DE69938134T2

DE69938134T2 - Spektroskopisches ellipsometer

Info

Publication number: DE69938134T2
Application number: DE69938134T
Authority: DE
Inventors: David U. Allen FLUCKIGER; Andrew W. Dallas KUENY
Original assignee: Verity Instruments Inc
Current assignee: Verity Instruments Inc
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: EP1095259B1; JP3803550B2; KR20010053381A; ATE386261T1; DE69938134D1; AU5314199A; KR100484377B1; EP1095259A1; US6052188A; EP1095259A4; JP2002520589A; WO2000003228A1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Ellipsometer und insbesondere ein neuartiges Ellipsometer unter Verwendung eines Abbildungsspektrographen, der die Polarisation in einer Achse codiert und die Wellenlänge in der anderen Achse codiert, um vollständig simultane Messungen der ellipsometrischen Parameter für den gesamten interessierenden Wellenlängenbereich zu ermöglichen. Das Ellipsometer kann sowohl in situ bzw. an Ort und Stelle als auch in einem Inline-Prozess verwendet werden, um Echtzeitwerte zu ergeben.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Die Ellipsometrie ist die systematische Untersuchung der Änderung des Polarisationszustands von Licht nach Reflexion und/oder Transmission durch irgendeine Substanz. Ellipsometer sind optische Instrumente, die die Änderung der Polarisation messen, die von einer wesentlichen Eigenschaft einer Probe verursacht wird, von der das Licht reflektiert wird. Um die Polarisationsänderung vollständig zu kennzeichnen, müssen der Anfangszustand der Polarisation ebenso wie die Wellenlänge bekannt sein. Die Kenntnis der Änderung des Polarisationszustands nach der Reflexion oder Transmission schränkt die Struktur einer untersuchten Probe erheblich ein. Zum Beispiel werden in der Halbleiterfertigung dünne Filme auf dem Wafer abgeschieden. Die Dicke der Filme kann ohne weiteres anhand ellipsometrischer Messungen bestimmt werden. Es gibt zahlreiche Herstellungsprozesse, die die Abscheidung dünner Filme erfordern. Ellipsometer werden routinemäßig verwendet, um durch Analysieren der Filmeigenschaften die Prozessqualität zu messen.
Auf Ellipsometer, die eine einzige Lichtwellenlänge, wie etwa eine Laserquelle, verwenden und gewisse wichtige Polarisationswinkel messen, wird häufig als „Null-Ellipsometer" Bezug genommen. Eine Messung von einem Null- Ellipsometer ergibt eine Bestimmung der ellipsometrischen Parameter, die as ψ (Psi) und Δ (Delta) bekannt sind. Die ellipsometrischen Parameter sind Funktionen der Wellenlänge, des Einfallswinkels und von Oberflächeneigenschaften der Probe. Der Parameter ψ ist ein Maß für die relativen Intensitäten der p bis s-Polarisationszustände des Messlichtstrahls und der Parameter Δ ist ein Maß für die relative Phasenverschiebung zwischen den p- und s-Polarisationszuständen. Zusätzliche Informationen über die untersuchte Probe können bestimmt werden, indem ψ- und Δ-Messungen für mehrere verschiedene Einfallswinkel und/oder mehrere verschiedene Wellenlängen gemacht werden. Ellipsometer, die mit einer festen Wellenlänge arbeiten, aber den Winkel variieren, werden als „Ellipsometer mit variablem Winkel" (VAE) bezeichnet. Ellipsometer, die die Wellenlänge variieren (oder eine Weißlichtmessstrahlquelle für den Spektrographen verwenden), werden als „spektrale Ellipsometer" (SE) bezeichnet.
Oberflächeneigenschaften sind im Allgemeinen nicht gleichmäßig, sondern variieren von Stelle zu Stelle über die Probe. Es gibt eine Vielfalt an Techniken, um die Eigenschaften der Oberfläche, wie durch die Ellipsometrie gemessen, abzubilden. Ein Weg ist, den Ellipsometermessstrahl auf einen kleinen Fleck zu beschränken und die Probe dann in der horizontalen Ebene zu verschieben, wobei zahlreiche Messungen gemacht werden, die zu einer Karte der Oberflächeneigenschaften ausgebildet werden können. Es gibt auch Techniken, die einen breiten Strahl mit mehreren Detektoren verwenden, von denen jeder eins-zu-ein einem kleinen Fleck auf der Oberfläche entspricht.
Ellipsometer des Stands der Technik implementieren serielle Messungen der ellipsometrischen Parameter als eine Funktion der Wellenlänge für einen festen Einfallswinkel. Ferner werden sie aufgrund ihrer Betriebsgeschwindigkeit und Kosten im Allgemeinen nicht „in situ" oder in einem „Inline"-Prozess verwendet.
US-A-5 504 582 beschreibt ein rotierendes Analysator-Ellipsometer (RAE), das eine drehende bzw. schwenkende, zerstreuende bzw. dispersive Optik positioniert hat, um polychromatisches Licht von einem Analysator und einem Kompensator zu empfangen. Die Anordnung der Komponenten zusammen mit einer Anwendung mathematischer Korrekturfaktoren, die auf Alpha- und Beta-Fourierkoeffizienten angewendet werden, verringert die detektorelementpolarisationsabhängige Empfindlichkeit (PDS) für in sie eintretendes Licht.
US-A-5 333 052 beschreibt ein Null-Ellipsometer und die Methodik zur automatischen Bestimmung der höchst genauen Einstellung für optische Komponenten in einem Null-Ellipsometer für die Verwendung mit einem vorgegebenen Filmdickenmodell ellipsometrischer Parameter Δ und Ψ. Augenscheinlich werden zwei von drei optischen Polarisationskomponenten in einem herkömmlichen Null-Ellipsometer getrennt eingestellt, bis in einem Bild der maximale Kontrast gefunden wird. Die Azimuteinstellungen werden dann in einem Filmdickemodell in einem Filmdicke d_f übersetzt.
US-A-5 076 696 beschreibt verschiedene Ausführungsformen eines rotierenden Kompensator-Ellipsometers (RCE) und eines rotierenden polarisierten Ellipsometers (RPE) zum Finden ellipsometrischer Parameter anhand von zeitvariierenden s- und p-Polarisationskomponenten für ein zeitvariierendes elektrisches Feld. Der Polarisationszustand des Lichts nach der Reflexion wird durch den Jones-Vektor beschrieben und ellipsometrische Parameter werden durch Anwenden eines Jones-Vektors und eines Matrix-Ansatzes gelöst.
Die Verwendung der Ellipsometrie, um einen Prozess zu überwachen, der ein Material auf einer Oberfläche aufbaut oder davon entfernt, stellt gewisse Beschränkungen für die Betrieb des Ellipsometers dar. Neben einer ausreichenden Empfindlichkeit für die fraglichen Materialien müssen die Messungen in einer zeitgerechten Weise gemacht werden, so dass die Informationen nach Bedarf verfügbar sind. Die aktuelle Technik in der ellipsometrischen Messung ist nicht besonders für den Hochgeschwindigkeitsdurchsatz geeignet, der größer als etwa ein oder zwei Messungsanpassungen der vollen spektralen ellipsometrischen Parameter pro Sekunde ist. Es ist normalerweise der Fall, dass eine volle Messung der spektralen ellipsometrischen Parameter mehrere Sekunden braucht. Beschränkungen für die Betriebsgeschwindigkeit können normalerweise auf die Anforderung zurückgeführt werden, dass eine mechanische Komponente über zahlreiche diskrete Positionen bewegt werden muss, um eine Reihe von Messungen zu machen und/oder dass die Messungen nacheinander für jede Lichtwellenlänge in dem Messstrahl gemacht werden.
Es wäre vorteilhaft, ein Ellipsometer zu haben, das mehrere simultane Messungen der spektralen ellipsometrischen Parameter bei allen Wellenlängen simultan, ohne die Notwendigkeit irgendwelcher zeitvariierender oder mechanisch bewegter optischer Elemente, macht.
Es wäre auch vorteilhaft, ein Ellipsometer zu haben, das Messungen hinreichend schnell machen kann, dass es in einem In-situ-Prozess arbeiten könnte, um die wesentlichen Eigenschaften eines Probenmaterials, wie es ausgebildet wird oder inline zu bestimmen, um die Prozesskontrolle zu implementieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen ellipsometrischer Parameter von an einer zu analysierenden Probe reflektiertem Licht und eine Vorrichtung zum Bestimmen ellipsometrischer Parameter von an einer zu analysierenden Probenoberfläche reflektiertem Licht zur Verfügung, wie in den Patentansprüchen rezitiert. Die vorliegende Erfindung macht die vollständige simultane Messung der ellipsometrischen Parameter für den vollen interessierenden Wellenlängenbereich möglich. Dies wird durch Verwenden eines Abbildungsspektrographen zusammen mit einer neuartigen optischen Anordnung erreicht, die die Polarisationsinformationen des Messlichts in einer Richtung entlang der Eingangsöffnung (Schlitz) der Abbildungsspektrographen zerstreut bzw. dispergiert. Der Spektrograph hat ein Beugungselement, das das Eingangsmesslicht dann in der Wellenlänge in eine Richtung senkrecht zu dem Schlitz zerstreut. Die sich ergebenden zweidimensionalen spektrographischen Bilddaten werden mit einem Abbildungsdetektorarray gesammelt bzw. erfasst, wobei eine Achse sich auf die Wellenlänge des Lichts bezieht und die andere Achse sich auf die Polarisation des Lichts bezieht. Die Analyse der Bilddaten ist in der Technik wohlbekannt und kann derart durchgeführt werden, dass ellipsometrische Parameter Ψ und Δ für die untersuchte Probe bei jeder Wellenlänge bestimmt werden können.
Eines der neuartigen Merkmale der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines flachwinkligen Polarisationsverzögerungsprismas, das eine räumlich variierende (nur in einer Richtung) Polarisationsverzögerung einführt. Wenn das Polarisationsverzögerungsprisma aus kristallinem Quarz aufgebaut ist, würde es in der bevorzugten Ausführungsform einen Keilwinkel von etwa drei Grad haben. Dies ist sehr wichtig, da es ein Verzögerungsprisma ist und die Polarisationsverschiebung des reflektierten polarisierten Lichts nur in einer gegebenen Richtung für den vollen interessierenden Wellenlängenbereich linear verzögert. Die von dem Verzögerungsprisma verursachte räumlich variierende Polarisation wird dann von einem in der Technik wohlbekannten Linearpolarisationsanalysator, der von der Art sein kann, die als Glan-Thomspon-Polarisator bekannt ist, der entweder in plus oder minus 45 Grad ausgerichtet ist und auf den in der gleichen Weise als der Polarisator Bezug genommen wird, in einen Amplituden- oder Intensitätswert umgewandelt. Der Spektrograph zerstreut die Amplitudenwerte für jede Wellenlänge entlang der Abmessung senkrecht zu dem Schlitz. In der Bildebene des Spektrographen ist die Intensität in jedem Pixel bzw. Bildpunkt oder jeder Photodiode eine Funktion der gesamten Polarisationsverschiebung gegenüber der Wellenlänge oder Frequenz des Lichts. Die Analyse des Bilds kann dann in einer direkten Weise durchgeführt werden, die die ellipsometrischen Parameter Ψ und Δ für die untersuchte Probe bei jeder Wellenlänge ergibt. Auch kann die Analyse gemacht werden, indem einfach das Bild überwacht wird, um zu sehen, ob es sich ändert.
Durch Verwenden des Abbildungsspektrographen wird die von dem Verzögerungsprisma verursachte Polarisationsdispersion in dem Spektrographenbild beibehalten. Folglich codiert das Spektrographenbild die Polarisation in einer Achse und die Wellenlänge in der anderen Achse. Die Verwendung eines in der Technik wohlbekannten Rahmenübertragungsbildchips in dem Spektrographen erlaubt Messungen bei der Rahmenrate der Elektronik zu machen. Alle Wellenlängen und Polarisationen werden bei der Rahmenrate aus dem Bild ausgelesen. Dies ist viel schneller als herkömmliche Ellipsometer. Da es keine sich bewegenden Teile gibt und da die gesamten spektralen/Polarisationsinformationen simultan parallel erfasst werden, sind die begrenzenden Faktoren die Geschwindigkeit der Ausleseelektronik und der Bildverarbeitungselektronik, die folgen. Der aktuelle Stand der Technik in der Elektronik würde wirtschaftliche Raten von einigen zehn bis hunderten Rahmen pro Sekunden Abtastraten erlauben. Dies ermöglicht, dass das Ellipsometer in einem Inline- oder In-situ-System verwendet wird zur Bereitstellung von Daten in Echtzeit von einer Probe, die gerade ausgebildet wird.
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Beleuchtung einer Probe mit polarisiertem Licht bereitzustellen, das in einem Winkel, wie zum Beispiel 45 Grad in Bezug auf die Einfallsebene, die durch die Probenoberfläche senkrecht zu dem einfallenden Licht definiert ist, ausgerichtet ist.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein flachwinkliges Verzögerungsprisma zu verwenden, um eine räumlich variierende Polarisationsverzögerung in nur eine Richtung einzuführen.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verzögerungsprisma zu verwenden, das einen Keilwinkel von nur etwa drei Grad hat.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die von dem Verzögerungsprisma verursachte räumlich variierende Polarisation mit einem Linearpolarisationsanalysator, der in dem Prototyp in der gleichen Weise wie der vorstehend referenzierte Polarisator in plus oder minus 45 Grad ausgerichtet ist, in eine Amplituden- oder Intensitätsvariation umzuwandeln.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spektrographen in Kombination mit dem Verzögerungsprisma und dem Linearpolarisationsanalysator zu verwenden, um das reflektierte Weißlicht entlang der Abmessung senkrecht zu der Eingangsöffnung oder dem Schlitz zu zerstreuen, so dass in der Bildebene des Spektrographen der Intensitätswert in jedem Pixel eine Funktion der gesamten Polarisationsverschiebung und der Frequenz des reflektierten Lichts ist.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ellipsometer bereitzustellen, das einen Abbildungsspektrographen umfasst, der die verzögerte Polarisation empfängt, die von dem Verzögerungsprisma erzeugt wird, und ein räumliches Array von Punkten speichert, die die Polarisationsverschiebung gegenüber der Frequenz für die simultane Messung darstellen.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ellipsometer bereitzustellen, in dem eine zeitinvariante optische Reihe bzw. Folge zusammen mit einem Abbildungsspektrographen und einer polarisierten Weißlichtquelle die simultane Messung von ellipsometrischen Parametern bei allen interessierenden Wellenlängen der Lichtquelle ermöglicht.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die ellipsometrischen Parameter einer großen Anzahl von Wellenlängen von einer beliebigen Oberfläche, einschließlich Oberflächen mit dünnen Filmen und Beschichtungen, simultan zu messen.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Breitbandpolarisator zu verwenden, wobei die Lichtpolarisation von einem Verzögerungsprisma linear verzögert und dann von einem Analysator in Amplitudenvariationen umgewandelt wird.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ellipsometer bereitzustellen, das einen Abbildungsspektrographen umfasst, wobei Amplitudenwerte des Eingangslichts in dem Spektrographen bewahrt werden, während sie der Wellenlängendispersion unterzogen werden.
Folglich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum simultanen Messen ellipsometrischer Parameter von an einer zu analysierenden Probe reflektiertem Licht, das die Schritte umfasst: Reflektieren einer Reihe von zeitinvarianten, polarisierten optischen Signalen an der Probe, um phasenverschobenes polarisiertes Licht mit verschiedenen Frequenzen zu erhalten, Bilden des reflektierten Lichts zu einem räumlichen Array von Punkten verschiedener Lichtintensitäten, die eine Polarisationsverschiebung gegenüber der Frequenz für alle interessierenden Wellenlängen der zeitinvarianten, polarisierten optischen Signale darstellen, und imultanes Messen von ellipsometrischen Parametern für die Probe für jeden Punkt von Lichtintensität für jede der interessierenden Wellenlängen.
Die Erfindung betrifft auch die Vorrichtung zum simultanen Messen ellipsometrischer Parameter von an einer zu analysierenden Probenoberfläche reflektiertem Licht, die umfasst: ein erstes optisches System zum Beleuchten der Probe mit einer Reihe von zeitinvarianten optischen Signalen zur Reflexion an der Probenoberfläche, um phasenverschobenes polarisiertes Licht mit verschiedenen Frequenzen oder Wellenlängen bereitzustellen, ein zweites optisches System zum Bilden des reflektierten Lichts zu Punkten verschiedener Lichtintensitäten, welche die Polarisationsverschiebung gegenüber der Frequenz oder Wellenlänge für alle interessierenden Wellenlängen der reflektierten, zeitinvarianten, polarisierten optischen Signale darstellen, und einen Abbildungsspektrographen zum Empfangen der verzögerten Polarisationssignale und Speichern eines räumlichen Arrays der Punkte verschiedener Lichtintensitäten, die die Polarisationsverschiebung gegenüber der Frequenz oder Wellenlänge für die simultane Messung darstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden vollständig offenbart, wenn sie in Verbindung mit der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) genommen werden, wobei gleiche Nummern gleiche Elemente darstellen und wobei:
1 eine schematische Darstellung einer allgemeinen Ausführungsform der optischen Hauptkomponenten der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Seitenansicht des Verzögerungsprismas ist, das das in das Verzögerungsprisma eintretende reflektierte Licht und die aus ihm herauskommenden Polarisationsverschiebungszustände darstellt;
3 eine Darstellung der Spektrographenöffnung oder des Schlitzes ist, der einen ersten Abschnitt zum Empfangen der verschobenen Polarisationssignale von einem ersten Analysator aufweist ebenso wie einen zweiten Abschnitt, der reflektiertes Licht von einem zweiten Analysator empfängt, um Referenzdaten bereitzustellen; und
4 eine schematische Anordnung des Spektrographen ist, in dem die linear verzögerten Polarisationszustände an verschiedenen Punkten entlang des Schlitzes auf ein Dispersionselement, wie etwa ein Gitter oder ein Prisma, auftreffend zu sehen sind, welches die Frequenzen in lange und kurze Wellenlängen trennt, die von einem Abbildungsdetektor in einem räumlichen Array der Polarisationsverschiebung gegenüber der Frequenz oder Wellenlänge für alle interessierenden Wellenlängen, die gespeichert werden, detektiert werden.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
Ein neuartiges ellipsometrisches System 10 ist in einer schematischen Anordnung in 1 dargestellt. Eine Weißlichtquelle 12 wird von der Linse 14 in einer wohlbekannten Weise kollimiert bzw. parallel gerichtet und wird von dem Polarisator 16 in einer ebenfalls wohlbekannten Weise polarisiert. Der bevorzugte Polarisationswinkel ist etwa 45 Grad in Bezug auf die Einfallsebene, die durch die Probenoberflächennormale und das einfallende Licht definiert ist. Das parallel gerichtete polarisierte Licht trifft in einem festen bekannten Einfallswinkel auf eine Probe 18 und wird von dieser zu einem Verzögerungsprisma 20 reflektiert. Dort erfährt das reflektierte Lichtbündel eine simultane räumlich variierende Polarisationsverzögerung oder Verschiebung. Dies ist auch als eine räumliche Variation der linearen Verzögerung bekannt. Dieses Prisma 20 besteht, wie in Bezug auf 2 zu sehen ist, aus zwei homogenen, anisotropen Keilen, die derart ausgerichtet sind, dass ihre optischen Hauptachsen, wie durch Pfeile 27 und 29 angezeigt, senkrecht zueinander und zu der Ausbreitungsrichtung des Lichts sind. Der Betrag der bewirkten räumlich variierenden Phasenverschiebung wird durch den Keilwinkel und die Doppelbrechung des Materials bestimmt. Der Analysator 22 empfängt diese Polarisationsverschiebungen, die entlang dem Schlitz oder der Öffnung 34 lokalisiert bleiben (4), und wandelt sie in Amplitudenwerte um, die als Amplitudenfransen am Eingang des Abbildungsspektrographen 24 erscheinen. In der Tat wird die räumlich variierende Phasenverzögerung, die dem parallel gerichteten Strahl durch das Verzögerungsprisma 20 aufgedrückt wird, dazu gebracht, mehrere volle Perioden über den Eintrittsschlitz oder die Öffnung 34 des Spektrographen 24 aufzuweisen.
Der Spektrograph 24 zerstreut dann die lokalisierten Polarisationsverschiebungen des Weißlichts, wie in Bezug auf 4 gezeigt, entlang dem Schlitz 34 in eine Richtung oder Abmessung senkrecht zu der Öffnung oder dem Schlitz. In der Bildebene des Spektrographen 24 ist die Intensität in jedem Pixel eine Funktion der gesamten Polarisationsverschiebung und der Frequenz des Lichts. Folglich kann die Analyse des Bilds dann in einer wohlbekannten Weise entsprechend der Müller-Matrixanalyse durchgeführt werden, die ellipsometrische Parameter Ψ und Δ bei jeder Wellenlänge für die untersuchte Probe ergibt. Mit dieser Vorrichtung wird der Lichtquelle und dem reflektierten Strahl erlaubt, dass sie fasergekoppelt werden, so dass die Ausstattung bzw. Messtechnik an der Probenstelle sehr kompakt ist. Es gibt mehrere mögliche Anordnungen der Optik. Die bevorzugte Ausführungsform ist, die Polarisatoren und das Verzögerungsprisma in kleinen Halterungen oder Gestellen anzuordnen, die in dem passenden festen Winkel gehalten werden, der sich an der gleichen Position wie die Probenplattform befindet. Die Lichtquelle und der Spektrograph könnten sich auch an der gleichen Position wie die Probenplattform befinden. Alternativ könnte die Lichtquelle des Spektrographen mit der Probenplattform fasergekoppelt sein, wodurch mehr Platz in der Nähe der Probenplattform zugelassen wird, wenn er benötigt wird. Die Spektrographenfaser würde aus dem Faserbündel bestehen, wobei der Eingang und Ausgang des Faserbündels in einer Eins-zu-Eins-Abbildung zu der Spektrographenöffnung oder dem Schlitz stehen.
Es wird in 1 bemerkt, dass keine sich bewegenden Teile erforderlich sind, während Ellipsometer herkömmlicherweise durch die Notwendigkeit kompliziert werden, dass sie äußerst zuverlässige und reproduzierbare mechanische Bewegungsphasen, wie etwa die Verwendung rotierender Polarisatoren, erfordern. Ferner erzeugt eine derartige Vorrichtung des Stands der Technik zeitinvariante Signale. Die vorliegende Erfindung stellt zeitinvariante Signale ohne sich bewegende Teil bereit.
Das neuartige Verzögerungselement der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt und führt, wie bereits festgestellt, eine räumlich variierende Polarisationsverzögerung in nur eine Richtung, ein. Es wird bemerkt, dass das neuartige Verzögerungsprisma 20 zwei Keile 26 und 28 umfasst, die einen sehr flachen Keilwinkel θ von etwa drei Grad aufweisen. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Keile aus kristallinem Quarz gebildet, es könnten aber andere Materialien verwendet werden, solange sie die gewünschte Funktion bereitstellen. Wenn das reflektierte Licht 30 von dem Verzögerungsprisma 20 empfangen wird, wandelt es das Licht simultan in räumlich variierende Polarisationsverzögerungsausgaben 32 um. Die Keilwinkel 26 und 28 sind homogene, anisotrope Keile, die derart ausgerichtet sind, dass ihre optischen Hauptachsen, wie durch Pfeile 27 und 29 angezeigt, senkrecht zueinander und zu der Lichtausbreitungsrichtung sind. Wie bereits festgestellt, wird der Betrag der bewirkten räumlich variierenden Phasenverschiebung durch den Keilwinkel θ und die Doppelbrechung des Materials bestimmt.
Die in 2 als von dem Verzögerungsprisma 20 ausgegebene Polarisationsverschiebungsinformation 32 wird mit dem Analysator 22 gekoppelt, der, wie bereits erwähnt, die lokalisierten Polarisationsänderungen in Amplitudenvariationen umwandelt, die, wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt, als Amplitudenperioden oder Fransen am Eingang des Abbildungsspektrographen erscheinen.
Folglich werden die räumlich variierenden Phasenverschiebungs- oder Polarisationsänderungen 32 an den Spektrographenschlitz oder die Öffnung 34 angelegt. Beachten Sie, dass der Schlitz 34 länger als erforderlich ist, um alle der lokalisierten Polarisationsänderungssignale 32 von dem Analysator zu empfangen. Sie werden von einem ersten Abschnitt 36 des Schlitzes 34 empfangen. Der restliche zweite gesonderte Abschnitt 38 des Schlitzes 34 empfängt Signale 40 von direkt reflektiertem Licht (geht nicht durch das Verzögerungsprisma 26), das durch einen zweiten Polarisator 41 geht, der in einem zweiten Winkel, wie zum Beispiel null Grad, ausgerichtet ist, um nützliche Probenreflexionsreferenzdaten bereitzustellen.
4 stellt die Elemente des Systems dar, das in der bevorzugten Ausführungsform einen Spektrographen umfasst, der, wenn er mit dem Verzögerungsprisma 20 und dem Analysator 22 verwendet wird, ein neuartiges räumliches Array von Punkten verschiedener oder ungleicher Lichtintensitäten bereitstellt, welche die Polarisationsverschiebung gegenüber der Wellenlänge für alle interessierenden Wellenlängen (einschließlich einzelner Wellenlängen, wie etwa von Lasern erzeugt) der zeitinvarianten polarisierten optischen Signale darstellt, so dass auf sie simultan zugegriffen werden kann und ellipsometrische Echtzeitparameter aus ihnen berechnet werden können. Folglich kann die Probe 18, wie in 1 zu sehen, eine sich kontinuierlich bewegende Materialschicht, wie etwa ein Film, sein, der, wie durch gestrichelte Linien 19 dargestellt, durch das parallel gerichtete Licht läuft. Wie in 4 zu erkennen, werden die räumlichen Variationen der linear verzögerten Lichtsignale 32 durch den spektrographischen Schlitz 34 geführt bzw. durchgelassen und treffen auf ein Dispersionselement 42, wie etwa ein Beugungsgitter oder Prisma. Ein derartiges Dispersionselement arbeitet in einer wohlbekannten Weise, um die Frequenz des empfangenen Lichts in eine Vielzahl von hohen und tiefen Frequenzen (lange Wellenlängen und kurze Wellenlängen) in einer Ebene senkrecht zu den Schlitzen 34 zu zerstreuen. Diese Wellenlängen werden dann auf einen Abbildungsdetektor 44 fokussiert, der eine Vielzahl von Detektorelementen 46 in einem Gitter mit gewünschten Abmessungen, zum Beispiel nur 128 mal 1024 Elementen, hat. Die Detektionselemente können zum Beispiel Photodioden oder ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs) sein.
Da der Analysator 22 die lokalisierte Phasenverschiebung oder Verzögerungspositionen der Wellen entlang oder parallel zu dem Schlitz 34 beibehält, während sie von dem Verzögerungsprisma empfangen werden, und da das Dispersionselement 42 das Licht in einer Abmessung senkrecht zu dem Schlitz zerstreut, wird in der Bildebene 44 des Spektrographen der Intensitätswert in jedem Pixel (CCD) oder jeder Photodiode als eine Funktion der Gesamtpolarisationsverschiebung gegenüber der Frequenz des Lichts gespeichert. Da diese Signale gespeichert werden, können sie in einer wohlbekannten Weise simultan von allen Positionen analysiert werden, um eine äußerst schnelle Messung der ellipsometrischen Parameter oder eine große Anzahl von Wellenlängen simultan bereitzustellen.
Folglich wird die lokalisierte Polarisationsdispersion des Verzögerungsprismas in dem spektrographischen Bild unter Verwendung eines Abbildungsspektrographen beibehalten. Das Spektrographenbild codiert auf diese Weise, wie in 4 zu sehen, die Polarisation in einer Achse und die Wellenlänge in der anderen Achse. Die Verwendung einer Rahmenbildungsmodus-Rahmenübertragung, wie etwa DALSA IA-D1, in dem Spektrographen erlaubt, Messungen mit der Rahmenrate der Elektronik zu machen. Alle Wellenlängen und Polarisationen werden von jedem Bild mit der Rahmenrate ausgelesen. Dies ist viel schneller als der herkömmliche Ellipsometerprozess. Da es ferner keine sich bewegenden Teile gibt und da die gesamte spektrale/Polarisationsinformation simultan parallel an dem Abbildungsdetektor erfasst wird, sind die Begrenzungsfaktoren die Auslesegeschwindigkeit der Elektronik und der lässt wirtschaftliche Raten von einigen zehn bis hunderten Rahmen pro Sekunden Abtastraten zu.
Das herkömmliche Ellipsometer ist durch die Notwendigkeit, dass höchst zuverlässige und reduzierbare mechanische Bewegungsphasen erforderlich sind, kompliziert, während die vorliegen Konstruktion keine sich bewegenden Teile erfordert.
Folglich nutzt das neuartige Ellipsometer eine zeitinvariante optische Reihe zusammen mit dem Abbildungsspektrographen und einer polarisierten Weißlichtquelle, die die simultane Messung ellipsometrischer Parameter bei allen Wellenlängen der Lichtquelle ermöglicht. Ferner wird die Polarisation des reflektierten Lichts nur in eine Richtung (entlang oder parallel zu dem Spektrographenschlitz oder der Öffnung) linear verzögert und wird in Amplitudenwerte umgewandelt. Die Amplitudenwerte des Eingangslichts werden dann bewahrt, während die Wellenlängendispersion in einer Richtung senkrecht zu dem Schlitz in dem Abbildungsspektrographen durchgemacht wird. Die polarisierte Weißlichtquelle kann bevorzugt, aber nur zum Beispiel, im Bereich von etwa 1200 Nanometer bis 200 Nanometer arbeiten.

Claims

Verfahren zum Bestimmen ellipsometrischer Parameter von an einer zu analysierenden Probe (18) reflektiertem Licht, umfassend: Reflektieren einer Reihe bzw. Folge von zeitinvarianten, polarisierten optischen Signalen an der Probe (18), um phasenverschobenes polarisiertes Licht mit verschiedenen optischen Frequenzen (30) zu erhalten; simultanes Bilden des phasenverschobenen polarisierten Lichts zu einem räumlichen Array von Punkten (32) verschiedener Lichtintensität, die eine Phasenverschiebung gegenüber einer Frequenz für alle interessierenden Wellenlängen des reflektierten, zeitinvarianten, polarisierten optischen Signals darstellen, und zwar unter Verwendung eines räumlich variierenden Verzögerungselements (20) und eines zerstreuenden Elements bzw. Dispersionselements (42); Messen von Punkten von Lichtintensität für jede der interessierenden Wellenlängen, und Bestimmen von ellipsometrischen Parametern für die Probe für jede der interessierenden Wellenlängen anhand der Punkte von Lichtintensität.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Reflektieren einer Reihe von zeitinvarianten, polarisierten optischen Signalen ferner ein Verwenden von linearem, polarisiertem Weißlicht umfasst, um das reflektierte Licht (30) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Reflektieren einer Reihe von zeitinvarianten, polarisierten optischen Signalen ferner umfasst: Verwenden einer Weißlichtquelle, um die Reihe von optischen Signalen zu erzeugen; und Polarisieren des Weißlichts in einem Winkel zu der Einfallsebene.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verwenden einer Weißlichtquelle, um die Reihe von optischen Signalen zu erzeugen, ferner ein Verwenden des polarisierten Weißlichts in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 1200 Nanometern bis ungefähr 200 Nanometern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Reflektieren der Reihe von zeitinvarianten, polarisierten optischen Signalen ferner umfasst: Bereitstellen des polarisierten Weißlichts mit einem festen Polarisationswinkel von ungefähr 45 Grad zu der Einfallsebene.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das simultane Bilden des reflektierten Lichts zu einem räumlichen Array von Punkten verschiedener Lichtintensität (32) ferner umfasst: Bewirken einer räumlich variierenden Phasenverschiebung des reflektierten, polarisierten Lichts (30), wobei die räumlich variierende Phasenverschiebung in nur einer gegebenen Richtung und eine volle Phasenverschiebung für jede der interessierenden Wellenlängen bewirkt wird; Umwandeln jeder reflektierten Lichtwellenlänge (30) in der räumlich variierten Phasenverschiebung (32) in einen Amplitudenwert; und Koppeln des Amplitudenwerts mit einem Abbildungsspektrographen (24) zum Speichern des räumlichen Arrays von Phasenverschiebung gegenüber Wellenlänge (44).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das simultane Bilden des reflektierten Lichts zu einem räumlichen Array von Punkten verschiedener Lichtintensität ferner umfasst: Führen bzw. Durchlassen der umgewandelten reflektierten Lichtwellenlänge (30) in den interessierenden Wellenlängen durch einen ersten Abschnitt eines Schlitzes (36) in dem Abbildungsspektrographen, wobei der Schlitz parallel zu der nur einen gegebenen Richtung ist und länger ist als eine Mehrzahl von Perioden von räumlich variierender Phasenverschiebung und einen zweiten, gesonderten Abschnitt (38) aufweist; und Führen eines Abschnitts bzw. Teils des reflektierten, polarisierten Lichts (30) direkt zu dem zweiten, gesonderten Abschnitt des Schlitzes als Referenzdaten.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bewirken einer räumlich variierenden Phasenverschiebung des reflektierten polarisierten Lichts (30) ferner umfasst: Führen bzw. Durchlassen des reflektierten Lichts (30) durch ein räumlich verzögerndes Element (20), das einen flachen Keilwinkel von ungefähr 3 Grad aufweist und eine Länge aufweist, die ausreichend ist, um die räumlich variierende Phasenverschiebung für die bei dem reflektierten, polarisierten Licht bewirkte Phasenverschiebung für die interessierenden Wellenlängen abzudecken.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Bewirken einer räumlich variierenden Phasenverschiebung des reflektierten polarisierten Lichts (30) ferner umfasst: Führen bzw. Durchlassen des reflektierten Lichts (30) durch ein räumlich verzögerndes Element (20), das einen flachen Keilwinkel von ungefähr 3 Grad aufweist und eine Länge aufweist, die ausreichend ist, um wenigstens eine Periode des Polarisationsverschiebungsschlitzes abzudecken.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Umwandeln der reflektierten Lichtwellenlängen (30) in Amplitudenwerte ferner umfasst: Führen bzw. Durchlassen des Lichts von dem räumlich verzögernden Element (20) durch einen Linearpolarisationsanalysator (22), der in einem Winkel von ±45 Grad zu der Einfallsebene angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Führen des umgewandelten Lichts (32) von dem Linearpolarisationsanalysator (22) durch einen Schlitz (36) in dem Abbildungsspektrographen (24); und Zerstreuen des umgewandelten, reflektierten Lichts in Wellenlängen in dem Abbildungsspektrographen in einer Richtung senkrecht zu dem Schlitz (36), während das räumliche Array von Lichtamplitudenwerten bewahrt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Reflektieren einer Reihe von zeitinvarianten, polarisierten optischen Signalen ferner umfasst: Reflektieren der Reihe von zeitinvarianten polarisierten Signalen an einer Mehrzahl sich kontinuierlich bewegender Proben; und simultanes Messen der Punkte von Lichtintensität für jede der interessierenden Wellenlängen für jede der Mehrzahl von Proben in Echtzeit; und Bestimmen von ellipsometrischen Parametern von bzw. zu jeder Probe für jeden Punkt von Lichtintensität für jede der interessierenden Wellenlängen.
Vorrichtung zum Bestimmen ellipsometrischer Parameter von an einer zu analysierenden Probenoberfläche (18) reflektiertem Licht, umfassend: eine Polarisationslichtquelle (12, 14, 16) zum Beleuchten der Probe (18) mit einer Reihe bzw. Folge von zeitinvarianten optischen Signalen zur Reflexion an der Probenoberfläche (18), um räumlich variiertes, phasenverschobenes polarisiertes Licht (30) mit verschiedenen optischen Frequenzen bereitzustellen; ein räumlich variierendes, optisches Verzögerungselement (20, 22) zum simultanen Bilden des phasenverschobenen polarisierten Lichts zu Punkten verschiedener Lichtintensität (32), welche die räumlich variiierte Phasenverschiebung gegenüber einer Wellenlänge für alle interessierenden Wellenlängen des zeitinvarianten, polarisierten optischen Signals darstellen; und einen Abbildungsspektrographen (24) mit einem Abbildungsdetektorarray (44) zum Empfangen der Punkte verschiedener Lichtintensität (32) und Speichern eines räumlichen Arrays der Punkte von Lichtintensität, welche die räumlich variierte Phasenverschiebung gegenüber einer Wellenlänge darstellen, um eine Messung der ellipsometrischen Parameter bei allen Wellenlängen zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Polarisationslichtquelle ferner umfasst: eine Weißlichtquelle (12); und einen Polarisator (16) zum Empfangen und Polarisieren des Weißlichts, um die Reihe von zeitinvarianten optischen Signalen zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das polarisierte Weißlicht in dem Wellenlängenbereich von ungefähr 1200 Nanometern bis ungefähr 200 Nanometern ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, die ferner einen Linearpolarisator (16) zum Bereitstellen des polarisierten Weißlichts umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, ferner umfassend: die Polarisationslichtquelle (12, 14, 16), die die Probe (18) mit dem polarisierten Licht in einem bevorzugten Polarisationswinkel von ungefähr 45 Grad bezüglich der Einfallsebene beleuchtet.
Vorrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend: einen Schlitz (36) in dem Abbildungsspektrographen (24) zum Empfangen des Lichts von der räumlich variierenden, optischen Verzögerungskomponente; ein räumlich verzögerndes Element (20) in dem räumlich variierenden, optischen Verzögerungselement zum linearen Verzögern der Phasenverschiebung des reflektierten polarisierten Lichts, um simultan ein lineares, räumliches Array von Phasenverschiebungspositionen in einer gegebenen Richtung für den vollen interessierenden Wellenlängenbereich zu bilden, um eine Mehrzahl von Verzögerungspunkten (32) parallel zu und entlang dem Schlitz (36) in dem Abbildungsspektrographen (24) zu erzeugen; einen Analysator (22) in dem räumlich variierenden, optischen Verzögerungselement (20, 22) zum Empfangen des linearen, räumlichen Arrays von Licht von dem räumlich verzögernden Element (20) und Umwandeln des reflektierten Lichts in jeder Position in der verzögerten Phasenverschiebung in einen Amplitudenwert; und ein zerstreuendes Element bzw. Dispersionselement (42) in dem Abbildungsspektrographen (24) zum Wellenlängenzerstreuen der Lichtamplitudenwerte für jede Phasenverschiebungsposition entlang einer Abmessung senkrecht zu dem Schlitz (36), während eine Korrelation der Phasenverschiebungspositionen parallel zu und entlang dem Schlitz (36) beibehalten wird, um das räumliche Array von Punkten zu erzeugen, die eine Polarisationsverschiebung gegenüber einer Wellenlänge darstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 18, ferner umfassend: einen ersten Abschnitt des Schlitzes (36) in dem Abbildungsspektrographen, der das Licht in dem interessierenden Wellenlängenbereich von dem Analysator (22) empfängt; einen zweiten Analysator (41); und einen zweiten Abschnitt des Schlitzes (38), der direkt reflektiertes Licht (40) von der Probenoberfläche (18) durch den zweiten Analysator (41) empfängt, um Referenzdaten bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das räumlich verzögernde Element umfasst: einen ersten und zweiten verbundenen, identischen, homogenen, anisotropen, länglichen Keil aus kristallinem Quarz (27, 29), die einen flachen Keilwinkel von ungefähr 3 Grad aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Analysator (22) ein Linearpolarisationsanalysator ist, der in einem Winkel von ±45 Grad bezüglich der Einfallsebene ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Dispersionselement (42) ferner ein Beugungsgitter in dem Abbildungsspektrographen (24) zum Zerstreuen des umgewandelten, reflektierten Lichts in Wellenlängen senkrecht zu dem Schlitz (24) umfasst, während simultan die Punkte von Phasenverschiebungen (32) entlang dem Schlitz (24) beibehalten werden, um das räumliche Array von Lichtamplitudenwerten zu erzeugen.