DE9300956U1 - Arrangement for determining characteristic sizes of transparent layers using ellipsometry - Google Patents

Arrangement for determining characteristic sizes of transparent layers using ellipsometry

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Description

SENTECH Instruments GmbH
Rudower Chaussee 6
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Rudower Chaussee 6

0-1199 Berlin0-1199 Berlin

SEN103SEN103

Anordnung zum Bestimmen charakteristischer Größen transparenter Schichten mit Hilfe der EllipsometrieArrangement for determining characteristic sizes of transparent layers using ellipsometry

BeschreibungDescription

Die Erfindung betrifft die ellipsometrische Bestimmung transparenter dünner Schichten im Nanometerbereich, insbesondere für die Anwendung in der Optik und in der Halbleitertechnik. The invention relates to the ellipsometric determination of transparent thin layers in the nanometer range, in particular for use in optics and semiconductor technology.

Bei den bekannten Eilipsometern wird eine Probe mit einem linear polarisierten Laserstrahl bestrahlt, wozu ein Laser mit einem Polarisator und einem Kompensator angeordnet ist. Der Laserstrahl fällt schräg auf die Probe, wird an deren Oberfläche reflektiert und als elliptisch polarisierter Strahl über einen rotierenden Analysator auf einen Fotodetektor gerichtet. Die Ausgangssignale des Fotodetektors werden in der Regel einem Rechner zur Auswertung der Meßsignale zugeführt. Gemessen wird bei der Ellipsometrie die Änderung des Polarisationszustandes des reflektierten Lichtes. Das Reflektionsverhaltnis aus parallel und senkrecht polarisiertem Licht ist u.a. eine Funktion der Schichtdicke (DE-OS 39 26 184, DE-OS 41 08 329).In the known ellipsometers, a sample is irradiated with a linearly polarized laser beam, for which a laser is arranged with a polarizer and a compensator. The laser beam falls obliquely on the sample, is reflected on its surface and is directed as an elliptically polarized beam via a rotating analyzer onto a photodetector. The output signals of the photodetector are usually fed to a computer for evaluating the measurement signals. In ellipsometry, the change in the polarization state of the reflected light is measured. The reflection ratio of parallel and vertically polarized light is, among other things, a function of the layer thickness (DE-OS 39 26 184, DE-OS 41 08 329).

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Der Vorteil der Ellipsometrie im Vergleich z.B. zur Photometrie besteht darin, daß die unabhängige Messung von zwei Parametern in einem Meßvorgang möglich ist, z.B. der Dicke und des Brechungsindex. Weiterhin ist eine schnelle Messung mit hoher Genauigkeit möglich.The advantage of ellipsometry compared to photometry, for example, is that it allows the independent measurement of two parameters in one measurement process, e.g. the thickness and the refractive index. Furthermore, a fast measurement with high accuracy is possible.

Der Nachteil einfacher Eilipsometer, die bei einer Wellenlänge arbeiten, besteht darin, daß man keine spektralen Informationen erhält und daß die Messung der Schichtdicke nur innerhalb einer ellipsometrischen Periode möglich ist. Wenn kein Aussage über die Periode vorhanden ist, kann auch keine Aussage zur absoluten Schichtdicke gemacht werden.The disadvantage of simple ellipsometers that work at one wavelength is that no spectral information is obtained and that the measurement of the layer thickness is only possible within an ellipsometric period. If no information is available about the period, no information can be given about the absolute layer thickness.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die hohe Meßgenauigkeit von der Filmdicke abhängig ist, wenn der Brechungsindex unbekannt ist. Der Zusammenhang wird in der Fig. 1 dargestellt. Dort sind die ellipsometrischen Winkel Psi und Delta für unterschiedliche Brechungsindices dargestellt. Im Bereich des Fokus, der bei einem Delta von 180° liegt, also bei der Messung von Schichten mit einer Dicke von ca. 22 0 bis 340 Nanometer, ist die unabhängige Messung der Schichtdicke und des Brechungsindex nicht möglich.Another disadvantage is that the high measurement accuracy depends on the film thickness if the refractive index is unknown. The relationship is shown in Fig. 1. The ellipsometric angles Psi and Delta are shown for different refractive indices. In the area of the focus, which is at a delta of 180°, i.e. when measuring layers with a thickness of approx. 220 to 340 nanometers, the independent measurement of the layer thickness and the refractive index is not possible.

Für die Dickenmessung an transparenten Schichten sind weiterhin Spektralphotometer bekannt (DE-OS 39 26 184). Bei diesen wird die zu untersuchende Schicht mit weißem Licht, d. h. mit Licht eines genügend großen Wellenlängenbereiches bestrahlt. Wird eine derartige Strahlung von einer transparenten Schicht reflektiert, legen die an der vorderen und hinteren Grenzfläche reflektierten Anteile unterschiedliche Wege zurück. Bei ihrer Überlagerung entstehen Interferenzen, d.h. in Abhängigkeit von der optischen SchichtdickeSpectrophotometers are also known for measuring the thickness of transparent layers (DE-OS 39 26 184). In these, the layer to be examined is irradiated with white light, i.e. with light of a sufficiently large wavelength range. If such radiation is reflected by a transparent layer, the parts reflected at the front and rear interfaces travel different paths. When they overlap, interference occurs, i.e. depending on the optical layer thickness

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und Wellenlänge wird die reflektierte Strahlung entweder verstärkt oder geschwächt bzw. ausgelöscht. Das Reflexionsvermögen ist eine Funktion des Produktes Brechungsindex mal Schichtdicke, so daß bei bekanntem Brechungsindex die Schichtdicke ermittelt werden kann.and wavelength, the reflected radiation is either amplified or weakened or eliminated. The reflectivity is a function of the product of the refractive index times the layer thickness, so that if the refractive index is known, the layer thickness can be determined.

Bei der Messung mit dem Spektralphotometer besteht der Nachteil, daß die gleichzeitige Bestimmung sowohl der Schichtdicke als auch des Brechungsindex wegen der spektralen Abhängigkeit vom Brechungsindex nicht in einer Messung möglich ist.When measuring with a spectrophotometer, the disadvantage is that the simultaneous determination of both the layer thickness and the refractive index is not possible in one measurement due to the spectral dependence on the refractive index.

Die genannten Nachteile lassen sich durch die Verwendung eines Spektro-Ellipsometers vermeiden. Bei diesem werden die Messungen in einem kontinuierlich durchstimmbaren Spektrum durchgeführt.The disadvantages mentioned can be avoided by using a spectro-ellipsometer. With this, the measurements are carried out in a continuously tunable spectrum.

Der Nachteil des Spektro-Ellipsometers besteht aber darin, daß dessen Aufbau sehr aufwendig und dadurch teuer ist.The disadvantage of the spectro-ellipsometer is that its construction is very complex and therefore expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der ellipsometrischen Messung von transparenten Filmen auf reflektierenden Substraten bei einer Wellenlänge oder bei wenigen diskreten Wellenlängen mindestens zwei charakteristische Größen des Filmes, wie z.B. Schichtdicke und Brechungsindex sowie die Dispersion, mit hoher Genauigkeit auch bei Schichtdicken zu bestimmen, bei denen mindestens eine der charakteristischen Größen mit ellipsometrischen Messungen bei einer Wellenlänge oder wenigen diskreten Wellenlängen bisher nicht bzw. ungenau zu ermitteln gewesen ist, und zusätzlich die spektrale Abhängigkeit der charakteristischen Größen zu ermitteln.The invention is based on the object of determining at least two characteristic quantities of the film, such as layer thickness and refractive index, as well as dispersion, with high accuracy during the ellipsometric measurement of transparent films on reflective substrates at one wavelength or at a few discrete wavelengths, even for layer thicknesses for which at least one of the characteristic quantities could not previously be determined or could only be determined inaccurately using ellipsometric measurements at one wavelength or a few discrete wavelengths, and additionally determining the spectral dependence of the characteristic quantities.

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Erfindungsgemäß wird das durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.According to the invention, this is achieved by the features of claim 1.

Bei einem Ellipsometer mit einer Strahlungsquelle und einem nachgeordneten Polarisator für die Bestrahlung der Probe unter einem schrägen Winkel sowie einem Analysator, einem Photodetektor und einem Prozessor oder Rechner für die Übertragung und Verarbeitung des von der Probe reflektierten Lichtes ist erfindungsgemäß zusätzlich eine Weißlichtquelle für die senkrechte Bestrahlung der Probe sowie ein optisches Bauelement angeordnet, das zur Einleitung der durch die senkrechte Bestrahlung hervorgerufenen reflektierten Strahlung in ein bekanntes Spektralphotometer dient, das ebenfalls mit dem Prozessor bzw. Rechner verbunden ist.In an ellipsometer with a radiation source and a downstream polarizer for irradiating the sample at an oblique angle as well as an analyzer, a photodetector and a processor or computer for transmitting and processing the light reflected from the sample, according to the invention a white light source for the vertical irradiation of the sample and an optical component are additionally arranged which serves to introduce the reflected radiation caused by the vertical irradiation into a known spectrophotometer which is also connected to the processor or computer.

Es ist zweckmäßig, daß das optische Bauelement zwischen einem Autocollimationsfernrohr und einem Objektiv in deren optische Achse einschwenkbar angeordnet ist.Das Autocollimationsfernrohr und das Objektiv sind für die Einstellung der Probenmeßflache des Eilipsometers ohnehin vorhanden.It is advisable that the optical component is arranged between an autocollimation telescope and an objective so that it can be swiveled into their optical axis. The autocollimation telescope and the objective are already present for setting the sample measuring surface of the ellipsometer.

Das optische Bauelement ist vorzugsweise ein unter 45° zur Probenfläche angeordneter Spiegel oder ein Prisma. Der Spiegel bzw. das Prisma dienen sowohl der Bestrahlung der Probe als auch der Weiterleitung des von der Probe reflektierten Lichtes.The optical component is preferably a mirror or a prism arranged at 45° to the sample surface. The mirror or prism serves both to irradiate the sample and to transmit the light reflected by the sample.

Sofern die Weißlichtquelle und das Spektralphotometer nicht im Strahlengang des Spiegels bzw. Prismas angeordnet sind, ist es zweckmäßig, zwischen diesen Baugruppen Lichtleiter anzuordnen.If the white light source and the spectrophotometer are not located in the beam path of the mirror or prism, it is advisable to arrange light guides between these components.

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Diese Anordnung ermöglicht es, charakteristische Größen eines transparenten Filmes auf einem reflektierenden Substrat, wie Schichtdicke und Brechungsindex, genau zu bestimmen. This arrangement makes it possible to precisely determine characteristic quantities of a transparent film on a reflective substrate, such as layer thickness and refractive index.

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in an embodiment using drawings. They show:

Fig. 1 die Darstellung der ellipsometrischen
Winkel Psi und Delta bei unterschiedlichen Brechungsindices
Fig. 1 the representation of the ellipsometric
Angles Psi and Delta at different refractive indices

Fig. 2 eine Darstellung der Ellipsometeran-Fig. 2 a representation of the ellipsometer

ordnung mit der zusätzlich angeordneten
Lichtquelle
order with the additionally arranged
Light source

Fig. 3 eine spezielle Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Anordnung
Fig. 3 a special embodiment of the
inventive arrangement

Die bekannte Ellipsometeranordnung der Fig. 2 hat eine Bestrahlungseinrichtung 1, die einen Laser und einen Polarisator enthält, die hier nicht dargestellt sind, und sie hat weiterhin eine rotierende Analysatoreinrichtung 2. Beide sind so angeordnet, daß sowohl der auf die Probe 3 auftreffende Strahl der Bestrahlungseinrichtung 1 als auch der von der Probe reflektierte Strahl schräg zur Probe 3 verlaufen. Erfindungsgemäß ist nun zusätzlich eine Weißlichtquelle 4 angeordnet, deren Licht senkrecht auf die Probe fällt. Die Bestrahlung der Probe erfolgt im vorliegenden Fall über einen Arm eines Y-Lichtleiters 5. Über dessen zweiten Arm wird das von der Probe reflektierte Licht, daß aus derThe known ellipsometer arrangement of Fig. 2 has an irradiation device 1, which contains a laser and a polarizer, which are not shown here, and it also has a rotating analyzer device 2. Both are arranged in such a way that both the beam of the irradiation device 1 striking the sample 3 and the beam reflected by the sample run obliquely to the sample 3. According to the invention, a white light source 4 is now additionally arranged, the light of which falls perpendicularly on the sample. In the present case, the sample is irradiated via one arm of a Y-light guide 5. The light reflected by the sample, which comes from the

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senkrechten Bestrahlung herrührt, einem Spektralphotometer 6 zur Auswertung zugeleitet, das hier nur schematisch dargestellt ist.vertical irradiation, is fed to a spectrophotometer 6 for evaluation, which is shown here only schematically.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung zeigt die Fig. 3. Dort ist die zusätzliche Bestrahlungs- und Auswerteeinrichtung ohne den Ellipsometeraufbau dargestellt. Die Weißlichtquelle 4 ist wiederum mit dem Y-Lichtleiter 5 verbunden. In dieser Anordnung wird ein im Eilipsometer für die Einstellung der Meßfläche vorhandenes Autocollimationsfernrohr 7 mit einem zugehörigen Mikroskophalter 8 und einem Objektiv 9 für die senkrechte Bestrahlung der Probe mit Weißlicht genutzt, indem im Mikroskophalter 8 zwischen dem Autocollimationsfernrohr 7 und dem Objektiv 9 ein in deren optische Achse einschwenkbares Prisma 10 angeordnet ist. Das über das Prisma 10 reflektierte Licht wird über den Y-Lichtleiter 5 dem Spektrophotometer 6 zugeführt.A practical design is shown in Fig. 3. There, the additional irradiation and evaluation device is shown without the ellipsometer structure. The white light source 4 is in turn connected to the Y-light guide 5. In this arrangement, an autocollimation telescope 7 in the ellipsometer for setting the measuring surface is used with an associated microscope holder 8 and an objective 9 for the vertical irradiation of the sample with white light, in that a prism 10 that can be pivoted into the optical axis is arranged in the microscope holder 8 between the autocollimation telescope 7 and the objective 9. The light reflected by the prism 10 is fed to the spectrophotometer 6 via the Y-light guide 5.

In dieser Ellipsometeranordnung werden die für die Scharfeinstellung der Probe vorgesehenen Baugruppen Autocollimationsfernrohr und Objektiv auch für den Spektrometerbetrieb genutzt. Dabei kann für den Spektrometerbetrieb ohne zusätzliche Optik ein beliebiger Meßfleck eingestellt werden, wobei das Zentrum des Meßfleckes identisch ist mit dem für den Ellipsometerbetrieb. Der Strahlengang des Spekralphotometers befindet sich in der optischen Achse des Autocollimationsf ernrohres und des Objektivs.In this ellipsometer arrangement, the autocollimation telescope and objective assemblies intended for focusing the sample are also used for spectrometer operation. Any measuring spot can be set for spectrometer operation without additional optics, whereby the center of the measuring spot is identical to that for ellipsometer operation. The beam path of the spectral photometer is located in the optical axis of the autocollimation telescope and the objective.

Mit dieser Anordnung werden die ellipsometrisch gemessenen charakteristischen Größen des zu vermessenden Filmes durch den Vergleich mit spektralphotometrisch gemessenen charakte-With this arrangement, the ellipsometrically measured characteristic quantities of the film to be measured are compared with spectrophotometrically measured characteristic quantities.

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ristischen Größen über an sich bekannte Beziehungen entweder in der Genauigkeit verbessert oder es wird eine spektrale Zuordnung erreicht.istic quantities via known relationships either improves the accuracy or a spectral assignment is achieved.

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Verwendete BezugszeichenReference symbols used

1 Bestrahlungseinrichtung1 irradiation facility

2 Analysatoreinrichtung2 Analyzer setup

3 Probe3 Sample

4 Weißlichtquelle4 White light source

5 Y-Lichtleiter5 Y-light guides

6 Spektralphotometer6 Spectrophotometers

7 Autocollimationsfernrohr7 Autocollimation telescope

8 Mikroskophalter8 microscope holders

9 Objektiv Prisma9 Lens Prism

Claims (4)

SEN103 Seite 8 SchutzansprücheSEN103 Page 8 Protection claims 1. Anordnung zum Bestimmen charakteristischer Größen tranparenter Schichten mit Hilfe der Ellipsometrie, mit einer die Probe schräg bestrahlenden Strahlungsquelle für eine Wellenlänge bzw. für wenige diskrete Wellenlängen und mit einem nachgeordneten Polarisator sowie einem Analysator, einem Photodetektor und einem Prozessor oder Rechner für die Übertragung und Verarbeitung des von der Probe reflektierten Lichtes, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Weißlichtquelle (4) für die senkrechte Bestrahlung der Probe (3) sowie ein optisches Bauelement angeordnet ist, das zur Einleitung der durch diese senkrechte Bestrahlung hervorgerufenen reflektierten Strahlung in ein bekanntes Spektralphotometer (6) dient , das ebenfalls mit dem Prozessor bzw. Rechner verbunden ist.1. Arrangement for determining characteristic sizes of transparent layers with the aid of ellipsometry, with a radiation source which irradiates the sample obliquely for one wavelength or for a few discrete wavelengths and with a downstream polarizer as well as an analyzer, a photodetector and a processor or computer for the transmission and processing of the light reflected from the sample, characterized in that a white light source (4) for the vertical irradiation of the sample (3) and an optical component are additionally arranged which serves to introduce the reflected radiation caused by this vertical irradiation into a known spectrophotometer (6), which is also connected to the processor or computer. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bauelement zwischen einem im Eilipsometer vorhandenen Autocollimationsfernrohr (7) und einem ebenfalls vorhandenen Objektiv (9), die beide für die Einstellung der Meßfläche angeordnet sind, in deren optische Achse einschwenkbar angeordnet ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the optical component is arranged so as to be pivotable into the optical axis of the measuring surface between an autocollimation telescope (7) present in the ellipsometer and an objective lens (9) which is also present, both of which are arranged for adjusting the measuring surface. 3. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bauelement ein unter 45° zur Probenfläche angeordneter Spiegel oder ein Prisma (10) ist.3. Arrangement according to at least one of claims 1 and 2, characterized in that the optical component is a mirror or a prism (10) arranged at 45° to the sample surface. SEN103 Seite 9SEN103 Page 9 4. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Weißlichtquelle4. Arrangement according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that between the white light source (4) und dem Spektralphotometer (6) sowie zur Bestrahlung des Spiegels bzw. Prismas (10) mindestens ein Lichtleiter(4) and the spectrophotometer (6) and for irradiating the mirror or prism (10) at least one light guide (5) angeordnet ist.(5) is arranged.
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