DE19708036C2 - Ellipsometric microscope - Google Patents
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Description
Die Erfindung beschreibt eine neuartige ellipsometrische Vorrichtung zur lateral ortsaufgelösten ellipsometrischen Mikroskopie und zur integrierenden Punktellipsometrie. Ellipsometrie ist eine optische Technik zur Messung von Schichtdicken und Brechungsindizes dünner transparenter und nicht transparenter Schichten und Schichtsysteme an Oberflächen oder Grenzschichten zwischen zwei Medien. Bei schrägem Einfall auf die Oberfläche oder Grenzschicht hängt die Reflexion (Reflexions- Ellipsometrie) oder Transmission (Transmissions-Ellipsometrie) der Probe von der Polarisation des einfallenden Lichtes ab. Gleichzeitig kommt es zu interferometrischen Gangunterschieden, die durch die Reflexion des Lichtes an den verschiedenen Grenzschichten der Probe entstehen. Beide Effekte werden bei der Ellipsometrie zur Messung ausgenutzt (Azzam, 1977).The invention describes a novel ellipsometric device for the lateral spatially resolved ellipsometric microscopy and for integrating point ellipsometry. Ellipsometry is an optical technique for measuring layer thicknesses and Refractive indices of thin transparent and non - transparent layers and Layer systems on surfaces or boundary layers between two media. When weird Incidence on the surface or boundary layer depends on the reflection (reflection Ellipsometry) or transmission (transmission ellipsometry) of the sample from the Polarization of the incident light. At the same time there are interferometric ones Path differences caused by the reflection of the light on the different Boundary layers of the sample arise. Both effects are used in ellipsometry Measurement used (Azzam, 1977).
Normale ellipsometrische Verfahren mitteln bei der Messung lateral über den Bereich, der von der Lichtquelle beleuchtet wird. Dies setzt für eine gute Messung auch eine laterale Homogenität der Proben im Bereich des ausgeleuchteten Meßflecks voraus. Typische Durchmesser des Beleuchtungsstrahls bei Ellipsometern ohne entsprechende Zusatzoptiken liegen im Bereich von 500 µm und mehr. Dies führt im Idealfall z. B. bei einem Einfallswinkel von 70 Grad zu einem Meßfleck von ca. 500 µm . 1000 µm. In vielen Bereichen, insbesondere in der Halbleiterindustrie werden aber ellipsometrische Messungen mit einer wesentlich höheren lateralen Auflösung benötigt. Um diese hohe Ortsauflösung zu erreichen, wurden in den letzten Jahren verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Ein Verfahren beruht auf der Verwendung einer sogenannten Mikrospot- Optik. Dabei wird der Laserstrahl auf der Beleuchtungsseite kollimiert, um einen möglichst kleinen Beleuchtungsfleck zu erreichen. Zur Rekonstruktion von Probenparametern (Schichtdicken und Brechungsindizes einzelner Schichten oder Schichtsysteme) aus den ellipsometrischen Messungen ist ein definierter Einfallswinkel des Lichtes unabdingbar. Dies setzt eine Beleuchtung der Probe durch einen parallelen Beleuchtungsstrahl voraus. Diese Bedingung steht im Widerspruch zur Kollimation des Beleuchtungslichtes in den obengenannten Mikrospot-Optiken (Barsukov, 1988(1); Barsukov, 1988(2)). Durch geeignete Blenden im Beobachtungsstrahlengang kann hier Abhilfe geschaffen werden. Ein weiteres Problem stellt derzeit eine geometrische Beschränkung der Kollimationsoptik durch den hohen Einfallswinkel dar, so daß zur Zeit nur Auflösungen im Bereich eines Strahldurchmessers von ca. 10 µm zu erreichen sind. Für ein wirkliches ellipsometrisches Bild der gesamten Oberfläche muß zudem die Probenoberfläche gerastert werden. Dies macht dieses Verfahren sehr langsam.Normal ellipsometric methods laterally average over the area illuminated by the light source. For a good measurement, this also requires a lateral homogeneity of the samples in the area of the illuminated measuring spot. Typical diameters of the illumination beam in ellipsometers without corresponding additional optics are in the range of 500 µm and more. Ideally, this leads to. B. at an angle of incidence of 70 degrees to a measuring spot of about 500 microns. 1000 µm. In many areas, particularly in the semiconductor industry, however, ellipsometric measurements with a much higher lateral resolution are required. Various methods have been proposed in recent years to achieve this high spatial resolution. One method is based on the use of so-called microspot optics. The laser beam is collimated on the lighting side in order to achieve the smallest possible lighting spot. A defined angle of incidence of the light is essential for the reconstruction of sample parameters (layer thicknesses and refractive indices of individual layers or layer systems) from the ellipsometric measurements. This requires the specimen to be illuminated by a parallel illuminating beam. This condition contradicts the collimation of the illuminating light in the above-mentioned microspot optics (Barsukov, 1988 ( 1 ); Barsukov, 1988 ( 2 )). This can be remedied by suitable diaphragms in the observation beam path. Another problem is currently a geometrical limitation of the collimation optics due to the high angle of incidence, so that at present only resolutions in the range of a beam diameter of approximately 10 μm can be achieved. For a real ellipsometric image of the entire surface, the sample surface must also be rasterized. This makes this process very slow.
Ein anderes Konzept für ortsaufgelöste Ellipsometrie beruht darauf, daß die
Detektionseinheit eines gewöhnlichen Ellipsometers durch eine Abbildungsoptik ersetzt
wird, mit der die Probenoberfläche unter einem schrägen Winkel (Einfallswinkel,
gemessen gegen die Probennormale) beobachtet wird, d. h. man ersetzt den Punktdetektor
eines gewöhnlichen Ellipsometers durch einen bildgebenden Detektor (Hurd, 1988; Cohn,
1988; Beaglehole, 1988; Cohn, 1991; Liu, 1994; Prakash, 1995; Pak, 1995; Law, 1996).
Das ellipsometrische Bild wird über eine CCD-Kamera aufgezeichnet und jedes einzelne
Pixel-Element der CCD-Kamera wird als eigenes Ellipsometer betrachtet. Dabei treten
verschiedene Probleme auf: Zunächst ist zu bemerken, daß für ellipsometrische Messungen
zwar nur die nullte Ordnung des von der Probe reflektierten Lichtes (im Reflexions-
Modus) benötigt wird. Um aber eine hohe laterale Auflösung bei der Messung zu erhalten,
müssen nach der Abbeschen Theorie der Bildentstehung mindestens die ersten
Beugungsordnungen des untersuchten Objektes mit abgebildeten werden und man erhält
für das laterale Auflösungsvermögen eines Mikroskops (z. B. Bergmann, 1987):
Another concept for spatially resolved ellipsometry is based on the fact that the detection unit of an ordinary ellipsometer is replaced by imaging optics with which the sample surface is observed at an oblique angle (angle of incidence, measured against the sample normal), i.e. the point detector of an ordinary ellipsometer is replaced by an imaging detector (Hurd, 1988; Cohn, 1988; Beaglehole, 1988; Cohn, 1991; Liu, 1994; Prakash, 1995; Pak, 1995; Law, 1996). The ellipsometric image is recorded on a CCD camera and each individual pixel element of the CCD camera is viewed as a separate ellipsometer. Various problems arise: First of all, it should be noted that only the zero order of the light reflected from the sample (in reflection mode) is required for ellipsometric measurements. However, in order to obtain a high lateral resolution during the measurement, according to Abbe's theory of image formation, at least the first diffraction orders of the examined object must also be imaged and for the lateral resolving power of a microscope one obtains (e.g. Bergmann, 1987):
Dabei ist s der Abstand zweier Objekte, die gerade noch getrennt aufgelöst werden können, λ ist die Wellenlänge des Lichtes AI ist die numerische Apertur der Beleuchtungsoptik und AO ist die numerische Apertur der Abbildungsoptik. Um eine hohe Auflösung zu erzielen sind daher entsprechende numerische Aperturen in der Beleuchtungs- und/oder in der Abbildungsoptik erforderlich, die in der Regel nur durch entsprechend groß dimensionierte Linsen oder durch Mikroskopobjektive erreichbar sind. Um eine laterale Auflösung von 1 µm zu erreichen ist bei einer Wellenlänge von 632.8 nm (HeNe-Laser) nach obiger Gleichung eine gesamte numerische Apertur AI + AO von mindestens 0.75 erforderlich. Derartig hohe numerische Aperturen stellen ein konstruktives Problem bei Einfallswinkeln von mehr als 50 Grad dar. Dieser Winkel wird durch eine Neigung der Probenoberfläche gegenüber der optischen Achse des Beleuchtungs- und des Beobachtungsstrahlengangs erzielt. Insbesondere auf Siliziumoberflächen (Halbleiterindustrie) wird aber Ellipsometrie in der Regel bei Einfallswinkeln von ca. 70 Grad betrieben, um eine hohe Auflösung in den ellipsometrischen Meßgrößen Δ und Ψ zu erhalten. Gleichzeitig führt die hohe numerische Apertur der Abbildungsoptik auch zu einer sehr geringen Tiefenschärfe der Abbildung. Bei den hohen Einfallswinkeln von 50 Grad und mehr wird somit bei herkömmlichen mikroskopischen Abbildungen nur ein sehr schmaler Streifen der Probe wirklich scharf abgebildet, da das reale Bild sehr stark gegen die optische Achse geneigt ist. Es wird daher versucht durch optische Hilfsmittel wie z. B. eine gegen die optische Achse geneigte Mattscheibe oder durch eine Drehung der CCD-Kamera gegen die optische Achse die Neigung des Bildes zu kompensieren und eine saubere, tiefenscharfe Abbildung zu erreichen (Rotermund, 1995; Jin, 1996). Eine andere aufwendige Kompensation könnte, ähnlich wie in der Brewster-Winkel-Mikroskopie (Hénon, 1991), durch ein Nachfokussieren der Optik und eine streifenweise Aufzeichnung des Bildes erfolgen.Here s is the distance between two objects that can just just be resolved separately, λ is the wavelength of the light A I is the numerical aperture of the illumination optics and A O is the numerical aperture of the imaging optics. In order to achieve a high resolution, corresponding numerical apertures in the illumination and / or in the imaging optics are therefore required, which can generally only be achieved by means of appropriately sized lenses or by microscope objectives. In order to achieve a lateral resolution of 1 µm, a total numerical aperture A I + A O of at least 0.75 is required at a wavelength of 632.8 nm (HeNe laser) according to the above equation. Such high numerical apertures represent a constructive problem with angles of incidence of more than 50 degrees. This angle is achieved by an inclination of the sample surface with respect to the optical axis of the illumination and observation beam path. In particular on silicon surfaces (semiconductor industry), however, ellipsometry is generally operated at angles of incidence of approximately 70 degrees in order to obtain a high resolution in the ellipsometric measured variables Δ and Ψ. At the same time, the high numerical aperture of the imaging optics also leads to a very shallow depth of field of the imaging. At the high angles of incidence of 50 degrees and more, only a very narrow strip of the sample is really sharply imaged in conventional microscopic images, since the real image is very strongly inclined to the optical axis. It is therefore tried by optical aids such. B. to compensate for a tilted screen against the optical axis or by rotating the CCD camera against the optical axis to tilt the image and achieve a clean, sharp image (Rotermund, 1995; Jin, 1996). Another complex compensation, similar to Brewster angle microscopy (Hénon, 1991), could be done by refocusing the optics and recording the image in strips.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, bei ellipsometrischen Messungen eine möglichst hohe laterale Auflösung bei einem beliebigen Einfallswinkel zwischen 0 und annähernd 90 Grad zu erreichen, gleichzeitig ein direktes Bild in mikroskopischer Qualität von der Oberfläche zu erhalten und damit ohne Rasterung ein großes Gesichtsfeld auszumessen.The invention specified in claim 1 is based on the problem ellipsometric measurements the highest possible lateral resolution with any To achieve an angle of incidence between 0 and approximately 90 degrees, at the same time a direct one Obtain microscopic quality image from the surface and therefore without screening to measure a large field of view.
Diese Probleme werden durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Mit dem vorgeschlagenen ellipsometrischen Mikroskop können lateral ortsaufgelöst Messungen zur Bestimmung von Schichtdicken und Brechungsindizes (Real- und Imaginärteil) von dünnen Schichten und Schichtsystemen auf festen und flüssigen, transparenten und nichttransparenten Substraten durchgeführt werden. Ebenso können mit dem vorgestellten Verfahren lateral ortsaufgelöst optische Parameter des Substrats selbst bestimmt werden. Schließlich ist das ellipsometrischen Mikroskop dazu geeignet Rauhigkeit, Probendefekte und polarisationsoptische Eigenschaften von dünnen Filmen oder makroskopisch dicken Substraten (Festkörper und Flüssigkeiten) zu untersuchen. Je nach gefordertem Einsatz kann das ellipsometrische Mikroskop sowohl in Reflexion als auch in Transmission eingesetzt werden.These problems are solved by the features listed in claim 1. With the proposed ellipsometric microscope, lateral spatial resolution can be achieved Measurements to determine layer thicknesses and refractive indices (real and Imaginary part) of thin layers and layer systems on solid and liquid, transparent and non-transparent substrates. Likewise, with the presented method laterally spatially resolved optical parameters of the substrate itself be determined. Finally, the ellipsometric microscope is suitable for this Roughness, sample defects and polarization-optical properties of thin films or to examine macroscopically thick substrates (solids and liquids). Each After required use, the ellipsometric microscope can be used both in reflection and can also be used in transmission.
Mit der Erfindung werden verschiedene Vorteile erzielt. Die Orientierung der optischen Achse des Abbildungssystem senkrecht zu Probenoberfläche erlaubt die Verwendung herkömmlicher Mikroskopobjektive (Linsen- oder Spiegelobjektive) mit sehr hoher numerischer Apertur. Dadurch erlaubt die Erfindung ellipsometrische Messungen mit einer lateralen Auflösung von bis zu 0.5 µm. Außerdem treten die Tiefenschärfeprobleme wie bei schrägem Beobachtungswinkeln nicht mehr auf. Durch die Abbildung der Probenoberfläche auf einen ortsauflösenden Detektor wird die ellipsometrische Information simultan über den gesamten Bereich des ausgeleuchteten und beobachteten Gesichtsfeldes gewonnen. Eine Rasterung der Oberfläche erübrigt sich somit. Dies bringt zum anderen gegenüber den normalerweise gebräuchlichen Mikrospot-Optiken einen enormen Zeitvorteil beim Messen.Various advantages are achieved with the invention. The orientation of the optical The axis of the imaging system perpendicular to the sample surface allows use conventional microscope lenses (lens or mirror lenses) with very high numerical aperture. As a result, the invention allows ellipsometric measurements with a lateral resolution of up to 0.5 µm. In addition, depth of field problems such as at oblique viewing angles no longer. By mapping the Sample surface on a spatially resolving detector is the ellipsometric Information simultaneously over the entire area of the illuminated and observed Field of view won. There is no need to rasterize the surface. This brings on the other hand, compared to the normally used microspot optics enormous time advantage when measuring.
Durch die Besonderheit der Beleuchtung eines punktförmigen Bereichs der hinteren Fokalebene des Mikroskopobjektivs wird eine Beleuchtung der untersuchten Oberfläche mit parallelem Licht unter definiertem Einfallswinkel erreicht. Eine Verschiebung des Beleuchtungspunktes in der hinteren Fokalebene erlaubt gleichzeitig eine einfache Veränderung des Einfallswinkels ohne aufwendige mechanische Aufbauten, wie z. B. ein Doppelgoniometer.Due to the peculiarity of the lighting of a punctiform area of the rear The focal plane of the microscope objective illuminates the examined surface achieved with parallel light at a defined angle of incidence. A shift in Illumination point in the rear focal plane allows a simple one at the same time Change the angle of incidence without complex mechanical structures, such as. B. a Double goniometer.
Für die ellipsometrische Mikroskopie im Durchlicht läßt sich alternativ eine Beleuchtung des untersuchten Objektes unter definiertem Einfallswinkel erreichen, indem der Kondensor in seiner hinteren Fokalebene in einem punktförmigen Bereich beleuchtet wird. Illumination can alternatively be used for ellipsometric microscopy in transmitted light of the examined object at a defined angle of incidence by using the Condenser is illuminated in its rear focal plane in a punctiform area.
Möglichkeiten einer vorteilhaften und für verschiedene Einsatzzwecke angepaßten Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. So ist es möglich, das Ellipsometer in seinem polarisationsoptischen Grundaufbau nach einem der üblichen ellipsometrischen Verfahren aufzubauen. Die polarisationsoptischen Komponenten werden idealerweise in Bereichen mit parallelem Strahlengang eingebaut. Es können mit einem Grundaufbau durch den entsprechenden Einbau der polarisationsoptischen Komponenten leicht verschiedene Ellipsometeraufbauten (z. B. PCSA, PSA, PSCA, etc.; P: Polarisator; C: Kompensator; S. Probe; A: Analysator) realisiert werden. Der Einsatz von doppelbrechenden Materialien für die polarisations optischen Komponenten stellt dabei die einfachere Aufbauvariante dar, der Einsatz von elektrooptischen, magnetooptischen oder akustooptischen Komponenten bringt Vorteile bei Problemen wie Strahlversatz und Strahlablenkung durch die Drehung der doppel brechenden Komponenten mit produktionsbedingt nicht exakt planparallelen Stirnflächen. Durch den mikroskopartigen Aufbau des Ellipsometers können leicht verschiedene Lichtquellen in den Strahlengang über Strahlteilerwürfel, über Lichtleiter oder über direkten Anbau an das Mikroskop eingekoppelt werden. So können neben verschiedenen Laserlichtquellen auch das Licht einer Lampe mit geeigneter Monochromatisierung oder Licht aus einem Spektrometer in das Ellipsometer eingekoppelt werden.Possibilities of an advantageous and adapted for different purposes Embodiment of the invention are specified in the subclaims. This makes it possible to recalibrate the basic polarization-optical structure of the ellipsometer one of the usual ellipsometric methods. The polarization-optical Components are ideally installed in areas with a parallel beam path. It can with a basic structure by the appropriate installation of the polarization-optical components slightly different ellipsometer structures (e.g. PCSA, PSA, PSCA, etc .; P: polarizer; C: compensator; S. sample; A: analyzer) will be realized. The use of birefringent materials for the polarizations optical components represent the simpler construction variant, the use of electro-optical, magneto-optical or acousto-optical components bring advantages for problems such as beam offset and beam deflection by rotating the double breaking components with end faces that are not exactly plane-parallel due to production. Due to the microscope-like structure of the ellipsometer, different ones can easily be found Light sources in the beam path over beam splitter cubes, over light guides or over direct attachment to the microscope. So in addition to various Laser light sources also the light of a lamp with suitable monochromatization or Light from a spectrometer can be coupled into the ellipsometer.
Die Ausleuchtung eines definierten punktförmigen Bereichs in der hinteren Fokalebene des Mikroskopobjektivs läßt sich durch die Abbildung einer definierten punktförmigen Lichtquelle auf die hintere Fokalebene erreichen. Als punktförmige Lichtquelle eignet sich eine homogen ausgeleuchtete Lochblende. Bei der Verwendung von mehreren Lochblenden können auch einzelne Blenden zu- oder abgeschaltet werden. Durch direkte Montage von Polarisatoren vor die einzelnen Blenden, kann so einfach zwischen einzelnen Polarisationszuständen geschaltet werden oder es können verschiedene Polarisations zustände gemischt werden.Illumination of a defined punctiform area in the rear focal plane of the Microscope objective can be defined by imaging a defined point Reach the light source on the rear focal plane. Is suitable as a point light source a homogeneously illuminated pinhole. When using multiple Pinhole covers can also be switched on or off. By direct Mounting polarizers in front of the individual apertures can be done easily between individual ones Polarization states can be switched or different polarizations states are mixed.
Analog ist es möglich, als punktförmige Lichtquellen die Enden von Lichtleitern zu verwenden. Bei der Verwendung von polarisationserhaltenden Lichtleitern und einer Beleuchtung des Lichtleiters mit polarisiertem Licht, erübrigt sich die Verwendung eines zusätzlichen Polarisators im Strahlengang des Mikroskops. Jede Lichtleiterfaser kann dann für sich eine eigene Polarisationsrichtung übertragen und durch Veränderung der Polarisation der Beleuchtung der Lichtleiterfaser oder durch geeignete faseroptische Komponenten kann diese Polarisation einfach geändert werden. Auch hier können einzelne Lichtleiter einfach zu oder abgeschaltet werden.Analogously, it is possible to close the ends of light guides as point light sources use. When using polarization-maintaining light guides and one Illumination of the light guide with polarized light, the use of a is unnecessary additional polarizer in the beam path of the microscope. Each optical fiber can then transmit its own direction of polarization and by changing the Polarization of the lighting of the optical fiber or by suitable fiber optic Components, this polarization can easily be changed. Here, too, individual Light guides can be easily switched on or off.
Eine Verwendung des ellipsometrischen Mikroskops bei verschiedenen Wellenlängen gestattet seinen Einsatz als Spektralellipsometer und erlaubt so einen weitaus größeren Einsatzbereich. Insbesondere sei hier auch auf die mögliche Verwendung von infrarotem oder ultraviolettem Licht hingewiesen.Use of the ellipsometric microscope at different wavelengths permits its use as a spectral ellipsometer and thus allows a much larger one Field of application. In particular, here is also the possible use of infrared or ultraviolet light.
Durch den entsprechenden Einsatz der polarisationsoptischen Komponenten kann das beschriebene Ellipsometer in jedem üblichen und gewünschten Ellipsometriemodus betrieben werden.By using the polarization-optical components accordingly, this can be done described ellipsometer in any usual and desired ellipsometry mode operate.
Durch den mikroskopartigen Aufbau des Ellipsometers ist eine Ausstattung mit üblichen Mikroskop-Probenverstelltischen leicht möglich. Dies ermöglicht ein leichtes und exaktes Positionieren der Proben im Ellipsometer. Der mikroskopartige Aufbau des Ellipsometers erlaubt eine laterale Positionsüberprüfung der Probe durch den optischen Aufbau, durch den auch die ellipsometrische Messung erfolgt.Due to the microscope-like structure of the ellipsometer, it is equipped with conventional ones Microscope sample adjustment tables easily possible. This enables an easy and precise Position the samples in the ellipsometer. The microscopic structure of the ellipsometer allows the position of the sample to be checked laterally by the optical setup which is also used for the ellipsometric measurement.
Durch die Probenorientierung vertikal zur optischen Achse wird eine exakte Probenjustierung im Ellipsometer über ein Autokollimationsverfahren mit dem optischen Aufbau, der auch zur ellipsometrischen Messung benutzt wird, ohne großen zusätzlichen optischen und mechanischen Aufwand erreicht.Due to the sample orientation vertical to the optical axis, an exact Sample adjustment in the ellipsometer using an autocollimation process with the optical Setup that is also used for ellipsometric measurement, without much additional optical and mechanical effort achieved.
Durch die Möglichkeit, das Ellipsometer sowohl mit einem bildgebenden, ortsauflösenden Detektor (CCD-Kamera, SIT-Kamera, Restlicht-Kamera, etc.), als auch mit einem integrierenden Detektor (Photodiode, Photomultiplier, etc.) zu betreiben, ist ein einfaches Umschalten (bei entsprechendem Aufbau, auch eine simultane Messung) von ortsaufgelöster ellipsometrischer Ellipsometrie zu integraler Punktellipsometrie möglich.Due to the possibility of using an ellipsometer with an imaging, spatial resolution Detector (CCD camera, SIT camera, low light camera, etc.), as well as with one Operating the integrating detector (photodiode, photomultiplier, etc.) is a simple one Switching (with the appropriate structure, also a simultaneous measurement) from spatially resolved ellipsometric ellipsometry for integral point ellipsometry possible.
Eine Erweiterung des Ellipsometeraufbaus mit anderen mikroskopischen und optischen Verfahren zur Probeninspektion ist möglich. So kann das Ellipsometer durch alle herkömmliche und konfokale Lichtmikroskopie-Verfahren, z. B. Brewster-Winkel-, Polarisations-, DIC-, Phasenkontrast-, Fluoreszenzmikroskopie, IR-Mikroskopie und IR- Spektroskopie durch Interferometrie und Ramanspektroskopie erweitert werden und bietet so eine Möglichkeit komplexe Strukturuntersuchung und Analysen durchzuführen. Insbesondere sind mikroskopische IR- und Ramanspektroskopie als mögliche Erweiterungen des ellipsometrischen Mikroskops möglich. Ebenso sind Erweiterungen durch zeitauflösende Techniken wie Fluoreszenzlebensdauermessungen möglich.An extension of the ellipsometer setup with other microscopic and optical Sample inspection procedures are possible. So the ellipsometer can go through everyone conventional and confocal light microscopy methods, e.g. B. Brewster angle, Polarization, DIC, phase contrast, fluorescence microscopy, IR microscopy and IR Spectroscopy through interferometry and Raman spectroscopy can be expanded and offers such a way to perform complex structural analysis and analysis. In particular, microscopic IR and Raman spectroscopy are possible Extensions of the ellipsometric microscope possible. There are also extensions possible through time-resolving techniques such as fluorescence lifetime measurements.
Die Ausstattung des Ellipsometers mit Vorrichtungen zum automatisierten Probenhandling und Probenalignment ermöglicht schließlich den Einsatz des Ellipsometers z. B. in Fertigungsstraßen und unter Reinraumbedingungen in der Halbleiterindustrie.Equipping the ellipsometer with devices for automated sample handling and sample alignment finally enables the use of the ellipsometer e.g. B. in Production lines and under clean room conditions in the semiconductor industry.
Durch eine direkte Integration des abbildenden ellipsometrischen Mikroskops in Anlagen zur Beschichtung und/oder Schichtabtragung ist an lateral strukturierten Oberflächen eine direkte Prozeßüberwachung und/oder eine Prozeßendkontrolle möglich.Through direct integration of the imaging ellipsometric microscope in systems for coating and / or layer removal is a on laterally structured surfaces direct process monitoring and / or final process control possible.
Ähnlich wie bei normaler Mikroskopie sind auch mit dem ellipsometrischen Mikroskop Immersionstechniken möglich, die die Einsatzmöglichkeiten des Ellipsometers in Forschung und Entwicklung erheblich erweitern. So kann das Ellipsometer nicht nur an Luft als Medium betrieben werden, sondern es können z. B. für biophysikalische und biologische Untersuchungen auch Messungen unter Wasser, in Glyzerin/Wasser- Mischungen u. ä. durchgeführt werden. Ebenso können in der Physiko-Chemie Adsorptionsprozesse in Lösungen lateral ortsaufgelöst und zeitaufgelöst untersucht werden.Similar to normal microscopy are also with the ellipsometric microscope Immersion techniques possible, which the possible uses of the ellipsometer in Expand research and development significantly. So the ellipsometer doesn't just turn on Air can be operated as a medium, but z. B. for biophysical and biological investigations also measurements under water, in glycerine / water Mixtures and Ä. Be carried out. Likewise, in physico-chemistry Adsorption processes in solutions laterally spatially resolved and time-resolved examined become.
Eine sinnvolle Steuerung, Überwachung, Verarbeitung, Auswertung und Darstellung der Messungen und Ergebnisse erfolgt über entsprechenden Einsatz geeigneter Computer mit entsprechend geeigneter Bildaufnahme- und Bildverarbeitungs- Hard- und Software und entsprechenden, geeigneten visuellen und/oder druckenden Ausgabegeräten.A sensible control, monitoring, processing, evaluation and presentation of the Measurements and results are made using appropriate computers according to suitable image acquisition and image processing hardware and software and appropriate, suitable visual and / or printing output devices.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the figures and are in following described in more detail.
Fig. 1 zeigt eine schematische Übersicht über den optischen Aufbau und den optischen Strahlengang eines ellipsometrischen Mikroskops (Auflicht) am Beispiel eines PCSA- (Polarizer-Compensator-Sample-Analyzer-) Aufbaus. Der Beleuchtungsstrahlengang ist dabei schwarz gezeichnet, der Beobachtungsstrahlengang ist grau gezeichnet. Es wird für das ellipsometrische Mikroskop eine möglichst punktförmige Lichtquelle (1) verwendet. Durch die darauffolgende Linse (2) wird das entstehende Lichtbündel parallelisiert. Fig. 1 is a schematic overview of the optical structure and the optical path showing an ellipsometric microscope (incident light) the example of a PCSA (polarizer-Compensator Sample Analyzer) structure. The illumination beam path is drawn in black, the observation beam path is drawn in gray. A light source ( 1 ) which is as punctiform as possible is used for the ellipsometric microscope. The resulting light beam is parallelized by the following lens ( 2 ).
Im Bereich des parallelen Strahlengangs wird durch den Polarisator (3) und den folgenden Kompensator (z. B. λ/4-Platte) (4) Licht mit definierter Polarisation erzeugt. Die folgende Feldblende (5) bestimmt den Bereich der in der Objektebene (6) ausgeleuchtet wird. Über eine Linse (7) wird die punktförmige Lichtquelle auf einen 45°-Spiegel (8) abgebildet. Über diesen Spiegel wird das Licht in den eigentlichen Mikroskop-Strahlengang eingekoppelt und die punktförmige Lichtquelle durch Abbildungslinsen (hier 2 Linsen) (9) und (10) auf die hintere Fokalebene (11) des Mikroskopobjektives abgebildet. Durch die Lage bzw. Stellung des 45°-Spiegels (Verschiebung radial zur Achse des Mikroskops, bzw. Verdrehung aus der 45°-Position) läßt sich der Fokalpunkt in der hinteren Fokalebene des Mikroskopobjektives (11) verschieben und damit ein anderer Einfallswinkel des Lichts auf die vordere Fokalebene (6) einstellen.In the area of the parallel beam path, light with a defined polarization is generated by the polarizer ( 3 ) and the following compensator (e.g. λ / 4 plate) ( 4 ). The following field diaphragm ( 5 ) determines the area that is illuminated in the object plane ( 6 ). The point light source is imaged on a 45 ° mirror ( 8 ) via a lens ( 7 ). The light is coupled into the actual microscope beam path via this mirror and the punctiform light source is imaged on the rear focal plane ( 11 ) of the microscope objective through imaging lenses (here 2 lenses) ( 9 ) and ( 10 ). The focal point in the rear focal plane of the microscope objective ( 11 ) can be shifted and thus a different angle of incidence of the light due to the position or position of the 45 ° mirror (shift radially to the axis of the microscope, or rotation from the 45 ° position) adjust to the front focal plane ( 6 ).
Die Probe wird durch diesen Aufbau unter definiertem Winkel in der vorderen Fokalebene (Objektebene) (6) des Mikroskopobjektivs beleuchtet. Das von der Probe reflektierte Licht wird durch die beiden Abbildungslinsen (9) und (10) am 45°-Spiegel vorbei durch eine Okularlinse (12) auf den Detektor (z. B. CCD-Kamera für eine Abbildung oder z. B. Photodiode für eine integrale Messung) (13) abgebildet. Im Okularstrahlengang (hier nicht ideal gezeichnet) wird die Polarisation des von der Probe reflektierten Lichtes durch einen Analysator (14) analysiert. Das gezeigte Ellipsometer könnte z. B. als Null-Instrument, als rotierender-Analysator-Ellipsometer, rotierender-Polarisator-Ellipsometer oder als rotierender-Kompensator-Ellipsometer betrieben werden.This structure illuminates the sample at a defined angle in the front focal plane (object plane) ( 6 ) of the microscope objective. The light reflected by the sample is passed through the two imaging lenses ( 9 ) and ( 10 ) past the 45 ° mirror through an eyepiece lens ( 12 ) onto the detector (e.g. CCD camera for imaging or e.g. photodiode for an integral measurement) ( 13 ). The polarization of the light reflected from the sample is analyzed by an analyzer ( 14 ) in the ocular beam path (not ideally drawn here). The ellipsometer shown could e.g. B. as a zero instrument, as a rotating analyzer ellipsometer, rotating polarizer ellipsometer or as a rotating compensator ellipsometer.
Fig. 2 zeigt eine schematische Übersicht über den optischen Aufbau und den optischen Strahlengang eines ellipsometrischen Mikroskops (Durchlicht) am Beispiel eines PCSA- (Polarizer-Compensator-Sample-Analyzer-) Aufbaus. Der Beleuchtungsstrahlengang ist dabei schwarz gezeichnet, der Beobachtungsstrahlengang ist grau gezeichnet. Es wird für das ellipsometrische Mikroskop eine punktförmige Lichtquelle (15) verwendet. Durch die darauffolgende Linse (16) wird das entstehende Lichtbündel parallelisiert. Fig. 2 is a schematic overview of the optical structure and the optical path showing an ellipsometric microscope (transmitted light) the example of a PCSA (polarizer-Compensator Sample Analyzer) structure. The illumination beam path is drawn in black, the observation beam path is drawn in gray. A punctiform light source ( 15 ) is used for the ellipsometric microscope. The resulting light beam is parallelized by the subsequent lens ( 16 ).
Im Bereich des parallelen Strahlengangs wird durch den Polarisator (17) und den folgenden Kompensator (z. B. λ/4-Platte) (18) Licht mit definierter Polarisation erzeugt. Die folgende Feldblende (19) bestimmt den Bereich der in der Objektebene (20) ausgeleuchtet wird. Über eine Linse (21) wird die punktförmige Lichtquelle in die hintere Fokalebene des Kondensors (22) abgebildet. Durch die Verschiebung der optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs gegen die optische Achse des Kondensors (22) wird der Beleuchtungspunkt in der hinteren Fokalebene des Kondensors verschoben und somit ein unterschiedlicher Beleuchtungswinkel in der Objektebene (20) erreicht. Das transmittierte Licht wird über das Objektiv (23) und Linse (24) auf den Detektor (z. B. CCD-Kamera für eine Abbildung oder z. B. Photodiode für eine integrale Messung) (25) abgebildet und durch den Analysator (26) analysiert. Das gezeigte Ellipsometer könnte z. B. als Null- Instrument, als rotierender-Analysator-Ellipsometer, als rotierender-Polarisator-Ellipso meter oder als rotierender-Kompensator-Ellipsometer betrieben werden.In the area of the parallel beam path, light with a defined polarization is generated by the polarizer ( 17 ) and the following compensator (e.g. λ / 4 plate) ( 18 ). The following field diaphragm ( 19 ) determines the area that is illuminated in the object plane ( 20 ). The punctiform light source is imaged into the rear focal plane of the condenser ( 22 ) via a lens ( 21 ). By shifting the optical axis of the illumination beam path against the optical axis of the condenser ( 22 ), the illumination point in the rear focal plane of the condenser is shifted and a different illumination angle is thus achieved in the object plane ( 20 ). The transmitted light is imaged via the objective ( 23 ) and lens ( 24 ) onto the detector (e.g. CCD camera for an image or e.g. photodiode for an integral measurement) ( 25 ) and by the analyzer ( 26 ) analyzed. The ellipsometer shown could e.g. B. as a zero instrument, as a rotating analyzer ellipsometer, as a rotating polarizer ellipsometer or as a rotating compensator ellipsometer.
Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit der Gestaltung der Lichtquelleneinheit aus Fig. 1 und Fig. 2 mit einer Quecksilberhöchstdrucklampe (27) mit Reflektor (28) und Kondensor (29). Anschließend wird das Licht durch einen Linienfilter (30) monochromatisiert und mittels einer Streuscheibe (31) wird die Lochblende (32) homogen ausgeleuchtet. Zum Schutz des Farbfilters kann ein Wärmeschutzfilter (33) eingebaut werden. Fig. 3 shows a possibility of designing the light source unit of Fig. 1 and Fig. 2 with a high pressure mercury lamp (27) with a reflector (28) and condenser (29). The light is then monochromatized by a line filter ( 30 ) and the pinhole ( 32 ) is homogeneously illuminated by means of a diffusing screen ( 31 ). A heat protection filter ( 33 ) can be installed to protect the color filter.
Fig. 4 zeigt die Möglichkeit, die Beleuchtung der Fig. 1 oder Fig. 2 durch einen Lichtleiter zu realisieren. Dabei wird ein durch eine geeignete Lichtquelle (34) (mit Licht definierter Polarisation) beleuchteter (polarisationserhaltender) Lichtleiter (35) so in den Aufbau integriert, daß ein Ende des Lichtleiters durch die beiden Linsen (36), (37) in die hintere Fokalebene (38) des Objektivs so abgebildet wird, wodurch in der Objektebene (39) eine parallele Beleuchtung unter definiertem Einfallswinkel und definierter Polarisation erreicht wird. Das von der Probe reflektierte Licht wird durch die beiden Abbildungslinsen (36) und (37) und einer Okularlinse (40) auf den Detektor (z. B. CCD-Kamera für eine Abbildung oder z. B. Photodiode für eine integrale Messung) (41) abgebildet. Im Okularstrahlengang (hier nicht ideal gezeichnet) wird die Polarisation des von der Probe reflektierten Lichtes durch einen Analysator (42) analysiert. Das gezeigte Ellipsometer könnte z. B. als Null-Instrument, als rotierender-Analysator-Ellipsometer, als rotierender- Polarisator-Ellipsometer oder als rotierender-Kompensator-Ellipsometer betrieben werden. Anstelle eines Lichtleiters können auch mehrere (schaltbare) Lichtleiter verwendet werden, die so eingebaut sind, das verschiedene Polarisationszustände und/oder Winkel der Beleuchtung eingestellt werden können. Werden keine polarisationserhaltenden Lichtleiter verwendet, wird vor dem Lichtleiterende im Mikroskopstrahlengang ein Polarisator verwendet. FIG. 4 shows the possibility of realizing the lighting of FIG. 1 or FIG. 2 by means of a light guide. A light guide ( 35 ) which is illuminated by a suitable light source ( 34 ) (with polarization defined by light) is integrated into the structure in such a way that one end of the light guide passes through the two lenses ( 36 ), ( 37 ) into the rear focal plane ( 38 ) of the objective is imaged in such a way that parallel illumination is achieved in the object plane ( 39 ) at a defined angle of incidence and a defined polarization. The light reflected by the sample is directed through the two imaging lenses ( 36 ) and ( 37 ) and an eyepiece lens ( 40 ) onto the detector (e.g. CCD camera for imaging or e.g. photodiode for an integral measurement) ( 41 ). The polarization of the light reflected from the sample is analyzed by an analyzer ( 42 ) in the ocular beam path (not ideally drawn here). The ellipsometer shown could e.g. B. as a zero instrument, as a rotating analyzer ellipsometer, as a rotating polarizer ellipsometer or as a rotating compensator ellipsometer. Instead of a light guide, several (switchable) light guides can be used, which are installed in such a way that different polarization states and / or angles of the lighting can be set. If no polarization-maintaining light guides are used, a polarizer is used in front of the light guide end in the microscope beam path.
Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit, die Beleuchtung der Fig. 1 oder Fig. 2 durch einen Lichtleiter zu realisieren. Dabei wird der von einer geeigneten Lichtquelle (43) (mit Licht definierter Polarisation) beleuchteter (polarisationserhaltender) Lichtleiter (44) so in den Aufbau integriert, daß sich das Ende des Lichtleiters in der hinteren Fokalebene (45) des Objektivs befindet, so daß in der Objektebene (46) eine parallele Beleuchtung unter definiertem Einfallswinkel und definierter Polarisation erreicht wird. Das von der Probe reflektierte Licht wird durch eine Okularlinse (47) auf den Detektor (z. B. CCD-Kamera für eine Abbildung oder z. B. Photodiode für eine integrale Messung) (48) abgebildet. Im Okularstrahlengang (hier nicht ideal gezeichnet) wird die Polarisation des von der Probe reflektierten Lichtes durch einen Analysator (49) analysiert. Das gezeigte Ellipsometer könnte z. B. als Null-Instrument, als rotierender-Analysator-Ellipsometer, als rotierender- Polarisator-Ellipsometer oder als rotierender-Kompensator-Ellipsometer betrieben werden. Anstelle eines Lichtleiters können auch mehrere (schaltbare) Lichtleiter verwendet werden, die so eingebaut sind, das verschiedene Polarisationszustände und Winkel der Beleuchtung eingestellt werden können. Werden keine polarisationserhaltenden Lichtleiter verwendet, wird vor dem Lichtleiterende im Mikroskopstrahlengang ein Polarisator verwendet. FIG. 5 shows a further possibility of realizing the lighting of FIG. 1 or FIG. 2 by means of a light guide. The light guide ( 44 ), which is illuminated by a suitable light source ( 43 ) (with light defined polarization) (polarization-maintaining), is integrated into the structure such that the end of the light guide is in the rear focal plane ( 45 ) of the lens, so that in parallel illumination at a defined angle of incidence and a defined polarization is achieved in the object plane ( 46 ). The light reflected from the sample is imaged onto the detector by an eyepiece lens ( 47 ) (e.g. CCD camera for imaging or e.g. photodiode for an integral measurement) ( 48 ). The polarization of the light reflected from the sample is analyzed by an analyzer ( 49 ) in the ocular beam path (not ideally drawn here). The ellipsometer shown could e.g. B. as a zero instrument, as a rotating analyzer ellipsometer, as a rotating polarizer ellipsometer or as a rotating compensator ellipsometer. Instead of one light guide, several (switchable) light guides can be used, which are installed in such a way that different polarization states and angles of the lighting can be set. If no polarization-maintaining light guides are used, a polarizer is used in front of the light guide end in the microscope beam path.
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