DE4137673C2 - Röntgenreflektometer - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft 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-kα-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 Reflektometer
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 √2d 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 untersuchenden
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
Intensität 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 eines 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 (9)
1. Reflektometer zur Untersuchung der Beschaffenheit einer
Probe (P), bei dem eine Strahlungsquelle (F, B) vorhan
den ist, die Strahlung im Wellenlängenbereich von Rönt
genstrahlung aussendet und von der aus Strahlung mit
zumindest einem konvergierenden Anteil auf einen zu un
tersuchenden Bereich (A) der Oberfläche der Probe (P)
gerichtet werden kann, wobei die Konvergenz der Strah
lung mindestens so stark gemacht werden kann, daß ein
gesamter für die Untersuchung maßgeblicher Winkelbe
reich von den Einfallsrichtungen der Strahlung über
strichen wird, bei dem ein Detektor (D) zur Untersu
chung von reflektierten Anteilen der Strahlung vorhan
den ist, der so ausgebildet ist, daß ein gesamter für
die Untersuchung maßgeblicher Anteil von reflektierter
Strahlung detektiert werden kann, und bei dem der von
der einfallenden Strahlung überstrichene Winkelbereich
begrenzt wird durch den Winkel 89,7°, gemessen von ei
ner Normalen auf der Oberfläche eines zu untersuchenden
Bereichs (A) der Probe (P).
2. Reflektometer nach Anspruch 1, bei dem der Detektor (D)
so ausgebildet ist, daß ein gesamter für die Untersu
chung maßgeblicher Anteil von reflektierter Strahlung
gleichzeitig detektiert werden kann.
3. Reflektometer nach Anspruch 1, 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 gesamter
für die Untersuchung maßgeblicher Anteil von reflek
tierter Strahlung detektiert werden kann.
4. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
eine Einrichtung (S) vorhanden ist, die es gestattet,
einen Teil der die Oberfläche der Probe (P) erreichen
den Strahlung auszublenden.
5. Reflektometer nach einem der Ansprüchen 1 bis 4, bei
dem die einfallende Strahlung auf einen zu untersuchen
den Bereich (A) der Oberfläche der Probe (P) fokussiert
wird.
6. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem
die einfallende Strahlung monochromatisch ist.
7. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem
die reflektierte Strahlung vor Erreichen des Detektors
(D) monochromatisch gemacht wird.
8. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem
der Detektor (D) ein wellenlängenselektiver Detektor
ist.
9. Reflektometer nach Ansprch 7, bei dem die reflektierte
Strahlung durch einen Du-Mond-Monochromator (K) tritt.
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