DE2417548C3

DE2417548C3 - Eilipsometer zur Messung der Dicke, einer optischen Konstante o.dgl. einer Oberflächenschicht

Info

Publication number: DE2417548C3
Application number: DE19742417548
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Kawasaki Kanagawa Kasai (Japan)
Original assignee: Nippon Kogaku KX., Tokio
Priority date: 1973-04-13
Filing date: 1974-04-10
Publication date: 1976-12-16

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Eilipsometer zur Messung der Dicke, einer optischen Konstante od. dgl. einer Oberflächenschicht, wobei ein polarisierendes System ein monochromatisches, linear polarisiertes Lichtbündel schräg auf die Oberfläche der zu untersuchenden Probe richtet und dieses von dort als Lichtbündel mit verändertem Polarisationszustand reflektiert wird.

Ein solches Eilipsometer dient zur Durchführung von Polarisationsanalysen, mit denen die Eigenschaf-548

ten der Schicht, wie Dicke, Absorptionsvermögen, Brechungsindex usw. bestimmt werden können.

Bei den bekannten Ellipsometern ist das optischmechanische System für den Lichteintritt und -austritt recht groß, verglichen mit der Fläche der zu messenden Probe. Das gesamte Gerät wird deshalb groß und kann nicht mehr bequem transportiert und gehandhabt werden. Auch in einem Meßraum eines Laboratoriums oder einer Fabrik ist eine solche Größe des Meßgerätes störend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Größe eines Eilipsometers der einleitend beschriebenen Art und damit auch dessen Herstellungskosten zu verringern, so daß die genannten Nachteile der bekannten Geräte vermieden werden.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe gelöst durch die Vereinigung der Merkmale, daß das polarisierende optische System elliptisch polarisiertes Licht abgibt und auf einer optischen Achse angeordnet ist, die im wesentlichen senkrecht zu der Probenoberfläche ausgerichtet ist, daß weiterhin ein erstes im optischen Weg angeordnetes total reflektierendes Prisma dem aus d;m polarisierenden optischen System austretenden elliptisch polarisierten Licht eine Phasensprungdifferenz verleiht und das elliptisch polarisierte Licht schräg auf die Probenoberfläche ablenkt, daß ferner ein zweites im optischen Weg angeordnetes total reflektierendes Prisma dem von der Probenoberfläche reflektierten Licht eine weitere Phasensprungdifferenz verleiht und dieses Licht parallel zur optischen Achse des polarisierenden optischen Systems ablenkt, und daß ein Analysator so drehbar angeordnet ist, daß das durch das zweite total reflektierende Prisma gelangende linear polarisierte Licht ausgelöscht wird.

Insbesondere durch die im Strahlengang angeordneten total reflektierenden Prismen wird eine Verringerung des von der gesamten Einrichtung benötigten Raumes, verglichen mit bekannten Einrichtungen ermöglicht, und dieses bedeutet eine größere Leichtigkeit des Transportes wie auch der Unterbringung auf einem gewünschten Platz. Ferner ermöglichen die total reflektierenden Prismen die komplette Vermeidung von Energieverlusten, und die Vorrichtung kann auch für andere Wellenlängen durch Austausch des Filters und der Viertelwellenlängenplatte verwendet werden.

Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 eine Poincaro-Kugel zur Darstellung des Prinzips der Messung.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung schematisch dargestellt, bei der eine Lichtquelle O, ein monochromatisches Filter F und ein drehbarer Polarisator P benutzt sind. Das von der Lichtquelle O stammende Licht wird von Filter ^r und Polarisator in linear polarisiertes monochroma- ·' ■ tisches Licht umgewandelt. Eine Viertelwellenlängenplatte Q ist unter einem Azimutwinkel von —45° ge- -· genüber der Einfallsebene angeordnet und sorgt für ₍" die Umwandlung des linear polarisierten Lichtes in elliptisch polarisiertes Licht. Ein modifiziertes total reflektierendes Fresnel-Prisma /1 dient zur Ablenkung des etwa senkrecht zur Probenoberfläche S gerichteten .',',', Lichtbündels, so daß dieses schräg auf die Probenoberfläche auftrifft, und ist so ausgelegt, daß die in

ihm auftretenden Einzelreflexionen je für eine Phasensprungdifferenz von 45° zwischen der Komponente des elliptisch polarisierten Lichtes in Einfallsebene und dessen Komponente in der hierzu senkrechten (Ebene der Oberfläche des Einfalls sorgt.

Ein weiteres modifiziertes, totalreflektierendes Fresnel-Prisma Il bringt das von der Probenoberfläche reflektierte Licht auf einen Weg etwa senkrecht zu der Probenoberfläche und ist im Hinblick auf eine Phasensprunqdifferenz von 45' ausgelegt. Ein Analysator A ist um seine Achse drehbar angeordnet und dient zur Auslöschung des linear polarisierten Lichtes des Prismas/2.

Nachstehend ist das Meßprinzip des Eilipsometers an Hand der in Fig. 2 dargestellten Poincare-Kugel beschrieben, wobei P die Einfallebene (Azimutwinkel == 0°) und S die hierzu senkrechte Ebene (Azimutwinkel = 90°) bezeichnet.

Das linear polarisierte Licht des Polarisators P mit einem Drehwinkel α entspricht der Strecke PO der Poincare-Kugel, wandert durch die Viertelwellenlängenplatte Q und wird dabei in elliptisch polarisiertes Licht mit einem Azimutwinkel von 45° umgewandelt, was der Bogenstrecke El der Poincare-Kugel entspricht. Das Licht gelangt ferner durch da? Prisma /1 und unterliegt einer Phasenänderung von 135°, wie sich aus dem Bogen El der Poincare-Kugel ergibt. Dieses Licht trifft auf die Probenoberfläche und unterliegt hier einem Phasensprung Δ und einem Amplitudenverhältnis ψ, so daß Licht entsprechend dem Punkt E3 in Fig. 2 die Probenoberfläche verläßt und in das Prisma Il eintritt. Hier unterliegt, das Licht einer weiteren Phasenänderung von 45", so daß sich linear polarisiertes Licht entsprechend dem Punkt EA in Fig. 2 ergibt. (In der Poincare-Kugel ist linear polarisiertes Licht auf dem Äquator liegend dargestellt, links drehende elliptische Polarisation ist in der nördlichen Hemisphäre und rechts drehend elliptische

ίο Polarisation ist in der südlichen Hemisphäre dargestellt.) Das durch das Prisma Il gelangende Licht wird von dem Analysator des Drehwinkels β ausgelöscht. Der Phasensprung Δ und das Amplitudenverhältnis ■ψ können direkt aus der Poincare-Kugel wie folgt entnommen werden:

Δ = 90 — 2 α

Diese können in bekannter Weise analysiert werden. Bei der besprochenen Ausführungsform ist gezeigt worden, daß die kombinierten Phasensprungdifferenzen in Folge der Prismen /1 und Il 180° betragen, es kann aber auch eine abweichende Phasensprungdifferenz zu dem gleichen Effekt führen, wie er oben beschrieben wurde. In solchen Fällen würde es notwendig sein, das linear polarisierte Licht dem Analysator A über einen hinter dem Prisma /2 angeordneten Kompensator zuzuführen, es würde aber die nachfolgende Auswertung komplizierter werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 24

1. Eltipsometer zur Messung der Dicke einer optischen Konstante od. dgl. einer Oberflächenschicht, wobei ein polarisierendes System ein monochromatisches, linear polarisiertes Lichtbündel schräg auf die Oberfläche der zu untersuchenden Probe richtet und dieses von dort als Lichtbündel mit verändertem Polarisationszustand reflektiert wird, g e kje n.n ζ,ρ,ϊphn,et durch die Vereinigung;; der Merkmale, daß: das polarisierende optische System elliptisch polarisiertes Licht abgibt und auf einer optischen Achse angeordnet ist, die im wesentlichen senkrecht zu der Probenoberfläche (S) ausgerichtet ist, daß weiterhin ein erstes im optischen Weg angeordnetes total reflektierendes Prisma (/1) dem aus dem polarisierenden optischen System (O, F, P, Q) austretenden elliptisch polarisierten Licht eine Phasensprungdifferenz verleiht ao und das elliptisch polarisierte Licht schräg auf die Probenoberfläche (5) ablenkt, daß ferner ein zweites im optischen Weg angeordnetes total reflektierendes Prisma (/2) dem von der Probenoberfläche (S) reflektierten Licht eine weitere Phasen- »5 Sprungdifferenz verleiht und dieses Licht parallel zur optischen Achse des polarisierenden optischen Systems ablenkt, und daß ein Analysator (A) so drehbar angeordnet ist, daß das durch das zweite total reflektierende Prisma (/2) gelangende linear polarisierte Licht ausgelöscht wird.

2. Eilipsometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisierende optische System eine Lichtquelle (O), ein monochromatisches Filier (F), einen Polarisator (P) zur Umwandlung des monochromatischen Lichtes in linear polarisiertes Licht und eine Viertelwellenlänge-Platte (Q) zur Umwandlung des linear polarisierten Lichtes in elliptisch polarisiertes Licht mk einem Azimutwinkel von 45° mit Bezug auf die Einfallfläche der Probe aufweist.

3. Eilipsometer na^h Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der von dem ersten und zweiten, den optischen Weg ändernden, total reflektierenden Prismen (/1,12) aufgeprägten Phasensprungdifferenzen 180" beträgt.

4. Eilipsometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem ersten, den optischen Weg ändernden, total reflektierenden Prisma (/1) aufgeprägte Phasensprungdifferenz 135° und 5© die von dem zweiten, den optischen Weg ändernden, total reflektierenden Prisma (/2) aufgeprägte Phasensprungdifferenz 45° beträgt.