DE4137673A1 - Reflektometer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reflektometer, insbe­ sondere ein Röntgenreflektometer.

Ein Reflektometer wird eingesetzt, um zerstörungsfrei die Dichte und Rauhigkeit von Oberflächen zu messen. Daneben können auch die Dicke von dünnen Schichten (bis ca. 1000 nm), in Schichtsystemen die Dicken von Einzelschichten und die Rauhig­ keit verborgener Grenzflächen gemessen werden. Zu diesem Zweck wird die Reflexion von Strahlung, insbesondere von Röntgen­ strahlung, nahe dem Grenzwinkel für Totalreflexion gemessen. Die Schichtdicke wird aus den Abständen entstehender Interferenz­ maxima, die Dichte aus dem Winkel, bei dem Totalreflexion er­ folgt, und die Rauhigkeit der Oberfläche oder von Grenzflächen aus dem Abfall der totalreflektierten Intensität bestimmt.

Derartige Messungen mittels eines Reflektometers wurden bisher in folgender Weise durchgeführt:

• 1. Aus dem Strahl einer Röntgenquelle wird mit Hilfe von Blenden ein feiner Strahl ausgeblendet.
• 2. Dieser Primärstrahl trifft unter einem sehr kleinen Winkel zur Oberfläche auf die vorzugsweise ebene Probe, d. h. der von der Oberflächennormalen gemessene Einfallswinkel ist näherungsweise 90°. Der für die Messung interessante Winkel­ bereich ist abhängig von der Wellenlänge der Strahlung und der Probendichte; bei Cu-k_α-Strahlung beträgt der Einfalls­ winkel etwa 88° bis 90°.
• 3. An der Probe wird der auftreffende Strahl, sofern Total­ reflexion stattfindet, unter dem gleichen Winkel reflektiert, unter dem er auftrifft. Über der Stelle, an der der Strahl auf die Oberfläche der Probe auftrifft, befindet sich eine Einrichtung, z. B. eine Schneidenblende, die die Streu­ strahlung auffängt. Die Divergenz des einfallenden Strahls wird durch die Qualität der Kollimation (feine Ausblendung) oder durch die Öffnung zwischen Probe und Schneidenblende bestimmt und soll möglichst klein sein.
• 4. Die Detektion der reflektierten Strahlung erfolgt durch einen schmalen Spalt hindurch, der jeweils beim Ausfalls­ winkel der reflektierten Strahlung angeordnet wird.
• 5. Zur Durchführung der Messung wird der Einfallswinkel des Primärstrahls verändert (bei Cu-Strahlung ca. 88° bis 90°), gleichzeitig wird die Position des Detektors bzw. dessen vorgesetzten Spaltes entsprechend verändert (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel).

Bei diesem Meßverfahren wird der monochromatische oder unge­ filterte Primärstrahl möglichst fein ausgeblendet. Je feiner der Primärstrahl ist, um so besser kann der Einfallswinkel kontrolliert werden. Dieser feine Primärstrahl wird durch eine Schneidenblende über der auszumessenden Oberfläche der Probe in der Divergenz weiter eingeschränkt. Die Veränderung des Einfallswinkels des einfallenden Strahles und die Veränderung der Position des Detektorspalts wird synchron mit Hilfe von Goniometern durchgeführt. Dieses Verfahren detektiert daher sequentiell.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Reflektometer anzugeben, bei dem der Einsatz eines Goniometers nicht not­ wendig ist und das so modifiziert werden kann, daß die Daten­ erfassung für alle Einfallswinkel gleichzeitig erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Reflektometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Reflektometers anhand der Fig. 1 bis 4, die jeweils das Schema eines Aus­ führungsbeispiels darstellen.

Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren verwendet das Re­ flektometer der vorliegenden Erfindung keinen feinen Primär­ strahl dessen Einfallswinkel auf die Probe variiert wird, sondern einen (in einem Teil der Ausführungsbeispiele mono­ chromatischen) konvergenten Primärstrahl. Die Konvergenz dieses Primärstrahles wird entweder durch Fokussieren er­ reicht, oder es wird von dem Primärstrahl alles bis auf einen geeignet konvergierenden Anteil ausgeblendet.

Die Anordnung der Probe relativ zu dem einfallenden Strahl wird so vorgenommen, daß ein Rand des Strahlenbündels in einem Winkel von vorzugsweise 0° bis einige zehntel Grad (z. B. 0,3°) auf die Oberfläche der Probe fällt, d. h. daß ein Rand des Primärstrahls einen Einfallswinkel von 90° oder bis zu einigen zehntel Grad weniger, gemessen von einer Normalen auf die Oberfläche des zu untersuchenden Bereiches der Probe, auf­ weist. Den Primärstrahl ausschließlich unter Winkeln größer als 0° (Einfallswinkel kleiner als 90°) auf die Oberfläche der Probe auftreffen zu lassen, kann unter Umständen vorteilhaft sein, um empfindliche Detektoren zu entlasten. Derjenige Anteil des Primärstrahles, der unter einem Winkel von 0° oder etwas darüber auf die Oberfläche der Probe auftrifft (streifender Lichteinfall) wird vollständig reflektiert. Dieser Anteil des Strahlenbündels ist daher in der Regel für eine Messung über­ flüssig, da die totalreflektierte Intensität für alle Proben gleich ist. Dieser Anteil des Strahlenbündels kann aber für einen Detektor, der den gesamten Winkelbereich des reflektierten Strahles gleichzeitig erfaßt, eine zu hohe Intensität auf­ weisen, so daß dieser Detektor in dem für die Messung maß­ geblichen Winkelbereich nicht oder nicht mehr anspricht. Auf welchen Winkelbereich der Primärstrahl jeweils zu begrenzen ist, hängt von der Wellenlänge und dem Material der Probe ab. Für die Begrenzung des Randes des Strahlenbündels ist ein Winkel in der Nähe des Grenzwinkels der Totalreflexion vorteil­ haft. Dieser Winkel kann näherungsweise aus berechnet werden, wobei d dem Dispersionsanteil des Brechungsindex der Probe für die verwendete Röntgenstrahlung entspricht. Es kann davon ausgegangen werden, daß für die üblicherweise zu unter­ suchenden Proben der angegebene Winkel von 0,3° (Einfallswinkel 89,7°) als Begrenzung des Primärstrahles universell vorteil­ haft ist. Die Eingrenzung des Primärstrahles kann z. B. durch eine oder mehrere am Rand des Primärstrahls angeordnete Blenden erfolgen. Eine alternative Möglichkeit besteht darin, die Probe relativ zu dem Primärstrahl so zu drehen, daß den Detektor nur für die Messung maßgebliche reflektierte Strahlung erreicht. Der Winkelbereich, der von der einfallenden Strahlung überstrichen wird, ist mindestens so groß, daß alle Einfallswinkel kleiner als 90°, die für die Untersuchung der Probe maßgeblich sind, in dem Primärstrahl vorhanden sind. Daher enthält das auf die Probe auftreffende konvergente Strahlenbündel Strahlung in allen erforderlichen Einfallswinkeln.

Vorteilhaft ist es, wenn der Primärstrahl durch eine dafür vorgesehene Einrichtung des Reflektometers auf die zu unter­ suchende Stelle der Oberfläche der Probe fokussiert wird, weil auf diese Weise die zur Verfügung stehende Lichtintensität der Strahlungsquelle optimal genutzt wird. Die Erzeugung eines konvergenten, monochromatischen Röntgenstrahls kann z. B. durch fokussierende Kristallmonochromatoren oder durch künstliche Kristallgitter mit großer Gitterkonstante (soge­ nannte Multi-Layer) erfolgen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der Strahlengang ausgehend von dem Fokus F einer Röntgenröhre bis zu einem Detektor D eingezeichnet. Ein Monochromator M fokussiert einen monochromatischen Anteil der Strahlung auf einen Bereich A der Oberfläche der zu untersuchenden Probe P. Eventuell auf­ tretende Streustrahlung wird durch eine geeignete, über dem analysierten Bereich A angeordnete Einrichtung (Schneiden­ blende S) ausgeblendet. Die reflektierte Strahlung wird durch einen Detektor D detektiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein ortsempfindlicher Detektor D verwendet. Mit diesem Detektor (z. B. Film, Speicherleuchtstoffe (image plates), ortsempfindliches Proportionalzählrohr) kann man Strahlung in allen auftretenden Ausfallswinkeln gleichzeitig detektieren.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 wird als Strahlungs­ quelle eine ausgedehnte Röntgenquelle B (z. B. ein Strichfokus kommerzieller Röntgenröhren, der gegenüber den üblichen Beu­ gungsgeometrien, bei denen der Fokus senkrecht zur Zeichen­ ebene in Fig. 2 angeordnet wäre, um 90° gedreht ist) ver­ wendet. Die Schneidenblende S blendet von der von dieser Röntgenquelle ausgesandten Strahlung alles bis auf einen konvergenten Anteil aus. Dieser konvergente Anteil trifft auf dem Bereich A der Oberfläche der zu untersuchenden Probe P auf und wird von dort zu dem Detektor D reflektiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Halbleiterdetektor (Festkörper­ detektor) oder eine Kombination aus einem Kristallmonochromator mit einem Szintillationszähler verwendet. Ein Detektorspalt DS sorgt dafür, daß diesen Detektor D nur ausfallende Strahlung einer bestimmten Ausfallsrichtung erreicht. Der gesamte Winkel­ bereich der reflektierten Strahlung wird gemessen, indem der Detektor D in der Verschiebungsrichtung L verschoben wird und so alle Ausfallswinkel erfaßt. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 braucht der einfallende Strahl nicht notwendiger­ weise monochromatisch zu sein. Es genügt wenn der einfallende Strahl konvergent ist oder zumindest einen konvergenten Anteil aufweist. Der Detektor des Ausführungsbeispieles 2 kann auch in dem Ausführungsbeispiel 1 verwendet werden. Die Datener­ fassung erfolgt dann allerdings sequentiell. Eine parallele Datenerfassung unter Einsatz eines Detektors wie in Aus­ führungsbeispiel 1 ist bei der Anordnung nach Fig. 2 ebenfalls möglich, wenn der einfallende Strahl vor dem Auftreffen auf die Probe monochromatisch gemacht wird. Dazu genügt in diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ein ebener (flacher) Mono­ chromator.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird wie in dem Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 2 ein Primärstrahl eingesetzt, der nicht notwendig monochromatisch ist. Auf der Seite der re­ flektierten Strahlung wird ein sogenannter Du-Mond-Kristall K eingesetzt. Dabei handelt es sich um einen sehr dünnen Ein­ kristall, der in einer solchen Weise gebogen ist, daß die Netzebenen N, wie in der Figur eingezeichnet, zumindest näherungsweise eine gemeinsame Schnittgerade aufweisen. Da­ durch wird erreicht, daß dieses Kristallgitter für einen hin­ durchtretenden divergenten Strahl so wirkt, wie ein Bragg-Re­ flektor für ein paralleles Strahlenbündel. Auf diese Weise wird erreicht, daß die vom Bereich A der Probe ausgehende reflektierte Strahlung trotz ihrer Divergenz an den Netzebenen N des Du-Mond-Kristalls K in Transmission, d. h. durch den Kristall hindurchgehend, gebeugt werden. Dabei gilt eine der Bragg-Bedingung entsprechende Beziehung. Auf diese Weise wird das divergente reflektierte Strahlenbündel monochromatisch, und die Detektion der Strahlung kann wie im Ausführungsbeispiel 1 durch einen ortsempfindlichen Detektor erfolgen. Die Datener­ fassung erfolgt dann parallel, d. h. für alle Winkel der re­ flektierten Strahlung gleichzeitig.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist statt des Du-Mond- Kristalles ein ebener Monochromator FM in dem Strahlengang des reflektierten Strahles angeordnet. Dieser ebene Monochromator FM reflektiert den reflektierten Strahl erneut und macht ihn dabei monochromatisch, so daß die Strahlung von einem ver­ gleichsweise einfachen Detektor detektiert werden kann. Diese Art von Detektor D ist in der Regel nicht in der Lage, die lntensität der Strahlung in Abhängigkeit von dem Ort oder der Richtung festzustellen. Daher wird durch einen Detektorspalt DS jeweils der nicht in einem bestimmten Winkel auftreffende Anteil der reflektierten Strahlung ausgeblendet.

Je nach der Konstruktion der verwendeten Detektoren können die in den Ausführungsbeispielen 1 bis 4 beschriebenen Komponenten in gewissem Ausmaß miteinander kombiniert werden. Der Primär­ strahl ist entweder monochromatisch oder nicht monochromatisch. Einen monochromatischen konvergenten Primärstrahl erhält man z. B. mittels des in Fig. 1 dargestellten fokussierenden Mono­ chromators M. Einen nicht monochromatischen konvergenten Primärstrahl erhält man z. B., indem man eine ausgedehnte Strahlungsquelle, insbesondere Röntgenquelle, benutzt und die von dieser Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung bis auf einen in bezug auf den Bereich A konvergenten Anteil aus­ blendet. Die Röntgenquelle ist z. B. eine kommerzielle Röntgen­ röhre mit Strichfokus, wobei der Fokus so angeordnet ist, daß er in der durch die hauptsächliche Richtung des Primärstrahles und die hauptsächliche Richtung des reflektierten Strahles festgelegten Ebene senkrecht zur hauptsächlichen Richtung des Primärstrahles eine ausreichende Ausdehnung aufweist.

Falls die reflektierte Strahlung bereits monochromatisch ist, kann jeder der beschriebenen Detektoren eingesetzt werden. Falls die reflektierte Strahlung nicht monochromatisch ist, kann die Strahlung entweder nicht monochromatisch detektiert werden oder vor Eintritt in den Detektor monochromatisch ge­ macht werden. Für eine parallele (gleichzeitige) Datener­ fassung eignet sich ein Du-Mond-Kristall als Monochromator, durch den der reflektierte Strahl hindurchtritt, und ein ortsempfindlicher Detektor. Eine serielle Datenerfassung er­ reicht man z. B. mit einem flachen Monochromator und einem Szintillationszähler oder mit einem Halbleiterdetektor (Fest­ körperdetektor), der in der Lage ist, die Strahlung einer be­ stimmten Energie, d. h. einer bestimmten Wellenlänge, zu selektieren. Dieser Detektor erfaßt daher nur die Strahlung einer bestimmten Wellenlänge, so daß ein vorgeschalteter Monochromator nicht erforderlich ist. Bei Verwendung von Detektoren für serielle Datenerfassung ist jeweils ein Mechanismus für die Verschiebung des Detektors oder zumindest eines davor angeordneten Detektorspaltes notwendig. Wegen des kleinen für die Messung maßgeblichen Winkels genügt es, wenn diese Verschiebung linear, d. h. längs einer Geraden, erfolgt. Bei den anderen angegebenen Anordnungen sind keine beweglichen Teile notwendig.

Bei dem erfindungsgemäßen Reflektometer weist der einfallende Strahl alle für die Messung erforderlichen Einfallswinkel gleichzeitig auf. Daher ist entsprechend den Ausführungs­ beispielen 1 und 3 eine gleichzeitige Erfassung der Meßwerte für alle Einfallswinkel möglich. Die Messung kann daher sehr viel schneller erfolgen als bei bisher bekannten Reflektometern. Insbesondere sind keine Goniometer zur synchronen Ausrichtung von Primärstrahl und Detektor notwendig. Das erfindungsgemäße Reflektometer ist daher ein einfach konstruiertes Gerät, mit dem mit hohem Durchsatz Proben gemessen und die Auswertungen der Meßdaten ohne Schwierigkeiten automatisiert werden können. Der Durchgang der Proben durch das Gerät kann senkrecht zur Beugungsgeometrie, d. h. senkrecht zur Zeichenebene der Figuren, erfolgen. Das Gerät eignet sich daher bestens zur on-line- Kontrolle der Schichtdicke, Rauhigkeit und Dichte der Ober­ fläche von Proben. Auch bei der Verwendung herkömmlicher De­ tektoren, wie bei dem Ausführungsbeispiel 2, ist die Hand­ habung des Gerätes bei der Messung wesentlich vereinfacht, weil der Detektor nur linear längs der Verschiebungsrichtung L bewegt zu werden braucht, ohne daß an dem Primärstrahl etwas nachgeregelt werden müßte.

Claims (11)

1. Reflektometer zur Untersuchung der Beschaffenheit einer Probe (P), bei dem eine Strahlungsquelle (F, B) vorhanden ist, von der aus Strahlung mit zumindest einem konvergierenden Anteil auf einen zu untersuchenden Bereich (A) der Oberfläche der Probe (P) gerichtet werden kann, wobei die Konvergenz der Strahlung mindestens so stark gemacht werden kann, daß ein gesamter für die Untersuchung maßgeblicher Winkelbereich von den Einfallsrichtungen der Strahlung überstrichen wird, und bei dem ein Detektor (D) zur Untersuchung von reflektierten Anteilen der Strahlung vorhanden ist.

2. Reflektometer nach Anspruch 1, bei dem die Strahlungsquelle Strahlung im Wellenlängenbereich von Röntgenstrahlung aussendet.

3. Reflektometer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Detektor (D) so ausgebildet ist, daß ein gesamter für die Untersuchung maßgeblicher Anteil von reflektierter Strahlung gleichzeitig detektiert werden kann.

4. Reflektometer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Detektor (D) so ausgebildet ist, daß jeweils die in einer Richtung reflektierte Strahlung detektiert wird, und bei dem der Detektor (D) so bewegt werden kann, daß ein ge­ samter für die Untersuchung maßgeblicher Anteil von reflektierter Strahlung detektiert werden kann.

5. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Einrichtung (S) vorhanden ist, die es gestattet, einen Teil der die Oberfläche der Probe (P) erreichenden Strahlung auszublenden.

6. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der von der einfallenden Strahlung überstrichene Winkelbereich begrenzt wird durch den Winkel 89,7°, gemessen von einer Normalen auf der Oberfläche eines zu untersuchenden Bereiches (A) der Probe (P).

7. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die einfallende Strahlung auf einen zu untersuchenden Bereich (A) der Oberfläche der Probe (P) fokussiert wird.

8. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die einfallende Strahlung monochromatisch ist.

9. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die reflektierte Strahlung vor Erreichen des Detektors (D) monochromatisch gemacht wird.

10. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Detektor (D) ein wellenlängenselektiver Detektor ist.

11. Reflektometer nach Anspruch 9, bei dem die reflektierte Strahlung durch einen Du-Mond-Mono­ chromator (K) tritt.