AT522509A2 - Verfahren zur ellipsometrischen Erfassung von Proben - Google Patents

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AT522509A2 ATA50390/2019A AT503902019A AT522509A2 AT 522509 A2 AT522509 A2 AT 522509A2 AT 503902019 A AT503902019 A AT 503902019A AT 522509 A2 AT522509 A2 AT 522509A2
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ATA50390/2019A
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Hingerl Kurt
Pierre Perin Jean
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Univ Linz
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G01N21/211—Ellipsometry

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur ellipsometrischen Erfassung von Proben beschrieben, wobei die Polarisationsunterschiede zwischen dem polarisierten einfallenden Lichtstrahl und dem reflektierten oder transmittierten Lichtstrahl für örtliche Messstellen entlang einer Probenoberfläche gemessen und daraus ein Probenbild aufgrund physikalischer Zusammenhänge erstellt wird. Um räumliche Strukturen inhomogener Proben erfassen zu können, wird vorgeschlagen, dass unter Vorgabe einer räumlichen Modellstruktur aus den gemessenen Polarisationsunterschieden dieser Modellstruktur entsprechende Oberflächenstrukturen oder Strukturen von oberflächennahen Einschlüssen oder Ausscheidungen mithilfe der Maxwell-Gleichungen unter Berücksichtigung von aus der Modellstruktur abgeleiteten Randbedingungen errechnet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur ellipsometrischen Erfassung von Proben, wobei die Polarisationsunterschiede zwischen dem polarisierten einfallenden Lichtstrahl und dem reflektierten oder transmittierten Lichtstrahl für Örtliche Messstellen entlang einer Probenoberfläche gemessen und daraus ein
Probenbild aufgrund physikalischer Zusammenhänge erstellt wird.
Bei ellipsometrischen Verfahren wird ein polarisierter Lichtstrahl unter einem gegenüber einer Probennormalen gemessenen Einfallswinkel an der Probe reflektiert oder transmittiert und der reflektierte oder transmittierte Lichtstrahl hinsichtlich der sich gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl geänderten Polarisation untersucht, um dann aufgrund physikalischer Zusammenhänge, wie sie für eine in der Probenebene homogene Struktur durch die Fresnel-Gleichungen beschrieben sind, auf die Dicke und/oder optischen Eigenschaften von Oberflächenschichten der Probe schließen zu können. Um einfache Konstruktionsverhältnisse für ein Ellipsometer zur bildgebenden Erfassung eines Oberflächenbereichs der Probe zu schaffen, ist es bekannt (WO 2005/088271 A1), die Probe gegenüber dem Ellipsometer zu bewegen, sodass der Oberflächenbereich hinsichtlich der Messstellen rasterartig abgetastet wird und aus den örtlich erfassten Einzelbildern ein Gesamtbild zusammengesetzt werden kann. Ein solches ellipsometrisches Gesamtbild kann beispielsweise zur Überprüfung von Mikroarrays oder Biochips dienen. Vorausgesetzt werden allerdings optisch homogene, also translationsinvariante Proben, mit ebenen Oberflächen, weil beispielsweise durch Unebenheiten unerwünschte optische Abweichungen auftreten, die zusätzliche Maßnahmen zur optischen Fehlerkompensation erfordern. Diese bekannten
ellipsometrischen Auswerteverfahren sind daher zur Erfassung von
Interesse.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Vorteile einer ellipsometrischen Messung auch zur räumlichen, hochauflösenden Strukturerfassung im
Oberflächenbereich einer Probe zu nützen.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass unter Vorgabe einer räumlichen Modellstruktur aus den gemessenen Polarisationsunterschieden dieser Modellstruktur entsprechende Oberflächenstrukturen oder Strukturen von oberflächennahen Einschlüssen oder Ausscheidungen mithilfe der Maxwell-Gleichungen unter Berücksichtigung von aus der Modellstruktur abgeleiteten Randbedingungen
errechnet werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die den Fresnel-Gleichungen zugrundeliegenden Voraussetzungen zwar für die Berechnung der Schichtdicken und optischen Konstanten zutreffen, wenn translationsinvariante Proben vorausgesetzt werden, dass diese Voraussetzungen jedoch für das hochauflösende Erfassen von räumlichen Strukturen wegen der dadurch bedingten optischen Inhomogenitäten nicht mehr gelten und die Randbedingungen fehlen, die zur Lösung der dann anzuwendenden allgemeinen Maxwell-Gleichungen erforderlich sind. Da bei der Untersuchung von Proben häufig nach bestimmten, einer geometrischen Modellstruktur entsprechenden Strukturen gesucht wird, können die zur Lösung der Maxwell-Gleichungen erforderlichen Randbedingungen von einer vorgegebenen Modellstruktur abgeleitet werden. Mit diesen Randbedingungen können dann anhand der gemessenen Polarisationsunterschiede zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und dem reflektierten oder transmittierten Lichtstrahl der
Modellstruktur entsprechende Oberflächenstrukturen oder Strukturen von
Geometrie der Strukturen oder Einschlüsse errechnet werden.
Als Modellstruktur kann eine Halbleitergrabenstruktur genannt werden, bei der zwischen elektrisch aktiven Gebieten, beispielsweise auf Siliciumbasis, mit einem isolierendem Material, meist Siliciumoxid, gefüllte Gräben vorgesehen sind. Mit dem erfindungsgemäßen ellipsometrischen Messverfahren lassen sich nicht nur die die Länge, Höhe und Breite dieser Grabenstrukturen, sondern auch die Neigungswinkel und Schichtdicken sowie das örtliche Mischungsverhältnis zwischen den
eingesetzten Materialien bestimmen, sofern diese Materialien mischbar sind.
Werden die Polarisationsunterschiede zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und dem reflektierten oder transmittierten Lichtstrahl mithilfe der ellipsometrischen Winkel w und A ermittelt, von denen der Winkel w die Amplitudenänderung und der Winkel A den Phasenunterschied betrifft, so ergeben sich besonders vorteilhafte Voraussetzungen für eine hohe rechnerische Auflösung der zu erkennenden Strukturen. Gleiches gilt für eine Auswertung anhand der Koeffizienten der Müller-
Matrix.
Befinden sich innerhalb der Fläche einer örtlichen Messstelle mehrere der Modellsterstruktur entsprechende Strukturen unterhalb der optischen Auflösungsgrenze, so können diese Strukturen durch abbildende Verfahren nicht voneinander unterschieden werden. Weil sich aufgrund kohärenter Überlagerung nur der Gesamteinfluss dieser Strukturen unterhalb der optischen Auflösungsgrenze
bei der ellipsometrischen Messung innerhalb einer Messstelle in den
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durchgeführt werden, deren Messstellen einander überlappen.
Um die Messempfindlichkeit zu steigern und Messfehler zu verringern, können spektrometrische Messungen, also Messungen mit Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge bzw. unterschiedlicher Frequenz, vorgenommen werden. Außerdem können die Polarisationsunterschiede in unterschiedlichen Drehstellungen der Probe bezüglich einer Probennormalen und mit unterschiedlichen Einfallswinkeln des Lichtstrahls gemessen werden, was ebenfalls zur Verbesserung der
Messgenauigkeit führt.
Wird die örtliche, auf eine quadratische Fläche mit einer höchstens der Wellenlänge des einfallenden Lichts entsprechenden Seitenlänge beschränkte Messstelle durch ein Mikroskopobjektiv erfasst und werden die Änderungen der ellipsometrischen Winkel w und A mit einer Auflösung von mindestens 0,0002 Radiant bestimmt, so können Strukturen aufgelöst werden, die unterhalb der durch die Wellenlänge \ des einfallenden Lichtstrahls liegen. Selbst bei einer der kleinsten möglichen optischen Auflösung entsprechenden Messstelle in der Größenordnung eines reflektierenden Oberflächenbereichs der Probe im Bereich von M2 x M2 können mithilfe der durch die ellipsometrischen Winkel w und A erfassbaren Polarisationsunterschiede Strukturen innerhalb dieser Messstellen erkannt werden, wenn Änderungen der ellipsometrischen Winkel w und A von kleiner 0,0002 Radiant, vorzugsweise von 0,0001 Radiant, erfasst werden.
Geht man von einer vom einfallenden Lichtstrahl einer örtlichen Messstelle beleuchteten Fläche in der Größenordnung von 1 um x 1 um aus, können bei einer erfassbaren Änderung der beiden ellipsometrischen Winkel w und A um 0,0001
Radiant räumliche Strukturen bis zur Größenordnung von 10 nm x 10 nm x 10 nm
Längenstrukturen kleiner als die Wellenlänge zur Verfügung.

Claims (4)

(42112) II Patentansprüche
1. Verfahren zur ellipsometrischen Erfassung von Proben, wobei die Polarisationsunterschiede zwischen dem polarisierten einfallenden Lichtstrahl und dem reflektierten oder transmittierten Lichtstrahl für örtliche Messstellen entlang einer Probenoberfläche gemessen und daraus ein Probenbild aufgrund physikalischer Zusammenhänge erstellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass unter Vorgabe einer räumlichen Modellstruktur aus den gemessenen Polarisationsunterschieden dieser Modellstruktur entsprechende Oberflächenstrukturen oder Strukturen von oberflächennahen Einschlüssen oder Ausscheidungen mithilfe der Maxwell-Gleichungen unter Berücksichtigung von aus
der Modellstruktur abgeleiteten Randbedingungen errechnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsunterschiede mithilfe der ellipsometrischen Winkel w und A oder der
Koeffizienten der Müller-Matrix bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsunterschiede bei unterschiedlichen Wellenlängen des einfallenden
Lichtstrahls gemessen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsunterschiede in unterschiedlichen Drehstellungen der Probe
bezüglich einer Probennormalen gemessen werden.
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und 4A mit einer Auflösung von mindestens 0,0002 Radiant bestimmt werden.
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WO2005008214A2 (en) * 2003-07-07 2005-01-27 Zetetic Institute Apparatus and method for ellipsometric measurements with high spatial resolution
US8427645B2 (en) * 2011-01-10 2013-04-23 Nanometrics Incorporated Mueller matrix spectroscopy using chiroptic

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