DE19745607A1 - Anordnung zur Messung von optischen Parametern kristalliner Proben mittels optischer Reflexion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von optischen Parametern kristalliner Proben mittels optischer Reflexion, aufweisend Mittel zur Erzeugung von polarisiertem Licht, eine Vorrichtung zur Halterung einer mittels auf die Oberfläche fallenden polarisierten Lichts zu untersuchenden kristallinen Probe und Mittel zur Analyse des von der Oberfläche der zu untersuchenden Probe reflektierten Lichtstrahls.

In US-PS 4,931,132 ist eine derartige Anordnung, die für die Kontrolle des Wachstums von kristallinen Monoschichten geeignet ist, wenn alternierend bei fester Positionierung der Probe Anionen und Kationen der III-V- Verbindung aufgebracht werden, beschrieben. In dieser Anordnung weisen die optischen Komponenten der Einrichtungen zur Erzeugung von polarisiertem Licht und zur Analyse des von der Oberfläche der zu untersuchenden ruhenden Probe reflektierten Lichtstrahls mit verändertem Polarisationszustand Polarisator, Photoelastischen Modulator, Analysator sowie Spiegel mit reflektierender und/oder fokussierender Wirkung auf.

Eine Anordnung zur Messung von ebenfalls polarisationsrichtungsabhängigen Parametern - jedoch nunmehr an rotierenden Proben - ist auf der Posterpräsentation anläßlich der "International Conference on Spectroscopic Ellipsometry" (ICSE - 2); P 7.10; May '97; Charleston S.C. vorgestellt worden. In dieser Anordnung ist bei der im Strahlengang des von der Oberfläche der rotierenden Probe reflektierten Lichtstrahls unmittelbar nach der reflektierenden Oberfläche vor den Einrichtungen zur Analyse dieses Strahls ein sphärischer Spiegel angeordnet, wobei sich die zu untersuchende Probe genau im Mittelpunkt der Krümmungskugel des sphärischen Spiegels befindet. Diese Anordnung ermöglicht eine passive Kompensation des Taumelns der rotierenden Probe während der Messung von polarisationsrichtungsabhängigen optischen Parametern, wodurch die mittels der Einrichtungen zur Analyse des von der Probe reflektierten Lichtstrahls mit veränderter Polarisation gemessene Intensität nicht mit der Zeit schwankt. Damit sind Ellipsometrie-, RAS- und Reflexionsmessungen auch an nicht ideal rotierenden Proben möglich. Diese Anordnung ermöglicht jedoch immer nur die zeitlich versetzte Bestimmung weiterer optischer Parameter oder eine gleichzeitige Bestimmung solcher Parameter nur mit umfangreicher apparativer Erweiterung der im Stand der Technik beschriebenen Anordnung.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung anzugeben, die die gleichzeitige Messung weiterer optischer Parameter aus der Analyse des von der Oberfläche einer kristallinen Probe reflektierten Meßlichtstrahls bei nur geringem zusätzlichen apparativen Aufwand ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer Anordnung der eingangs erwähnten Art die Mittel zur Analyse des von der Oberfläche reflektierten Meßlichtstrahls mit verändertem Polarisationszustand eine strahlteilende optische Komponente sowie Spiegel mit reflektierender und/oder fokussierender Wirkung aufweisen, wobei die strahlteilende optische Komponente den Teil des von der zu untersuchenden Probe reflektierten Meßlichtstrahls transmittiert, der in der für die Messung gewünschten Richtung linear polarisiert ist, und den verbleibenden Reststrahl mit anderer Polarisationsrichtung reflektiert, sowie Auswerteeinrichtungen aufweisen, die gleichzeitig sowohl die Meßdaten für den von der strahlteilenden optischen Komponente transmittierten linear polarisierten Teil des von der zu untersuchenden Probe reflektierten Meßlichtstrahls hinsichtlich der Bestimmung der RAS-Parameter als auch die Meßdaten für den von der strahlteilenden optischen Komponente reflektierten Reststrahl mit anderer Polarisationsrichtung zur Bestimmung der Reflektivität bereitstellen.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht durch die Strahlteilung des von der Oberfläche der zu untersuchenden kristallinen Probe reflektierten Meßstrahls und der gleichzeitigen Auswertung jedes Teilstrahls, d. h. eines Teilstrahls, der linear polarisiert ist, für die Messung von RAS-Spektren als polarisationsrichtungsabhängige optische Parameter, und eines Reststrahls mit anderer Polarisationsrichtung für die Messung der Reflektivität, eine schnelle umfassende in-situ oder ex-situ Charakterisierung der Oberflächen von Halbleiterstrukturen, z. B. bei MOVPE-Prozessen.

Das für die Reflektivitätsmessung ausgekoppelte Licht stellt keinen Lichtverlust für die RAS-Messung dar, sondern mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird das sonst - wie bei der oben erwähnten Lösung des Standes der Technik - vom Analysator "geschluckte" (und damit verlorene) Licht für die polarisationsrichtungsunabhängige Reflektivitätsmessung verwendet.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die strahlteilende optische Komponente, die das für die RAS-Messung benötigte linear polarisierte Licht transmittiert und den für die RAS-Messung nicht benötigten Reststrahl mit anderer Polarisationsrichtung für die Reflektivitätsmessung reflektiert, ein strahlteilendes Polarisationsprisma.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Mittel zur Analyse des von der kristallinen Probe reflektierten Meßlichtstrahls und die Auswerteeinrichtung für die Bereitstellung der Meßdaten der RAS-Spektren.

Zur Messung von polarisationsrichtungsabhängigen optischen Parametern ruhender kristalliner Proben umfassen die Mittel zur Analyse des von der Probe reflektierten Meßlichtstrahls außerdem einen Phothoelastischen Modulator und die Auswerteeinrichtung für die Bereitstellung der Meßdaten zur Bestimmung des Real- und Imaginärteils der RAS-Spektren einen Planspiegel, einen sphärischen Spiegel, einen Monochromator, einen Detektor und einen Lock-in-Verstärker, der auf die PEM-Modulation abgestimmt ist, aufweisen, wobei über den Planspiegel und den sphärischen Spiegel der von der strahlteilenden optischen Komponente transmittierte linear polarisierte Teilstrahl auf den Monochromator fokussiert und das aus dem Monochromator austretende Licht vom Detektor empfangen, mittels Lock-in-Technik ausgewertet und Real- und Imaginärteil von RAS-Spektren bestimmt werden.

Unter Lock-in-Technik wird hierbei und im weiteren sowohl die analoge als auch die digitale frequenz- und phasenabhängige Messung periodischer Signale verstanden.

Zur Messung von polarisationsrichtungsabhängigen optischen Parametern rotierender kristalliner Proben weisen die Mittel zur Analyse des von der rotierenden Probe reflektierten Meßlichtstrahls weiterhin einen im Strahlengang des von der rotierenden Probe reflektierten Lichtstrahls unmittelbar nach der Oberfläche der Probe angeordneten sphärischen Spiegel, wobei sich die zu untersuchende Probe genau im Mittelpunkt der Krümmungskugel des sphärischen Spiegels befindet, und einen photoelastischen Modulator auf und die Auswerteeinrichtung für die Bereitstellung der Meßdaten zur Bestimmung des Real- und Imaginärteils der RAS-Spektren weist einen Planspiegel, einen sphärischen Spiegel, einen Monochromator, einen Detektor und zwei Lock-in-Verstärker, wobei der erste Lock-in-Verstärker auf die PEM-Modulation und der zweite Lock-in-Verstärker auf die Probenrotation abgestimmt ist, auf, wobei über den Planspiegel und den sphärischen Spiegel der von der strahlteilenden optischen Komponente transmittierte linear polarisierte Teilstrahl auf den Monochromator fokussiert und das aus dem Monochromator austretende Licht vom Detektor empfangen, mittels Doppel-Lock-in-Technik ausgewertet und Real- und Imaginärteil von RAS-Spektren bestimmt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Anordnung zur Messung der polarisationsrichtungsabhängigen optischen Parameter rotierender kristalliner Proben als Mittel zur Analyse des von der rotierenden Probe reflektierten Meßlichtstrahls weiterhin einen im Strahlengang des von der rotierenden Probe reflektierten Lichtstrahls unmittelbar nach der Oberfläche der Probe angeordneten sphärischen Spiegel auf, wobei sich die zu untersuchende Probe genau im Mittelpunkt der Krümmungskugel des sphärischen Spiegels befindet, und die Auswerteeinrichtung weist für die Bereitstellung der Meßdaten zur Bestimmung des Realteils der RAS-Spektren einen Planspiegel, einen sphärischen Spiegel, einen Monochromator, einen Detektor und einen Lock-in-Verstärker auf, wobei über den Planspiegel und den sphärischen Spiegel der von der strahlteilenden optischen Komponente transmittierte linear polarisierte Teilstrahl auf den Monochromator fokussiert und das aus dem Monochromator austretende Licht vom Detektor empfangen, mittels Lock-in-Technik ausgewertet und der Realteil von RAS- Spektren bestimmt wird.

Die bisher beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen die Messung polarisationsrichtungsabhängiger optischer Parameter sowohl von ruhenden als auch von rotierenden kristallinen Proben.

Die folgende Ausgestaltung dient der Messung polarisationsrichtungs­ unabhängiger optischer Parameter kristalliner ruhender oder rotierender Proben, die gleichzeitig mit der Messung der polarisationsrichtungs­ abhängigen optischen Parameter dieser Proben erfolgt. Hierbei ist vorgesehen, daß die Auswerteeinrichtung für die Bereitstellung der Meßdaten zur Ermittlung der Reflektivität einen Planspiegel, einen sphärischen Spiegel, einen Spektrographen und ein Detektorarray aufweist, wobei über den Planspiegel und den sphärischen Spiegel der von der strahlteilenden optischen Komponente ausgekoppelte Reststrahl mit anderer Polarisation auf den Eintrittsspalt des Spektrographen fokussiert und das vom Spektrographen spektral zerlegte Licht des Reststrahls auf das Detektor- Array geführt und das Reflektivitätsspektrum gemessen wird.

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

Dabei zeigen

Fig. 1 eine Anordnung zur gleichzeitigen Bestimmung der Reflektivität und des Real- und Imaginärteils von RAS-Spektren;

Fig. 2 eine Anordnung zur gleichzeitigen Bestimmung der Reflektivität und des Realteils von RAS-Spektren.

In Fig. 1 ist dargestellt, wie Licht aus einer Xenon-Lampe L über ein Polarisationsprisma P1 und einen Strahlteiler ST als linear polarisierter Lichtstrahl auf die rotierende und taumelnde Probe P, die auf einem Probenhalter PH befestigt ist, fokussiert wird. Mehrere Spiegel S1, S2, S3, S4, S5 bewirken durch ihre reflektierende und/oder fokussierende Wirkung des linear polarisierten bzw. der reflektierten Teilstrahlen den gewünschten Strahlenverlauf. Der erste abbildende Spiegel S1 dient der Fokussierung des Lampenlichts auf die Probe P und kann somit - wie dargestellt - hinter dem Polarisationsprisma P1, aber auch zwischen Lampe L und Polarisationsprisma P1 angeordnet sein. Von der Probe P wird das Licht unter einem Winkel ϕ von ca. 2° auf den sphärischen Anti-Taumel-Spiegel SS reflektiert. Das Licht läuft dann in sich selbst zurück zum Strahlteiler ST. Mittels eines Photoelastischen Modulators PEM wird das Licht moduliert und über ein strahlteilendes Polarisationsprisma P2 geführt. Der am strahlteilenden Polarisationsprisma P2 ausgekoppelte Restlichtstrahl mit anderer Polarisation als linear polarisiert wird mittels eines Planspiegels S4 und eines sphärischen Spiegels S5 auf den Eintrittsspalt des Spektrographen SG fokussiert. Das vom Spektrographen SG spektral zerlegte Licht trifft dann auf ein Detektor-Array DA. Das Detektor-Array kann beispielsweise über 35 Kanäle verfügen, aber auch Detektor-Arrays mit einer höheren Kanalzahl und damit mit höherer spektraler Auflösung sind funktionsfähig. Für die Messung eines Reflektivitätsspektrums werden ca. 100 ms benötigt. Damit können entweder zehn Spektren pro Sekunde gemessen werden oder man akkumuliert die Meßwerte zugunsten eines günstigeren Signal-Rausch- Verhältnisses. Um absolute Reflektivitäten messen zu können, müssen die einzelnen Detektor-Dioden des Arrays DA kalibriert werden, außerdem muß das Intensitätsspektrum der Lampe "herausgerechnet" werden. Dies kann beispielsweise durch Kalibrierung an einer definierten und bekannten Probe (z. B. an der gut bekannten Si-Oberfläche) geschehen. Durch eine Referenzmessung können die einzelnen Kanäle des Detektor-Arrays DA dann kalibriert werden.

Für die mit der Reflektivitätsmessung gleichzeitig durchführbare Messung des Real- und Imaginärteils von RAS-Spektren wird der vom strahlteilenden Polarisationsprisma P2 transmittierte Teilstrahl mit linearer Polarisation über die Spiegel S2 und S3 auf den Eintrittsspalt eines Monochromators M fokussier. Das aus dem Monochromator M austretende Licht wird vom Detektor D empfangen und dieses Signal mittels Doppel-Lock-In-Technik über zwei Lock-In-Verstärker V1, V2 ausgewertet. So können Real- und Imaginärteil von RAS-Spektren bestimmt werden. Der zu messende transmittierte Teilstrahl ist zum einen durch den Photoelastischen Modulator PEM mit 100 kHz phasenmoduliert. Dazu kommt eine weitere (Amplituden)-Modulation aufgrund der Rotation der anisotropen Probe P (Modulation mit der doppelten Rotationsfrequenz, typischerweise im Bereich von 10 bis 100 Hz). Der erste Lock-In-Verstärker V1 ist auf die PEM-Modulation abgestimmt und der zweite Lock-In-Verstärker V2 auf die Rotation der Probe P, bei der mittels des sphärischen Spiegels SS die unerwünschte Taumelbewegung kompensiert ist. Das für den zweiten Lock-In-Verstärker V2 erforderliche Referenzsignal wird mittels einer Lichtschranke und einer an der Motorachse zur Drehung der Probe P befestigten Schlitzscheibe erzeugt.

In Fig. 2 ist im Vergleich zu Fig. 1 ein vereinfachter Aufbau der Anordnung gezeigt.

Die Reflektivitätsmessung erfolgt wieder mittels der bereits zu Fig. 1 beschriebenen Bestandteile der Anordnung.

Für die Messung nur des Realteils von RAS-Spektren wurde auf kosten intensive optische Komponenten wie Photoelastischer Modulator PEM und Polarisationsprisma P1 verzichtet. Da hier einzig die Probenrotation bei anisotroper Probe P für eine (Intensitäts-)Modulation des Meßlichtes sorgt, ist lediglich ein Lock-In-Verstärker V erforderlich (dieser übernimmt die Funktion des in Fig. 1 beschriebenen zweiten Lock-In-Verstärkers). Auch die technischen Anforderungen an diesen Lock-In-Verstärker sind relativ gering, da er keine 100 kHz-Modulation, sondern lediglich etwa 100 Hz realisieren muß.

Claims (6)

1. Anordnung zur Messung von optischen Parametern kristalliner Proben mittels optischer Reflexion, aufweisend Mittel zur Erzeugung von polarisiertem Licht, eine Vorrichtung zur Halterung einer mittels auf die Oberfläche fallenden polarisierten Lichts zu untersuchenden kristallinen Probe und Mittel zur Analyse des von der Oberfläche der zu untersuchenden Probe reflektierten Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Analyse des von der Oberfläche reflektierten Meßlichtstrahls mit verändertem Polarisationszustand eine strahlteilende optische Komponente sowie Spiegel (S1, S2, S3) mit reflektierender und/oder fokussierender Wirkung aufweisen, wobei die strahlteilende optische Komponente den Teil des von der zu untersuchenden Probe (P) reflektierten Meßlichtstrahls transmittiert, der in der für die Messung gewünschten Richtung linear polarisiert ist, und den verbleibenden Reststrahl mit anderer Polarisationsrichtung reflektiert, sowie Auswerteeinrichtungen aufweisen, die gleichzeitig sowohl die Meßdaten für den von der strahlteilenden optischen Komponente transmittierten linear polarisierten Teil des von der zu untersuchenden Probe (P) reflektierten Meßlichtstrahls hinsichtlich der Bestimmung der RAS-Parameter als auch die Meßdaten für den von der strahlteilenden optischen Komponente reflektierten Reststrahl mit anderer Polarisationsrichtung zur Bestimmung der Reflektivität bereitstellen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlteilende optische Komponente ein strahlteilendes Polarisationsprisma (P2) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von polarisationsrichtungsabhängigen optischen Parametern ruhender kristalliner Proben die Mittel zur Analyse des von der Probe reflektierten Meßlichtstrahls außerdem einen Phothoelastischen Modulator aufweisen und die Auswerteeinrichtung für die Bereitstellung der Meßdaten zur Bestimmung des Real- und Imaginärteils der RAS-Spektren einen Planspiegel, einen sphärischen Spiegel, einen Monochromator, einen Detektor und einen Lock-in-Verstärker, der auf die PEM-Modulation abgestimmt ist, aufweist, wobei über den Planspiegel und den sphärischen Spiegel der von der strahlteilenden optischen Komponente transmittierte linear polarisierte Teilstrahl auf den Monochromator fokussiert und das aus dem Monochromator austretende Licht vom Detektor empfangen, mittels Lock-in-Technik ausgewertet und Real- und Imaginärteil von RAS-Spektren bestimmt werden.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von polarisationsrichtungsabhängigen optischen Parametern rotierender kristalliner Proben die Mittel zur Analyse des von der rotierenden Probe (P) reflektierten Meßlichtstrahls weiterhin einen im Strahlengang des von der rotierenden Probe (P) reflektierten Lichtstrahls unmittelbar nach der Oberfläche der Probe (P) angeordneten sphärischen Spiegel (SS), wobei sich die zu untersuchende Probe (P) genau im Mittelpunkt der Krümmungskugel des sphärischen Spiegels (SS) befindet, und einen photoelastischen Modulator (PEM) aufweisen und die Auswerteeinrichtung für die Bereitstellung der Meßdaten zur Bestimmung des Real- und Imaginärteils der RAS-Spektren einen Planspiegel (S2), einen sphärischen Spiegel (S3), einen Monochromator (M), einen Detektor (D) und zwei Lock-in-Verstärker (V1, V2), wobei der erste Lock-in-Verstärker auf die PEM-Modulation und der zweite Lock-in-Verstärker auf die Probenrotation abgestimmt ist, aufweist, wobei über den Planspiegel (S2) und den sphärischen Spiegel (S3) der von der strahlteilenden optischen Komponente transmittierte linear polarisierte Teilstrahl auf den Monochromator (M) fokussiert und das aus dem Monochromator (M) austretende Licht vom Detektor (D) empfangen, mittels Doppel-Lock-in-Technik ausgewertet und Real- und Imaginärteil von RAS- Spektren bestimmt werden.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der polarisationsrichtungsabhängigen optischen Parameter rotierender kristalliner Proben die Mittel zur Analyse des von der rotierenden Probe (P) reflektierten Meßlichtstrahls weiterhin einen im Strahlengang des von der rotierenden Probe (P) reflektierten Lichtstrahls unmittelbar nach der Oberfläche der Probe (P) angeordneten sphärischen Spiegel (SS) aufweisen, wobei sich die zu untersuchende Probe (P) genau im Mittelpunkt der Krümmungskugel des sphärischen Spiegels (SS) befindet, und die Auswerteeinrichtung für die Bereitstellung der Meßdaten zur Bestimmung des Realteils der RAS-Spektren einen Planspiegel (S2), einen sphärischen Spiegel (S3), einen Monochromator (M), einen Detektor (D) und einen Lock­ in-Verstärker aufweist, wobei über den Planspiegel (S2) und den sphärischen Spiegel (S3) der von der strahlteilenden optischen Komponente transmittierte linear polarisierte Teilstrahl auf den Monochromator (M) fokussiert und das aus dem Monochromator (M) austretende Licht vom Detektor (D) empfangen, mittels Lock-in-Technik ausgewertet und der Realteil von RAS-Spektren bestimmt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der polarisationsrichtungsunabhängigen optischen Parameter kristalliner ruhender oder rotierender Proben die Auswerteeinrichtung für die Bereitstellung der Meßdaten zur Ermittlung der Reflektivität einen Planspiegel (S4), einen sphärischen Spiegel (S5), einen Spektrographen (SG) und ein Detektorarray (DA) aufweist, wobei über den Planspiegel (S4) und den sphärischen Spiegel (S5) der von der strahlteilenden optischen Komponente ausgekoppelte Reststrahl mit anderer Polarisation auf den Eintrittsspalt des Spektrographen (SG) fokussiert und das vom Spektrographen (SG) spektral zerlegte Licht des Reststrahls auf das Detektor-Array (DA) geführt und das Reflektivitätsspektrum gemessen wird.