DE69930651T2

DE69930651T2 - Vorrichtung zur optischen charakterisierung eines dünnschichtmaterials

Info

Publication number: DE69930651T2
Application number: DE69930651T
Authority: DE
Inventors: Bernard Drevillon; Edouard Da Silva; Ramdane Benferhat
Original assignee: Horiba Jobin Yvon SAS
Current assignee: Horiba Jobin Yvon SAS
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1999-10-12
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: EP1121580A1; JP4653311B2; FR2784749B1; EP1121580B1; FR2784749A1; KR20010110293A; JP2002527742A; WO2000022416A1; KR100781745B1; DE69930651D1; US6657708B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials.
Eine derartige Charakterisierung, die nicht destruktiv ist und demgemäß in-situ während der Herstellung oder für die Prüfung von Endprodukten verwendet werden kann, erlaubt es, einige Elemente, die mindestens den analysierten Stoff bilden, und gegebenenfalls deren Konzentration zu kennen. Sie kann es ebenfalls erlauben, die Dicke der Dünnschichten zu erreichen.
Um derartige Charakterisierungen zu realisieren sind bis heute einerseits die Raman-Spektroskopieeinheiten und andererseits die Reflektometer, Photometer oder Ellipsometer, die gegebenenfalls spektroskopisch sind, bekannt.
Es ist bekannt, dass der Ramaneffekt der Effekt ist, durch den eine Probe, die mit einer gegebenen Wellenlänge λ_e beleuchtet ist, eine Raman-Lichtstrahlung mit einer Wellenlänge λ_r nah bei λ_e aussendet, deren Intensität sehr gering ist im Verhältnis zu derjenigen des Rayleigh-Lichts, das mit derselben Wellenlänge λ_e wie das Beleuchtungslicht ausgesendet wird. Ist der Raman-Spektrometer mit einem Mikroskop gekoppelt, ist das Leuchtbündel häufig unter einem normalen Einfall im Verhältnis zur Probe und die Raman-Diffusion wird durch seine Intensität und durch sein Spektrum in einem großen Raumwinkel gemessen.
Es sind ebenfalls die Charakterisierungen durch Reflektometrie bekannt. Dies beläuft sich darauf, die Probe unter einem oft kleinen Winkel (stark von der Normalen der Probe entfernt) zu beleuchten und das durch die Probe spiegelnd reflektierte Licht zu analysieren. Man interessiert sich somit insbesondere für die Lichtintensität im Fall der Photometrie und für die Amplitude der verschiedenen Komponenten des polarisierten Lichts im Fall der Ellipsometrie.
Es ist insbesondere die Ellipsometrie mit Phasenmodulation bekannt, in der sich ein Modulator auf den Polarisationszustand des einfallenden Lichtbündels auswirkt, die spektroskopische Ellipsometrie, in der das Wellenlängenspektrum des reflektierten Lichts analysiert wird und die modulierte Reflektometrie, die den Effekt der Modulation berücksichtigt, die durch eine periodische externe Erregung erzeugt wird, die beispielsweise elektrisch oder optisch ist, die sich auf die Probe auswirkt. Ein moduliertes spektroskopisches Ellipsometer wird beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP-O.663.590 beschrieben, auf die Bezug genommen werden kann.
Diese beiden großen Zweige der optischen Charakterisierung einer Probe weisen jeweils ihre eigenen Vorteile auf.
Generell kann die makroskopische Antwort eines Dünnschichtmaterials auf eine elektromagnetische Erregung durch einen Tensor ε(ϖ) dargestellt werden, wobei ϖ die Frequenz der elektromagnetischen Erregung ist. Im Fall eines isotropen Feststoffs reduziert sich dieser Tensor ε(ϖ) auf einen Skalar und es wird somit die Relation D = ε₀ εE erhalten, wobei ε_o die Dielektrizitätskonstante des freien Raums ist, D der elektrische Verschiebungsvektor ist und E das angewandte elektrische Feld ist.
Die Polarisierbarkeit α wird somit ab dem lokalen Dipolmoment p (pro Atom oder Atomgruppe) definiert. Denn p ist mit dem lokalen elektrischen Feld E_loc verbunden (das selbst eine Funktion des externen elektrischen Felds E durch die Relation: p = α ε₀E_loc ist).
Das makroskopische Dipolmoment pro Volumeneinheit oder Polarisationsvektor ist durch die Formel: P = Np gegeben, wobei N die Volumendichte von Dipolen darstellt. Die Polarisation ist durch die Relation: P = ε₀(ε-1)E mit den anderen makroskopischen Mengen verbunden.
Die Reflektometrie, insbesondere die spektroskopische Ellipsometrie, erlaubt es, die dielektrische Funktion ε(ϖ) zu erreichen. Im Bereich der Wellenlängen, die von Ultraviolett bis sichtbar reichen, wird die Absorption häufig durch die elektronischen Übergänge beherrscht (dies ist beispielsweise in den Halbleitern der Fall). Im Bereich des Infrarots, ist die Ellipsometrie auf die vibrationelle Absorption empfindlich, das heißt auf die Erregung der Dipole. Die sondierte Dicke kann erheblich in Abhängigkeit von der Wellenlänge variieren, wie im Fall der Halbleiter, die generell im Ultraviolett sehr absorbierend und im Infrarot quasi durchlässig sind.
Die Raman-Diffusion ist ihrerseits empfindlich auf Schwankungen der Polarisierbarkeit in Präsenz von Erregungen Δα(ϖ).
Demgemäß kann man feststellen, dass im Hinblick auf die Bestimmung von verbundenen physikalischen Größen, die Ellipsometrie und die Raman-Diffusion verschiedenartige Techniken sind. Insbesondere im Hinblick auf die Quantenmechanik können die effizienten Abschnitte einiger Vibrationen im einen und im anderen Fall sehr unterschiedlich sein.
Die reflektometrische Messung erfolgt auf spiegelnde und elastische Weise (Erhaltung der Wellenlänge), generell in Reflexion. Infolgedessen ist sie empfindlich auf die Interferenzphänomene, die die Messungen der Dicken von Dünnschichten erlauben. Im Allgemeinen ist die Ellipsometrie gut für die Charakterisierung eines Mehrschichtenmaterials (das Inhomogenitäten in der Dicke aufweist) geeignet. In den üblichen Anwendungen der Ellipsometrie variiert der Einfallswinkel etwa zwischen 55 und 80°, was den Brewster-Winkeln der meisten Materialien entspricht und die optimale Empfindlichkeit verschafft. Es werden generell zwei Wellenlängenbereiche verwendet: der erste so genannte „UV-sichtbare" Bereich erstreckt sich vom nahen Ultraviolett (0,25 μm) zum nahen Infrarot IR (1,7 μm), und der zweite so genannte „Infrarot"-Bereich im ferneren Infrarot von etwa 2,5 bis 12 oder 16 μm. Die Messungen mit höheren Wellenlängen sind schwierig aufgrund der durch die Quellen und die Detektoren auferlegten experimentellen Einschränkungen. Die europäische Patentanmeldung EP-0.663.590 beschreibt insbesondere einen modulierten spektroskopischen Ellipsometer.
ε(ϖ) ist durch eine komplexe Zahl dargestellt, deren Bestimmung generell die Messung von zwei unabhängigen Parametern benötigt, wie dies in der Ellipsometrie ausgeführt werden kann. Vorausgesetzt es werden die so genannten Kramers-Konig-Relationen verwendet, kann es die Photometrie ebenfalls erlauben, ε(ϖ) zu messen. Die Techniken der modulierten Reflektometrie messen die Schwankung von ε(ϖ) in Präsenz einer externen Erregung, was zusätzliche Informationen verschafft. Insbesondere in Halbleitermaterialien erzeugt die modulierte externe Erregung geladene Träger, die zu dieser Messung beitragen.
Die Raman-Diffusion ist jedoch unelastisch. Die Messung erfolgt somit generell im normalen Einfall, wobei die Erregung durch einen Laser geliefert wird, der eine Linie im UV, im sichtbaren Bereich oder im nahen IR aussendet. Die Raman-Photonen werden unter einem großen Raum winkel mit Wellenlängen, die nah bei denjenigen des einfallenden Lichts sind, erfasst. Man misst folglich spektroskopisch eine positive oder negative Wellenlängen-Differenz zwischen der Erregerlinie und dem Raman-Spektrum. Im Vergleich entspricht das ferne Infrarot in der Reflektometrie im Raman den Wellenlängen, die der Erregerin am nächsten sind. Derartige Messungen sind demgemäß technisch einfacher in der Raman-Spektrometrie. Es muss hervorgehoben werden, dass die charakterisierte Dicke mit der Absorption des Materials mit der Wellenlänge des einfallenden Licht verbunden ist, das im Raman schwer für ein gegebenes Material änderbar ist.
Die Dünnfilme waren ab Ende der sechziger Jahre Gegenstand von Untersuchungen per Raman-Spektroskopie. Es wurde zuerst vorgeschlagen, Dünnschichten zu untersuchen, die auf einer Metalloberfläche abgelagert waren. Unter einem Einfallswinkel von 70° beleuchtet, wies der erhaltene Raman-Strahl eine maximale Intensität um 60° auf. Anschließend wurde vorgeschlagen, eine Dünnschicht als einen optischen Wellenleiter zu verwenden, an die anhand eines Prismas oder eines Netzes ein Lichtstrahl gekoppelt war. Unter strengen Bedingungen des Winkels vom Einfall und der Polarisation, können sich ein oder mehrere elektrische oder magnetische Querwellentypen im Film ausbreiten, wobei dort ein Raman-Strahl erzeugt wird, dessen Intensität bis zu zwei Tausend mal die Intensität des Strahls erreichen kann, die normalerweise durch Rückstreuung erzeugt wird. In diesem Fall kann die minimale Dicke des Films, die von der Erregerwellenlänge abhängt, nicht unter einigen Nanometern liegen. Dieser Grenzwert kann nur unterschritten werden, indem Mehrschichtenstrukturen verwendet werden. Wie dem auch sei, all diese Verfahren benötigen eine besondere Zubereitung des Films oder der Dünnschicht auf einem spezifischen Träger, was eine Geräteausrüstung und Anpassungen impliziert, die nicht mit der Untersuchung von industriellen Materialien kompatibel sind und noch weniger mit in-situ-Messungen oder Echtzeitmessungen während des Einsatzes eines Herstellungsverfahrens. Die Patentanmeldung EP-O.508.257 beschreibt eine Vorrichtung der Raman-Spektroskopie in Verbindung mit einem konfokalen Mikroskop, das die Visualisierung des Punktes der Probe erlaubt, das von der Messung betroffen ist.
Diese Darstellungen der Messungen durch Ramaneffekt einerseits und durch Reflektometrie andererseits, ellipsometrisch oder photometrisch, heben hervor, dass man verschiedene Effekte erreicht, d.h. verschiedene Wissens- und Charakterisierungsquellen, und zeigen ebenfalls die Probleme, auf die man insbesondere bei Dünnschichtmaterial stoßen kann.
Die Realisierung der Messungen an derselben Probe durch Reflektometrie und durch Raman-Spektroskopie weist andere Probleme auf. Die für die eine oder die andere dieser Messungen verschiedenen Einfallswinkel und die ebenfalls verschiedenen Wellenlängen benötigen optische Vorrichtungen, die speziell an jede der Techniken angepasst sind und erlauben es nicht, dieselbe Beleuchtungsquelle oder dasselbe Wellenlängen-Erkennungssystem für den Empfang in dem einen und dem anderen Fall zu verwenden.
Darüber hinaus wurde lange davon ausgegangen, dass der gleichzeitige Einsatz dieser beiden Techniken, Störeffekte erzeugen kann, die jeweils die Qualität der Messungen beeinträchtigt. Bei den Messungen der Raman-Spektrometrie durch Rückstrahlung ist es somit notwendig, die Probe mit Lichtintensitäten zu beleuchten, die die Probe ändern können, indem sie Kristallisationsglühen oder Effusionen induzieren (Extraktion der Wasserstoffatome beispielsweise), und die die reflektometrische Messung stören können.
Es muss insbesondere hervorgehoben werden, dass die Abmessungen der beleuchteten Zonen auf der Probe bei der einen oder der anderen der Messungen sehr verschieden sein können.
Die Verwendung eines einzigen Messungstyps wird beispielsweise im Dokument WO-97/05473 beschrieben, das optische Mikroproben und Verfahren für die Spektralanalyse von Materialien betrifft. In einer besonderen Ausführungsform unterbricht eine optische Multimodefaser eine Lichtquelle und eine Probe. Die Probe ist ebenfalls an einen Detektor gekoppelt, der das Licht erkennt, das durch die beleuchtete Probe zurückgestrahlt wird, nach einem Winkel, der im Verhältnis zur Richtung des Lichts vorbestimmt ist.
Die gleichzeitige Realisierung der Raman- und reflektometrischen Messungen auf überlagerten Zonen einer Dünnschicht weist jedoch bedeutende Vorteile auf, einerseits direkt hinsichtlich der Charakterisierung der Materialien, andererseits hinsichtlich der Prüfung des Bearbeitungsverfahrens, das derartige Charakterisierungen einsetzen kann. Da die Messungen gleichzeitig in Echtzeit ausgeführt werden können, ist es möglich, die Schwankungen und die Entwicklung in Bezug auf die Geschwindigkeit der gemessenen Parameter zu verfolgen. Somit wird eine sehr ausführliche physikochemische Beschreibung der Schichten erhalten, wie es weiter unten veranschaulicht wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, die verschiedenen weiter oben dargelegten Probleme zu lösen und eine Vorrichtung bereit zu stellen, die die Charakterisierung einer Dünnschicht durch Ramaneffekt in Rückstreuung erlaubt, ohne dass die Gefahr der Änderung der Schicht während der Messung besteht.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereit zu stellen, die die gleichzeitige Charakterisierung durch Ramaneffekt und durch Reflektometrie erlaubt.
Die Reflektometrie umfasst, wie es bereits weiter oben dargelegt wurde, die photometrischen Messungen, in denen nur die Lichtenergie gemessen wird und die ellipsometrischen Messungen, in denen die verschiedenen polarisierten Komponenten des Lichtstrahls berücksichtigt werden. In dem einen und dem anderen Fall kann die Reflektometrie spektroskopisch sein, das heißt, dass eine Spektralanalyse des gemessenen Strahls realisiert wird.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials durch Raman-Rückstreuungsspektrometrie mit einem Ständer, einer monochromen Erregerlaserquelle, optischen Mitteln, die einen von der Erregerquelle ausgesendeten Lichtstrahl zum zu charakterisierenden Material leiten, und mit Mitteln zum Sammeln und zur Auswahl des durch den Ramaneffekt ausgesendeten Lichts.
In den optischen Mitteln, welche den Erregerlaserstrom zur Probe leiten, ist ein Mittel zwischen dem Laser und der Probe vorhanden, das für die homogene Verteilung der Energie pro Oberflächeneinheit auf einer Mindestoberfläche von einigen Zehnteln Quadratmikrometer sorgt.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung reflektometrische Messmittel, die mit den Raman-Messmitteln verbunden sind, wobei diese reflektometrischen Messmittel Erregermittel beinhalten, die sich an dieselbe Zone der Probe wie die Raman-Erregermittel richten.
Demzufolge kann die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet werden;

– entweder für reine Messungen durch Raman-Spektrometrie,
– oder für reine reflektometrische Messungen,
– oder für kombinierte reflektometrische Messungen und Messungen durch Raman-Spektrometrie.

In verschiedenen besonderen Ausführungsformen, die jeweils ihre eigenen Vorteile aufweisen und die nach zahlreichen technisch möglichen Kombinationen eingesetzt werden können:

– sind die reflektometrischen Messmittel photometrische Messmittel;
– sind die reflektometrischen Messmittel ellipsometrische Messmittel;
– beinhaltet das Mittel, das für die homogene Verteilung der Energie sorgt, eine Multimodefaser;
– ist der Durchmesser der Faser der Oberfläche der Probe angepasst, die beleuchtet werden muss;
– ist die Faser austauschbar; wodurch insbesondere der beleuchtete Durchmesser geändert werden kann, und dies anhand von Faservorlagen mit verschiedenen Durchmessern;
– beinhaltet die Vorrichtung mehrere Fasern, die es ermöglichen, die Probe über einen fokussierbaren Bereich auf dem Spalt eines Spektrometers zu beleuchten oder die Raman-Erregeroberfläche an die durch Photometrie analysierte Oberfläche anzupassen;
– sind die reflektometrischen Messmittel modulierte reflektometrische Messmittel;
– ist die Modulation optisch;
– ist die Modulation elektrisch;
– ist die Modulation durch die Raman-Erregerquelle sichergestellt;
– ist die reflektometrische Quelle durch eine optische Faser mit dem Rest der Vorrichtung gekoppelt;
– ist mindestens einer der Raman- und reflektometrischen Empfänger durch eine optische Faser mit dem Rest der Vorrichtung verbunden.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

– die 1 ein Prinzipschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
– die 2 eine schematische Darstellung der Querverteilung der Energie in einem monochromen Lichtstrahl, einerseits Gaußschisch (a), andererseits nach Änderung durch die optische Multimodefaser gemäß der Erfindung (b).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, eine Raman-Messung am Punkt 1 der Probe 2 auszuführen. Zu diesem Zweck erzeugt eine Lichtquelle 21 ein Lichtbündel mit einer Raman-Enegerwellenlänge λ_e, die durch eine Multimodefaser 22 übertragen wird. Dieses Lichtbündel wird durch ein Plättchen 23 reflektiert, das es zu einem Objektiv 24 leitet, das es am Punkt 1 der Probe fokussiert. Ein Teil des durch Ramaneffekt zurückgestrahlten Bündels 26 ist bei einer Wellenlänge λ_r. Ein Filter 27 ermöglicht es, diesen Raman-Strahl mit der Wellenlänge λ_r auszuwählen und den Strahl zurückzuweisen, der mit einer Erregerwellenlänge λ_e ausgesendet wird. Das durch den Filter 27 übertragene Bündel beinhaltet somit keine Komponenten mit der Erregerwellenlänge λ_e. Dieser Strahl wird durch ein Spektrometer 28 analysiert, das an einen Detektor 29 gekoppelt ist. Eine Steuereinheit 30 steuert das Spektrometer 28 und empfängt die Informationen, die vom Detektor 29 erzeugt werden.
Auf ein an sich klassische Weise ermöglicht es die Steuereinheit 30 durch die Bearbeitung der Steuerinformationen des Spektrometers 28 und der vom Empfänger 29 gelieferten Informationen, Raman-Charakterisierungsdaten der Probe 2 zu entwickeln.
Es wurde festgestellt, dass die Verwendung einer derartigen Multimodefaser 22 substantiell die Querverteilung der Lichtenergie, die im Strahl enthalten ist, der von der Quelle 21 stammt, ändert.
Es ist allgemein bekannt, dass diese Lichtverteilung am Ausgang der Quelle 21, die generell ein Laser ist, eine Gaußsche Verteilung ist. Dies stellt ein Problem für die Raman-Spektroskopie in Rückstreuung dar, wenn eine relativ große Oberfläche der Probe beleuchtet werden soll. Die Fokussierung eines Gaußschen Bündels durch ein Mikroskopobjektiv ergibt einen Lichtfleck (Spot) mit einem Durchmesser bei der Diffraktionsgrenze, d.h. 1,2 λ/na, wobei λ die Wellenlänge und na die numerische Apertur des Objektivs ist: d.h. im sichtbaren Bereich mit einem Objektiv na = 0,9 und λ = 0,5 μm ein submikronischer Spot, somit eine sehr hohe Intensität pro Oberflächeneinheit, die die Probe stört oder zerstört, wenn es sich um eine Dünnschicht handelt.
Um diesem Problem Abhilfe zu leisten, wurde vorgesehen, die Leistung zu erhalten, jedoch das Bündel an der Probe zu defokussieren. Dies verbessert tatsächlich die Querverteilung der Energie, sie ist jedoch nicht immer homogen und weist Maxima und Minima auf, die dieselben Anpassungsprobleme hervorrufen, wie diejenigen, die weiter oben mit einem Gaußschen Bündel dargelegt wurden.
Dies wird beispielsweise im Buch von Born Wolf „Principles of Opties" Perganon Press – NY 1993 analysiert. Das praktische Ergebnis besteht darin, dass die Defokussierung eines Gaußschen Bündels durch eine sphärische, zylindrische oder asphärische Optik inhomogen ist und die Änderung der Schicht nicht mehr automatisch im Zentrum erfolgt, wo bei die Schicht dennoch lokal zerstört oder verschlechtert werden kann.
Um diese Nachteile zu vermeiden und die Gesamtheit der untersuchten Dünnschicht zu bewahren, wird eine optische Multimodefaser zwischen die monochrome Quelle und die Schicht eingefügt. Die Einfügung dieser optischen Multimodefaser erlaubt es, durch die Zerstörung der Gaußschen Verteilung der Energie an deren Ausgang, eine homogene Verteilung der Energiedichte zu erreichen, die somit annähernd dieselbe im Zentrum und an den Rändern des Beleuchtungslichtflecks ist.
Die 2 zeigt eine Vergleichsverteilung dieser Lichtenergiedichte E/ΔS durch das Bündel, jeweils für ein Gaußsches Bündel wie es aus dem Laser kommt (2a) und desselben Bündels am Ausgang einer Multimodefaser (2b).
Die optische Multimodefaser weist vorzugsweise einen Durchmesser D von 100 Mikron und eine Länge von mindestens einigen Dezimetern auf.
In der Raman-Mikroskopie erhält man mit einem X50 Objektiv somit eine Erregung der Probe auf einer Scheibe mit einem Durchmesser D von etwa 20 Mikron.
Somit wird eine Energiedichte auf dieser Probe bei 3,3 Watt/mm² für einen Laser mit einer Leistung von einem Milliwatt erhalten.
Durch das Ändern des Durchmessers von der optischen Faser kann die Energiedichte geändert werden.
Es ist ebenfalls möglich, die Energie mit mehreren Fasern zu erregen, wobei die Erregerpunkte in Reihe verteilt sind, wobei der gesammelte Strahl auf dem Eingangsspalt des Analyse-Spektrometers fokussiert wird.
Die Zone 1 der Probe 2 soll charakterisiert werden. Diese Charakterisierung erfolgt einerseits durch Ellipsometrie. Eine ellipsometrische Quelle 3 ist durch einen Koppler 4 mit einer optischen Faser 5 verbunden, die den Lichtstrahl, der durch die Quelle erzeugt wird, transportiert und ihn über einen Koppler 6 an einen Polarisator 7 adressiert, der ein Lichtbündel 8 erzeugt, das auf die Probe 1 unter einem Einfallswinkel α gesendet wird.
Zwischen dem Polarisator 7 und der Probe wird ein Phasenmodulator 9 vorgesehen, der anhand einer an sich bekannten Weise für die Modulation des Polarisationszustands vom Lichtbündel 8 sorgt.
Das Bündel 8 wird durch die Probe 2 in ein Lichtbündel 10 reflektiert, das durch einen Polarisator 11 analysiert wird und durch ein optisches System 12 an eine Faser 13 gekoppelt wird, die es an einen Photoempfänger 14 adressiert, der gegebenenfalls eine Auswahl in Abhängigkeit von der Wellenlänge enthält. Eine Steuereinheit 15 steuert den Phasenmodulator 9 und durch die Verbindung 16. Dieselbe Steuereinheit 15 empfängt das Signal, das vom Photoempfänger 14 über die Leitung 17 erzeugt wurde.
Durch eine Bearbeitung dieser Daten kann die Steuereinheit 15 die ellipsometrischen Informationen liefern, die repräsentativ für die Probe 2 sind und die ihre ellipsometrische Charakterisierung erlauben können.
Die ellipsometrischen Steuereinheiten einerseits und Raman 30 andererseits sind elektrisch mit einem Computer zur Gesamtsteuerung 40 verbunden, der die Benutzerschnittfläche der gesamten Vorrichtung darstellt und es erlaubt, die komplette physikochemische Charakterisierung des Punktes 1 von der Probe 2 zu erhalten.
Die weiter oben beschriebenen ellipsometrischen Messmittel setzen einen Ellipsometer mit Phasenmodulation ein, die Einheit der Erfindung kann mit jedem Ellipsometertyp funktionieren, ob spektroskopisch oder nicht spektroskopisch, und sogar mit Photometern, die den reflektierten Strahl 10 unabhängig von seinem Polarisationszustand analysieren, generell jedoch in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Ein Ellipsometer mit Phasenmodulation erlaubt gleichzeitige photometrische und ellipsometrische Messungen.
Die ellipsometrischen Mittel umfassen vorteilhaft Mittel der externen Modulation, die elektrische, optische oder thermische Effekte an der Probe mit einer bestimmten Frequenz erzeugen. Diese Mittel können beispielsweise ein Drehschirm oder Shutter 43 sein, von dem die Orientierung, die die Frequenz und die Phase der Modulation bestimmt, durch die Steuereinheit 15 über die Leitung 44 gesteuert wird.
Vorteilhaft bilden Raman-Erregermittel, d.h. das Lichtbündel 25 durch die Raman-Erregerquelle 21 die Mittel der ellipsometrischen Modulation.
Die Zone der Probe, die bei der Raman-Messung gemessen wird, ist präzise positioniert und befindet sich vorzugsweise in derjenigen, die durch die ellipsometrische Messung gemessen wird. Diese beiden Messungen können gleichzeitig ausgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders für die nachstehenden Anwendungen geeignet, in denen sie es erlaubt, vorher schwer ausführbare Charakterisierungen zu realisieren:
a) Das polykristalline (oder mikrokristalline) Silizium in Dünnschichten
Das teilweise kristallisierte Silizium wird sehr oft in der Halbleiterindustrie verwendet. Es besteht aus Kristalliten verschiedener Größen, die durch amorphe Korngrenzen verbunden sind.
Dieses Material ist häufig inhomogen in der Dicke und weist insbesondere eine Rauheit der Oberfläche auf, die in Verbindung mit der Größe der Kristallite steht. Die Ellipsometrie, die sich im Bereich der Wellenlänge vom ultravioletten bis zum sichtbaren Bereich erstreckt, erlaubt die besonders präzise Messung (≌ 1 %) der Gesamtdicke und der Rauheit (≤ 50 nm), die sehr schwer im Raman erreichbar sind. Generell ist die UV-sichtbare Ellipsometrie erheblich empfindlicher auf die Morphologie der Schichten (Dichte, ...).
Die beiden Techniken erlauben es, die durchschnittliche Zusammensetzung (kristalline Fraktion) der Schicht zu messen, wobei es die Ellipsometrie darüber hinaus erlaubt, eine Inhomogenität in der Dicke zu charakterisieren.
Die Größe der Körner kann jedoch durch die Raman-Spektrometrie erkannt werden, während sie durch die Reflektometrie schwer messbar ist. Die Raman-Spektrometrie ermöglicht es ebenso, die Spannungen zu bewerten, die im Material bestehen, anhand der Verschiebung der Wellenlänge der charakteristischen Linien. Diese Spannungen sind durch die Reflektometrie quasi nicht erreichbar, beispielsweise durch die Ellipsometrie.
Die Charakterisierungen durch Ellipsometrie (hier hauptsächlich im UV-sichtbaren Bereich) und Raman sind dementsprechend komplementär.
b) Der Kohlenstoff in Dünnschichten
Die Dünnschichten aus Kohlenstoff werden in zahlreichen Anwendungen verwendet. Die hinsichtlich des vorhergehenden Beispiels entwickelten Erwägungen in Bezug auf die Dicke und die Morphologie (Dichte, Rauheit) gelten selbstverständlich ebenso im Fall des Kohlenstoffs in Dünnschichten.
Der Kohlenstoff kann kristallin oder amorph sein. In der Natur gibt es zwei kristalline Formen, der Diamant (sp³ Hybridisierung) oder der Graphit (sp² Hybridisierung), der sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Sie können sowohl mit der Raman-Spektrometrie als auch mit der Ellipsometrie identifiziert werden.
In amorpher Form koexistieren die beiden Phasen generell, wobei sie erheblich die praktischen Eigenschaften beeinflussen (Härte, ...), wobei der „Adamantin"-Kohlenstoff beispielsweise reich in sp³ Phase ist. Diese beiden Phasen erscheinen jedoch häufig auf atomarer Ebene miteinander verbunden, ohne dass Aggregate identifiziert werden können, wie im vorhergehenden Fall. Diese Dünnschichten, die häufig durch Plasma abgelagert sind, enthalten einen bedeutenden Anteil Wasserstoff, der sich ebenfalls auf die Eigenschaften auswirken kann (da die Schichten sogar polymer erscheinen können).
Die CH_n Vibrationen sind leichter in der Infrarot- Ellipsometrie als in der Raman-Spektrometrie identifizierbar aufgrund der Differenzen effizienter Abschnitte. Generell wird der Wasserstoff jedoch hauptsächlich in der sp³ Phase inkorporiert. Die IR-Ellipsometrie ist dementsprechend gut für die Charakterisierung der sp³ Phase geeignet. Die Raman-Spektrometrie ist jedoch erheblich empfindlicher auf die C=C Verbindungen als die IR-Ellipsometrie, und infolgedessen empfindlicher auf die sp² Phase. Wie im vorhergehenden Fall gewährleistet die erfindungsgemäße Vorrichtung, die Messungen in Echtzeit und am selben Punkt er laubt, sowohl der Raman-Spektrometrie als auch der Reflektometrie, eine komplette Charakterisierung derartiger Proben.
c) Die Polymere
Im Fall der Polymere beruht die Komplementarität der IR-Ellipsometrie und der Raman-Spektrometrie auf den verschiedenen Empfindlichkeiten dieser beiden Techniken auf diverse Vibrationen, wobei die Raman-Spektrometrie sehr empfindlich auf die C=C Gruppierungen ist und die IR-Ellipsometrie auf die C=O Gruppierungen, die in zahlreichen Polymeren wie dem Polycarbonat enthalten sind. Da es die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt, die beiden Messungstypen gleichzeitig und am selben Punkt einzusetzen, kann der größtmögliche Nutzen aus dieser Komplementarität gezogen werden. Generell ist die Raman-Spektrometrie komplementär mit der fernen IR- Ellipsometrie, indem sie Charakterisierungen erlaubt, die empfindlich auf die Deformationen der Benzolkerne sind.
Die Komplementarität der Raman-Spektrometrie und der UV-sichtbaren Ellipsometrie wird noch durch einige Behandlungen von Polymeren veranschaulicht, beispielsweise durch Plasma. Ein Vernetzungsphänomen wird leicht durch die Ellipsometrie aufgezeigt, anhand einer Steigerung des Brechungsindex (Verdichtung) oder einer Absorption im UV (Erscheinen von chromophoren Gruppierungen). Auf fast analoge Weise kann ein Abbauprozess aufgezeigt werden. Die Polymerdicke, die durch die Änderung betroffen ist, wird in der Ellipsometrie durch den Mehrschichtenformalismus bewertet. Da die UV-sichtbare Ellipsometrie jedoch kaum empfindlich auf die Struktur des Materials ist, ist sie nicht besonders für die Beschreibung des mikroskopischen Vorgangs der Vernetzung oder des Abbaus geeignet. Die Strukturänderung des Polymers oder ein Polymerisationszustand können leicht durch Messungen der Raman-Spektrometrie charakterisiert werden.
Diese Anwendungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulichen ihren Beitrag und sind in keiner Weise einschränkend.

Claims

Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials durch Raman Rückstreuungsspektrometrie mit einem Ständer, einer monochromen Erregerlaserquelle (21), optischen Mitteln (23, 24), die einen von der Erregerquelle (21) ausgesendeten Lichtstrom zum zu charakterisierenden Material leiten, und mit Mitteln zum Sammeln (24) und zur Auswahl (27, 28) des durch den Ramaneffekt ausgesendeten Lichts, wobei die besagte Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass in den optischen Mitteln, welche den Erregerlaserstrom zur Probe leiten ein Mittel (22) zwischen dem Laser und der Probe vorhanden ist, das für die homogene Verteilung der Energie pro Oberflächeneinheit auf einer Mindestoberfläche von einigen Zehnteln Quadratmikrometern sorgt, und dadurch, dass besagte Vorrichtung Messmittel für die reflektometrische Charakterisierung (3–14) beinhaltet, welche es ermöglichen, die dielektrische Funktion ε(ω) des Materials in der Zone der Probe gemeinsam mit den Mitteln zur Ramanmessung zu messen, wobei besagte reflektometrische Messmittel reflektometrische Erregermittel (3–9) beinhalten, die sich an dieselbe Zone der Probe wie die Raman-Erregermittel richten.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektometrischen Messmittel photometrische Mittel sind.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektometrischen Messmittel ellipsometrische Messmittel sind.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Mittel, das für die homogene Verteilung der Energie sorgt, eine Multimodefaser (22) beinhaltet.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Faser (22) der Oberfläche der Probe angepasst ist, die beleuchtet werden muss.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (22) austauschbar ist.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Fasern beinhaltet, die es ermöglichen, die Probe über einen fokussierbaren Bereich auf dem Spalt eines Spektrometers zu beleuchten oder die Raman-Erregeroberfläche an die durch Photometrie analysierte Oberfläche anzupassen.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektometrischen Messmittel modulierte reflektometrische Messmittel sind.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation optisch ist.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation elektrisch ist.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation durch die Raman-Erregerquelle sichergestellt ist.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektometrische Quelle mittels eines Lichtwellenleiters mit dem Rest der Vorrichtung gekoppelt ist.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines Dünnschichtmaterials gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Raman- und reflektometrischen Empfänger mit dem Rest der Vorrichtung durch einen Lichtwellenleiter verbunden ist.