DE19721043C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der optischen Eigenschaften und Schichtdicke von Materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der optischen Eigenschaften und Schichtdicke von Materialien, bei dem vorpolarisiertes Licht auf eine zu untersuchende Probe fällt und die Änderung des Polarisationszustandes bei der Reflexion an der Probe mittels Einrichtungen zur Analyse des reflektierten Lichts, aufweisend ein Detektorsystem, gemessen wird, wobei eine mit einer Umdrehungsfrequenz f rotierende optische Komponente vorgesehen ist, sowie eine Vorrichtung hierzu, aufweisend Einrichtungen zur Erzeugung monochromatischen polarisierten Lichts sowie Einrichtungen zur Analyse des von der Oberfläche der zu untersuchenden Probe reflektierten Lichtstrahls mit verändertem Polarisationszustand, wobei die Einrichtungen mindestens eine rotierende optische Komponente aufweisen.

Derartige Vorrichtungen, Ellipsometer, sind hochgenaue optische Meß­ systeme zur Bestimmung der Dicke dünner Schichten und der optischen Konstanten von Materialien, wie sie beispielsweise in Surf. Sci. 96, p. 108 (1980) oder in "Optical Characterization of Epitaxial Semiconductor Layers", G. Bauer, W. Richter (Eds.), Springer Verlag, 1996, S. 71 bis 79 und 95 bis 98 beschrieben sind. Das Prinzip basiert auf der Messung der Änderung des Polarisationszustandes des vorpolarisierten Meßlichts, die bei der Reflexion an der zu untersuchenden Probe auftritt. Hierbei wird das aus einer Lichtquelle austretende Licht monochromatisiert und polarisiert. Dieses vorpolarisierte Licht fällt auf die Probe, deren Oberfläche den Lichtstrahl mit verändertem Polarisationszustand reflektiert. Der in seiner Polarisation geänderte Lichtstrahl wird über einen Analysator einem Detektor zugeführt, der die Intensität des durchtretenden Lichts mißt. Wahlweise kann Polarisator, Analysator, Probe oder ein zusätzlich angeordneter Kompensator rotieren.

Zur Bestimmung der Polarisation des reflektierten Lichts wird bei modernen Ellipsometern beispielsweise die Lichtintensität nach Passieren eines kontinuierlich rotierenden Polarisationsprismas bei einer bestimmten Anzahl von Azimuthpositionen gemessen. Aus diesem mit der Umdrehungsfrequenz der rotierenden optischen Komponenten modulierten Intensitätsverlauf können die optischen Eigenschaften und Schichtdicken der Probe berechnet werden. Dies kann sowohl für nur eine Wellenlänge des Meßlichts als auch für einen größeren Spektralbereich erfolgen.

Die Winkelpositionen werden von einem Inkrementalenkoder vorgegeben, der mit dem Polarisationsprisma auf einer Achse montiert ist und der bei der Rotation Triggersignale jeweils nach Weiterdrehen eines konstanten inkrementalen Winkels erzeugt. Bei Eintreffen dieser Signale wird jeweils von einem Meß-Computer, einem Bestandteil der Einrichtung zur Analyse, die Intensität gemessen. Außerdem erzeugt der Inkrementalenkoder einmal pro Umdrehung einen Referenzimpuls. Ein derartiges Meßverfahren ist in Appl. Opt., vol. 14, no. 1, pp. 220 (1975) dargestellt.

Da die signalverstärkende Elektronik in der Praxis eine nicht verschwindende Integrationszeit besitzt, erfährt der gemessene sinusförmige Intensitätsverlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel eines als Analysator eingesetzten Polaristionsprismas gegenüber dem tatsächlich am Detektor auftretenden eine Dämpfung η seiner Amplitude sowie eine Phasenverschiebung α₀ bezüglich der Winkelposition des Referenzpulses. In Appl. Opt., vol. 14, no. 1, pp. 220 (1975) ist beschrieben, daß die elektronische Dämpfung η und die damit zusammenhängende Phasenverschiebung α₀ vor der eigentlichen Messung in einer Kalibrierungsmessung bei einer Umdrehungsfrequenz f des Polarisationsprismas bestimmt und nur einmal vor Beginn der Messung die rotierende Komponente entsprechend eingestellt wird.

Die Parameter η und α₀ sind aber außer von der Integrationszeit empfindlich abhängig von der Modulationsfrequenz des Signals, also der Umdrehungsfrequenz des Polarisationsprismas. Dies gilt verstärkt dann, wenn zusätzliche elektronische Filter verwendet werden, die das Signal von hochfrequentem Rauschen befreien sollen, da diese Filter in der Regel eine ausgeprägt frequenzabhängige Wirkung zeigen (beschrieben in "Halbleiterschaltungstechnik", U. Tietze, C. Schenk, Springer Verlag 1976, S. 306 bis 311. Zeitliche Instabilitäten der Umdrehungsfrequenz (statistisches Rauschen, langfristiger Drift) beeinträchtigen somit stark die Meßgenauigkeit (Signal-/Rauschverhältnis, Absolutgenauigkeit).

Um einen hohen Gleichlauf der Prismenrotation zu gewährleisten, sind dem Stand der Technik nach Lösungen bekannt, die jedoch einen großen mechanisch/elektronischen Aufwand erfordern. So sind in Appl. Opt., vol. 14, no. 1, pp. 220 (1975) frequenzstabilisierte Synchronmotoren oder im Teilkatalog "DC Tachometer Generators" des Katalogs "Motoren und Antriebe" der Fa. Maccon, Kühbachstr. 9, 81543 München Tachometer­ rückgekoppelte DC-Motoren beschrieben. Weiterhin bekannt sind reibungsarme Lager und/oder großer Schwungmassen. Insbesondere die Verwendung großer Schwungmassen steht der Realisierung immer kompakterer moderner Anlagen entgegen, die problemlos an andere Prozeßanlagen anzubauen sind. Auch eine verbleibende restliche Instabilität ist bei den genannten Lösungen unvermeidlich, so daß die oben erwähnten Fehler im Zusammenhang mit der Meßgenauigkeit nicht vollständig beseitigt werden können.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Bestimmung der optischen Eigenschaften und Schichtdicke von Materialien anzugeben, das präzise Meßwerte gewährleistet, sowie eine Vorrichtung hierzu, die ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Signal-/Rauschverhältnis aufweist und eine Erhöhung der Absolutgenauigkeit ohne aufwendige mechanisch/elektronische Mittel zur Frequenzstabilisierung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art vor der eigentlichen Messung der Änderung des Polarisationszustandes des an der Oberfläche der zu untersuchenden Probe reflektierten Lichtstrahls eine Mehrfrequenz-Kalibrierungsmessung durchgeführt wird, bei der die Umdrehungsfrequenz f der rotierenden optischen Komponente variiert wird und die Abhängigkeit von der Umdrehungsfrequenz der rotierenden optischen Komponente sowohl für die Dämpfungskonstante η(f) des Detektorsystems als auch für die Phasenverschiebung α₀(f) bezüglich der Winkelposition des Referenzpulses ermittelt und ausgewertet wird, danach bei der eigentlichen Messung die Frequenz der rotierenden optischen Komponente für jede Umdrehung gemessen und anschließend der gemessene Intensitätsverlauf des reflektierten Lichtes mit verändertem Polarisationszustand durch Modulation mit der Umdrehungsfrequenz der rotierenden optischen Komponente korrigiert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden sowohl kurzzeitige Meßsignalschwankungen als auch Langzeit-Driftprozesse bei der Ellipsometriemessung auf Werte im sub-Promille-Bereich reduziert.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der optischen Eigenschaften und Schichtdicke von Materialien weisen die Einrichtungen zur Analyse des von der Oberfläche der zu untersuchenden Probe reflektierten Lichtstrahls einen Winkelenkoder, Detektor und Signalelektronik sowie ein elektronisches Gate und einen elektronischen Zählerbaustein zur Registrierung der während der Gate-Öffnungszeit jeweils pro Umdrehung der rotierenden optischen Komponente durchlaufenden Zählimpulse und einen Meß-Computer zur Auswertung der registrierten Zählimpulse zur Kompensation der Rotationsfrequenzänderung der optischen Komponenten auf.

Die erfindungsgemäße Lösung kann wegen ihres geringen mechanisch/elektronischen Aufwands in bereits vorhandenen kommerziellen Meßsystemen zur Bestimmung der optischen Eigenschaften und Schichtdicke von Materialien Anwendung finden. Die aus der Lösung resultierende quarzgenaue Kompensierung der unerwünschten Frequenzänderung der rotierenden optischen Komponente gewährleistet ein im Vergleich zum Stand der Technik verbessertes Signal-/Rauschverhältnis.

Der von dem bereits erwähnten Inkrementalenkoder einmal pro Umdrehung erzeugte Referenzimpuls öffnet in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein elektronisches Gate für quarzstabile hochfrequente Zählimpulse. Das nach einer vollzogenen Umdrehung der rotierenden optischen Komponente unter Aufnahme einer definierten Anzahl von Intensitätsmesspunkten folgende Referenzsignal schließt das Gate. Die während der Gate-Öffnungszeit von einem elektronischen Zählerbaustein registrierten Zählimpulse sind umgekehrt proportional zur Umdrehungsfrequenz und erlauben eine Frequenzzuweisung zur aktuell vollendeten Umdrehung der rotierenden optischen Komponente mit einer Genauigkeit von df/f = 10^-5. Der Zählerstand wird nach jeder Umdrehung in den Meß-Computer eingelesen und eine Kompensation der durch die Frequenzänderung der rotierenden optischen Komponente bewirkten Schwankungen von η(f) und α₀(f) vorgenommen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung und ihrer vorteilhaften Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Figuren näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 den während einer Umdrehung des Polarisationsprismas tatsächlich vorhandenen und den gemessenen Intensitätsverlauf im Vergleich;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Einrichtung zur Analyse der optischen Eigenschaften und Schichtdicke von Materialien;

Fig. 3 Frequenzeichkurve der Dämpfungskonstante η(f), gemessen mit der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung;

Fig. 4 Frequenzeichkurve der Phasenverschiebung α₀(f), gemessen mit der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung;

Fig. 5 ellipsometrische Meßkurven im Vergleich ohne und mit Mehrfrequenz- Kalibrierungsmessung für die Meßgrößen tanψ und cosΔ in Abhängigkeit der Photonenenregie.

Der in Fig. 1 im Vergleich dargestellte tatsächliche Intensitätsverlauf I_R und der gemessene Intensitätsverlauf I_M in Abhängigkeit vom Rotationswinkel α des Polarisationsprismas während einer Umdrehung des Polarisationsprismas macht die aus der Integrationszeit der signalverstärkenden Elektronik in den Einrichtungen zur Analyse des reflektierten Lichtstrahls mit verändertem Polarisationszustand resultierenden Abweichungen in den Intensitätsverläufen deutlich. Der gemessene Intensitätsverlauf I_M erfährt gegenüber dem tatsächlich am Detektor auftretenden Intensitätsverlauf I_R eine Dämpfung η und eine Phasenverschiebung α₀ bezüglich des Referenzimpulses.

Um diese Meßungenauigkeiten, die letztendlich auch wieder in die Meßergebnisse der ellipsometrischen Parameter eingehen, zu verringern, ist in Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Einrichtung zur Analyse der optischen Eigenschaften und der Schichtdicke der Probe dargestellt, mit der eine Mehrfrequenz-Kalibrierungsmessung durchgeführt werden kann. Der von der Probe reflektierte Lichtstrahl, dessen Polarisation bei der Reflexion eine Änderung erfahren hat, passiert ein kontinuierlich rotierendes Polarisationsprisma P. Von einem Inkrementalenkoder W werden Winkelpositionen für die Intensitätsmessung vorgegeben. Dieser Enkoder W erzeugt sowohl jeweils nach Weiterdrehen um einen konstanten inkrementalen Winkel Triggersignale zur Messung der tatsächlichen Intensität I_R als auch einen Referenzimpuls jeweils nach einer vollständigen Umdrehung. Der erste Referenzimpuls öffnet ein elektronisches Gate G für quarzstabile hochfrequente Zählimpulse, die in einem elektronischen Zählerbaustein Z registriert werden. Der folgende Referenzimpuls schließt das Gate G wieder. Die registrierten Zählimpulse sind umgekehrt proportional zur jeweiligen Umdrehungsfrequenz der rotierenden optischen Komponente. Damit ist eine Frequenzzuweisung zur aktuell erfolgten Umdrehung dieser Komponente möglich. Nach jeder Umdrehung der optischen Komponente wird die Anzahl der gezählten Impulse in den Meß-Computer MC eingelesen, der nun die durch Dämpfungskonstante η und Phasenverschiebung α₀ auftretende Änderung des mittels Detektor D und Signalelektronik SE gemessenen Intensitätsverlaufs I_M durch Modulierung mit der Umdrehungsfrequenz f der rotierenden optischen Komponente kompensiert, woraus sich ein korrigierter Intensitätsverlauf I'_R ergibt. Die eigentliche Messung der ellipsometrischen Parameter kann nunmehr nach der beschriebenen Korrektur des Intensitätsverlaufs erfolgen.

In den beiden folgenden Fig. 3 und 4 sind die Frequenzeichkurven der Dämpfungskonstante η(f) und der Phasenverschiebung αo(f) dargestellt, wie sie entsprechend in Abhängigkeit der Frequenz der rotierenden Komponente ermittelt wurden und nunmehr als Kalibrierungsgrößen für die Berechnung der Kompensation der auftretenden Frequenzänderung in den Meß-Computer eingegeben werden. Mit diesen Eichkurven und der bereits beschriebenen präzisen Frequenzmessung ist es nun möglich, jeder Umdrehung der optischen Komponente in Echtzeit die zugehörige Signaldämpfung und Phasenverschiebung zuzuordnen und diese dann korrekt zu kompensieren.

In Fig. 5 sind Meßkurven der ellipsometrischen Parameter tanψ und cosΔ in Abhängigkeit der Photonenenregie E sowohl ohne (Kurve a) als auch mit (Kurve b) Frequenzkompensation entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt. Die erzielte Verbesserung in der Genauigkeit des ellipsometrischen Meßsystems wird dabei deutlich in Form des reduzierten Rauschens sichtbar.

Claims (2)

1. Verfahren zur Bestimmung der optischen Eigenschaften und Schichtdicke von Materialien, bei dem vorpolarisiertes Licht auf eine zu untersuchende Probe fällt und die Änderung des Polarisationszustandes bei der Reflexion an der Probe mittels Einrichtungen zur Analyse des reflektierten Lichts, aufweisend ein Detektorsystem, gemessen wird, wobei eine mit einer Umdrehungsfrequenz f rotierende optische Komponente vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß vor der eigentlichen Messung der Änderung des Polarisationszustandes des an der Oberfläche der zu untersuchenden Probe reflektierten Lichtstrahls eine Mehrfrequenz-Kalibrierungsmessung durchgeführt wird, bei der die Umdrehungsfrequenz f der rotierenden optischen Komponente variiert wird und die Abhängigkeit von der Umdrehungsfrequenz der rotierenden optischen Komponente sowohl für die Dämpfungskonstante η(f) des Detektorsystems als auch für die Phasenverschiebung α₀(f) bezüglich der Winkelposition eines Referenzpulses ermittelt und ausgewertet wird, danach die Frequenz der rotierenden optischen Komponente für jede Umdrehung gemessen und anschließend der gemessene Intensitätsverlauf des reflektierten Lichts mit verändertem Polarisationszustand durch Modulation mit der Umdrehungsfrequenz der rotierenden optischen Komponente korrigiert wird.

2. Vorrichtung zur Bestimmung der optischen Eigenschaften und Schichtdicke von Materialien, aufweisend Einrichtungen zur Erzeugung monochromatischen polarisierten Lichts sowie Einrichtungen zur Analyse des von der Oberfläche einer zu untersuchenden Probe reflektierten Lichtstrahls mit verändertem Polarisationszustand, wobei die Einrichtungen mindestens eine rotierende optische Komponente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Analyse des von der Oberfläche der zu untersuchenden Probe reflektierten Lichtstrahls einen Winkelenkoder, Detektor und Signalelektronik sowie ein elektronisches Gate und einen elektronischen Zählerbaustein zur Registrierung der während der Gate-Öffnungszeit jeweils pro Umdrehung der rotierenden optischen Komponente durchlaufenden Zählimpulse und einen Meß-Computer zur Auswertung der registrierten Zählimpulse zur Kompensation der Rotationsfrequenzänderung der optischen Komponente aufweisen.