DE19707926A1

DE19707926A1 - Abbildendes Mikro-Ellipsometer

Info

Publication number: DE19707926A1
Application number: DE1997107926
Authority: DE
Inventors: Gunther Dr Elender; Rudolf Dr Merkel; Klaus Dipl Phys Neumaier; Erich Prof Dr Sackmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 1998-09-03

Description

Die Erfindung beschreibt ein abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsauflösenden abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie.

Ellipsometrie ist eine optische Technik zur Messung von Schichtdicken und Brechungsindizes dünner Schichten und Schichtsysteme an Oberflächen oder Grenzschichten zwischen zwei Medien. Bei schrägem Einfall auf die Oberfläche oder Grenzschicht hängen Reflexion (Reflexions-Ellipsometrie) und Transmission (Transmissions-Ellipsometrie) von der Polarisation des einfallenden Lichtes ab. Gleichzeitig kommt es zu interferometrischen Gangunterschieden, die durch die Reflexion des Lichtes an den verschiedenen Grenzschichten der Probe entstehen. Beide Effekte werden bei der Ellipsometrie zur Messung ausgenutzt [Azzam, 1977].

Normale ellipsometrische Verfahren mitteln bei der Messung lateral über den Bereich, der von der Lichtquelle beleuchtet wird. Dies setzt eine laterale Homogenität der Proben im Bereich des ausgeleuchteten Meßflecks voraus. Typische Strahldurchmesser bei Ellipsometern ohne entsprechende Zusatzoptiken liegen im Bereich von 500 µm und mehr. Dies führt im Idealfall z. B. bei einem Einfallswinkel von 70 Grad zu einem Meßfleck von ca. 500 µm.1000 µm. In vielen Bereichen, insbesondere in der Halbleiterindustrie werden aber ellipsometrische Messungen mit einer wesentlich größeren lateralen Auflösung benötigt.

Um diese hohe Ortsauflösung zu erreichen, wurden in den letzten Jahren verschiedene Verfahren vorgeschlagen.

Ein Verfahren beruht auf der Verwendung einer sogenannten Mikrospot-Optik. Dabei wird der Laserstrahl auf der Beleuchtungsseite kollimiert, um einen möglichst kleinen Beleuchtungsfleck zu erreichen. Zur Rekonstruktion von Probenparametern (Schichtdicken und Brechungsindizes einzelner Schichten oder Schichtsysteme) aus den ellipsometrischen Messungen ist ein definierter Einfallswinkel des Lichtes unabdingbar. Dies setzt einen parallelen Beleuchtungsstrahlengang voraus. Diese Bedingung steht im Widerspruch zur Kollimation des Beleuchtungslichtes in den obengenannten Mikrospot-Optiken [Barsukov, 1988 A][Barsukov, 1988 B]. Durch geeignete Blenden im Beobachtungsstrahlengang kann hier Abhilfe geschaffen werden. Ein weiteres Problem stellt hier derzeit eine geometrische Beschränkung der Kollimationsoptik durch den hohen Einfallswinkel dar, so daß zur Zeit nur Auflösungen im Bereich eines Strahldurchmessers von ca. 10 µm zu erreichen sind. Für ein wirkliches ellipsometrisches Bild der gesamten Oberfläche muß zudem die Probenoberfläche gerastert werden. Dies macht dieses Verfahren extrem langsam.

Ein anderes Konzept für ortsaufgelöste Ellipsometrie beruht darauf, daß die Detektionseinheit eines gewöhnlich Ellipsometers durch eine Abbildungsoptik ersetzt wird, mit der die Probenoberfläche unter einem schrägen Winkel (Einfallswinkel) beobachtet wird, d. h. man ersetzt den Detektor eines gewöhnlichen Ellipsometers durch ein bildgebendes Verfahren [Hurd, 1988] [Cohn, 1988] [Beaglehole, 1988] [Cohn, 1991] [Liu, 1994] [Prakash, 1995][Pak, 1995][Law, 1996]. Das ellipsometrische Bild wird über eine CCD-Kamera aufgezeichnet und jedes einzelne Pixel-Element der CCD-Kamera wird als eigenes Ellipsometer betrachtet. Dabei treten verschiedene Probleme auf: Zunächst ist zu bemerken, daß für ellipsometrische Messungen zwar nur die nullte Ordnung des von der Probe reflektierten Lichtes benötigt wird. Um aber eine hohe laterale Auflösung bei der Messung zu erhalten, müssen nach der Abbeschen Theorie der Bildentstehung mindestens die ersten Beugungsordnungen des untersuchten Objektes mit abgebildeten werden und man erhält für das Auflösungsvermögen eines Mikroskops (z. B. [Bergmann, 1987]):

Dabei ist s der Abstand zweier Objekte, die gerade noch getrennt aufgelöst werden können, λ ist die Wellenlänge des Lichtes, A_I ist die numerische Apertur der Beleuchtungsoptik und A₀ ist die numerische Apertur der Abbildungsoptik. Um eine hohe laterale Auflösung zu erzielen sind daher entsprechende numerische Aperturen in der Beleuchtungs- und/oder in der Abbildungsoptik erforderlich, die in der Regel nur durch entsprechend groß dimensionierte Linsen oder durch Mikroskopobjektive erreichbar sind. Um eine laterale Auflösung von 1 µm zu erreichen ist bei einer Wellenlänge von 632.8 nm (HeNe-Laser) nach obiger Gleichung eine gesamte numerische Apertur A_I + A₀ von mindestens 0.75 erforderlich. Derartig hohe numerische Aperturen stellen ein konstruktives Problem bei Einfallswinkeln von mehr als 50 Grad dar. Der Einfallswinkel wird dabei üblicherweise als Neigung der optischen Achse des Beleuchtungs- und des Beobachtungsstrahlengangs gegenüber der Normalen der Probenoberfläche angegeben. Insbesondere auf Siliziumoberflächen (Halbleiterindustrie) wird Ellipsometrie in der Regel bei Einfallswinkeln von ca. 70 Grad betrieben, um eine hohe Auflösung in den ellipsometrischen Meßgrößen A und Ψ zu erhalten.

Durch die Beleuchtung und Beobachtung unter schrägem Einfallswinkel entstehen gleichzeitig Probleme bei der Fokussierung. Die hohe numerische Apertur der Abbildungsoptik führt zu einer sehr geringen Tiefenschärfe der Abbildung. Bei den hohen Einfallswinkeln von 50 Grad und mehr wird somit bei herkömmlichen mikroskopischen Abbildungen nur ein sehr schmaler Streifen der Probe wirklich scharf abgebildet, da das reale Bild sehr stark gegen die optische Achse geneigt ist. Es wird daher versucht durch optische Hilfsmittel wie z. B. eine gegen die optische Achse geneigte Mattscheibe oder durch eine Drehung der CCD-Kamera gegen die optische Achse die Neigung des Bildes zu kompensieren und eine saubere, tiefenscharfe Abbildung zu erreichen [Rotermund, 1995][Jin, 1996]. Eine andere aufwendige Korrektur der Schärfentiefe könnte, ähnlich wie in der Brewster-Winkel-Mikroskopie, durch ein Nachfokussieren der Optik und eine streifenweise Aufzeichnung des Bildes erfolgen [Hénon, 1991].

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, bei ellipsometrischen Messungen eine möglichst hohe laterale Auflösung bei einem beliebigen Einfallswinkel zwischen 0 und annähernd 90 Grad zu erreichen und gleichzeitig ein direktes Bild in mikroskopischer Qualität von der Oberfläche zu erhalten und damit ohne Rasterung ein großes Gesichtsfeld auszumessen.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Mit der Erfindung werden dabei verschiedene Vorteile erzielt. Zum einen erlaubt die Erfindung ellipsometrische Messungen mit einer lateralen Auflösung von bis zu 0.5 µm. Dabei wird die ellipsometrische Information simultan über den gesamten Bereich des ausgeleuchteten und beobachteten Gesichtsfeldes gewonnen. Eine Rasterung der Oberfläche erübrigt sich somit. Dies bringt zum anderen gegenüber den normalerweise gebräuchlichen Mikrospot-Optiken einen enormen Zeitvorteil beim Messen.

Als Besonderheit und Neuheit des in Patentanspruch 1 beschriebenen Verfahrens der abbildenden Mikro-Ellipsometrie wird der Beobachtungswinkel aber nicht gleich dem Beleuchtungswinkel gewählt. Das reflektierte Licht wird unter einer Richtung beobachtet, die gegenüber dem Reflexionswinkel um den Winkel α gedreht ist und α ist gegeben durch die Beziehung:

α = arcsin(A) - Δα.

Dabei ist A die numerische Apertur der Abbildungsoptik. Δα hängt von der Güte der verwendeten Abbildungsoptik ab. Man erhält also für den Beobachtungswinkel:

Beobachtungswinkel = Beleuchtungswinkel - arcsin(A) + Δα.

Nach dieser Formel erhält man bei einem Beleuchtungswinkel von 70 Grad und bei einer numerischen Apertur der Abbildungsoptik von 0.4 einen Beobachtungswinkel von ca. 52 Grad, bei einer numerischen Apertur der Abbildungsoptik von 0.6 beträgt der Beobachtungswinkel bereits ca. 38 Grad. Dies erlaubt konstruktiv den Einsatz handelsüblicher Mikroskopobjektive und verringert die Probleme mit der geringen Tiefenschärfe der Abbildung durch den Beobachtungswinkel erheblich.

Möglichkeiten einer vorteilhaften und für verschiedene Einsatzzwecke angepaßten Ausgestaltung der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 20 angegeben.

Das Ellipsometer kann nach dem oben beschriebenen Verfahren sowohl in Reflexion als auch in Transmission eingesetzt werden. In Verbindung mit der Abbildung auf eine geeignet schräg gestellte Mattscheibe oder Faseroptische Platte mit jeweils nachfolgender geeigneter Abbildung auf den Sensor eines ortsauflösenden Detektors (z. B. CCD-Kamerachip) oder mit der Abbildung direkt auf den geeignet schräg gestellten Sensor eines ortsauflösenden Detektionssystems ist eine scharfe Abbildung des gesamten Gesichtsfeldes möglich. Durch die Wahl eines Beobachtungswinkels, der wesentlich kleiner ist als der Beleuchtungswinkel, verringert sich auch der Winkel erheblich, mit dem Mattscheibe, Faseroptische Platte oder Sensor des ortsauflösenden Detektionssystems gegen die optische Beobachtungsachse gekippt werden müssen, zusammen mit den damit verbundenen geometrischen und optischen Problemen. Weiterhin besteht auch im Falle des vorgeschlagenen Verfahrens die Möglichkeit durch geeignetes Nachfokussieren der Abbildungsoptik ein Bild der Oberfläche über das geeignet positionierte lateral ortsauflösende Detektorsystem streifenweise aufzuzeichnen und diese einzelnen Bildstreifen im Bedarfsfall über Bildverarbeitung zu einem Gesamtbild zusammenzusetzen. Durch die Wahl eines Beobachtungswinkels, der wesentlich kleiner ist als der Beleuchtungswinkel, verringert sich in diesem Fall durch einen wesentlich breiteren scharf abgebildeten Bereich die Anzahl der aufzuzeichnenden Streifen erheblich.

Durch einen geeigneten Aufbau ist es möglich eine lateral ortsaufgelöste ellipsometrische Messung mit einem lateral ortsauflösenden Detektors (z. B. CCD-Kamera) durchzuführen, ebenso wie mit dem gleichen Aufbau leicht integrierenden Punktmessungen über einen Punktsensor durchgeführt werden können, indem das Licht, das durch die Abbildungsoptik gesammelt wird auf einen Punktsensor (z. B. Photodiode) fokussiert wird, der an der Stelle des lateral ortsauflösenden Detektors eingesetzt wird. Durch eine Strahlteilung z. B. über Strahlteilerwürfel ist dabei sogar eine simultane ellipsometrische Messung mit beiden Methoden möglich.

Entsprechend seinem Grundaufbau kann das abbildende Mikro-Ellipsometer in seinem polarisationsoptischen Aufbau nach einem der üblichen ellipsometrischen Verfahren aufgebaut sein. Da die polarisationsoptischen Komponenten idealerweise in Bereichen mit parallelem Strahlengang eingebaut sind, können mit einem Grundaufbau durch den entsprechenden Einbau der polarisationsoptischen Komponenten leicht verschiedene Ellipsometeraufbauten (z. B. PCSA, PSCA, etc. mit P: Polarisator, C: Kompensator (normalerweise eine λ/4-Platte), S: Probe, A: Analysator) realisiert werden. Der Einsatz von herkömmlichen doppelbrechenden Materialien für die polarisationsoptischen Komponenten stellt dabei die einfachere Aufbauvariante dar, der Einsatz von elektrooptischen, magnetooptischen oder akustooptischen Komponenten bringt Vorteile bei Problemen wie Strahlversatz und Strahlablenkung durch doppelbrechende Komponenten mit produktionsbedingt nicht exakt planparallelen Stirnflächen.

In das Ellipsometer können leicht verschiedene Lichtquellen in den Strahlengang über Strahlteilerwürfel, über Lichtleitereinkopplung oder über direkten Anbau eingekoppelt werden. So können neben verschiedenen Laserlichtquellen auch das Licht einer Lampe mit geeigneter Monochromatisierung oder Licht aus einem Spektrometer in das Ellipsometer eingekoppelt werden.

Eine wesentliche Verbesserung der Qualität des Beleuchtungslichtes und eine homogene Ausleuchtung der Probe am Ort der ellipsometrischen Messung ist insbesondere im Falle von Laserlicht durch den Einsatz einer geeigneten Strahlaufweitung evtl. mit Raumfilterung zu erreichen. Insbesondere bei der Verwendung von Laserlicht können Beugungsmuster durch Staubpartikel, Kratzer auf Optiken, etc. (sogenannte Speckle-Muster) durch die Verwendung eines Kohärenzzerstörers (englisch: coherence scrambler) im Beleuchtungsstrahlengang reduziert oder unterdrückt werden. Dies erhöht die Qualität der lateral ortsaufgelösten ellipsometrischen Messung. Als Kohärenzzerstörer eignet sich z. B. eine schnell rotierende Mattscheibe.

Der optische Aufbau des Ellipsometers gestattet auch den Betrieb bei verschiedenen Wellenlängen bis hin zum Einsatz als lateral ortsauflösendes, spektrales Mikro-Ellipsometer. Ebenso kann das Mikro-Ellipsometer bei verschiedenen Beleuchtungswinkeln und entsprechend der in Patentanspruch 1 angegebenen Beziehung berechneten zugehörigen Beobachtungswinkel betrieben werden. Zweckmäßiger Weise werden hierzu Beleuchtungseinheit Probenhalter und Beobachtungseinheit des Ellipsometers in geeigneter Weise über ein Doppelgoniometer oder über zwei einzelne konzentrische Goniometer kombiniert aufgebaut, so daß eine leichte und schnelle Variation des Einfallswinkels möglich ist.

Durch den Einsatz der entsprechenden optischen Komponenten kann das beschriebene Ellipsometer in jedem üblichen und gewünschten Ellipsometriemodus (z. B. Null-Modus, rotierender Analysator, rotierender Kompensator, rotierender Polarisator, zyklisch polarisationsverändernde elektrooptische, magnetooptische oder akustooptische Komponenten) betrieben werden.

Durch den Einsatz von geeigneten x- y- und z- Verstelleinheiten und von geeigneten Dreh- bzw. Kippmöglichkeiten um x- y- und z-Achse bei der Probenhalterung im Ellipsometer ist eine exakte Probenpositionierung möglich.

Durch die Verwendung eines Autokollimationsverfahrens ist zudem eine rasche Probenorientierung bezgl. des Einfallswinkels möglich.

Die Ausstattung des Ellipsometers mit Vorrichtungen zum automatisierten Probenhandling und Probenalignment ermöglicht schließlich den Einsatz des Ellipsometers z. B. in Fertigungsstraßen und unter Reinraumbedingungen in der Halbleiterindustrie.

Eine Erweiterung des Ellipsometeraufbaus mit anderen mikroskopischen und optischen Verfahren zur Probeninspektion ist möglich. So kann das Ellipsometer durch herkömmliche und konfokale Lichtmikroskopie-Verfahren (z. B. Hellfeld-, Dunkelfeld-, DIC-, Phasenkontrast-, Polarisations-, Fluoreszenzmikroskopie, Brewsterwinkel-Mikroskopie, etc.), durch IR-Mikroskopie und -Spektroskopie durch Interferometrie und Ramanspektroskopie erweitert werden und bietet so eine Möglichkeit komplexe Strukturuntersuchung und Analysen durchzuführen. Insbesondere sind mikroskopische IR- und Ramanspektroskopie als Erweiterungen des abbildenden Mikro-Ellipsometers möglich. Ebenso sind Erweiterungen durch zeitauflösende Techniken wie Fluoreszenzlebensdauermessungen möglich.

Durch eine direkte Integration des abbildenden ellipsometrischen Mikroskops in Anlagen zur Beschichtung und/oder Schichtabtragung ist an lateral strukturierten Oberflächen eine direkte Prozeßüberwachung und/oder eine Prozeßendkontrolle möglich.

Ähnlich wie bei normaler Mikroskopie sind auch mit dem abbildenden Mikro-Ellipsometer Immersionstechniken möglich, die die Einsatzmöglichkeiten des Ellipsometers in Forschung und Entwicklung erheblich erweitern. So kann das Ellipsometer nicht nur an Luft als Medium betrieben werden, sondern es können z. B. für biophysikalische und biologische Untersuchungen auch Messungen unter Wasser in Glyzerin/Wasser-Mischungen u.ä. durchgeführt werden. Ebenso können in der Physiko-Chemie Adsorptionsprozesse in Lösungen lateral ortsaufgelöst und zeitaufgelöst untersucht werden.

Eine sinnvolle Steuerung, Überwachung, Verarbeitung, Auswertung und Darstellung der Messungen und Ergebnisse erfolgt über entsprechenden Einsatz geeigneter Computer mit entsprechend geeigneter Bildaufnahme- und Bildverarbeitungs- Hard- und Software und entsprechenden, geeigneten visuellen und/oder druckenden Ausgabegeräten.

Literaturliste

Azzam, R. M. A., Bashara, N. M. 1977. Ellipsometry and polarized light. North Holland, Amsterdam.

Barsukov, D. O., Gusakov, G. M., Komarnitskii, A. A.: "Precision ellipsometry based on a focused light beam. Part 1", Opt. Spectrosc. (USSR), 64 6 (1988 A) 782-785.

Barsukov, D. O., Gusakov, G. M., Komarnitskii, A. A.: "Precision ellipsometry based on a focused light beam. 2: Analysis of sensifivity", Opt. Spectrosc. (USSR), 65 2 (1988 B) 237-240.

Beaglehole, D.: "Performance of a microscopic imaging ellipsometer", Rev. Sci. Instmm., 59 12 (1988) 2557-2559.

Bergmann, L., Schaefer, C. 1987. Bergmann Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band III Optik. Walter de Gruyter, Berlin, New York.

Cohn, R. F., Wagner, J. W., Kruger, J.: "Dynamic imaging micro-ellipsometry: theory, system design, and feasibility demonstration", Appl. Optics, 27 22 (1988) 4664-4671.

Cohn, R. F., Wagner, J. W. Dynamic imaging ellipsometry. 1991. US Pat. No. 5,076,696.

Hénon, S., Meunier, J.: "Microscope at the Brewster-angle: direct observation of first-order phase transitions in monolayers", Rev. Sci. Instrum., 62 4 (1991) 936-939.

Hurd, A. J., Brinker, C. J.: "Optical sol-gel coatings: ellipsometry of film formation", J. Phys. France, 49 (1988) 1017-1025.

Jin, G., Jansson, R., Arwin, H.: "Imaging ellipsometry revisited: Developments for visualization of thin transparent layers on silicon substrates", Rev. Sci. Instrum., 67 8 (1996) 2930-2936.

Law, B. M. Ellipsometric microscope. 1996. WO Pat. No. WO 9629583 A1 960926.

Liu, A.-H., Wayner, P. C. J., Plawsky, J. L.: "Image scanning ellipsometry for measuring nonuniform film thickness profiles", Appl. Opt., 33 7 (1994) 1223-1229.

Pak, H. K., Law, B. M.: "2D imaging ellipsometric microscope", Rev. Sci. Instrum, 66 10 (1995) 4972-4976.

Prakash, S. S., Brinker, J. C., Hurd, A. J., Rao, S. D.: "Silica aerogel films prepared at ambient pressure by using surface derivatization to induce reversible drying shrinkage", Nature, 374 (1995) 439-443.

Rotermund, H. H., Haas, G., Franz, R. U., Tromp, R. M., Ertl, G.: "Imaging pattern formation in surface reactions from ultrahigh vacuum up to atmospheric pressures", Science, 270 (1995) 608-610.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen Abbildendes Mikro-Ellipsometer

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Übersicht über den optischen Aufbau und den optischen Strahlengang des vorgeschlagenen abbildenden Mikro-Ellipsometers am Beispiel eines PCSA-Aufbaus (P: Polarisator; C: Kompensator; S: Probe; A: Analysator).

Fig. 2 zeigt das Beispiel einer Lichtquelleneinheit mit einer Einkopplung verschiedener Lichtquellen über Strahlteilerwürfel.

Fig. 3 zeigt das Beispiel einer Lichtquelleneinheit mit einer Einkopplung verschiedener Lichtquellen über Lichtleiter.

Fig. 4 zeigt eine Möglichkeit zur Gestaltung des Detektionssystems.

Fig. 5 zeigt Möglichkeiten zur Realisation von gleichzeitigen Messungen im integralen Punktmodus und im lateral ortsaufgelösten abbildenden Mikro-Ellipsometriemodus.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird paralleles Licht in einer Lichtquelleneinheit (1) erzeugt und durch einen Polarisator (2) und einen optionalen Kompensator (3) in einen Zustand mit definierter Polarisation gebracht. Dieses Licht trifft unter einem definierten Einfallswinkel auf die Probe (4) und wird von dieser reflektiert. Das reflektierte Licht wird unter einer Richtung beobachtet, die gegenüber dem Reflexionswinkel um den Winkel α gedreht ist. α ist dabei gegeben durch die Beziehung:

α = arcsin(A) - Δα

A ist die numerische Apertur der Abbildungsoptik (5). Δα hängt von der Güte der verwendeten Abbildungsoptik ab. Die Abbildungsoptik (5) bildet das gesammelte Licht über einen Analysator (6), mit dem die Polarisation des von der Probe (4) reflektierten Lichtes analysiert wird und über eine Tubusoptik (7) auf das Detektionssystem (8) ab. Dieses kann z. B. in einer gegenüber der optischen Achse des Abbildungssystems geeignet gekippten CCD-Kamera bestehen. Eine andere Gestaltungsmöglichkeit für das Detektionssystem zeigt

Fig. 4.

Ein Beispiel zur Ausgestaltung der Lichtquelleneinheit (1) zeigt Fig. 2. Licht verschiedener Lichtquellen (18), (19), (20) wird in den Strahlengang des Ellipsometers über verschiedene Strahlteilerwürfel (13), (14) eingekoppelt. Dabei können die einzelnen Lichtquellen z. B. durch geeignete Blenden (15), (16), (17) geschaltet werden. Im Hauptstrahlengang des Ellipsometers befindet sich ein optionaler Kohärenzzerstörer (12) und eine optionale Strahlaufweitung bestehend hier aus den Linsen (9) und (11) und einer ebenfalls optionalen Raumfilterung (10). Dieses System der Lichteinkopplung ist auf mehr als drei Lichtquellen erweiterbar.

Eine andere Möglichkeit zur Ausgestaltung der Lichtquelleneinheit ist in Fig. 3 dargestellt. Hier wird das Licht der Lichtquellen (34), (35), (36) über geeignete Optiken (28), (29), (30) in Lichtleiter (25), (26), (27) eingekoppelt und auf diese Weise in den Hauptstrahlengang des Ellipsometers eingeführt. Im Hauptstrahlengang des Ellipsometers befindet sich ein optionaler Kohärenzzerstörer (24) und eine optionale Strahlaufweitung bestehend hier aus den Linsen (21) und (23) und einer ebenfalls optionalen Raumfilterung (22). Die einzelnen Lichtquellen sind über geeignete Blenden (31), (32), (33) schaltbar. Dieses System der Lichteinkopplung ist ebenfalls auf mehr als drei Lichtquellen erweiterbar.

Eine Möglichkeit zur Ausgestaltung der Detektionseinheit (8) ist in Fig. 4 dargestellt. Das Licht wird durch die Tubuslinse (7) hier zunächst auf eine Faseroptische Platte (37) oder auf eine Mattscheibe (37) abgebildet, die geeignet schräg gegenüber der optische Achse der Abbildungsoptik gedreht ist. Das dabei entstehenden Bild wird über eine Optik (38) auf das Kamerasystem (39) (z. B. CCD-Kamera) abgebildet.

Ebenso ist es möglich, die oben genannte Faseroptische Platte (37) in geeigneter Weise direkt auf den Sensor des lateral ortsauflösenden Detektionssystems zu kitten. Somit entfällt die Abbildungsoptik (38) und lateral ortsauflösender Detektor und Faseroptische Platte bilden die Detektionseinheit (8).

Fig. 5 zeigt zwei Möglichkeiten, wie der optische Aufbau des abbildenden Mikro- Ellipsometers so modifiziert werden kann, daß eine simultane Messung von lateral ortsauflösender Mikro-Ellipsometrie und lateral integrierender Punktellipsometrie möglich ist. Einmal kann eine Strahlaufspaltung im parallelen Strahlengang bereits vor der Tubuslinse (7) z. B. durch einen Strahlteilerwürfel (40) erfolgen. Der ausgekoppelte Teilstrahl wird über eine Linse (41) auf einen integrierenden Punktsensor (42) (z. B. Photodiode) fokussiert. Diese Auskopplung ist auch dann möglich, wenn das Detektionssystem (8) durch ein geeignet quer gestelltes Kamerasystem realisiert ist. Erfolgt eine Realisation des Detektionssystems entsprechend Fig. 4, so kann eine Aufspaltung des Strahlengangs auch im Bereich des Detektionssystems z. B. durch einen Strahlteilerwürfel (43) und nachfolgende Fokussierung des ausgekoppelten Teilstrahls durch eine Linse (44) auf einen integrierenden Punktsensor (45) (z. B. Photodiode) erfolgen.

Claims

1. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau des Ellipsometers im Grundprinzip dem optischen Aufbau eines
gewöhnlichen Ellipsometers entspricht, wobei die Probe unter einem definierten Einfallswinkel Θ (Beleuchtungswinkel) mit Licht definierter Polarisation beleuchtet wird, die Detektorseite mit einer Abbildungsoptik von hoher numerischer Apertur A ausgestattet und der Beobachtungswinkel wesentlich kleiner als der Beleuchtungswinkel gewählt wird, nach der Beziehung:
Beobachtungswinkel = Beleuchtungswinkel - arcsin(A) + Δα,
wobei Δα von der Güte der verwendeten Abbildungsoptik abhängt und das von der Probe reflektierte Licht bezüglich der Intensität und des Polarisationszustandes ausgewertet wird.

2. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsometer in einem Reflexionsmodus und/oder in einem Transmissionsmodus betrieben werden kann.

3. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsometer aus einer oder mehreren, im Bedarfsfall schaltbaren, Lichtquellen mit keiner, einer oder mehreren polarisationsoptischen Komponenten im Beleuchtungs strahlengang, einem Probenhalter und einer Detektoreinheit mit keiner, einer oder mehreren polarisationsoptische Komponenten im Detektionsstrahlengang und einem oder mehreren, im Bedarfsfall schaltbaren, Detektoren besteht.

4. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion des Meßsignals in der Detektoreinheit über ein geeignetes ortsauflösendes Detektionssystem (z. B. CCD-Kamera, SIT-Kamera, Restlichtkamera, o. ä.) in einem bildgebenden Modus lateral ortsaufgelöst erfolgt (abbildende Mikro-Ellipsometrie) oder über ein lateral integratives Verfahren (Fokussierung des Lichtes auf einen Punktsensor z. B. Photodiode, Photomultiplier, o. ä.), das über das gesamte Gesichtsfeld dann einen integralen Meßwert liefert (Punktellipsometrie), oder, daß durch eine Strahlaufteilung im Detektionsstrahlengang eine simultane Messung von abbildender Mikro-Ellipsometrie und Punktellipsometrie nach den beschriebenen Verfahren erfolgt.

5. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsometer der Anordnung seiner polarisationsoptischen Komponenten nach einem gängigen ellipsometrischen Verfahren (z. B. PCSA, PSA, PSCA, etc.) entspricht, mit P: Polarisator, C: Kompensator, S: Probe, A: Analysator und diese polarisationsoptischen Komponenten dabei in geeigneter Weise in den genannten Ellipsometeraufbau integriert sind und sowohl aus herkömmlichen doppelbrechenden Materialien bestehen können als auch elektrooptischer, magnetooptischer oder akustooptischer Natur sein können.

6. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung im bildgebenden Modus über einen ortsauflösenden Detektor (z. B. CCD- Kamera, SIT-Kamera, Restlichtkamera, o. ä.) durch eine direkte Abbildung der Probenoberfläche auf den geeignet schräg gestellten ortsauflösenden Detektor erfolgt.

7. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Messungen im bildgebenden Modus zunächst ein Zwischenbild auf die Frontfläche einer geeignet schräg gestellten sogenannten Faseroptischen Platte (Platte bestehend aus einer Vielzahl dicht nebeneinander liegender Lichtleiter) abgebildet wird und die Rückseite der Faseroptischen Platte in geeigneter Weise direkt auf die Frontfläche des ortsauflösenden Detektors (CCD-Chip der CCD-Kamera, o. ä.) gekittet ist, oder eine Abbildung der Rückseite der Faseroptischen Platte auf den verwendeten ortsauflösenden Detektor erfolgt. Im zweiten Fall kann die Faseroptische Platte auch durch eine Mattscheibe ersetzt sein und das auf der Mattscheibe entstehende Bild wird auf den verwendeten ortsauflösenden Detektor abgebildet.

8. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Messungen im bildgebenden Modus durch ein geeignetes Nachfokussieren der Abbildungsoptik eine streifenweise, scharfe Abbildung auf ein geeignet positioniertes, lateral ortsauflösendes Detektionssystem erfolgt und die einzelnen Bildstreifen im Bedarfsfall über ein Bildverarbeitungssystem zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden.

9. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen l bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteinkopplung in das Ellipsometer sowohl direkt als auch über Strahlteilerwürfel oder Lichtleiter erfolgen kann und als Lichtquellen Laserlichtquellen und/oder Lampen mit geeigneter Monochromatisierung des Lichtes durch Filter bzw. Spektrometer verwendet werden.

10. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht zur Beleuchtung der Probe über Strahlaufweitung und/oder Raumfilterung im Hinblick auf einen homogenen parallelen Lichtstrahl optimiert wird. Zur Reduzierung und Vermeidung von sogenannten Speckle-Mustern die durch die hohe Kohärenz bei der Verwendung von Laserlicht entstehen, können dabei zusätzlich Kohärenzzerstörer (englisch: coherence scrambler) in den Strahlengang des Ellipsometers integriert werden.

11. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsometer bei verschiedenen Wellenlängen betrieben wird oder betrieben werden kann.

12. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsometer durch einen geeigneten mechanischen Aufbau bei verschiedenen Einfallswinkeln Θ und entsprechenden nach der Beziehung in Patentanspruch 1 gegebenen Beobachtungswinkeln betrieben wird oder betrieben werden kann.

13. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsometer in einem der bekannten Ellipsometermodi betrieben wird (Null-Modus, rotierender Analysator, rotierender Polarisator, rotierender Kompensator, zyklisch polarisationsverändernde elektrooptische, magnetooptische oder akustooptische Komponenten).

14. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die untersuchte Probe zur Positionierung in z-Richtung, im Bedarfsfall auch in x- und y- Richtung, durch geeignete Verstelleinheiten verschoben, durch geeignete Kippmöglichkeit um die x- und die y-Achse exakt im richtigen Winkel im Ellipsometer justiert und im Bedarfsfall ebenfalls durch eine geeignete Verstelleinheit um die z-Achse gedreht werden kann.

15. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenorientierung bezüglich des Einfallswinkels im Ellipsometer über ein Autokollimationsverfahren erfolgt.

16. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsometer mit mechanischen, optischen und elektronischen Komponenten ausgestattet ist/wird, die ein automatisiertes Handling und Alignment der Proben im Ellipsometer gestatten.

17. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsometer mit zusätzlichen Komponenten zur Probeninspektion durch herkömmliche und/oder konfokale lichtmikroskopische Verfahren (wie z. B. Hellfeld-, Dunkelfeld-, DIC-, Phasenkontrast-, Polarisations-, Fluoreszenzmikroskopie, Brewsterwinkel-Mikroskopie, etc.), durch IR-Spektroskopie, IR-Mikroskopie, Interferometrie, Ramanspektroskopie, mikroskopische IR- oder Ramanspektroskopie, zeitaufgelöste Fluoreszenzlebensdauermessung ausgerüstet ist, ausgerüstet werden kann, oder diese Komponenten in das Ellipsometer integriert sind.

18. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen l bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsometer in Anlagen zur Beschichtung und/oder zur Schichtabtragung im Rahmen der Prozeßüberwachung und/oder Prozeßendkontrolle integriert ist oder zur Prozeßüberwachung und/oder zur Prozeßendkontrolle verwendet wird.

19. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsometer in geeigneter Weise in einem Medium oder in verschiedenen Medien betrieben wird (z. B. Vakuum, Luft, Wasser, Öl, Glyzerin, Glyzerin/Wasser, etc.).

20. Abbildendes Mikro-Ellipsometer zur lateral hochortsaufgelösten, abbildenden Ellipsometrie und zur integrierenden Punktellipsometrie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerung, Überwachung, Verarbeitung, Auswertung und Darstellung der Messungen und Ergebnisse des Ellipsometers über einen oder mehrere geeignete Computer mit entsprechend geeigneter Bildaufnahme- und Bildverarbeitungs- Hard- und Software und entsprechenden, geeigneten visuellen und/oder druckenden Ausgabegeräten erfolgt.