DE69310893T2 - Methode und vorrichtung zur reflektionsfreien ellipsometrie an kleinen probenzellen - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
• Diese Erfindung betrifft die ellipsometrische Untersuchung von Proben, die in einer kleinen Zelle eingeschlossen sind, und insbesondere eine Fensterstruktur für eine Zelle, die es trotz dem Vorhandensein von Reflexionen von den Fensteroberflächen gestattet, genaue Messungen durchzuführen.
Beschreibung des Standes der Technik
• Ellipsometrie ist eine eingeführte zerstörungsfreie optische Technik zum Charakterisieren der Eigenschaften von Oberflächen und Oberflächenschichten, wie etwa Schichtdicke, Brechungsindex, Oberflächenoxidation, Oberflächenreaktionskinetik, Katalyse, Elektrochemie, Korrosion, Passivierung und Anodisierung. Beschrieben ist sie beispielsweise in Spanier, "Ellipsometrie - Eine einhundert Jahre alte neue Technik" ("A Century Old New Technique"), Industrial Research, September 1975, Seiten 73-76. Bei der Technik wird ein elliptisch polarisierter Lichtstrahl auf die Oberfläche einer zu analysierenden Probe gerichtet, und der von der Oberfläche reflektierte Strahl wird erfaßt, um Änderungen in seinem Polarisationszustand zu bestimmen; solche Änderungen entsprechen den Eigenschaften der Probenoberfläche Man bekommt Messungen für tan ψ, die Änderung im Amplitudenverhältnis der parallelen Komponente zur senkrechten Komponente der Lichtwelle bei der Reflexion und Δ, die Änderung in der Phasendifferenz zwischen der parallelen Komponente und der senkrechten Komponente der Lichtwelle durch die Reflexion. Die Größen ψ und Δ sind Funktionen der optischen Konstanten der Oberfläche, der verwendeten Lichtwellenlänge, des Einfallswinkels, der optische Konstanten des umgebenden Mediums und, für eine mit einer Schicht bedeckten Oberfläche, die Dicke und die optischen Konstanten der Schicht. ψ und Δ werden beide in Grad gemessen, und jede unterschiedliche Kombination dieser zwei Größen entspricht einem eindeutigen Satz von Oberflächenbedingungen.
• Ein herkömmliches ellipsometrisches Meßsystem ist in vereinfachter Form in FIG. 1 dargestellt. Ein Laser 2 erzeugt einen Strahl 4, der durch einen Polarisator 6 linear polarisiert ist, wobei die lineare Polarisation durch den Polarisationsvektor 8 dargestellt ist. Der Strahl ist typischerweise unter etwa 70º zur Vertikalen ausgerichtet und geht durch einen Kompensator 10, der ihn in eine elliptische Polarisation überführt, wie durch die Polarisationsellipse 12 dargestellt.
• Der elliptisch polarisierte Strahl wird an der Oberfläche einer Probe 14, die in dieser Darstellung als horizontal angenommen wird, und die mit einem Oberflächenfilm 16 dargestellt ist, reflektiert und geht durch eine Apertur 18 zu einem Analysator 20. Der Analysator ist ein Kristallpolarisator hoher Güte, der die Polarisationsebene des reflektierten, linear polarisierten Licht bestimmt. Der Vorgang der Reflexion ändert die Polarisation des Strahles entsprechend der Schichtdicke und den optischen Eigenschaften der Schicht und der Probe. Um eine Messung durchzuführen wird der Polarisator 6 so eingestellt, daß die kombinierte Wirkung von Polarisator, Kompensator, Probe und Film erreicht, daß der in den Analysator eintretende Strahl linear polarisiert wird, wie durch den Vektor 22 der linearen Polarisierung gezeigt. Ein Filter 24 beseitigt unerwünschtes Hintergrundlicht aus dem durch den Analysator 20 hindurchgehenden Strahl, so daß die Messungen unter normalen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden können, wobei der gefilterte Strahl durch einen Photodetektor 26 aufgenommen wird. Der Photodetektor 26 gib ein der Strahlintensität entsprechendes elektrisches Signal an ein Extinktionsphotometer 28 ab.
• Es gibt bestimmte Einstellungen des Polarisators, die bewirken, daß der von der Probe reflektierte Strahl vollständig linear polarisiert ist. Bei solchen Einstellungen kann der Analysator 20 in eine Position gedreht werden, in der fast kein Licht den Photodetektor 26 erreicht, und das Extinktionsphotometer 28 geht zu seiner niedrigsten Anzeige. Messungen werden bei zwei solchen Einstellungen vorgenommen, aus denen Filmdicke, Brechungsindex und andere Charakteristika unter Verwendung von graphischen Darstellungen, Tabellen oder Rechnern bestimmt werden können.
• In bestimmten Anwendungen ist es wünschenswert, ellipsometrische Messungen innerhalb einer definierten Umgebung zu erreichen. Für solche Fälle sind verschiedene Techniken angewendet worden, die es erlauben, eine Probe zu analysieren, ohne sie der Umgebung auszusetzen, in der sich die Analyseneinrichtung befindet; drei solche Anordnungen sind in FIG. 2, 3 und 4 verdeutlicht. In FIG. 2 ist eine zu untersuchende Probe 30 innerhalb einer dicht abgeschlossenen Kammer 32 eingesetzt. Strahleingang und - ausgang 34 und 36 der Kammer haben entsprechende transparente Fenster 38 und 40, die es gestatten, daß ein Teststrahl in die Kammer durchgeht und aus dieser reflektiert wird, ohne die abgeschlossene Umgebung in der Kammer zu beeinträchtigen. Eine Apparatur vergleichbar mit der in FIG. 1 gezeigten wird dazu verwendet, einen elliptisch polarisierten Eintrittsstrahl 42 zu erzeugen, der durch das Eintrittsfenster 38 auf den Probenkörper 30 gerichtet wird, und den von der Probe reflektierten Austrittstrahl 44 zu analysieren. Die Strahlen 42 und 44 werden im allgemeinen im rechten Winkel zu den Oberflächen der ihnen entsprechenden Fenster 38 und 40 transmittiert. Eine solche Anordnung ist im Stand der Technik aus EP-A- 484 879 bekannt.
• In FIG. 3 ist eine abgeschlossene Kammer 46 mit lediglich einem einzelnen Eintritts-/Austrittsübergang 48 gezeigt, wobei ein transparentes Fenster 50 den Übergang verschließt. Ein elliptisch polarisierter Eintrittsstrahl 52 geht durch das Fenster 50 und wird von der Probe 30 in der Kammer reflektiert. Der reflektierte Strahl wird durch einen Spiegel 54 zurück auf den Prüfkörper gerichtet, jedoch unter einem geänderten Winkel, so daß dieser von einem anderen Bereich der Probe reflektiert wird, um die Kammer als Austrittsstrahl 56 zu verlassen. Der Eintritts- und der Ausgangsstrahl 52 und 56 sind sowohl räumlich als auch im Winkel zueinander versetzt, und die Analyse des Austrittsstrahls ist modifiziert, um der Zweifachreflexion vom Probenkörper Rechnung zu tragen.
• In FIG. 4 ist eine andere Kammer 58 mit offenen Eintritts- und Austrittsstellen 60 bzw. 62 gezeigt. Diese Anordnung ist ähnlich derjenigen von FIG. 2, mit der Ausnahme, daß die transparenten Fenster 38 und 40 von FIG. 2 weggelassen sind und ein Gaseinlaß 64 in der Kammer 58 vorgesehen ist. Ein inertes Gas wie etwa Stickstoff (dargestellt durch Pfeile 66) wird unter Druck durch den Gaseinlaß 64 in die Kammer eingelassen und strömt durch die beiden Strahlübergänge 60 und 62 aus. Dieses Ausströmen des inerten Gases erlaubt die Durchführung ellipsometrischer Untersuchung, während das Innere der Kammer und der Probenkörper 30 wirkungsvoll von der äußeren Umgebung abgeschlossen sind.
• Eine jüngere Anwendung für ellipsometrische Untersuchungen betrifft das Verfolgen der Oberflächenbedingung einer in einer kleinvolumigen Zelle eingeschlossenen Probe. Das Ziel dieser Anwendung ist es, das Volumen von in der Herstellung von mikroelektronischen Schaltungen verwendeten naßchemischen Reagentien zu minimieren. Dies ist in FIG. 5 verdeutlicht, und es geht dabei um die Bereitstellung einer kleinvolumigen Zelle 68, die einen Halbleiterwafer 70 oder einen Teil eines Wafers umschließt, für die chemische Behandlung unmittelbar von der Herstellung mikroelektronischer Schaltkreise auf dem Wafer. Eine solche Vorbereitung erfordert normalerweise das Reinigen, Ätzen und andere naßchemische Behandlungen.
• Die speziell entwickelte Zelle 68 von FIG. 5 verringert das für die Behandlung benötigte Naßchemikalienvolumen beträchtlich und ist Gegenstand der schwebenden Patentanmeldung, Seriennummer 899.792, eingereicht am 19. Juni 1992 von Gerald A. Garwood, Jr., einem Miterfinder der vorliegenden Erfindung. Die schwebende Anmeldung ist auf das Santa Barbara Research Center übertragen, dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung. Der Wafer 70 ist dargestellt, wie er direkt von der Zellengrundplatte 72 getragen wird, obwohl er alternativ auch von der Grundplatte entfernt mittels Abstandshaltern gehalten werden kann, falls die Bearbeitung beider Stirnflächen des Wafers gewünscht wird. Die Zelle 68 ist mit einem flachen transparenten Deckel 74 bedeckt, der vorzugsweise aus Glas besteht, alternativ aber auch aus einem transparenten Kunststoff, der nicht mit den bei der Substratbearbeitung eingesetzten Chemikalien reagiert, hergestellt werden. Der Deckel 74 ist mittels Bolzen 76 mit der Grundplatte 72 entlang ihres Randes befestigt, wobei ein O-Ring 78 zwischen dem Deckel und der Grundplatte eingelegt ist, um das Innere der Zelle abzudichten. Die zur Behandlung des Wafers verwendeten Naßchemikalien werden durch die Zelle über einem Einlaßanschluß 80 und einen Auslaßanschluß 82, die sich durch die Grundplatte von außerhalb der Zelle bis zu einer Stelle innerhalb des O- Ringes 78 erstrecken, im Kreislauf geführt. Der Freiraum zwischen dem Deckel 74 und dem Wafer 70 wird ziemlich klein gehalten, genauso wie der Randabstand zwischen dem Wafer 70 und dem O-Ring 78, wodurch das Volumen der Naßchemikalien, das sonst zur Vorbereitung des Wafers benötigt werden würde, stark verringert wird.
• Die Zelle 68 zur chemischen Bearbeitung wird wenigstens rechnerisch an ellipsometrische Messungen angepaßt, um die Waferoberfläche in verschiedenen Bearbeitungsstufen zu kontrollieren. Hauptsächlich kann dies dadurch erreicht werden, daß ein elliptisch polarisierter Strahl 84 unter einem Winkel durch den Deckel 74 und auf die oberseitige Oberfläche des Wafers 70 gerichtet wird, wobei der Strahl vom Wafer zurückreflektiert wird und durch den Deckel zurück zur Analyse geht; der tatsächliche ellipsometrische Aufbau ist in FIG. 5 nicht gezeigt, wäre aber vergleichbar mit dem in FIG. 1 verdeutlichten. Obwohl der Strahl 84 während beiden Durchgängen durch den Deckel 74 gebrochen wird, heben sich diese Winkelabweichungen gegenseitig auf und der Ausgangsstrahl tritt unter dem gleichen Winkel zur Vertikalen aus, wie der Eintrittstrahl (unter der Annahme, daß die Oberflächen von Deckel und Wafer parallel sind). Das ist wichtig, wenn die Zelle 68 in einem standardmäßigen Ellipsometrieaufbau verwendet wird, in dem die Strahleintritts- und -austrittswinkel im allgemeinen fest sind.
• Ein Problem bei der Durchführung von ellipsometrischen Messungen mit der beschriebenen kleinvolumigen Zelle ist in FIG. 6 verdeutlicht, die den elliptisch polarisierten, auf die obere Oberfläche des flachen transparenten Deckels 74 auftreffenden Strahl 84 zeigt. Dieser ankommende Strahl erzeugt aufgrund von Teilreflexionen an der oberen (äußeren) und unteren (inneren) Deckeloberfläche einen Satz von parallelen Strahlen, die aus der Zelle austreten. Die Hauptreflexionen sind eine ursprüngliche Reflexion des ankommenden Strahls von der oberseitigen Oberfläche des Deckels (Strahl 86), eine Reflexion des ankommenden Strahls von der unteren Deckeloberfläche, nach Erfahren der Brechung an der Grenzfläche oberseitige Oberfläche/Luft (Strahl 88), und eine doppelte Reflexion des rausgehenden Strahls von der oberen und der unteren Deckeloberfläche, nach Brechung an der Grenzfläche untere Oberfläche/Luft (Strahl 90). Der rausgehende Strahl selbst nach der Reflexion vom Wafer 70 ist als Strahl 92 bezeichnet. Zusätzliche parallele Strahlen, die aufgrund von Mehrfachreflexionen zustande kommen, sind ebenfalls vorhanden, sind aber von viel kleinerer Intensität. Wegen des für ein Minimieren des Volumens der eingesetzten Chemikalien kleinen vertikalen Abstandes zwischen dem Deckel 74 und dem Wafer 70 liegen die Hauptstrahlen 86, 88 und 90 und der abgehende Strahl 92 eng beieinander, und zwei oder mehrere von ihnen können in die Analysatorapertur eintreten. Jedoch trägt nur der Strahl 92 die gewünschte Information, die die Charakteristika des Wafers 70 darstellt. Die anderen Strahlen tragen gegeneinander gerichtete und unerwünschte Information, die einer sauberen Messung der Probe innerhalb der Zelle überlagert ist.
• Die obere und die untere Deckeloberfläche könnten mit einer Oberflächenvergütung belegt sein, um unerwünschte Reflexionen zu vermindern oder sogar auszuschalten. Eine Oberflächenvergütung würde jedoch weitere Änderungen im Polarisationszustand des durch sie hindurch gehenden Lichts hervorrufen, und die Beschichtung auf der Bodenoberfläche des Deckels wäre den ganzen chemischen Reagentien, die durch die Zelle zur Bearbeitung des Wafers strömen, ausgesetzt. Das Hinzufügen einer Oberflächenvergütung ist aus diesem Grund keine funktionsfähige Lösung. Ein alternativer Lösungsansatz wäre, den Abstand zwischen den reflektierten Strahlen und dem Hauptstrahl 92 genügend zu vergrößern, um die reflektierten Strahlen von der Analysatorapertur herauszuhalten, indem man den Abstand zwischen dem Wafer und dem Deckel der Zelle beträchtlich vergrößert. Dies würde jedoch das Zellenvolumen stark vergrößern und dadurch das Ziel, eine kleine Zelle zu bekommen, vereiteln.
Kurzfassung der Erfindung
• Nach der vorliegenden Erfindung wird beabsichtigt, eine ellipsometrische Probenzelle bereitzustellen, die reflektierte Strahlen wirkungsvoll vom Hauptstrahl beim Ellipsometrievorgang abtrennt und dennoch mit kleinvolumigen Zellen, die einen kleinen Abstand zwischen dem Zellendeckel und der in der Zelle befindlichen Probe aufweist, vereinbar ist.
• Erreicht werden diese Ziele mit einem Zellengehäuse, das Eintritts- und Austrittsfenster für den Ellipsometriestrahl enthält, die so angelegt sind, daß sie den Hauptstrahl und die Reflexe davon in unterschiedliche Winkel richtet, so daß der Strahl, aber nicht seine Reflexionen in den Ellipsometrie-Analysator eintritt. Die Fenster werden vorzugsweise in einem einteiligen Deckel mit flacher Innenoberfläche und einer äußeren Oberfläche, die von beiden Seiten eines Firsts abfällt, verwirklicht, um flache Eintritts- und Austrittsfenster zu bilden. Die Außenflächen der zwei Fenster sind vorzugsweise flach, und weisen im wesentlichen gleiche Winkel von etwa 1º-5º zur Innenfläche des Deckels auf und sind auf gegenüberliegenden Seiten des Firsts symmetrisch angeordnet. Das Gehäuse ist bezüglich dem Strahl so angeordnet, daß eine Reflexion des Strahles von der Innenfläche des Eintrittsfensters das Gehäuse durch die Außenfläche desselben Eintrittsfensters verläßt.
• Das neue Deckeldesign ermöglicht in-situ-Ellipsometrie für eine kleinvolumige Zelle, stellt dadurch eine objektive, von einer Bedienperson unabhängige und zuverlässige Einrichtung zum Überwachen der Wirksamkeit von Reinigungs und Bearbeitungsprozessen, die an dem Wafer durchgeführt werden, dar.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden einem Fachmann anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• FIG. 1 ist ein oben beschriebenes Diagramm eines herkömmlichen Ellipsometrie-Systems;
• FIGUREN 2-4 sind oben beschriebene vereinfachte Vorderansichten bisheriger Behältnisse für Probenkörper bei der Ellipsometrie, die verschiedene Arten von Strahlfenster verwenden;
• FIG. 5 ist eine oben beschriebene Schnittdarstellung einer Zelle mit kleinem Volumen, die für die Reinigung und Bearbeitung eines Halbleiterwafers verwendet wird;
• FIG. 6 ist eine oben beschriebene fragmentarische Schnittansicht, die das mit der Zelle von FIG. 5 verbundene Reflexionsproblem während der Ellipsometrie verdeutlicht;
• FIG. 7 ist eine vereinfachte fragmentarische Schnittansicht, nicht maßstabgetreu, eines neuen Deckels einer Ellipsometriezelle gemäß der Erfindung;
• FIG. 8 ist eine fragmentarische Schnittansicht des neuen Zellendeckels gemäß der Erfindung in einer genaueren Darstellung als in FIG. 7; und
• FIG. 9 ist eine graphische Darstellung des Austrittswinkels des Lichtstrahls für den neuen Deckel als eine Funktion des Winkels der oberen Deckeloberfläche und des Brechungsindex, aus der eine kalibrierte Korrektur für mit der Erfindung erhaltene Messungen durchgeführt werden kann.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
• Die Erfindung stellt eine Ellipsometriezelle mit einem neuartigen Deckel bereit, in dem Eintritts- und Austrittsfenster unter verschiedenen Winkeln ausgebildet sind, um den ellipsometrischen Hauptstrahl von seinen Reflexionen an den äußeren und inneren Deckeloberflächen zu trennen. Eine bevorzugte Ausführungsform des Deckels ist in FIG. 7 gezeigt, worin nur der Deckel 94, die darunterliegende ellipsometrische Probe wie etwa Halbleiterwafer 96, der ellipsometrische Analysator 20 und die zugehörige Apertur 18 verdeutlicht sind. Der Deckel 94 kann in einer Zelle wie der in FIG. 5 gezeigten eingesetzt werden und kann in der Tat den in FIG. 5 gezeigten flachen Deckel 74 ersetzen und kann in gleicher Weise an der Zelle befestigt werden. Die obere (äußere) Oberfläche des Deckels 94 ist in ein Eintrittsfenster 98 und ein Austrittsfenster 100 unterteilt, wobei die zwei Fenster an einem First 102 in der Mitte zusammenkommen, von dem aus sich jedes Fenster zur anderen Seite des Deckels hin verjüngt. Eintritts- und Austrittsfenster sind vorzugsweise flach, obwohl kompliziertere geometrische Anordnungen, die die optische Trennung von ellipsometrischem Hauptstrahl und reflektierten Strahlen nach der vorliegenden Erfindung erzielen würden, entworfen werden können.
• Das Eintrittsfenster 98 und das Austrittsfenster 100 sind vorzugsweise mit gleichen Winkeln θ zur Waagrechten, vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 1º-5º, ausgestaltet. Die größeren Winkel rufen eine größere Dispersion zwischen Haupt- und Nebenstrahlen hervor, stören jedoch die sich ergebende Ellipsometrie-Anzeige in größerem Maße; die kleinen Winkel erzeugen eine kleinere Dispersion, haben aber weniger Auswirkung auf die Ellipsometrie- Anzeige. Wie oben dargestellt ist die Störung der Ellipsometrie-Anzeige auf die Beugung des Strahles zurückzuführen und kann in der letzten Anzeige abgeglichen werden.
• e Die innenseitige (untere) Deckeloberfläche 104 ist vorzugsweise flach und parallel zur innenseitigen (oberen) Trägeroberfläche der Zellenbasis 72. Dies läßt ein kleines Zelleninnenvolumen zu und sorgt dafür, daß der vom Austrittsfenster herkommende Ellipsometrie-Strahl den gleichen Winkel zur Vertikalen aufweist wie der Eingangsstrahl; dies ist für das Anpassen der Zelle an ein Standardellipsometer wichtig. Herkömmliche Verfahren zum Schleifen und Polieren werden eingesetzt, um die gewünschte Geometrie für den Deckel, der aus den gleichen transparenten Materialien wie bisherige Deckel hergestellt werden kann, zu erzielen.
• Betrachtet wird ein Ellipsometriestrahl 106, der auf die äußere Oberfläche des Eintrittsfensters gerichtet wird. Der Strahl wird an der äußeren und der inneren Oberfläche des Eintrittsfensters gebrochen, von der Probe 96 zum Deckel zurück reflektiert, an der inneren und der äußeren Oberfläche des Austrittsfensters gebrochen, und tritt als Austrittsstrahl 108 aus und geht durch die Apertur 18 zum Analysator 20. Aufgrund der Symmetrie von Eintritts- und Austrittsfenster kommt der Austrittstrahl 108 unter dem gleichen Winkel zur Vertikalen heraus, wie der Eintrittsstrahl 106. Teilreflexionen des Strahles an der äußeren und der inneren Oberfläche des Deckels treten in einer Weise ähnlich der in FIG. 6 verdeutlichten ebenfalls auf. Im besonderen wird ein Strahl 110 von der Außenoberfläche des Eintrittsfensters reflektiert, und ein zweiter Strahl 112 wird von der Innenoberfläche des Eintrittsfensters reflektiert, ein dritter Strahl 114 wird von der inneren und der äußeren Oberfläche des Austrittsfensters reflektiert. Die reflektierten Strahlen 110, 112 und 114 sind jedoch nicht länger parallel zum Austrittshauptstrahl 108. Vielmehr richtet die winkelige Deckelaußenfläche sie unter verschiedenen Winkeln zum Austrittsstrahl 108 aus. Bei einer geeigneten Auswahl der Systemabmessungen werden die reflektierten Strahlen genügend vom Austrittsstrahl 108 divergieren, um sicher zu stellen, daß sie nicht durch die Analysatorapertur 18 gehen.
• Für ein spezifisches Beispiel sei angenommen, daß sowohl der Eintrittsstrahl 106 als auch der Austrittsstrahl 108 einen Winkel von 70º zur Vertikalen (eine vertikale Achse wird in der Figur mit V bezeichnet) aufweisen, daß der Brechungsindex des Deckelmaterials 1,55 beträgt (Glas entsprechend) und daß der Neigungswinkel der äußeren Oberflächen für Eintritts- und Austrittsfenster 1º zur Horizontalen ist. Unter diesen Annahmen wird der Strahl 110 unter einem Winkel von 68,0º zur Vertikalen austreten, Strahl 112 unter einem Winkel von 76,475º und Strahl 114 unter einem Winkel von 63,851º.
• Der Austrittshauptstrahl 108 kommt unter dem gewünschten Winkel von 70º heraus, während die reflektierten Strahlen von diesem weggelenkt werden. Bei einem typischen Abstand von 90 mm vom Probenort bis zur Analysatorapertur 18 führt die geringste Winkeldifferenz zwischen dem Austrittstrahl 108 und jedem beliebigen Reflexionsstrahl (70,0º-68,0º=2.0º) zu einer Minimumauslenkung zwischen Hauptstrahl und den Reflexionsstrahlen von 3,1 mm am Ort der Apertur; dies ist größer als der typische Aperturdurchmesser von 1,8 mm und ist ebenfalls größer als der typische Strahldurchmesser von 1 mm. Im Nettoergebnis wird einem gestattet, Ellipsometrie- Messungen an einer in der gewünschten kleinvolumigen Zelle enthaltenen Probe ohne Interferenzen von den Reflexionen durchzuführen.
• Es ist notwendig, den Eintrittsstrahl 106 ziemlich sorgfältig bezüglich der Zelle auszurichten, so daß der von der inneren Oberfläche des Eintrittsfensters reflektierte Strahl 112 aus dem Deckel auf der Seite des Eintrittsfensters des Firstes 102 kommt, während der Austrittshauptstrahl 108 auf der Seite des Austrittsfensters des Firstes herauskommt; wenn beide aus dem selben Fenster herauskommen, sind sie parallel. FIG. 8 ist eine Abänderung von FIG. 7, die die für eine Anwendung mit kleiner Zelle in Frage kommenden Abmessungen genauer verdeutlicht und die Notwendigkeit einer sorgfältigen Ausrichtung zeigt. Der geringe Abstand zwischen dem Deckel 94 und dem Halbleiterwafer 96 führt zu einer Nähe des reflektierten Strahles 112 zum Austrittshauptstrahl 108. Es ist wünschenswert, daß der First 102, der Eintritts- und Austrittsfenster voneinander trennt, gut definiert und nicht übermäßig abgerundet ist, um die Trennung des reflektierten Strahles 112 vom Austrittsstrahl 108 aufrecht zu erhalten. Für einen Strahldurchmesser von 1 mm und θ = 1º beträgt der Minimalspalt zwischen der Innenoberfläche des Deckels und der oberen Substratoberfläche, der sicherstellt, daß der Strahl 112 und der Austrittstrahl 108 vollständig auf entgegengesetzten Seiten des Firstes sind, 0,31 mm; für θ = 2º ist die Minimalgröße des Spaltes 0,25 mm.
• Der Winkel der äußeren Deckeloberfläche verändert den Winkel, unter dem der Hauptstrahl 106 die Probenoberfläche trifft, und das verändert wiederum die Wirkung der Probe hinsichtlich der Strahlpolarisation. Während ein größerer Winkel θ die erforderliche Genauigkeit beim Einstellen des Strahles relativ zum Deckel verringert, wird er die Winkelabweichung, mit der der Strahl auf die Probe trifft, vergrößern und wird so eine größere Änderung in der Ellipsometer-Anzeige erzeugen. Diese Wirkung ist in FIG. 9 verdeutlicht, worin der Winkel (zur Vertikalen), unter dem der Eintrittstrahl auf die Probe trifft, gegen θ für verschiedene Werte des Brechungsindex n aufgetragen ist. Diese Veränderung in den ellipsometrischen Werten kann dadurch ausgeglichen werden, daß Messungen an bekannten Proben sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle durchgeführt werden, um eine Kalibrierungskarte zwischen den beiden Sätzen von Messungen zu erzeugen. Wenn später Messungen für eine unbekannte Probe innerhalb der Zelle durchgeführt werden, kann die Kalibrierungskarte dazu verwendet werden, die Meßergebnisse durch Eliminieren der durch den gewinkelten Deckel hervorgerufenen Auswirkungen der Änderung im Strahlwinkel anzupassen.
• Auf ähnliche Weise wird der Durchgang des Strahls durch den Deckel selbst mäßige Änderungen in den Werten der Ellipsometrieparameter hervorrufen, ungeachtet aller Änderungen im Winkel, unter dem der Strahl auf die Probe trifft. Wiederum kann eine Kalibrierungskarte erzeugt werden, indem Messungen an bekannten Proben unter Verwendung eines Deckels mit parallelen inneren und äußeren Flächen durchgeführt werden, wobei ein dicker Deckel und ein großer Abstand zwischen dem Deckel und der Probe vorhanden sind, um die austretenden Strahlen voneinander zu trennen.
• Die Dicke des Deckels wird im allgemeinen in der Größenordnung von 4 mm liegen. Theoretisch könnte er dünner gemacht werden, dies könnte aber die zum Anschrauben des Deckels an die Grundplatte entlang seines Randes erforderliche Festigkeit und Steifigkeit beeinträchtigen. Dickere Deckel können für größere Zellen, die typischerweise eine Weite von 4-8 cm haben, erforderlich sein.
• Während eine besondere Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben worden ist, kann ein Fachmann auf zahlreiche Variationen und wechselnde Ausführungsformen kommen. Zum Beispiel kann die äußere Oberfläche des Deckels mehr in einer abgerundeten Kuppelform als mit einem scharfen First zum Trennen von Eingangs- und Austrittsfenster ausgestaltet sein, obwohl dadurch die zum Anordnen des Deckels bezüglich dem Ellipsometriestrahl erforderliche Genauigkeit erhöht und das dazu führen könnte, daß der Austrittstrahl einen vom Eintrittsstrahl abweichenden Winkel aufweist. Dementsprechend soll die Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims (10)

1. Ellipsometrie-System mit einer Einrichtung zum Halten einer Probe, die ellipsometrisch analysiert werden soll, einer Einrichtung, mit der ein elliptisch polarisierter Strahl auf die Probe gelenkt wird, und einer Einrichtung zum Analysieren des von der Probe reflektierten Strahls, wobei die Einrichtung zum Halten der Probe

ein Gehäuse zum Umschließen der Probe und Eingangs- und Ausgangsfenster für das Gehäuse, die für den Strahl im wesentlichen transparent sind und den Strahl teilweise reflektieren, wobei die Fenster so angeordnet sind, daß der Strahl und Reflexionen an den Fenstern so gelenkt werden, daß der Strahl, aber nicht die Reflexionen an den Fenstern in die Analysiereinrichtung eintritt,

umfaßt.

2. Ellipsometrie-System nach Anspruch 1, wobei die Fenster entsprechende Bereiche eines einteiligen Deckels für das Gehäuse umfassen und die Fensterbereiche unter unterschiedlichen entsprechenden Winkeln zu dem Strahl ausgerichtet sind.

3. Ellipsometrie-System nach Anspruch 2, worin die innere Oberfläche des Deckels im wesentlichen flach ist, und die äußere Oberfläche sich auf jeder Seite von einem First aus verjüngt, wobei die gegenüberliegenden Seiten des Firsts die Eintritts- bzw. Austrittsfenster umfassen.

4. Ellipsometrie-System nach Anspruch 3, worin die innere Oberfläche des Deckels unter im wesentlichen gleichen Winkeln zu den Achsen der Strahllenkeinrichtung und der Analysiereinrichtung angeordnet ist und seine äußere Oberfläche zu jeder Seite des Firsts im wesentlichen flach ist.

5. Ellipsometrie-System nach Anspruch 3, worin die äußeren Oberflächen der Eintritts- und Austrittsfenster unter im wesentlichen gleichen Winkeln zur inneren Oberfläche des Deckels angeordnet sind.

6. Ellipsometrie-System nach Anspruch 5, worin die Eintritts- und Austrittsfenster im wesentlichen symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten des Firsts sind.

7. Ellipsometrie-System nach Anspruch 3, worin die äußeren Oberflächen der Eintritts- und Austrittsfenster jeweils unter einem Winkel innerhalb des ungefähren Bereiches von 1º bis 5º zur inneren Oberfläche des Deckels angeordnet sind.

8. Ellipsometrie-System nach Anspruch 3, worin das Gehäuse bezüglich der Strahllenkeinrichtung so angeordnet ist, daß eine Reflexion des Strahls von der inneren Oberfläche des Eintrittsfenster das Gehäuse durch die äußere Oberfläche des Eintrittsfensters verläßt.

9. Eine Zelle zum Halten einer Probe für ellipsometrische Untersuchung, mit:

einem Sockel,

einer Einrichtung zum Tragen einer Probe bezüglich der Grundplatte,

einem im wesentlichen transparenter Deckel, der innere und äußere Oberflächen besitzt,

einer Einrichtung zum Halten des Deckels in dichter Anordnung zum Sockel,

wobei der Deckel so ausgestaltet ist, daß in Antwort auf einen ellipsometrischen Untersuchungsstrahl, der durch den Deckel durchgeschickt wird und von einer Probe innerhalb der Zelle durch den Deckel zurück nach außen reflektiert wird, primäre Reflexionen des Strahls von den oberen und unteren Oberflächen des Deckels unter unterschiedlichen Winkeln vom Untersuchungsstrahl aus der Zelle nach außen gelenkt werden.

10. Probenzelle nach Anspruch 9, worin die äußere Deckeloberfläche eine Vielzahl von Abschnitten, die unter unterschiedlichen entsprechenden Winkeln bezüglich des Sockels ausgerichtet sind, umfaßt.