DE29815297U1 - Device for recognizing the position of a sample to be examined relative to a detection system - Google Patents
Device for recognizing the position of a sample to be examined relative to a detection systemInfo
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21. August 199821 August 1998
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Vorrichtung zur Erkennung der Position einer zu untersuchenden Probe relativ zu einem NachweissystemDevice for detecting the position of a sample to be examined relative to a detection system
Vorrichtung zur Erkennung der Position einer zu untersuchenden Probe relativ zu einem NachweissystemDevice for detecting the position of a sample to be examined relative to a detection system
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung der Position einer zu untersuchenden Probe relativ zu einem Nachweissystem.The invention relates to a device for detecting the position of a sample to be examined relative to a detection system.
Die Ellipsometrie ist eine empfindliche optische Methode zur Bestimmung von Brechzahlen und Dicken sehr dünner Schichten. Sie nutzt die Veränderung des Polarisationszustandes von Licht nach der Reflexion an der Probenoberfläche aus. Dazu wird kollimiertes und vollständig polarisiertes Licht unter einem bestimmten Einfallswinkel auf die Probe gerichtet. Nach der Reflexion verändert sich der Polarisationszustand der Strahlung als Funktion der Probeneigenschaften. So wird z.B. linear polarisiertes einfallendes Licht nach der Wechselwirkung mit der Probe elliptisch polarisiert reflektiert. Mit Hilfe geeigneter Anordnungen polarisationsoptischer Bauelemente im Strahlengang des Eilipsometers wird die Veränderung der Polarisation nachgewiesen. Sie wird üblicherweise über die ellipsometrischen Parameter beschrieben, aus denen mit Hilfe mathematischer Algorithmen Probeneigenschaften, wie die Dicke und die Brechzahl von Schichten, errechnet werden.Ellipsometry is a sensitive optical method for determining the refractive indices and thicknesses of very thin layers. It uses the change in the polarization state of light after reflection on the sample surface. To do this, collimated and fully polarized light is directed at the sample at a certain angle of incidence. After reflection, the polarization state of the radiation changes as a function of the sample properties. For example, linearly polarized incident light is reflected elliptically polarized after interaction with the sample. The change in polarization is detected using suitable arrangements of polarization-optical components in the beam path of the ellipsometer. It is usually described using the ellipsometric parameters, from which sample properties such as the thickness and refractive index of layers are calculated using mathematical algorithms.
Eine sehr häufig verwendete Anordnung eines photometrischen Eilipsometers besteht aus einer Quelle für kollimiertes Licht, einem Polarisator, der Probe, einem Analysator und einem Detektor. Durch Rotation entweder des Analysators oder des Polarisators entsteht ein periodisches Signal am Detektor, aus dem sich die ellipsometrischen Parameter ergeben. Eine ausführlicheA very common arrangement of a photometric ellipsometer consists of a source of collimated light, a polarizer, the sample, an analyzer and a detector. By rotating either the analyzer or the polarizer, a periodic signal is generated at the detector, from which the ellipsometric parameters are derived. A detailed
Beschreibung der Ellipsometrie findet man in R.M. Azzam, Bashara, Ellipsometry and Polarized Light, North Holland, Amsterdam, 1988.Description of ellipsometry can be found in R.M. Azzam, Bashara, Ellipsometry and Polarized Light, North Holland, Amsterdam, 1988.
Das Bezugssystem der Ellipsometrie ist die Einfallsebene (x-z Ebene im gewählten Koordinatensystem des Eilipsometers) der Strahlung. Sie wird durch die Achse des einfallenden kollimierten Lichts und das Lot auf das Flächenelement der Probe aufgespannt, auf welches der Lichtstrahl trifft. Der Winkel zwischen Lot und Achse des einfallenden Strahls wird als Einfallswinkel bezeichnet. Sämtliche polarisationsoptischen Bauteile des Eilipsometers sind auf dieses Bezugssystem ausgerichtet. Der Einfallswinkel sowie die Winkelpositionen der Komponenten des Eilipsometers in bezug auf die Einfallsebene gehen unmittelbar in die Berechnung der Probeneigenschaften ein. Um die intrinsische Genauigkeit des Geräts auch wirklich zu erreichen, müssen diese Parameter mit hoher Genauigkeit (besser 0,01°) bekannt sein. Sie sind entweder konstruktiv vorgegeben oder werden über ein Goniometer eingestellt, auf dem die optischen Komponenten angeordnet sind. Häufig reichen diese Maßnahmen nicht aus, so daß nachträgliche Eichmessungen anhand bekannter Proben erforderlich sind.The reference system of ellipsometry is the plane of incidence (x-z plane in the chosen coordinate system of the ellipsometer) of the radiation. It is spanned by the axis of the incident collimated light and the perpendicular to the surface element of the sample that the light beam hits. The angle between the perpendicular and the axis of the incident beam is called the angle of incidence. All polarization-optical components of the ellipsometer are aligned with this reference system. The angle of incidence as well as the angular positions of the components of the ellipsometer in relation to the plane of incidence are directly included in the calculation of the sample properties. In order to actually achieve the intrinsic accuracy of the device, these parameters must be known with a high degree of accuracy (better 0.01°). They are either specified by the design or are set using a goniometer on which the optical components are arranged. These measures are often not sufficient, so that subsequent calibration measurements using known samples are required.
Die Ellipsometrie ist in der Lage, Brechzahlen bis auf 0,01 % genau und Schichtdicken mit Genauigkeiten im sub-nm Bereich zu bestimmen. Entscheidende Voraussetzung für das tatsächliche Erreichen der theoretisch möglichen Genauigkeit der Ellipsometrie ist eine korrekte Justierung des Geräts in bezug auf die Probe. Fehljustierungen können beispielsweise infolge von Fehlbedienungen oder durch Langzeitdrifts des mechanischen Aufbaus des Geräts eintreten. Geringe Fehljustierungen lassen sich jedoch nicht ohne weiteres feststellen. Deshalb besteht die Gefahr, daß sie auf die Meßergebnisse als systematischer Fehler übertragen werden.Ellipsometry is able to determine refractive indices with an accuracy of 0.01 % and layer thicknesses with accuracies in the sub-nm range. The decisive prerequisite for actually achieving the theoretically possible accuracy of ellipsometry is correct adjustment of the device in relation to the sample. Misalignments can occur, for example, as a result of incorrect operation or long-term drifts in the mechanical structure of the device. However, small misalignments cannot be easily detected. Therefore, there is a risk that they will be transferred to the measurement results as a systematic error.
Für praktische Anwendungen, insbesondere bei der kontinuierlichen Qualitätskontrolle in der Fertigung von dünnen Schichten kommt esFor practical applications, especially in continuous quality control in the production of thin films,
entscheidend darauf an, die perfekte Justierung des Eilipsometers in bezug auf die Probe auch bei häufigem Probenwechsel über lange Zeiträume zu gewährleisten. Nur so kann die Ellipsometrie ihr Potential auch bei hohem Probendurchsatz voll ausschöpfen.It is crucial to ensure the perfect adjustment of the ellipsometer in relation to the sample, even with frequent sample changes over long periods of time. This is the only way that ellipsometry can fully exploit its potential, even with high sample throughput.
Nach dem Stand der Technik ist die Gewährleistung der korrekten Justierung nur über aufwendige Eichmessungen anhand von vollständig charakterisierten Proben möglich. Dies kann nur stichprobenartig durch eine Bedienungsperson erfolgen.According to the current state of the art, ensuring correct adjustment is only possible through complex calibration measurements using fully characterized samples. This can only be done randomly by an operator.
Ein Ausweg ist die Verwendung eines positionsempfindlichen Detektors im Analysatorarm eines photometrischen Eilipsometers, wie es in EP 0 632 256 Al und US-5,502,567 vorgeschlagen wurde. Die kreisförmige Symmetrie des dort verwendeten Detektor-Arrays in Kombination mit einer vorgeschalteten Mikro-Optik liefert ein Signal, welches sowohl auf die Verkippung der Probe als auch auf den Abstand äußerst empfindlich reagiert. Als besonders effektiv hat sich ein transparenter Kegel erwiesen, der direkt auf ein kreisrundes Array aus einer geraden Anzahl identischer Photodetektoren befestigt wird ("Kegelpolarimeter"). Bei korrekter Justierung des Systems Probe-Ellipsometer erhält man ein streng symmetrisches sinus-förmiges Signal, wie bei einem photometrischen Ellipsometer mit rotierendem Polarisator. Das Kegelpolarimeter stellt damit ein intrinsisches Bezugssystem des Eilipsometers dar. Nachteilig ist jedoch, daß die Response des Kegelpolarimeters auf Lageveränderungen der Probe sehr komplex und nicht linear ist. Die Auswirkungen von Verkippungen und linearen Verschiebungen auf das Signal sind nicht unabhängig voneinander, so daß die drei Freiheitsgrade nicht aus einem einzigen Signal heraus separierbar sind. Das gilt besonders bei sehr starken Abweichungen von der idealen Position. Damit läßt sich eine Regelung für die Automatisierung nur schwer realisieren. Das Kegelpolarimeter liefert das Ziel, jedoch nicht den Weg dorthin.One solution is to use a position-sensitive detector in the analyzer arm of a photometric ellipsometer, as proposed in EP 0 632 256 Al and US-5,502,567. The circular symmetry of the detector array used there in combination with an upstream micro-optics provides a signal that reacts extremely sensitively to both the tilt of the sample and the distance. A transparent cone that is attached directly to a circular array of an even number of identical photodetectors ("cone polarimeter") has proven to be particularly effective. If the sample-ellipsometer system is correctly adjusted, a strictly symmetrical sinusoidal signal is obtained, as with a photometric ellipsometer with a rotating polarizer. The cone polarimeter thus represents an intrinsic reference system of the ellipsometer. However, the disadvantage is that the response of the cone polarimeter to changes in the position of the sample is very complex and not linear. The effects of tilting and linear displacements on the signal are not independent of one another, so that the three degrees of freedom cannot be separated from a single signal. This is especially true for very large deviations from the ideal position. This makes it difficult to implement control for automation. The cone polarimeter provides the goal, but not the way to get there.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei geringfügigen Verstellungen des Meßsystems, sei es durch eine thermisch bedingte Drift des Systems Ellipsometer-Probe, mechanische Einwirkungen oder auch durch eine Drift der Elektronik, die laufenden Messungen unterbrochen werden müssen, um mittels Eichmessungen das System wieder zu justieren. Dies ist zeitlich aufwendig und erfordert qualifiziertes Bedienungspersonal.A further disadvantage is that in the event of minor adjustments to the measuring system, whether due to thermal drift of the ellipsometer-sample system, mechanical influences or drift of the electronics, the ongoing measurements must be interrupted in order to readjust the system using calibration measurements. This is time-consuming and requires qualified operating personnel.
Aufgabe der Erfindung ist daher eine Vorrichtung, mit der die Position einer mit physikalischem Verfahren zu untersuchenden Probe relativ zu einem Nachweissystem erkannt werden kann.The object of the invention is therefore a device with which the position of a sample to be examined using a physical method can be detected relative to a detection system.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine Lichtquelle und optische Elemente, mit denen zwei Strahlen auf die Oberfläche der Probe lenkbar sind, sowie zwei positionsempfindliche Detektoren, die das von der Probenoberfläche reflektierte Licht erfassen, wobei ein erster Detektor für die Erkennung der Verkippung der Probe und ein zweiter Detektor für die Erkennung des Probenabstandes vorgesehen sind.The problem is solved with a device that is characterized by a light source and optical elements with which two beams can be directed onto the surface of the sample, as well as two position-sensitive detectors that detect the light reflected from the sample surface, with a first detector for detecting the tilt of the sample and a second detector for detecting the sample distance.
Die von der Vorrichtung ermittelte Probenposition kann für eine automatische relative Justierung von Probe und Nachweissystem herangezogen werden, ohne daß wiederholte Eichmessungen erforderlich werden.The sample position determined by the device can be used for an automatic relative adjustment of the sample and detection system without the need for repeated calibration measurements.
Das Proben-Lage-Erkennungssystem liefert Signale, die eindeutig jedem Freiheitsgrad zugeordnet sind, so daß anhand dieser Regelgrößen eine Justierung eines Nachweissystems möglich wird.The sample position detection system delivers signals that are clearly assigned to each degree of freedom, so that an adjustment of a detection system is possible based on these control variables.
Ein beispielhaftes Nachweissystem ist ein Eilipsometer.An exemplary detection system is an egglipsometer.
Wenn sich beim Routinebetrieb die Proben-Lage ändern sollte, wird die Abweichung durch veränderte Auftreffpositionen der Lichstrahlen auf denIf the sample position changes during routine operation, the deviation is compensated by changing the impact positions of the light beams on the
Detektoren erkannt. Hieraus werden Regelsignale erzeugt, die zur Nachjustierung verwendet werden können.Detectors are used to generate control signals that can be used for readjustment.
Eine beispielhafte Ausfuhrungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung als KomponenteFig. 1 is a schematic representation of the device as a component
einer Ellipsometeranordnung undan ellipsometer arrangement and
Fign. 2a-c die möglichen Lageveränderungen der Probe und die Auswirkungen auf das Proben-Lage-Erkennungssystem.Fig. 2a-c show the possible position changes of the sample and the effects on the sample position detection system.
In der Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Proben-Lage-Erkennungs-Vorrichtung 20 zu sehen, die beispielhaft in eine Ellipsometeranordnung mit Eilipsometer 10 und Verstelleinrichtung 40 eingebunden ist. Auf einem Probentisch 2 befindet sich eine Probe 1, über der das Eilipsometer 10 für die Untersuchung der Oberflächeneigenschaften der Probe 1 angeordnet ist. Das Eilipsometer 10 weist eine Lichtquelle 11, einen Polarisator 12 und ein Kegelpolarimeter 13 auf. Das von der Lichtquelle 11 ausgesandte Licht (einfallender Strahl 14a) wird durch das Polarimeter 12 polarisiert und trifft auf der Probenoberfläche auf, wo eine Reflektion erfolgt. Der reflektierte Lichtstrahl 14b trifft auf das Polarimeter 13, das an eine Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) angeschlossen ist, in dem die Auswertung des detektierten reflektierten Lichtstrahls 14b vorgenommen wird.Fig. 1 shows a schematic representation of the sample position detection device 20 according to the invention, which is integrated, for example, into an ellipsometer arrangement with ellipsometer 10 and adjustment device 40. A sample 1 is located on a sample table 2, above which the ellipsometer 10 is arranged for examining the surface properties of the sample 1. The ellipsometer 10 has a light source 11, a polarizer 12 and a cone polarimeter 13. The light emitted by the light source 11 (incident beam 14a) is polarized by the polarimeter 12 and strikes the sample surface, where a reflection occurs. The reflected light beam 14b strikes the polarimeter 13, which is connected to an evaluation device (not shown), in which the evaluation of the detected reflected light beam 14b is carried out.
Oberhalb des Eilipsometers 10 ist die Proben-Lage-Erkennungsvorrichtung 20 angeordnet, die einen Laser 21 aufweist. Der vom Laser 21 ausgesandte Lichtstrahl 26 wird am teildurchlässigen Spiegel 22 senkrecht nach unten auf die Probe 1 abgelenkt (Lichtstrahl 27a). Ein Teil des Lichtstrahls 26 trifft aufThe sample position detection device 20, which has a laser 21, is arranged above the ellipsometer 10. The light beam 26 emitted by the laser 21 is deflected vertically downwards onto the sample 1 by the partially transparent mirror 22 (light beam 27a). Part of the light beam 26 hits
den Umlenkspiegel 23, der den Lichtstrahl 27b ebenfalls auf die Probe 1 lenkt. Die beiden reflektierten Strahlen 28a und 28b treffen auf positionsempfindliche Detektoren 24 und 25, die über Signalleitungen 47,48 mit einer Steuereinrichtung 41 verbunden sind. Über eine Steuerleitung 44 werden entsprechende Signale an eine Verstelleinrichtung 40 abgegeben, die den Probentisch 2 mit dem Gesamtsystem 43 verknüpft.the deflection mirror 23, which also directs the light beam 27b onto the sample 1. The two reflected beams 28a and 28b hit position-sensitive detectors 24 and 25, which are connected to a control device 41 via signal lines 47, 48. Corresponding signals are sent via a control line 44 to an adjustment device 40, which links the sample table 2 to the overall system 43.
Wenn die Lage der Probe sich gegenüber der in der Fig. 1 gezeigten Position verändert, wie dies in den Fign. 2a-c dargestellt ist, werden auch die Strahlen 28a,28b unter anderen Winkeln reflektiert, was von den entsprechenden Detektoren 24 und 25 erkannt wird. In der Fig. 2a ist die Probe 1 in einer gekippten Stellung dargestellt (Probe V), so daß der reflektierte Strahl 28a unter dem Winkel &sgr; zurückreflektiert wird. Der reflektierte Strahl 28a' trifft somit an einer anderen Stelle auf den Detektor 24 auf, was von diesem erkannt wird. Über die Verstelleinrichtung 40 kann nun die Probe &Ggr; in die ursprüngliche Position 1 zurückgeführt werden. Die andere Möglichkeit besteht darin, das Gesamtsystem 43 aus Proben-Lage-Erkennungssystem 20 und Eilipsometer 10 nachzuführen, so daß der reflektierte Strahl 28a' die Position des ursprünglichen Strahls 28a einnimmt.If the position of the sample changes compared to the position shown in Fig. 1, as shown in Figs. 2a-c, the beams 28a, 28b are also reflected at other angles, which is detected by the corresponding detectors 24 and 25. In Fig. 2a, the sample 1 is shown in a tilted position (sample V), so that the reflected beam 28a is reflected back at the angle σ . The reflected beam 28a' thus hits the detector 24 at a different point, which is detected by the latter. The sample Γ can now be returned to the original position 1 via the adjustment device 40. The other possibility is to adjust the entire system 43 comprising the sample position detection system 20 and the ellipsometer 10 so that the reflected beam 28a' assumes the position of the original beam 28a.
In der Fig. 2b ist eine Verkippung in einer Richtung senkrecht zu der in der Fig. 2a dargestellten Verkippung zu sehen. Auch hier führt die Änderung der Proben-Lage zu einer Änderung des Auftrefrpunktes des reflektierten Strahls 28a bzw. 28a'.In Fig. 2b, a tilt can be seen in a direction perpendicular to the tilt shown in Fig. 2a. Here too, the change in the sample position leads to a change in the point of impact of the reflected beam 28a or 28a'.
In der Fig. 2c ist eine Parallelverschiebung der Probe 1,1' in Richtung der Z-Achse dargestellt. Der Auftrefrpunkt des einfallenden Strahls 27b wird durch diese Lageänderung verschoben, was zu einer Parallelverschiebung des Strahls 28b zum Strahl 28b' führt. Diese Positionsveränderung wird von dem Detektor 25 erkannt. Auch hier wird über die Verstelleinrichtung 40 eine entsprechende Nachjustierung vorgenommen.In Fig. 2c, a parallel displacement of the sample 1,1' in the direction of the Z-axis is shown. The point of impact of the incident beam 27b is displaced by this change in position, which leads to a parallel displacement of the beam 28b to the beam 28b'. This change in position is detected by the detector 25. Here, too, a corresponding readjustment is carried out via the adjustment device 40.
In der Fig. 1 ist das Polarimeter 43 über die Signalleitung 46 zusätzlich an eine Signalanalyseeinrichtung 42 angeschlossen, die die Symmetrie des Polarimetersignals kontinuierlich überwacht. Über eine Signalleitung 45, die Steuereinrichtung 41 und die Steuerleitung 44 ist diese Signalanalyseeinrichtung 42 ebenfalls an die Verstelleinrichtung 40 angeschlossen. Bei einer Abweichung von der geforderten Symmetrie wird die (elektronische) Verriegelung des Proben-Lage-Erkennungssystems aufgehoben und das Gesamtsystem 43 über die Verstelleinrichtung 40 wieder in die richtige Position gebracht.In Fig. 1, the polarimeter 43 is additionally connected via the signal line 46 to a signal analysis device 42, which continuously monitors the symmetry of the polarimeter signal. This signal analysis device 42 is also connected to the adjustment device 40 via a signal line 45, the control device 41 and the control line 44. If there is a deviation from the required symmetry, the (electronic) locking of the sample position detection system is canceled and the entire system 43 is brought back into the correct position via the adjustment device 40.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 19990204 |
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| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20011218 |
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| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20041201 |
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| R158 | Lapse of ip right after 8 years |
Effective date: 20070301 |