example 193 nm or 157 nm or even less are only a few materials for optics suitable. One currently common used material is calcium fluoride. The quality of the available crystals is now so good that on crystals with thicknesses a few centimeters practically no absorption in the mentioned wavelength determine. however has been shown that electromagnetic Radiations of such short wavelengths nevertheless a damage (Laserdamage) 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 is a multi-step method for quality determination of fluoride crystals containing Pb, Ce and Na as impurities contain. This is in addition to the induced by lead absorption Luminescence also the orientation of small angle grain boundaries Diffraction of synchrotron radiation determined.

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 underlying problem of the invention is to provide a method with the quality of crystals even then can be determined quantitatively, though absorption is virtually undetectable.

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 given, in which an electromagnetic radiation is irradiated to a crystal and the absorption or change of this radiation in the crystal in reflection in a predetermined wavelength range of λ1-λ2 is determined. The method according to the invention is characterized in that the predetermined wavelength range encompasses the region at the lower edge of the band edge in which the radiation is absorbed by excitons in the crystal and wherein the wavelength-dependent reflectivity R = (I Refl (λ)): ( I In (λ)) is detected. The wavelength dependence of the reflectivity is used as a measure of the quality of the crystal. As expedient features for determining the quality, the position of the minimum and the maximum in particular to each other and the intermediate slope have shown. Preferably, however, a complex dielectric function ε is determined in the absorption region and from this the imaginary part ε "is determined. The peak width in particular serves the peak half-width of the imaginary part in the absorption region, ie in the region of the 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 finding that energy-rich electromagnetic radiation can produce so-called excitons even in the case of nearly perfect crystals. Such an exciton arises when an electron is raised from a valence band of the crystal into a conduction band of the same, thereby creating a hole, that is, a position in the valence band that lacks negative electrical charge. These two interact 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 which is approximately in the range of the lattice constant. These excitons are scattered at defects or dislocations. The scattering of local impurities shortens the exciton lifetime τ -1 = τ -1 ph + τ -1 sc , where ph signifies phonons and sc scattering. If electromagnetic radiation is successively generated in succession for several wavelengths, irradiated onto the crystal and the intensity of the reflected radiation is measured, this can be used to determine the wavelength-dependent complex dielectric function. It has been found 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 specific peak width. The peak width of this exciton peak is small enough so that this peak, in particular, the peak width can be determined quite clearly. It has been found that the lifetime 1 / half width of the exciton, especially at low temperatures, is a sensitive measure of the number of defects and dislocations in the crystal.

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.Especially good for the quality determination is suitable the half-width of the exciton peak. The half width of the exciton peak hangs together with the lifetime of the exciton. In particular, the Halfwidth of the exciton peak inversely proportional to the lifetime 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.ever there are more defects and dislocations in the crystal, the faster decays the exciton again and the shorter is thus the lifetime of the exciton. The half width of the Thus, exciton peaks are a measure of disorder, ie defects and dislocations in the material, i. the half width is all the more bigger, ever bigger the Clutter in the crystal is.

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.at Another embodiment of the invention is the electromagnetic Radiation high energy radiation, especially synchrotron radiation. By means of this high-energy radiation, the quality of the crystal can be determine particularly efficiently. A preferred high energy Radiation is synchrotron radiation, which is 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 advantageous if the given wavelengths by means of a monochromator be set. This monochromator allows a narrow wavelength range gradually to select sequentially. As a result, good and reproducible results can be achieved. In particular, this makes a stepwise scan possible.

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.at an embodiment The invention relates to the radiation at a gap surface, in particular the (111) surface, reflected. Such cleavage surfaces can be in high quality generate, so that unwanted errors in the quality determination of the crystal can be excluded. In particular, the (111) area let yourself produce 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 development of the invention is characterized in that the wavelength associated with the maximum value and / or the half-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 fraction of excitations across the band gap,
λ is the wavelength,
from the function
Figure 00050002
where R (λ) is the wavelength-dependent reflection signal,
ε (λ) the complex dielectric function,
λ is the wavelength,
is determined by means of 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. Subsequently, the sum of the squares of the deviations is formed. As a result one obtains the parameters for which a minimum of the sum of the squares of these deviations results. For example, this least-square algorithm can be performed on a conventional computer. Standard fit routine from the gnu C ++ libraries as implemented for example in the program "gnuplot" (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 is the inventive method detectable at a reflection signal at any angle, however it is preferable that the reflection signal as close to as possible as vertical as possible To determine radiation incidence. This means that the radiation incidence and the measured reflection signal as possible at right angles to the surface of the Crystal should stand. Preferred deviations are maximum 15 degrees, in particular a maximum of 10 degrees, with a maximum of 5 degrees or maximum 2 degrees is very 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.Even though the determination of the invention also under normal atmosphere (Pressure, air, etc.) feasible is, it is preferably in vacuum, especially in ultra-high vacuum carried out. This allows the influences exclude from contamination by the ambient air. Especially, when the electromagnetic radiation is reflected at a cleavage surface should be, can be to ensure a clean and reproducible gap.

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.at Another embodiment of the invention is at least the crystal while the quality determination stabilized to one, in particular 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 achieved to reduce. Ideally, at T = 0 Kelvin only the Scattering of impurities (impurities, Dislocations), which limit the life of an exciton. Usual measuring temperatures are 4 or 4.2 K to 400 K, preferably 75 or 77 K to 300 K. To be particularly useful Temperatures between 150 in particular 170 K and room temperature proved. In a particularly preferred embodiment, the to be determined Crystal while of the entire measurement process the entire volume on 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 can be advantageous for quality determination use of strongly ionic crystals. In particular, it is suitable for quality determination of calcium fluoride, magnesium fluoride, barium fluoride and strontium fluoride and mixed crystals and of corundum crystals such as sapphire.

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

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

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

3 ein aus der Messung in 2 abgeleitetes Diagramm des Realteils und des Imaginärteils der dielektrischen Funktion, aufgetragen über die Wellenlänge. 3 a from the measurement in 2 derived diagram of the real part and the imaginary part of the dielectric function, plotted over 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. Shown is a radiation source 10 for generating electromagnetic radiation 11 , The radiation source 10 for example, a synchrotron 10 for generating synchrotron radiation 11 be. The of the synchrotron 10 outgoing synchrotron radiation 11 goes through a monochromator 12 for generating a 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 shown is a control for the monochromator 12 and the crystal 14 , Wieterhin not in the 1 illustrated are evaluation means, such as a computer, for receiving and evaluating the detector 16 measured intensity. The controller, not shown in the figure, is for adjusting that of the monochromator 12 transmitted wavelength range and for the eventual control of the parameters of the crystal 14 , Such parameters can, for example, the angle of the crystal 14 to the monochromatic radiation 13 as well as the temperature of the crystal 14 be.

Ebenfalls nicht in der Figur dargestellt sind Mittel zum Einstellen der Temperatur des Kristalls 14.Also not shown in the figure are means for adjusting the temperature of the crystal 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. Plotted is the reflectivity determined with a synchrotron radiation on the ordinate against the wavelength in nm on the abscissa. The reflectivity R is given as an absolute dimensionless variable between 0 and 1 normalized to the radiated intensity:
Figure 00090001
where I (λ) is the one from the detector 16 determined intensity of the reflected radiation 15 and I 0 (λ) the intensity of the monochromatic radiation 13 is. For the reflection signal R, the following equation holds:
Figure 00090002
where ε (λ) is the complex dielectric function and λ is the wavelength. With an approach:
Figure 00090003
where ω = c / λ,
n 0 is the static refractive index of the crystal,
τ is the exciton excitation energy,
ω 0 corresponds to the exciton excitation energy,
ε band is the fraction of excitations over the band gap, and
λ is the wavelength,
can be determined using a suitable algorithm, the complex dielectric function. 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. As a result of the leastsquare algorithm, one obtains the parameter set with which this sum of the squares of the deviations assumes 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. Plotted is the real part or the imaginary part of the dielectric function on the ordinate versus the wavelength in nm on the abscissa. The real part ε | (λ) is represented by a solid line in the figure. The imaginary part ε || (λ) is shown in the figure with a dotted line. As the figure is in the range of a wavelength of 112 nm, a maximum of the imaginary part ε || (λ).

Dieses Maximum läßt sich der Erzeugung eines sogenannten Exzitons bei dem verwendeten Calciumfluoridkristall zuordnen.This Maximum can be the generation of a so-called exciton 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 associated with the exciton peak is indicative of the density of the impurity at which the exciton is scattered. The exciton peak is at CaF 2 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.Further is the width of this exciton peak of the lifetime τ of the exciton inversely proportional. Entered in the figure is the so-called half-width H, at the intensity has subsided to its half value. As a measure of the width but can also other definitions of width are used, such as the 1 / e width at which the intensity subsided to a value 1 / e is.

Da der Zusammenhang gilt: H∝1/τ 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: Hα1 / τ is the width, namely the half width H, a measure of the disorder in the crystal. The lifetime τ of an exciton is the smaller, 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, it is thus possible to determine both the density of the impurities and, at the same time, the density of crystal defects, such as dislocations etc., 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 Reflexion (15) dieser Strahlung im Kristall (14) in einem Wellenlängenbereich λ1 bis λ2 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 aufweisender Peak erzeugt, eine Peakbreite ermittelt und aus der Peakbreite die Qualität des Kristalles bestimmt wird.Method for determining the quality of in particular strongly ionic crystals, in which an electromagnetic radiation ( 13 ) is irradiated on a crystal and the reflection ( 15 ) of this radiation in the crystal ( 14 ) is determined in a wavelength range λ 1 to λ 2 , characterized in that the wavelength range comprises an absorption region in which the radiation is absorbed to form excitons, this absorption producing a peak having a width, determining a peak width, and from Peak width the quality 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 des Imaginärteils 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 of the imaginary part. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Peakbreite die Halbwertsbreite (H) verwendet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that as Peak width the half width (H) is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektromagnetisohe Strahlung hochenergetisch, insbesondere Synchrotronatrahlung (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 vorgegebene Wellenlängen mittels eines Monochromators (12) eingestellt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that predetermined wavelengths are measured by means of a monochromator ( 12 ). 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 at a gap 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 dem 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-width (H) with the projection
Figure 00150001
where ω = c / λ, n 0 is the static refractive index of the crystal, τ is the exciton lifetime, ω 0 is the exciton excitation energy, ε band is the proportion of excitations across the band gap, λ is the wavelength, from the function
Figure 00150002
where R (λ) is the wavelength-dependent reflection signal, ε (λ) is the complex dielectric function, λ is the wavelength, 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 in that it in a vacuum, in particular in ultra-high vacuum, is performed. 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 during the quality determination to a temperature of 4 K to 400 K. 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, Stepper, Excimerlaser, Computerchips, sowie integrierte Schaltungen und elektronische Geräte, die solche Schaltungen und Chips enthalten.Use of with the method of one of previous claims obtained crystal for the production of lenses, prisms, Lichtleitstäben, optical Windows and optical components for DUV photolithography, steppers, excimer lasers, Computer chips, and integrated circuits and electronic devices contain such circuits and chips.
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