DE19681741B4

DE19681741B4 - Verbesserter optischer Beanspruchungsgenerator und -detektor

Info

Publication number: DE19681741B4
Application number: DE19681741T
Authority: DE
Inventors: Humphrey J. Maris; Robert J. Duxbury Stoner
Original assignee: Brown University Research Foundation Inc
Current assignee: Brown University Research Foundation Inc
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 1996-12-31
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2017-01-01
Also published as: DE19681741T1; US5959735A; WO1997027466A1; JP4653723B2; JP4393585B2; US5748318A; JP2007147620A; JP2000515624A

Abstract

Nichtdestruktives System zum Charakterisieren einer Probe, mit:
einer Einrichtung zum Erzeugen eines optischen Pumpimpulses und zum Fokussieren des Pumpimpulses auf eine Oberfläche der Probe;
einer Einrichtung zum Erzeugen eines optischen Fühlerimpulses und zum Fokussieren des Fühlerimpulses auf der Oberfläche der Probe;
einer Einrichtung zum Messen von wenigstens einer Stoßantwort der Struktur auf dem Pumpimpuls durch Erfassen einer Änderung des reflektierten oder durchgelassenen Anteils des Fühlerimpulses;
gekennzeichnet durch:
eine Einrichtung zum Simulieren einer Wirkung eines Aufbringens von Pump- und Fühlerimpulsen auf die Oberfläche der Probe; und
eine Detektoreinrichtung zum automatischen Einstellen des Fokus von wenigstens einem der Pump- und Fühlerimpulse als Antwort auf die reflektierten Anteile der wenigstens einen Pump- und Fühlerimpulse, um einen effektiven Überlappungsbereich der Pump- und Fühlerimpulse auf der Oberfläche der Probe zu stabilisieren, so daß sie mit der Simulation übereinstimmen.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH EINER ANHÄNGIGEN PROVISORISCHEN PATENTANMELDUNG:
Hiermit wird Priorität beansprucht unter 35 US.C. 119(e) von der anhängigen provisorischen Patentanmeldung mit der Anmeldungsnummer 60/010.543, eingereicht am 23. Januar 1996 im Namen von Humphrey Mars und Robert Stoner mit dem Titel ”Improved Optical Stress Generator and Detector”. Diese vorläufige Patentanmeldung ist hiermit durch Literaturhinweis in ihrer Gesamtheit eingefügt.
STELLUNGNAHME ZU REGIERUNGSRECHTEN:
Diese Erfindung wurde gemacht mit Unterstützung der Regierung unter der Zuteilungs/Vertrags-Nummer DEFG02-ER45267, zuerkannt vom Department of Energy. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
GEBIET DER ERFINDUNG:
Diese Erfindung bezieht sich auf ein System zum Messen der Eigenschaften dünner Schichten, und insbesondere auf ein System, das Beanspruchungsimpulse optisch in eine Schicht induziert und das die Beanspruchungsimpulse, die sich innerhalb der Schicht ausbreiten, optisch mißt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
Die nichtdestruktive Bewertung von Dünnschichten und Grenzflächen ist für Hersteller von elektrischen, optischen und mechanischen Vorrichtungen, die Dünnschichten verwenden, von Interesse. Bei einer nichtdestruktiven Technik wird ein Funkfrequenzimpuls an einen piezoelektrischen Wandler angelegt, der auf einem Substrat zwischen dem Wandler und der zu untersuchenden Schicht montiert ist. Ein Beanspruchungsimpuls pflanzt sich durch das Substrat in Richtung zur Schicht fort. An der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Schicht wird ein Teil des Impulses zum Wandler zurück reflektiert. Der Rest tritt in die Schicht ein und wird an der gegenüberliegenden Seite teilweise reflektiert, um durch das Substrat zum Wandler zurückzukehren. Die Impulse werden in elektrische Signale umgesetzt, elektronisch verstärkt und auf einem Oszilloskop angezeigt. Die Zeitverzögerung zwischen den zwei Impulsen zeigt die Schichtdicke an, wenn die Schallgeschwindigkeit in der Schicht bekannt ist, oder zeigt die Schallgeschwindigkeit an, wenn die Schichtdicke bekannt ist. Relative Amplituden der Impulse liefern Informationen über die Dämpfung in der Schicht oder die Qualität der Verbindung zwischen der Schicht und dem Substrat.
Die minimale Dicke der Schicht, die gemessen werden kann, sowie die Empfindlichkeit gegenüber Schichtgrenzflächenbedingungen unter Verwendung herkömmlichen Ultraschalls ist durch die Impulslänge begrenzt. Die Dauer des Beanspruchungsimpulses beträgt normalerweise wenigstens 0,1 μs, was einer Raumlänge von wenigstens 3·10^–2 cm bei einer Schallgeschwindigkeit von 3·10⁵ cm/s entspricht. Sofern nicht die Schicht dicker ist als die Länge des Schallimpulses, überlappen sich die zum Wandler zurückkehrenden Impulse in der Zeit. Selbst wenn Impulse verwendet werden, die 0,001 μs kurz sind, muß die Schichtdicke wenigstens einige Mikrometer betragen.
Eine weitere Technik, die akustische Mikroskopie, projiziert Schall durch eine Stange, die an ihrer Spitze eine sphärische Linse besitzt. Die Spitze wird in eine Flüssigkeit getaucht, die die Schicht bedeckt. Der Schall breitet sich durch die Flüssigkeit aus, wird von der Oberfläche der Probe reflektiert und kehrt durch die Stange zum Wandler zurück. Die Amplitude des zum Wandler zurückkehrenden Signals wird gemessen, während die Probe horizontal bewegt wird. Die Amplituden werden in eine vom Computer erzeugte Photographie der Probenoberfläche umgesetzt. Grobe Merkmale unterhalb der Oberfläche werden beobachtet durch Anheben der Probe, um den Brennpunkt unter die Oberfläche zu bringen. Die seitliche und vertikale Auflösung des akustischen Mikroskops sind ungefähr gleich.
Die Auflösung ist beim akustischen Mikroskop am größten, wenn eine sehr kurze Wellenlänge durch die Koppelflüssigkeit geleitet wird. Dies erfordert eine Flüssigkeit mit einer niedrigen Schallgeschwindigkeit, wie z. B. flüssiges Helium. Ein akustisches Mikroskop, das flüssiges Helium verwendet, kann Oberflächenmerkmale von 500 Å auflösen, jedoch nur wenn die Probe auf 0,1 K gekühlt wird.
Mehrere zusätzliche Techniken, die nicht die Erzeugung und Erfassung von Beanspruchungsimpulsen verwenden, stehen für die Messung der Schichtdicke zur Verfügung. Ellipsometer richten elliptisch polarisiertes Licht auf eine Schichtprobe und analysieren den Polarisationszustand des reflektierten Lichts, um die Schichtdicke mit einer Genauigkeit von 3–10 Å zu ermitteln. Das elliptisch polarisierte Licht wird in zwei Komponenten aufgelöst, die separate Polarisationsorientierungen und eine relative Phasenverschiebung aufweisen. Änderungen im Polarisationszustand, den Strahlamplituden und der Phase der zwei Polarisationskomponenten werden nach der Reflexion beobachtet.
Die Ellipsometertechnik verwendet Schichten, die einigermaßen transparent sind. Typischerweise muß wenigstens 10 der polarisierten Strahlung durch die Schicht hindurch dringen. Die Dicke der Metallprobenschichten kann somit wenige hundert Å nicht überschreiten.
Eine weitere Technik verwendet einen kleinen Fühler, um die Schichtdicke mechanisch zu messen. Der Fühler wird über die Oberfläche eines Substrats bewegt und mißt bei Erreichen der Kante einer Probenschicht die Höhendifferenz zwischen dem Substrat und der Schicht. Es können Genauigkeiten von 10–100 Å erhalten werden. Dieses Verfahren kann nicht verwendet werden, wenn die Schicht keine scharfe, deutliche Kante aufweist, oder in der Konsistenz zu weich ist, um den Fühler exakt zu unterstützen.
Ein weiteres nichtdestruktives Verfahren auf der Grundlage der Rutherford-Streuung mißt die Energie der zurückgestreuten Heliumionen. Die seitliche Auflösung dieses Verfahrens ist gering.
Eine weitere Technik verwendet Widerstandsmessungen, um die Schichtdicke zu ermitteln. Für ein Material mit bekanntem spezifischen Widerstand wird die Schichtdicke ermittelt durch Messen des elektrischen Widerstandes der Schicht. Für Schichten von weniger als 1000 Å hat dieses Verfahren jedoch eine begrenzte Genauigkeit, da der spezifische Widerstand ungleichmäßig von der Schichtdicke abhängen kann.
Bei einer weiteren Technik wird die Änderung der Richtung eines von einer Oberfläche reflektierten Lichtstrahls untersucht, wenn ein Beanspruchungsimpuls auf die Oberfläche trifft. In einer bestimmten Anwendung werden Beanspruchungsimpulse von einem piezoelektrischen Wandler auf einer Seite einer zu untersuchenden Schicht erzeugt. Ein auf die andere Seite fokussierter Laserstrahl erfaßt die Beanspruchungsimpulse, nachdem sie die Probe durchquert haben. Dieses Verfahren ist nützlich für Schichtdicken größer als 10 μm.
Eine Schicht kann ferner untersucht werden durch Anschlagen einer Oberfläche der Schicht mit einem intensiven optischen Pumpstrahl, um die Oberfläche der Schicht aufzubrechen. Statt die Ausbreitung der Beanspruchungsimpulse zu beobachten, beobachtet jedoch dieses Verfahren die destruktive Anregung der Oberfläche. Das Aufbrechen, wie z. B. ein thermisches Schmelzen, wird beobachtet durch Beleuchten der Stelle des Auftreffens des Pumpstrahls mit einem optischen Fühlerstrahl und durch Messen der Änderungen der Intensität des Fühlerstrahls. Die Intensität des Fühlerstrahls wird verändert durch destruktive, aufbrechende Effekte, wie z. B. das Sieden der Schichtoberfläche, den Ausstoß von geschmolzenem Material und das anschließende Abkühlen der Oberfläche.
Siehe M. C. Downer, R. L. Fork und C. V. Shank, ”Imaging with Femtosecond Optical Impulses”, Ultrafast Phenomena IV, Ed. D. H. Auston und K. B. Eisenthal (Springer-Verlag, N. Y. 1984), S. 106–110.
Andere Systeme messen die Dicke, die Zusammensetzung oder die Konzentration des Materials durch Messen der Absorption geeignet ausgewählter Wellenlängen der Strahlung. Dieses Verfahren ist allgemein nur dann anwendbar, wenn sich die Schicht auf einem transparenten Substrat befindet.
Bei einer nichtdestruktiven Ultraschalltechnik, die beschrieben ist im US-Patent 4.710.030 (Tauc u. a.), wird ein Schallimpuls mit sehr hoher Frequenz erzeugt und mittels eines ultraschnellen Laserimpulses erfaßt. Der Schallimpuls wird verwendet, um eine Grenzfläche abzutasten. Die Ultraschallfrequenzen, die bei dieser Technik verwendet werden, betragen typischerweise weniger als 1 THz, wobei die entsprechenden Schallwellenlängen in typischen Materialien größer als mehrere hundert Å sind. Es ist gleichbedeutend, wenn die Hochfrequenzultraschallimpulse, die bei dieser Technik erzeugt werden, als kohärente longitudinale akustische Phononen bezeichnet werden.
Genauer lehren Tauc u. a. die Verwendung von Pump- und Fühlerstrahlen, die 0,01 bis 100 ps dauern. Diese Strahlen können auf die gleiche Stelle einer Probenoberfläche auftreffen, oder der Auftreffpunkt des Fühlerstrahls kann gegenüber dem Auftreffpunkt des Pumpstrahls verschoben sein. In einer Ausführungsform kann die zu messende Schicht bezüglich der Pump- und Fühlerstrahlen verschoben werden. Der Fühlerstrahl kann von der Probe durchgelassen oder reflektiert werden. In einem von Tauc u. a. gelehrten Verfahren besitzt der Pumpimpuls wenigstens eine Wellenlänge für die nichtdestruktive Erzeugung eines Beanspruchungsimpulses in der Probe. Der Fühlerimpuls wird so zur Probe geführt, daß er den Beanspruchungsimpuls schneidet, wobei das Verfahren ferner eine Änderung der optischen Konstanten erfaßt, die durch den Beanspruchungsimpuls hervorgerufen wird, indem sie eine Intensität des Fühlerstrahls mißt, nachdem dieser den Beanspruchungsimpuls geschnitten hat.
In einer Ausführungsform wird eine Strecke zwischen einem Spiegel und einem Eckwürfel variiert, um die Verzögerung zwischen dem Auftreffen des Pumpstrahls und des Fühlerstrahls auf die Probe zu variieren. In einer weiteren Ausführungsform wird eine optoakustisch inaktive Schicht untersucht durch Verwendung einer darüberliegenden Schicht, die ein optoakustisch aktives Medium enthält, wie z. B. Arsen-Tellurid. In einer weiteren Ausführungsform kann die Qualität der Verbindung zwischen einer Schicht und dem Substrat anhand einer Messung des Reflexionskoeffizienten des Beanspruchungsimpulses an der Grenzfläche und Vergleichen des gemessenen Werts mit einem theoretischen Wert ermittelt werden.
Die Verfahren und Vorrichtungen von Tauc u. a. sind nicht auf einfache Schichten beschränkt, sondern können erweitert werden, um Informationen über Schichtdicken und Grenzflächen in Supergittern, Mehrschicht-Dünnschichtstrukturen und anderen inhomogenen Schichten zu erhalten. Tauc u. a. lehren ferner das Abtasten der Pump- und Fühlerstrahlen über eine Fläche der Probe von nur 1 μm mal 1 μm und das Aufzeichnen der Intensitätsänderung des reflektierten oder durchgelassenen Fühlerstrahls.
Obwohl für die Verwendung in vielen Meßanwendungen geeignet, ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, die Lehren von Tauc u. a. zu erweitern und zu verbessern.
AUFGABEN DER ERFINDUNG:
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, einen verbesserten optischen Generator und Detektor für Beanspruchungsimpulse zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine verbesserte ultraschnelle optische Technik zum Messen von Beanspruchungen in einer Dünnschicht zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine verbesserte ultraschnelle optische Technik zum Ermitteln des Elastizitätsmoduls, der Schallgeschwindigkeit und des Brechungsindex einer Dünnschicht zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine verbesserte ultraschnelle optische Technik für die Charakterisierung einer Grenzfläche zwischen zwei Materialen zu schaffen, wie z. B. einer Grenzfläche zwischen einem Substrat und einer darüberliegenden Dünnschicht.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine ultraschnelle optische Technik zu schaffen zum Ermitteln einer Ableitung einer Stoßantwort einer Probe auf einen Pumpimpuls und zum Korrelieren der Ableitung mit einer interessierenden Eigenschaft, wie z. B. der statischen Beanspruchung innerhalb der Probe.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine ultraschnelle optische Technik zum Verändern einer Temperatur der Probe und, während die Temperatur verändert wird, zum Ermitteln einer Ableitung der Schallgeschwindigkeit innerhalb der Probe und zum anschließenden Korrelieren der Ableitung der Schallgeschwindigkeit mit der statischen Beanspruchung innerhalb der Probe zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine ultraschnelle optische Technik zum Ermitteln eines spezifischen elektrischen Widerstands einer Probe zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, Simulationsverfahren zum Modellieren eines Zeitverlaufseffekts eines Beanspruchungsimpulses, der innerhalb einer interessierenden Probe erzeugt worden ist, zu schaffen, um dann das Modell zum Charakterisieren der Probe zu verwenden.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine ultraschnelle optische Technik zum Messen einer interessierenden Eigenschaft in einer gemusterten, periodischen, Mehrschichtstruktur zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein ultraschnelles optisches System und eine Technik zu schaffen, in der Lichtleitfasern verwendet werden, um das Richten und/oder Fokussieren wenigstens entweder des einfallenden Pumpstrahls oder des einfallenden Fühlerstrahls oder eines reflektierten oder durchgelassenen Fühlerstrahls zu verbessern.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein nichtdestruktives System und ein Verfahren für das gleichzeitige Messen wenigstens zweier Stoßantworten einer Struktur auf einen Pumpimpuls zu schaffen, wobei die gemessenen Stoßantworten wenigstens zwei der Elemente der Gruppe umfassen, die eine Messung einer modulierten Änderung ΔR der Intensität eines reflektierten Anteils eines Fühlerimpulses, eine Änderung ΔT der Intensität eines durchgelassenen Anteils des Fühlerimpulses, eine Änderung ΔP der Polarisation des reflektierten Fühlerimpulses, eine Änderung Δϕ einer optischen Phase des reflektierten Fühlerstrahls und eine Veränderung eines Reflexionswinkels ΔΩ des Fühlerstrahls umfaßt.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein nichtdestruktives System und ein Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Probe zu schaffen, das eine automatische Steuerung der Fokussierung der Pump- und Fühlerstrahlen auf der Probe enthält, um eine reproduzierbare Intensitätsänderung der Strahlen während jeder Messung zu erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorangehenden und andere Probleme werden beseitigt und die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch die Verfahren und die Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen dieser Erfindung.
Die Erfindung bezieht sich auf ein System für die Charakterisierung von Dünnschichten und von Grenzflächen zwischen Dünnschichten durch Messung ihrer mechanischen, optischen und thermischen Eigenschaften. Im System dieser Erfindung wird einfallendes Licht in einer Dünnschicht oder in einer Struktur, die aus mehreren Dünnschichten besteht, absorbiert, wobei die Änderung der optischen Durchlässigkeit oder der Reflexion gemessen und analysiert wird. Die Änderung der Reflexion oder der Durchlässigkeit wird verwendet, um Informationen über die Ultraschallwellen zu erhalten, die in der Struktur erzeugt werden. Die Informationen, die aus der Verwendung der Meßverfahren und der Vorrichtung dieser Erfindung erhalten werden, können umfassen: (a) eine Bestimmung der Dicke der Dünnschichten mit einer Schnelligkeit und Genauigkeit, die im Vergleich zu früheren Verfahren verbessert sind; (b) eine Bestimmung der thermischen, elastischen, elektrischen und optischen Eigenschaften von Dünnschichten; (c) eine Bestimmung der Beanspruchung in Dünnschichten; und (d) eine Charakterisierung der Eigenschaften der Grenzflächen, einschließlich des Vorhandenseins von Rauheit und Defekten.
Die Erfindung nutzt eine Strahlungsquelle, um einen Pumpstrahl zu erzeugen, und ein Erfassungssystem für die nichtdestruktive Messung der Eigenschaften einer oder mehrerer Grenzflächen innerhalb einer Probe. Die Strahlungsquelle liefert den Pumpstrahl so, daß Strahlungsimpulse von kurzer Dauer erhalten werden, die eine Intensität und wenigstens eine Wellenlänge aufweisen, die so gewählt sind, daß sie nichtdestruktiv eine sich ausbreitende Beanspruchungswelle in der Probe induzieren, wobei eine Strahlungsquelle einen Fühlerstrahl erzeugt, ein Mechanismus den Pumpstrahl auf die Probe lenkt, um die Beanspruchungswelle innerhalb der Probe zu erzeugen, und wobei ein Mechanismus den Fühlerstrahl an einen Ort auf der Probe lenkt, um die Beanspruchungswelle aufzufangen. Ein geeigneter optischer Detektor ist vorgesehen, der auf einen reflektierten oder durchgelassenen Anteil des Fühlerstrahls anspricht, um eine Änderung der optischen Konstanten des Materials zu erfassen, die durch die Beanspruchungswelle hervorgerufen wird.
In einer Ausführungsform mißt der optische Detektor die Intensität des reflektierten oder durchgelassenen Fühlerstrahls. Der Pump- und der Fühlerstrahl können aus der gleichen Quelle abgeleitet werden, die mehrere Impulse kurzer Dauer erzeugt, wobei das System ferner einen Strahlteiler enthält, um einen ersten Anteil des Quellenstrahls umzulenken, um den Pumpstrahl zu bilden, der mehrere Impulse umfaßt, und um einen zweiten Anteil umzulenken, um den Fühlerstrahl zu bilden, der ebenfalls mehrere Impulse umfaßt. Der Quellenstrahl besitzt eine einzige Polarisationsrichtung, wobei das System ferner eine Einrichtung enthält zum Drehen der Polarisation des Fühlerstrahls, sowie eine Vorrichtung, die zwischen einer Probe und dem optischen Detektor angeordnet ist, um nur die Strahlung mit der gedrehten Polarisationsrichtung durchzulassen. Das System kann ferner einen Temperaturdetektor und einen Zerhacker zum Modulieren des Pumpstrahls mit einer vorgegebenen Frequenz enthalten. Das System kann ferner einen Mechanismus enthalten zum Einrichten einer vorgegebenen Verzögerungszeit zwischen dem Auftreffen eines Impulses des Pumpstrahls und einem Impuls des Fühlerstrahls auf die Probe. Das System kann ferner eine Schaltung enthalten zum Mitteln des Ausgangs des optischen Detektors über mehrere Impulserfassungen, während die Verzögerung zwischen den Auftreffzeitpunkten auf eine vorgegebene Zeitverzögerung eingestellt bleibt. Der Verzögerungseinstellmechanismus kann sequentiell die vorgegebene Zeitverzögerung verändern, während die Schaltung zum Mitteln sukzessiv den Ausgang des optischen Detektors während jeder aufeinanderfolgenden vorgegebenen Zeitverzögerungseinstellung mitteln kann.
Der Pumpstrahl kann z. B. 1% bis 99% des Quellenstrahls aufnehmen, wobei der Quellenstrahl eine mittlere Leistung von 10 μW bis 10 kW besitzen kann. Der Quellenstrahl kann Wellenlängen von 100 Å bis 100 μm enthalten, wobei die Strahlungsimpulse des Quellenstrahls eine Dauer von 0,01 ps bis 100 ps aufweisen können.
Die Probe kann ein Substrat und wenigstens eine zu untersuchende Dünnschicht enthalten, die auf dem Substrat so angeordnet ist, daß Grenzflächen existieren, an denen sich die Schichten treffen und/oder die Schicht und das Substrat treffen. Bei einem optisch undurchlässigen Substrat können z. B. bei der Pumpwellenlänge sowohl der Pumpstrahl als auch der Fühlerstrahl von der Schichtseite her auftreffen, oder der Pumpstrahl kann von der Schichtseite her auftreffen und der Fühlerstrahl kann von der Substratseite her auftreffen. Für eine Probe mit einem transparenten Substrat können beide Strahlen von der Schichtseite oder von der Substratseite oder von gegenüberliegenden Seiten der Probe her auftreffen. Die optischen und thermischen Eigenschaften sind so beschaffen, daß der Pumpimpuls die Temperatur innerhalb wenigstens einer Schicht bezüglich des Substrats ändert. Die Temperatur innerhalb einer oder mehrerer Dünnschichten, die auf dem Substrat angeordnet sind, kann gleichmäßig sein und kann in mehreren Schichten gleich sein. Die Schichten können Dicken im Bereich von 1 Å bis 100 μm aufweisen. Wenigstens eine Schicht in der Probe und/oder dem Substrat hat die Eigenschaft, daß sie dann, wenn eine Beanspruchungswelle vorhanden ist, eine Änderung der Intensität, der optischen Phase, des Polarisationszustands, der Position oder der Richtung des Fühlerstrahls am Detektor verursacht. Die Fühlerstrahlquelle kann einen kontinuierlichen Strahl liefern, wobei die Pumpstrahlquelle wenigstens einen diskreten Pumpimpuls mit einer Dauer von 0,01 bis 100 ps und einer mittleren Leistung von 10 μW bis 1 kW liefern kann. Alternativ kann die Fühlerstrahlquelle Fühlerstrahlimpulse mit einer Dauer von 0,01 bis 100 ps erzeugen, wobei der Pumpstrahl und der Fühlerstrahl auf die gleiche Stelle der Probe auftreffen können, und wobei die Mechanismen zum Richten und Führen ein gemeinsames Linsensystem zum Fokussieren des Pumpstrahls und des Fühlerstrahls auf die Probe enthalten können. Die Auftreffposition des Fühlerstrahls kann räumlich relativ zu derjenigen des Pumpstrahls verschoben werden, wobei der Pumpstrahl von der Probe durchgelassen oder reflektiert werden kann.
Ein oder mehr Lichtleitfaserelemente können innerhalb des Systems enthalten sein. Solche Fasern können verwendet werden, um einen oder mehrere Strahlen innerhalb des Systems zu führen, um die Größe des Systems zu reduzieren und/oder einen gewünschten optischen Effekt zu erreichen, wie z. B. die Fokussierung eines oder mehrerer Strahlen auf die Oberfläche der Probe. Um die Fokussierung zu erreichen, kann die Faser abgeschrägt sein oder kann an ihrem Ausgang eine kleine Linse enthalten. Eine ähnliche Fokussierungsfaser kann verwendet werden, um das reflektierte Fühlerlicht zu sammeln und auf einen optischen Detektor zu richten. Eine Faser kann ferner verwendet werden, um das Strahlprofil zu modifizieren, oder kann als räumlicher Filter verwendet werden, um ein konstantes Strahlprofil unter stark veränderlichen Eingangsstrahlbedingungen zu bewirken.
Diese Erfindung schafft vorteilhaft ein nichtdestruktives System und ein Verfahren zum Messen wenigstens einer Stoßantwort einer Struktur auf einen Pumpimpuls optischer Strahlung, wobei die gemessene Stoßantwort oder die Antworten wenigstens eine Messung einer modulierten Änderung ΔR der Intensität des reflektierten Anteils eines Fühlerimpulses, eine Änderung ΔT der Intensität eines durchgelassenen Anteils des Fühlerimpulses, eine Änderung ΔP der Polarisierung des reflektierten Fühlerimpulses, eine Änderung Δϕ der optischen Phase des reflektierten Fühlerimpulses und eine Veränderung des Reflexionswinkels ΔΩ des Fühlerimpulses umfassen, die jeweils als Änderung der Eigenschaften eines reflektierten oder durchgelassenen Anteils des Fühlerimpulses betrachtet werden können. Die gemessene Stoßantwort oder die Antworten werden anschließend wenigstens einer interessierenden Eigenschaft der Struktur zugeordnet.
In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform sorgt das System für die automatische Fokussierung der Pump- und Fühlerimpulse, um vorgegebene Fokussierungsbedingungen zu erreichen, und für die Anwendung wenigstens eines Kalibrierungsfaktors auf die wenigstens eine Stoßantwort. Diese Ausführungsform ist insbesondere nützlich, wenn sie mit zeitveränderlichen Simulationen und Modellen einer interessierenden Struktur verwendet wird, was ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben angeführten und weitere Merkmale der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt, in welchen:
1a–1c Ausführungsformen von optischen Quellen zur Verwendung mit dem System dieser Erfindung zeigen;
2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Probencharakterisierungssystems gemäß dieser Erfindung ist;
3a–3f eine Ausführungsform einer Pumpstrahl/Fühlerstrahl-Technik zum Beaufschlagen einer Oberfläche einer Probe ist;
4a ein Schaubild ist, das eine Veränderlichkeit in einer zeitlichen Verschiebung zwischen Pump- und Fühlerstrahlimpulsen darstellt;
4b ein Blockschaltbild ist, das eine Ausführungsform der elektrooptischen Komponenten zeigt, die für die Verzögerung zwischen den Pump- und Fühlerimpulsen verantwortlich sind, wie in 4a gezeigt ist;
5 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Probe ist, die ein Substrat, eine Dünnschicht und eine Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Dünnschicht besitzt, die ferner eine durch Beanspruchung hervorgerufene Verformung in der Dünnschicht zeigt, in der eine konstruktive und destruktive Fühlerstrahlüberlagerung stattfindet;
6 eine zweite Ausführungsform des Grenzflächencharakterisierungssystems gemäß dieser Erfindung zeigt;
7 ein Pump- und Fühlerstrahlerzeugungs- und Fokussierungssystem auf Lichtleitfaserbasis gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
8 eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung zeigt, in der ein Abschnitt der Lichtleitfaser verwendet wird, um eine Änderung des Fühlerstrahlprofils als Funktion der Verzögerung zwischen den Pump- und Fühlerstrahlimpulsen zu kompensieren;
9 eine Ausführungsform einer Verzögerungsbühne zeigt, die zum Einstellen einer Verzögerung zwischen den Pump- und Fühlerstrahlimpulsen verwendet wird;
10 eine vergrößerte Querschnittsansicht der Probe ist, die das Substrat, die Dünnschicht und die Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Dünnschicht umfaßt, wobei die Ansicht ferner das Auftreffen des Fühlerstrahls innerhalb eines Fokussierungspunktes (FS1) des Pumpstrahles sowie das Auftreffen des Fühlerstrahls an einem zweiten Fokussierungspunkt (FS2) zeigt, der gegenüber dem FS1 verschoben ist;
11 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Silicium-Auf-Isolator-(SOI)-Probe ist, die einer Charakterisierung gemäß dieser Erfindung zugänglich ist;
12 eine vergrößerte Querschnittsansicht der Probe ist, die das Substrat, eine auf einer Oberfläche des Substrats angeordnete Dünnschichtstruktur und die Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Dünnschichtstruktur enthält, und die ferner verschiedene Verfahren zum Beaufschlagen mit den Pump- und Fühlerstrahlen darstellt;
13 eine vergrößerte Querschnittsansicht der Probe ist, die das Substrat, eine innerhalb einer Oberfläche des Substrats angeordnete Dünnschichtstruktur und die Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Dünnschichtstruktur enthält, wobei die Ansicht ferner verschiedene Verfahren zum Beaufschlagen mit den Pump- und Fühlerstrahlen darstellt;
14 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Probe ist, die ein Substrat, mehrere Dünnschichten und Grenzflächen zwischen dem Substrat und einer der Dünnschichten sowie zwischen den Dünnschichten enthält;
15a–15d jeweils eine optisch induzierte Beanspruchungswelle, die sich mit einer Geschwindigkeit v_s in einem Material ausbreitet, sowie die Reflexion eines Anteils des Fühlerstrahls von der Beanspruchungswelle zeigen;
16 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Pikosekunden-Ultraschallsystems gemäß dieser Erfindung, genauer eine Ausführungsform mit einem parallelen schrägen Strahl;
17 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Pikosekunden-Ultraschallsystems gemäß dieser Ausführungsform, genauer eine Ausführungsform mit senkrechtem Pumpstrahl und schrägem Fühlerstrahl;
18 ein Blockschaltbild einer dritten, derzeit bevorzugten Ausführungsform eines Pikosekunden-Ultraschallsystems gemäß dieser Erfindung, genauer eine Ausführungsform mit einer einzigen Wellenlänge, senkrechtem Pumpstrahl, schrägem Fühlerstrahl und kombiniertem Ellipsometer;
19 ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform eines Pikosekunden-Ultraschallsystems gemäß dieser Erfindung, genauer eine Ausführungsform mit zwei Wellenlängen, senkrechtem Pumpstrahl, schrägem Fühlerstrahl und kombiniertem Ellipsometer;
20 ein Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform eines Pikosekunden-Ultraschallsystems gemäß dieser Erfindung, genauer eine Ausführungsform mit zwei Wellenlängen, senkrecht einfallenden Pump- und Fühlerstrahlen und kombiniertem Ellipsometer; und
21 ein logisches Flußdiagramm, das ein Simulationsverfahren gemäß einem Aspekt dieser Erfindung zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Offenbarung des obenerwähnten US-Patents Nr. 4.710.030 (Tauc u. a.) ist hiermit durch Literaturhinweis in seiner Gesamtheit eingefügt.
Die Lehre dieser Erfindung wird ausgeführt mittels eines optischen Generators und Detektors für eine Beanspruchungswelle innerhalb einer Probe. Bei diesem System wird ein erster nichtdestruktiver gepulster Strahl elektromagnetischer Strahlung auf eine Probe gerichtet, die wenigstens eine Schicht enthält und möglicherweise ferner eine Grenzfläche zwischen ähnlichen oder unähnlichen Materialien enthält. Der erste gepulste Strahl der elektromagnetischen Strahlung, im folgenden als Pumpstrahl 21a bezeichnet, erzeugt eine sich fortpflanzende Beanspruchungswelle innerhalb der Probe. Ein zweiter nichtdestruktiver gepulster Strahl elektromagnetischer Strahlung, im folgenden als Fühlerstrahl 21b bezeichnet, wird auf die Probe gerichtet, so daß wenigstens entweder die Polarisation, die optische Phase, die Position, die Richtung oder die Intensität eines reflektierten Anteils des Fühlerstrahls 21b' oder eines durchgelassenen Anteils des Fühlerstrahls 21b'' durch eine Änderung der optischen Konstanten des Materials, das die Probe umfaßt, oder durch eine Änderung der Dicke einer oder mehrerer Schichten oder Teilschichten innerhalb einer Dünnschichtprobe aufgrund der sich ausbreitenden Beanspruchungswelle beeinflußt wird. Physikalische und chemische Eigenschaften des Materials und möglicherweise auch der Grenzfläche werden gemessen durch Beobachten der Änderungen der Intensität, der Richtung oder des Polarisationszustandes des reflektierten oder durchgelassenen Fühlerstrahls, wie sie durch die Zeitabhängigkeit der Veränderungen der Intensität, der Richtung oder des Polarisationszustands des Strahls aufgezeigt werden. Die sehr kurze Zeitskala ist besonders wichtig zum Erreichen einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Grenzflächeneigenschaften und anderen Eigenschaften, sowie zum Messen der Eigenschaften der Schichten mit Dicken von weniger als einigen Mikrometern.
Als Einführung ist die Anordnung der Pump- und Fühlerstrahlen gemäß dieser Erfindung in 10 gezeigt. Eine Testprobe 51 umfaßt wie gezeigt eine Schicht 84, die auf einem Substrat 80 angeordnet ist. Eine Grenzfläche 82 ist zwischen der Schicht 84 und dem Substrat 80 ausgebildet. Das Substrat 80 kann beispielsweise einen Halbleiter wie z. B. Silicium umfassen und kann einen Teil eines Halbleiter-Wafers bilden, wobei die Schicht 84 eine darüberliegende Schicht aus Oxid, Polymer, Metall oder einem weiteren Halbleiter sein kann. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann die Probe ein SOI-Wafer sein, der aus einem Siliciumsubstrat, einer Dünnschicht aus Siliciumoxid und einer darüberliegenden (typischerweise dünnen) Schicht von Silicium bestehen kann, wie in 11 gezeigt ist. Um die Probe 51 zu prüfen, wird der Pumpstrahl 21a auf eine Position auf der Schicht 84 gerichtet (als Fokussierungspunkt FS1 bezeichnet), um aufgrund der Absorption der Energie in der Schicht 84 oder dem Substrat 80 in der Probe eine Beanspruchungswelle zu erzeugen. Der Pumpstrahl 21a trifft in einem Winkel von θ₁ gegenüber der Normalen geneigt auf die Probe 51 auf. Der nicht absorbierte Anteil des Pumpstrahls wird als reflektierter Pumpstrahl 21a' reflektiert. Der Fühlerstrahl 21b kann auf den gleichen Fleck (FS1) auf der Probe in einem Winkel θ₂ gerichtet werden, um den vom Pumpstrahl 21a erzeugten Beanspruchungsimpuls abzufangen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Fühlerstrahl 21b auf eine weitere Stelle (FS2) gerichtet sein. Ein Anteil des Fühlerstrahls 21b wird von der Schicht 84 als reflektierter Fühlerstrahl 21b' reflektiert. Irgendein Anteil des Fühlerstrahls 21b, der durch die Probe hindurchtritt, wird als durchgelassener Fühlerstrahl 21b'' bezeichnet. Die aktuellen Werte der Winkel θ₁ und θ₂ können aus einem weiten Winkelbereich gewählt werden. Die Intensitäten der reflektierten und durchgelassenen Pump- und Fühlerstrahlen hängen von den optischen Konstanten der Schicht 84 und des Substrats 80 sowie von den Dicken der Schichten ab.
Die 10 zeigt ferner das Abtasten an den Punkten (FS2) in einem Abstand vom Pumpenstrahl FS1, was auf die Ultraschallanwendung und alle anderen hier offenbarten Anwendungen angewendet wird.
Bei einer ausreichend dicken undurchlässigen Schicht, die auf einem Substrat angeordnet ist, wird das Pumplicht in einer Oberflächenschicht mit einer Dicke, die im Vergleich zur Schichtdicke klein ist, absorbiert. Die Absorption in der Oberflächenschicht erzeugt einen Beanspruchungsimpuls, der sich in der Schicht rückwärts und vorwärts ausbreitet, wodurch sich eine Serie von gleichmäßig getrennten Merkmalen (”Echos”) in den vom Fühlerstrahl gemessenen Antworten ergibt. Die Dicke einer Dünnschicht, die dick genug ist, um unterscheidbare Echos aufzuweisen, kann aus der Echozeit ermittelt werden, wie von Tauc u. a. beschrieben worden ist. Für eine dünnere Schicht kommen sich die Echos so nahe, daß sie zu schwingenden Dickenmodi der Schicht degenerieren, die in den Daten als gedämpfte Schwingungen erscheinen, wobei die Dicke aus der Schwingungsperiode abgeleitet werden kann. Für Schichten mit mittlerer Dicke oder für Schichten, die aus mehreren Schichten bestehen, können die Daten zu kompliziert sein, um so einfach analysiert zu werden. In solchen Fällen wird vorgezogen, ein theoretisches Modell für die Schwingungsstruktur zu erstellen, in der eine oder mehrere einstellbare Unbekannten vorkommen können (z. B. Schichtdicken, Dichten, Schallgeschwindigkeiten). Das theoretische Modell wird verwendet, um die Schwingungen der Struktur über ein geeignetes Zeitintervall (in diskreten Zeitschritten) zu simulieren, und um die entsprechende Änderung der optischen Reflektivität der Probe (oder der Durchlässigkeit oder des Polarisationszustandes oder der optischen Phase der durchgelassenen oder reflektierten Strahlen, die durch die von der Beanspruchung hervorgerufene Änderung der optischen Konstanten der Probe oder durch die von der Beanspruchung hervorgerufenen Verschiebungen der Oberfläche oder der Grenzflächen innerhalb der Struktur verursacht werden) zu berechnen. Die Dauer der Zeitschritte wird vorzugsweise so gewählt, daß sie im Vergleich zu einer Zeitspanne, die eine Schallwelle benötigt, um sich durch die dünnste Schicht der Struktur auszubreiten (z. B. 0,1 ps bis 200 ps) klein ist. Die Dauer jedes Zeitschritts kann beispielsweise auf weniger als eine Hälfte (z. B. ein Zehntel) der Ausbreitungszeit durch die dünnste Schicht festgelegt sein. Ferner kann beispielsweise die Dauer jedes Zeitschritts so gewählt sein, daß sie klein ist im Vergleich zur kürzesten Absorptionslänge (Eindringtiefe) für das Pump- oder Fühlerlicht in der Struktur.
Ein Verfahren zum Auffinden irgendeiner Anzahl von Unbekannten, ist, eine simulierte optische Antwort für einen bestimmten Satz von Parametern zu berechnen und anschließend die Werte der Parameter nach Bedarf so einzustellen, daß eine beste Anpassung an das gemessene Ergebnis erreicht wird. Derzeit bevorzugte Verfahren zur Durchführung dieser Modellierung und Simulation werden im folgenden mit Bezug auf 21 genauer beschrieben.
Die Grundgleichungen für den Schwingungsteil der Simulationen sind aus der wohlbekannten Kontinuumelastizitätstheorie entnommen. Die Grundgleichungen für den optischen Teil der Simulation sind die Fresnel-Gleichungen. Als Darstellung in einer Dimension (d. h. für eine Probe 51 mit einer Beanspruchungswelle, die sich mit der Geschwindigkeit v_s längs einer Richtung z senkrecht zur Oberfläche ausbreitet) kann die in der Simulation zu berechnende Größe wie folgt geschrieben werden: ΔR(t) = ∫ ∞ / 0f(z)η₃₃(z, t)dz (1)
In dieser Gleichung f(z) ist die Änderung der Reflektivität mit der Spannung zugeordnet zur Beanspruchung η₃₃(z, t) in der Tiefe z. ΔR(t) ist die durch die Spannung induzierte Änderung der optischen Reflektivität der Probe zum Zeitpunkt t. Ähnliche Gleichungen können für Änderungen der Durchlässigkeit oder des Polarisationszustands des Fühlerstrahls 21b aufgestellt werden. Die Funktion f(z) enthält die Wirkung der Spannung auf die optischen Konstanten innerhalb der Probe 51 sowie die Wirkung der Verschiebung der Oberfläche oder der internen Grenzflächen (z. B. eine zeitabhängige Änderung in der Dicke einer oder mehrerer Schichten) aufgrund des Vorhandenseins einer Beanspruchungswelle.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung umfassen die physikalischen Eigenschaften der Probe 51, die auf diese Weise ermittelt werden können, Eigenschaften, die die zeitliche Abhängigkeit der Ultraschallsignale und/oder deren Amplituden beeinflussen können. Diese sind (unter anderem) Schichtdicken, Schallgeschwindigkeiten, Grenzflächenrauhheit, Grenzflächenhaftfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Beanspruchung, Spannung, optische Konstanten, Oberflächenrauhheit und Grenzflächenverunreinigungen.
Die 1a–1c zeigen verschiedene Ausführungsformen optischer Quellen, die für die Ausführung dieser Erfindung geeignet sind, während die 2 ein Blockschalt bild eines optischen Erzeugungs- und Erfassungssystems zur Durchführung von nichtdestruktiven Charakterisierungen von Dünnschichten und Grenzflächen im Pikosekunden-Zeitbereich zeigt, im folgenden als System 1 bezeichnet.
Eine erste Ausführungsform einer optischen Quelle 10 ist in 1a gezeigt, in der der Strahl eines Lasers 12 von einem Spiegel 14 reflektiert wird und durch eine Polarisationsdrehvorrichtung, wie z. B. eine Halbwellenplatte 16, zu einem polarisierenden Strahlteiler 18 geleitet wird. Die von dem polarisierenden Strahlteiler 18 ausgehenden Strahlen sind orthogonal polarisiert, wobei das Verhältnis ihrer Intensitäten über einen weiten Bereich durch Einstellen der Orientierung der Halbwellenplatte 16 variiert werden kann. Ein Strahl bildet den Pumpstrahl 21a, während der Fühlerstrahl 21b von einem Spiegel 20 reflektiert wird.
Eine alternative Ausführungsform einer optischen Quelle 10', die in 1b gezeigt ist, enthält einen Frequenzverdopplungskristall 24, wie z. B. BBO der LBO, auf den das Laserlicht mittels einer Linse 22 fokussiert wird, die zwischen diesem und dem Laser 12 angeordnet ist. Die koaxialen Strahlen des aus dem Frequenzverdopplungskristalls 24 austretenden Lichts werden mittels eines dichroitischen Spiegels 26 in den Pumpstrahl und den Fühlerstrahl aufgeteilt, von denen jeder anschließend mittels Linsen 28 und 30 gebündelt wird. Die Polarisation des Pumpstrahls 21a wird mittels einer Halbwellenplatte 32 gedreht, so daß sie senkrecht zu derjenigen des Fühlerstrahls 21b ist. Der dichroitische Spiegel 26 kann so gewählt werden, daß die Grundfrequenz des Lasers 12 durchgelassen wird und die zweite Oberwelle reflektiert wird, was einen Fühlerstrahl bei der Grundwellenlänge und einen Pumpstrahl bei der zweiten Oberwelle ergibt. Alternativ kann der dichroitische Spiegel 26 so gewählt sein, daß er die zweite Oberwelle durchläßt und die Grundwelle reflektiert, wodurch sich ein Fühlerstrahl 21b bei der zweiten Oberwelle und ein Pumpstrahl 21a bei der Grundwelle ergibt, wie in 1b gezeigt ist.
Eine weitere Ausführungsform einer optischen Quelle 10'' ist in 1c gezeigt, in der die Pump- und Fühlerstrahlen von zwei verschiedenen Lasern 12 und 13 erzeugt werden. In einer Ausführungsform können dies identische gepulste Laser sein, wobei in diesem Fall der obere Strahl durch die Halbwellenplatte 16 geleitet wird, um seine Polarisation bezüglich derjenigen des unteren Strahls um 90° zu drehen. Alternativ können die Laser 12 und 13 verschiedene Wellenlängen (zwei ”Farben”) aussenden. Alternativ kann der Fühlerlaser 13 einen kontinuierlichen (d. h. nicht gepulsten) Strahl aussenden. Alternativ kann der Pumplaser 12 Impulse mit einer Wiederholungsperiode von τ_A aussenden, während der Fühlerlaser 13 Impulse mit einer Wiederholungsperiode von τ_B aussenden kann, wie in 4 gezeigt ist. Ein solches Schema kann verwendet werden, um eine kontinuierliche variable Verzögerung zwischen den Pump- und Fühlerimpulsen zu bewirken, ohne eine mechanische Verzögerungsbühne 44 des in 2 gezeigten Typs zu verwenden.
Wie in 4b gezeigt, wird bei dieser alternativen Technik die Verzögerung zwischen den Paaren von A- und B-Impulsen durch eine Zeitspanne τ_B – τ_A von einer Wiederholung zur nächsten erhöht. Beispielsweise kann τ_B – τ_A im Mittel 0,1 ps betragen, wobei die Wiederholungsrate des Pumplasers 12 gleich 100 MHz sein kann. Dies ergibt eine Zeitspanne zwischen dem gleichzeitigen Ankünften der Pump- und Fühlerimpulse von 1 ms (d. h. die Abtastzeit). Diese Ausführungsform enthält ferner geeignete Frequenzeinrast-Elektronikvorrichtungen (FLE), Spiegel, eine Linse, einen geeigneten Detektor 60 und einen schnellen Signalmittler (SA). Eine Messung von z. B. ΔR(t) kann durchgeführt werden, indem ein Signal, das der reflektierten Fühlerintensität vom Ausgang des Detektors 60 entspricht, an den Eingang des schnellen Signalmittlers (SA) angelegt wird, und indem Abtastungen zu Zeitpunkten ausgelöst werden, die dem Pulsieren des Fühlerlasers 13 entsprechen. Eine große Anzahl (z. B. Tausende) von Messungen können gemittelt werden, um einen gewünschten Geräuschabstand zu bewirken. In bezug auf diese Erfindung ist zu beachten, daß die Verzögerungsstufe und der Modulator, die vorher mit Bezug auf 2 beschrieben worden sind, weggelassen werden können. Ferner wird angenommen, daß jegliches ”Zittern” im Pulsieren der zwei Laser den Effekt der Mittelung der Signale entsprechend den eng beabstandeten Verzögerungszeiten haben kann, und daß dieser Effekt die Hochfrequenzanteile der Messung etwas dämpfen kann.
Obwohl die Pump- und Fühlerlaser in 1c getrennt dargestellt sind, können sie ein oder mehrere optische Elemente gemeinsam haben, einschließlich des Verstärkungsmediums. Andere Vertauschungen der Pump- und Fühlerfarbe, der Polarisation und der Impulsrate, die von der obigen Beschreibung vorgeschlagen werden, können verwendet werden, um eine Verbesserung der Signalqualität in Abhängigkeit von den Eigenschaften des zu untersuchenden Materials zu erreichen.
Beispiele für gepulste Laser, die für die Verwendung im System 1 geeignet sind, umfassen einen gepumpten modenverriegelten Festkörper-Argon-Laser, wie z. B. Coherent Inc. Inova (Argon) und Mira (Ti:Saphir); einen gepumpten modenverriegelten Festkörper-Dioden-Laser, wie z. B. einen frequenzverdoppelten gepumpten YAG-Laser mit kontinuierlicher Welle und einen modenverriegelten Ti:Saphir-Laser; sowie einen direkten diodengepumpten modenverriegelten Festkörperlaser.
Wie in der Ausführungsform der 2 gezeigt, liefert eine weitere Ausführungsform einer optischen Quelle 10''' sowohl die Pump- als auch Fühlerstrahlen 21a bzw. 21b in einer Weise ähnlich der Ausführungsform der 1a. In der Anordnung der 2 läuft der lineare polarisierte Strahl vom Laser 12 durch die Halbwellenplatte 16, die verwendet wird, um dessen Polarisation zu drehen. Der polarisierte Strahl wird anschließend in Pump- und Fühlerstrahlen mittels eines dielektrischen Strahlteilers 34 geteilt. Das Verhältnis von Pumpstrahl zu Fühlerstrahl kann durch Drehen der ankommenden Polarisation variiert werden. Der untere Strahl ist der Pumpstahl 21a, während der obere Strahl der Fühlerstrahl 21b ist. Der Pumpstrahl 21a läuft durch eine Halbwellenplatten/Polarisierer-Kombination 38, die seine Polarisation so dreht, daß sie orthogonal zu derjenigen des Fühlerstrahls 21b ist, und irgendwelches nicht polarisiertes Licht längs seiner Orthogonalachse unterdrückt.
Die Pump- und Fühlerstrahlen 21a und 21b werden von der Quelle ausgesendet, wobei die Intensität des Pumpstrahls mit einer Rate von ungefähr 1 MHz mittels eines akustooptischen Modulators (AOM) 40 oder mittels eines photoelastischen Modulators gefolgt von einem Polarisierer, oder mittels anderer Intensitätsmodulationseinrichtungen moduliert wird. Die Fühlerstrahlweglänge wird variiert durch Verschieben eines Retroreflektors 46, der auf einer computergesteuerten Verzögerungsbühne 44 montiert ist, und über eine Lenkspiegelkombination 110a. Beide Strahlen werden anschließend mittels der Linse 48 auf die Probe 51, die auf einer verschiebbaren Probenbühne 50 montiert ist, fokussiert und anschließend mittels eines Photodetektors 60 erfaßt. In dieser Ausführungsform umfassen die Eingänge in den Detektor 60 Anteile der eingegebenen Pump- und Fühlerstrahlen (Eingänge c bzw. b, über die Strahlteiler 49a bzw. 49b); und umfassen ferner Abschnitte des reflektierten Pumpstrahls 21a' und des reflektierten Fühlerstrahls 21b' (Eingänge d bzw. a). Die Ausgänge des Detektors 60 umfassen Signale, die proportional sind zur einfallenden Pumpstrahlintensität (e); zur einfallenden Fühlerstrahlintensität (f), zur reflektierten Pumpstrahlintensität (d), zur reflektierten Fühlerstrahlintensität (h), und zur Fühlermodulationsintensität (e), d. h. zum modulierten Teil der reflektierten Fühlerintensität. Diese Detektorausgänge werden in einen Prozessor 66 eingegeben. Der Prozessor 66 berechnet aus den Eingängen die Bruchteilveränderung der Reflektivität R der Probe (ΔR/R), und normiert diese Änderung mittels der Intensität des einfallenden Pumpstrahls.
In der Vorrichtung dieser Erfindung hält der mit (a) bezeichnete Detektoreingang eine modulierte Komponente, die die Spannungsinformationen führt, zusätzlich zu einer großen unmodulierten reflektierten Fühlerkomponente 21b'. Der Eingang (b) ist proportional zum unmodulierten Anteil des Fühlersignals 21b. Der Ausgang (i) ist eine Spannung proportional nur zum modulierten Anteil des Fühlersignals, der ermittelt wird durch elektronisches Entfernen der unmodulierten Komponente aus dem Eingang (a). Dieser Ausgang führt zu einem Bandpaßfilter und einem Vorverstärker 62, anschließend zu einem Synchrondemodulator (64) (z. B. einem Einrastverstärker) und schließlich zu einem Prozessor 66, wo er digitalisiert und gespeichert wird. Die Eingänge (a) und (b) werden ferner verwendet, um die Reflektivität der Probe entsprechend dem Fühlerstrahl 21b zu ermitteln, während in ähnlicher Weise die Eingänge (d) und (c) verwendet werden, um die Reflektivität der Probe entsprechend dem Pumpstrahl 21a zu ermitteln. Diese Größen können verwendet werden, um die optische Simulation der Struktur auszuwerten, oder um in einigen Fällen die Schichteigenschaften wie z. B. die Dicke gemäß den bekannten optischen Reflektometrieprinzipien abzuleiten. Außerdem werden die Eingänge (a) und (d) vom Prozessor 66 verwendet, um den Reflektivitätsänderungsausgang (i) zu normieren. Die vom Pumplaser 21a in die Probe 51 eingebrachte Energie kann ermittelt werden durch Vergleichen der einfallenden und reflektierten Pump- und Fühlerstrahlintensitäten (21a', 21b').
Die Anteile der Pump- und Fühlerstrahlen können ferner über einen Strahlteiler 51 auf einen oder mehrere positionsempfindliche Detektoren (Autofokusdetektor 58) geleitet werden, dessen Ausgang vom Prozessor 66 in Verbindung mit der Probenverschiebebühne 5 verwendet werden kann, um eine optimale Fokussierung der Pump- und Fühlerstrahlen auf der Probe 51 zu bewirken. Der Geräuschabstand kann verbessert werden durch Anordnen von Farbfiltern und/oder Polarisierern zwischen der Probe 51 und dem Detektor 60, um zu verhindern, daß von anderen Teilen des Systems gestreutes Licht auf einen oder mehrere Detektoren trifft (um z. B. zu verhindern, daß von der Probe 51 gestreutes Pumplicht auf den Detektor (a) für die reflektierte Fühlerintensität trifft). Die Signalqualität kann weiter verbessert werden, indem der modulierte Fühlerintensitätsausgang (i) vom Detektor 60 über den Synchrondemodulator 64 geleitet wird (wie z. B. einen Einrastverstärker oder einen Signalmittler), der vor dem Prozessor 66 angeordnet ist. Die Signalqualität kann für Proben 51, die dazu neigen, den Pumpstrahl 21a in den Fühlerdetektor zu streuen, weiter verbessert werden, indem ein zweiter Intensitätsmodulator in den Fühlerstrahlweg zwischen der Quelle 10 und der Probe 51 eingesetzt wird. Der zweite Intensitätsmodulator besitzt eine Modulationsfrequenz, die sich von der Pumpstrahlmodulationsfrequenz um ein solches Maß unterscheidet, daß die Differenzfrequenz größer ist als die Eingangsbandbreite des Synchrondemodulators 62. Der Detektorausgang (i), der der reflektierten Fühlerintensität zugeordnet ist, kann anschließend bei der Differenzfrequenz synchron demoduliert werden, während die Komponenten von (i) bei den Modulationsfrequenzen zurückgewiesen werden.
Die Pump- und Fühlerstrahlen können, wie in 2 gezeigt, durch die gemeinsame Linse 48 auf die Probe fokussiert werden. Diese Anordnung ist einfach auszuführen, ist jedoch nicht in allen Fällen optimal, da der Pumpstrahl 21a von einer nicht idealen Probe nur um einen kleinen Winkel gestreut werden muß, um auf den Detektor für den reflektierten Fühlerstrahl (a) zu fallen, wodurch Störungen in die Messung der modulierten Fühlerintensität eingebracht werden. Der Lösungsansatz mit gemeinsamer Linse hat ferner den Nachteil, daß eine nicht optimale Flecküberlappung erreicht wird, was durch Verwendung separater Linsen oder koaxialer Strahlen verbessert werden kann. Der Ansatz mit gemeinsamer Linse ist in 3d in Draufsicht von einem Ort längs einer Normalen zur Probe aus betrachtet dargestellt, die hier ein Halbleiter-Wafer 70 ist. Andere Fokussierungsgeometrien können eine verbesserte Signalqualität ergeben, in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Probe (z. B. dem Maß der Oberflächenrauhheit), und der Quelle (z. B. Pump- und Fühlerstrahlen mit unterschiedlichen Farben, gegenüber Pump- und Fühlerstrahlen mit der gleichen Farbe).
Alternative Fokussierungsgeometrien sind ferner in 3 dargestellt und umfassen:
(3a) Pump- und Fühlerstrahlen, die schräg zur Probenebene (d. h. zur Oberfläche des Wafers 70) und nicht parallel oder koaxial zueinander sind;
(3b) Pump- und Fühlerstrahlen, die im wesentlichen senkrecht zur Probenebene und parallel zueinander durch eine gemeinsame Linse 98 fokussiert sind (wie in 6 gezeigt);
(3c) Pump- und Fühlerstrahlen, die parallel sind und in einer Ebene senkrecht zur Einfallsebene liegen und durch gemeinsame Linsen 48 und 52 fokussiert sind;
(3e) (i) Pumpstrahl senkrecht und Fühlerstrahl schräg, unabhängig fokussiert; oder (ii) Fühlerstrahl senkrecht und Pumpstrahl schräg; und
(3f) Pumpstrahl und Fühlerstrahl beide senkrecht zur Probenebene und koaxial zueinander, durch eine gemeinsame Linse 74 fokussiert.
Die veränderliche Verzögerung zwischen den Pump- und Fühlerstrahlen kann, wie in 2 gezeigt, mittels der computergesteuerten Verzögerungsbühne 44 im Fühlerstrahlweg implementiert werden. Alternativ kann eine ähnliche Verzögerungsbühne innerhalb des Pumpstrahlweges eingesetzt sein, um die Pumpstrahlimpulse in der Zeit relativ zu den Fühlerstrahlimpulsen ”vorzurücken”. Eine extrem lange Verzögerung kann wie in 9 gezeigt implementiert werden, indem mehr als ein Retroreflektor 46 auf der einzigen Verschiebungsbühne 44 plaziert wird. In dieser Ausführungsform werden mehrere Strahllenkspiegel 110a verwendet, um den Fühlerstrahl 21b auf individuelle Retroreflektoren 46 zu lenken, wodurch die Fühlerstrahlweglänge bezüglich der Pumpstrahlweglänge erheblich vergrößert wird. Es ist möglich, eine Verzögerung zu implementieren, die länger ist als die Zeitspanne zwischen den aufeinanderfolgenden Impulsen, so daß die Wirkungen eines Pumpimpulses erfaßt werden können, die mehr als ein Impulsintervall vor dem Fühlerstrahl an der Probe ankommen.
Die Form und die Position des fokussierten Fühlerflecks FS auf der Oberfläche der Probe 51 können systematisch variiert werden, in Abhängigkeit von der Position der Verzögerungsbühne 44 (d. h. der Zeitverzögerung). Zum Beispiel kann das System 1 ein Fehlen der Parallelität zwischen dem Fühlerweg in 2 und der Verzögerungsbühnenachse aufgrund einer Fehlausrichtung oder als Ergebnis einer Abnutzung des Bühnenmechanismus aufweisen. Dies verursacht eine Verschiebung des Fühlerstrahls quer zur Fokussierungslinse, wobei für eine Linse, die typische Abbildungsfehler aufweist, eine entsprechende Querverschiebung des Fühlerstrahls 21b relativ zum Pumpstrahl 21a auf der Oberfläche der Probe 51 als eine Funktion der Verzögerung entstehen kann.
Da außerdem alle Laserstrahlen einen gewissen Grad an Divergenz aufweisen, wird durch Variieren der Weglänge eines der Strahlen sein Durchmesser an der Fokussierungslinse verändert, wobei dies eine entsprechende Änderung des Durchmessers des fokussierten Flecks (FS) auf der Probe 51 bewirkt. Das Ergebnis aller solcher Effekte kann sein, daß eine störende Abhängigkeit des Signals von der Verzögerungszeit entsteht. Ein Verfahren zum Beseitigen solcher Abhängigkeiten ist in 8 gezeigt, in der ein Abschnitt der Lichtleitfaser 114 in den Weg des verzögerten Fühlerstrahls (oder des vorgerückten Pumpstrahls) eingesetzt wird. Die Faser 114 dient als räumlicher Filter, der über einen Bereich von Eingangsstrahlbedingungen eine konstante Position, Größe und Profil sicherstellt. Durch Einsetzen einer solchen Vorrichtung in den Fühlerstrahlweg ist es möglich, eine sehr stabile Überlappung der Pump- und Fühlerstrahlen auf dem Fokusfleck FS über einen großen Bereich von Verzögerungsbühnenpositionen sicherzustellen. Andere Typen räumlicher Filter können ebenfalls verwendet werden, um die gleiche Wirkung, zu erzielen; z. B. kann irgendeine kleine Öffnung (typischerweise kleiner als die Strahlgröße), wie z. B. ein Nadelloch oder ein schmaler Schlitz, gefolgt von einer zweiten Öffnung verwendet werden, die so gewählt ist, daß sie höhere räumliche Fourier-Komponenten des Strahls abblockt.
Eine Linse kann verwendet werden, um den Strahl auf die erste Öffnung zu fokussieren, während eine zweite Linse verwendet werden kann, um den aus der zweiten Öffnung austretenden Strahl zu sammeln. In einem System, das irgendeine der obenerwähnten Techniken verwendet, wird vorgezogen, die Intensität des verzögerten (oder vorgerückten) Strahls entweder vor oder nachdem er auf die Probe auftrifft, zu überwachen, um das endgültige Signal geeignet zu normieren.
In 5 ist eine Ablenkung des Fühlerstrahls 21b um einen Winkel θ durch eine ungleichmäßige Ausdehnung eines Bereichs gezeigt, in dem eine sich ausbreitende Beanspruchungswelle vorhanden ist (d. h. eine Verdickung 86 in der Schicht 84). Die Verdickung 86 wird wenigstens teilweise durch eine Beanspruchungswelle verursacht, die ferner über den Fleck ein ungleichmäßiges Profil aufweisen kann. Die Ablenkung kann von einem positionsempfindlichen Detektor wie z. B. einer geteilten Zelle 60' erfaßt werden. Die Bewegung des reflektierten Fühlerstrahls 21b' kann ferner bei Fehlen der Verdickung 86 in transparenten und halbtransparenten Proben durch eine mittels Spannung hervorgerufene Änderung des Brechungsindex entstehen. In diesem Fall wird der Strahl um ein kleines Maß parallel zu der Richtung, entlang der er normalerweise abgelenkt wird, verschoben. Diese Verschiebung kann ebenfalls von einem positionsempfindlichen Detektor erfaßt werden. Die 5 zeigt ferner die Verlängerung des Weges durch die Probe als Ergebnis der Oberflächenverschiebung (gleichmäßig oder ungleichmäßig).
Die 6 zeigt eine Konfiguration, die auf den 1, 2 und 3 beruht, und eine bevorzugte Implementierung eines Systems mit ”senkrechtem Einfall und doppelter Wellenlänge” ist. Die Quelle 10' (1b) ist unter Verwendung des nicht linearen Kristalls 24, wie z. B. BBO, KTP oder LBO, frequenzverdoppelt. Die Pump- und Fühlerstrahlen werden mittels des dichroitischen Spiegels 26 getrennt, so daß die doppelte Wellenlänge durchgelassen wird, um den Fühlerstrahl 21b zu bilden, und der nicht verdoppelte Anteil reflektiert wird, um den Pumpstrahl 21a zu bilden. Der Pumpstrahl 21a wird mittels des Modulators 90 moduliert und durch das Objektiv 98 im senkrechten Einfall auf die Probe 51 gerichtet. Die Fühlerstrahlpolarisation wird mittels einer Halbwellenplatte 38 gedreht und anschließend durch einen Polarisierer 42 geleitet, der senkrecht zur Pumpstrahlpolarisation ausgerichtet ist. Diese Verzögerungs/Polarisierungs-Kombination wird ferner als variables Dämpfungsglied für den Fühlerstrahl 21b verwendet. Der Fühlerstrahl 21b wird anschließend zur veränderlichen Verzögerungsbühne 44 gesendet, woraufhin er durch das gleiche Objektiv 98 für senkrechten Einfall auf die Probe 51 fokussiert wird, wie der Fühlerstrahl 21a. Der reflektierte Fühlerstrahl 21b' wird mittels eines dichroitischen Spiegels 92, der den reflektierten Pumpstrahl 21a durchläßt, auf den Detektor 60 gerichtet, wodurch irgendwelches reflektiertes Fühlerlicht wirksam herausgefiltert wird. Ein Filter 94, der nur die Fühlerstrahlwellenlänge durchläßt, ist vor dem Detektor 60 angeordnet. Dem Detektor 60 folgt der abstimmbare Filter 62, der Einrastverstärker 64 und der Prozessor 66, wie in 2 gezeigt ist.
Die 7 zeigt eine Ausführungsform dieser Erfindung, in der der Pumpstrahl 21a und der Fühlerstrahl 21b mittels abgeschrägter Lichtleitfasern 100 bzw. 102 auf die Probe 51 gerichtet werden, um eine Nahfeldfokussierung und FS-Größen in der Größenordnung von 100 nm zu erreichen. Der Fühlerstrahl 21b ist mit senkrechtem Einfall dargestellt und kann eine andere Wellenlänge aufweisen als der Pumpstrahl 21a. In dieser Ausführungsform ist ein Endabschnitt der Pump- und/oder Fühlerstrahlzuführungsfaser 100, 102 im Durchmesser reduziert, z. B. durch Dehnen der Faser, um einen fokussierten Fleck FS mit einem kleineren Durchmesser als der Normalbereich der optischen Fokussierung zu erhalten. Dies ermöglicht, daß der Pump- und/oder Fühler-Lichtimpuls wiederholt auf einen sehr kleinen Bereich der Probenoberfläche aufgebracht wird (z. B. auf einen Fleck mit einem Durchmesser ≤ 1 μm), unabhängig von irgendwelchen Veränderungen, die in der optischen Weglänge der Pump- und/oder Fühlerstrahlen auftreten.
Der Pumpstrahl 21a muß nicht über eine Faser herangeführt werden, wobei er in einer Betriebsart sehr viel größer sein kann als die Fühlerfleckgröße auf der Probe. Der Fühlerstrahl 21b kann dann mittels piezoelektrischer x-Achsen- und y-Achsen-Betätigungselemente 102a und 102b in einem sehr kleinen räumlichen Bereich (ähnlich einem Rastertunnelmikroskop) mit festem Pumpstrahlort abgetastet werden. Diese Ausführungsform kann verwendet werden, um Strukturen abzubilden, die in zwei oder mehr Dimensionen auf einer Längenskala gemustert sind, die kleiner ist als dies bei Verwendung herkömmlicher Lithographie erreicht werden kann. Sie kann daher verwendet werden, um die kleinsten Strukturen abzutasten, die in integrierten Schaltungen zu finden sind.
Der Fühlerstrahl 21b kann ein erweiterter Strahl sein, der mittels einer Linse 104 auf die Faser 102 fokussiert ist, wobei der reflektierte Fühlerstrahl 21b' durch die Faser 102 gelenkt wird und durch einen Teiler 106 auf einen Filter 108 und anschließend auf den Detektor 60 aufgeteilt wird.
Die 12 zeigt eine Grenzfläche 82 zwischen einer gemusterten Struktur 84 auf der Oberseite des Substrats 80 und ist nützlich bei der Erläuterung dieser Erfindung, wenn im Gegensatz zu ebenen Strukturen dreidimensionale Strukturen charakterisiert werden. Die gemusterte Struktur kann bewertet werden durch Erzeugen einer Beanspruchungswelle im Substrat 80 und Erfassen der Beanspruchungswelle in der Struktur 84; oder durch Erzeugen der Beanspruchungswelle in der Struktur 84 und Erfassen der Beanspruchungswelle in der Struktur 84; oder durch Erzeugen der Beanspruchungswelle in der Struktur 84 und Erfassen der Beanspruchungswelle im Substrat 80.
Die 13 zeigt eine Grenzfläche 82, die eine Struktur 84 umgibt, die innerhalb einer gemusterten Aussparung innerhalb einer Oberfläche des Substrats 80 ausgebildet ist. Ein Beispiel dieser dreidimensionalen Konfiguration ist ein Wolframdurchgangsloch, das in einem Loch in einer Glasschicht ausgebildet wird durch (i) Abscheiden des Glases auf einem Substrat, (ii) Mustern und Ätzen des Loches, (iii) Abscheiden einer Schicht von Wolfram und (iv) Polieren der Wolfram-Schicht, bis das Glas frei liegt (haftungsfördernde Schichten können vor dem Wolfram abgeschieden werden). Die Struktur kann bewertet werden durch Erzeugen der Beanspruchungswelle im Substrat 80 (nicht anwendbar, wenn das Substrat, wie in Beispiel des Wolframs, Glas ist) und Erfassen derselben in der eingebetteten Struktur 84; oder durch Erzeugen der Beanspruchungswelle in der Struktur 84 und Erfassen der Beanspruchungswelle in der Struktur 84; oder durch Erzeugen der Beanspruchungswelle in der Struktur 84 und Erfassen der Beanspruchungswelle im Substrat 80.
Es ist klar, daß bei den in den 12 und 13 dargestellten dreidimensionalen Strukturen der Pumpstrahl auch verwendet werden kann, um die Normalmoden in der Struktur anzuregen, die ihrerseits den durchgelassenen oder reflektierten Fühlerstrahl beeinflussen können.
Wenn der Fühlerstrahl 21b auf die Struktur 84 gerichtet wird, kann es günstig sein, eine Nahfeld-Fokussierungsanordnung, wie z. B. die in 7 gezeigte abgeschrägte Lichtleitfaser, zu verwenden. In diesem Fall kann der Pumpstrahl-FS deutlich größer sein als der Fühlerstrahl-FS, wodurch die selektive Abtastung kleiner Strukturen ermöglicht wird.
Diese Fähigkeit zur räumlichen Abbildung kann zur Durchführung von Messungen einer statischen Beanspruchung mit seitlicher räumlicher Auflösung bis zu einem Maßstab von 100 nm und darunter genutzt werden.
Es liegt ebenfalls innerhalb des Umfangs dieser Erfindung, wenn ein Pumpstrahl-FS und ein Fühlerstrahl-FS gleichzeitig aufgebracht werden, um mehrere gemusterte Strukturen gleichzeitig abzutasten (z. B. eine zweidimensionale Matrix von Wolframdurchgangslöchern mit 0,5 μm Durchmesser und 1,0 μm Abstand, die in einem Substrat ausgebildet sind). In diesem Fall kann jedes Wolframdurchgangsloch als ein separater unabhängiger Oszillator betrachtet werden, die jeweils zu dem reflektierten oder durchgelassenen Fühlerstrahlsignal beitragen. Für engere Abstände zwischen den Elementen kann ein ”Supergitter”-Typ von Schwingungsmodus angeregt werden, bei dem das reflektierte oder durchgelassene Fühlersignal Kopplungseffekte zwischen den Durchgangslöchern enthält. In jedem Fall kann das Fühlerstrahlsignal mit einem Signal verglichen werden, das von einer ”gut bekannten” Referenzstruktur erhalten wird, oder mit einer Simulation der Struktur, oder mit einer Kombination der Referenzdaten und der Simulationen. Irgendeine Abweichung im Fühlersignal vom Referenz- und/oder Simulationssignal kann anzeigen, daß sich die Probe in gewisser Weise von demjenigen unterscheidet, was erwartet wurde.
Die 14 zeigt, daß für die in der Ultraschalltechnik betrachteten Beispiele eine Mehrfachdünnschicht 84a, 84b durch eine einfache Schicht 84 ersetzt sein kann. Solche Mehrfachschichten können durch aufeinanderfolgende Abscheidungen absichtlich ausgebildet sein, oder unabsichtlich ausgebildet worden sein, da das Substrat 80 vor den anschließenden Schichtabscheidungen ungenügend gereinigt worden sein kann, oder durch die (beabsichtigte oder unbeabsichtigte) chemische Reaktion zwischen zwei oder mehr Schichten (z. B. infolge einer Wärmebehandlung). Solche Schichten können Ultraschallechos mit komplizierten Formen und Zeiteigenschaften hervorrufen. Es ist möglich, die Dicken und die Grenzflächeneigenschaften für Dünnschichtstrukturen zu ermitteln, die z. B. fünf oder mehr Teilschichten umfassen. Dies wird vorzugsweise bewerkstelligt durch Vergleichen der Reflektivitäts- oder Durchlässigkeitsdaten mit Simulationen der Ultraschall- und Erfassungsphysik, um einen am besten passenden Satz von Unbekannten in bezug auf die erhaltenen Daten zu erhalten.
In den Systemkonfigurationen, die den AOM 40 verwenden, um den Pumpstrahl 21a zu modulieren, kann möglicherweise keine Beziehung zwischen der Modulationsrate und der Wiederholrate des Lasers 12 vorliegen. Als Folge hiervon sind der Laserimpulszug und der Modulationszyklus asynchron. Es ist möglich, dies zu einem synchronen System zu machen, in dem die Modulationsrate von der Impulswiederholungsrate abgeleitet wird. Die Impulswiederholungsrate kann vom Laser 12 erhalten werden mittels eines optischen Detektors, der die emittierten Pulse erfaßt, oder durch Verwendung des Ansteuersignals eines Lasers mit aktiver Modenrastung. Um das Modulationssignal abzuleiten, wird das Impulsratensignal an einen Zähler angelegt, der den Zustand des Modulators 40 ändert, nachdem n Laserimpulse gezählt worden sind. Die Modulationsrate ist dann das 1/2n-fache der Laserimpulsrate. Bei einem solchen Synchronschema ist die Anzahl der Pumpimpulse, die in irgendeiner Periode des Modulators 40 auf die Probe 51 auftreffen, immer gleich. Dies beseitigt eine mögliche Quelle von Störungen im modulierten Fühlerstrahl 21b, die in einem asynchronen System unter den Bedingungen auftreten können, in denen die innerhalb eines einzelnen Zyklus des Modulators 40 enthaltene Laserenergie sich von Periode zu Periode der Modulation verändert.
Eine Hauptquelle von Störungen ist gestreutes Pumplicht, das den Fühlerstrahldetektor (a) erreichen kann, obwohl es eine nominell orthogonale Polarisation besitzt (Polarisierer sind nicht perfekt, wobei ferner die Probe 51 dazu neigen kann, das Licht zu depolarisieren). Wie oben beschrieben worden ist, ist eine Technik zum Unterdrücken dieser Störquelle die Verwendung von Pump- und Fühlerstrahlen mit unterschiedlicher Farbe, so daß die Pumpfarbe mittels eines Filters vor dem Fühlerdetektor abgeblockt werden kann.
Ein weiteres Verfahren ist, den Fühlerstrahl 21b mit einer Frequenz zu modulieren, die sich von der Pumpstrahlmodulationsfrequenz unterscheidet. Wenn z. B. die Pumpmodulationsfrequenz f₁ beträgt, und die Fühlermodulationsfrequenz f₂ beträgt, besitzt der Anteil des Fühlerstrahls, der vom Pumpstrahl auf der Probe 51 moduliert wird, eine Komponente bei der Frequenz f₁ – f₂. Dieses Signal kann durch einen Synchrondemodulator oder einen Tiefpaßfilter geleitet werden, der so ausgelegt ist, daß er f₁ und f₂ zurückweist und nur deren Differenzfrequenz durchläßt. Somit wird jedes Pumplicht unterdrückt, das von der Probe 51 auf den Fühlerdetektor (a) gestreut wird und ansonsten als Störung in den Daten erscheinen würde. Um das Einbringen des allgegenwärtigen 1/f-Rauschens zu minimieren, liegt die Differenzfrequenz vorzugsweise nicht unterhalb einiger 100 kHz. Beispielhafte Frequenzen sind f₁ = 1 MHz und f₂ = 500 kHz.
Für eine Probe 51 mit der Eigenschaft, daß das einfallende Licht wenigstens eine Wellenlänge weit in eine Schicht oder in Schichten eindringt, in denen eine Beanspruchungswelle ausgelöst wird, ist es möglich, Pikosekunden-Ultraschall zu verwenden, um die Schallgeschwindigkeit und den Brechungsindex der Schicht oder der Schichten mit großer Genauigkeit unabhängig zu messen. Die Schallgeschwindigkeit kann ferner verwendet werden, um den Elastizitätsmodul zu ermitteln. Eine optische Überlagerung zwischen dem von der Oberfläche der Probe reflektierten Fühlerlicht und dem von der vorrückenden Beanspruchungswelle reflektierten Fühlerlicht ergibt Schwingungen in der Intensität des reflektierten Fühlerstrahls 21b' als Funktion der Verzögerung. Die Periode dieser Schwingungen kann sehr genau gemessen werden. Für ein Material mit einem Brechungsindex n und einer Schallgeschwindigkeit v ist die Periode der Schwingungen gegeben durch:
wobei λ₀ die optische Wellenlänge im Vakuum ist und θ der Winkel zwischen der Richtung normal zur Oberfläche der Probe 51 und der Richtung der Lichtausbreitung in der Probe ist. θ und λ₀ sind typischerweise im voraus bekannt. Somit kann aus der beobachteten Schwingungsperiode das Produkt nv_s mit hoher Genauigkeit abgeleitet werden. Der von n unabhängige Wert v_s kann gefunden werden durch Messen von τ bei einem zweiten Winkel (was einen Wert für n ergibt), oder durch Verwenden eines veröffentlichten Wertes für n. Außerdem kann anhand der Schallgeschwindigkeit der Elastizitätsmodul c₁₁ = ρv_s ² der Schicht ermittelt werden (unter Verwendung des vorher ermittelten Wertes von ρ).
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung werden Messungen bei zwei Winkeln gleichzeitig durchgeführt, indem Anteile des Fühlerstrahls 21b erfaßt werden, die innerhalb eines einzigen fokussierten Strahls auf die Probe 51 auftreffen, der dann in zwei oder mehr eng beabstandete Detektoren reflektiert wird. Es liegt ebenfalls im Umfang der Erfindung, die Probenbühne 50 kontrollierbar zu kippen, um somit den Fühlerstrahl 21b zu veranlassen, mit zwei oder mehr unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die Oberfläche der Probe 51 aufzutreffen.
Eine alternative Technik zum Ermitteln von n und v_s wurde beschrieben von Grahn u. a. (APL. 53, Nr. 21 (21. November 1988), S. 2023–2024, und APL. 53, Nr. 23, (5. Dezember 1988), S. 2281–2283). Die Technik von Grahn u. a. hängt jedoch von der Verwendung einer unabhängig ermittelten Dicke für die Schicht ab.
Repräsentative Beispiele, für die diese Techniken verwendet werden können, sind in den 15a–15d gezeigt.
In 15a wird ein Beanspruchungsimpuls von der Schicht 84 durch die Absorption der Pumpstrahlenergie gestartet und pflanzt sich innerhalb des Substrats 80 mit einer charakteristischen Geschwindigkeit v_s fort. Das Aufbringen des Fühlerstrahlimpulses 21b führt zu zwei Reflexionen, eine von der Oberfläche der Schicht 84 und eine weitere vom Beanspruchungsimpuls. Wenn sich der Beanspruchungsimpuls weiter von der Schicht 84 weg ausbreitet, besitzt der Teil des Fühlerimpulses, der an der Beanspruchungswelle reflektiert wird, eine sich ändernde Phasenverschiebung bezüglich des Fühlerimpulses, der von der Schichtoberfläche reflektiert wird. Ein Ergebnis ist, daß eine konstruktive und eine destruktive Überlagerung zwischen dem von der Oberfläche reflektierten Fühlerimpuls und dem von der Beanspruchungswelle reflektierten Fühlerimpuls auftritt, wodurch eine Veränderung der Intensität des Fühlerimpulses erzeugt wird, die von den Detektoren gemessen wird, wenn sich der Beanspruchungsimpuls fortpflanzt.
In 15b startet der Pumpimpuls den Spannungsimpuls entweder, indem er entweder auf die Schichtoberfläche oder auf die untere Oberfläche des nicht absorbierenden Substrats 80 aufgebracht wird. Für den letzteren Fall breitet sich der Pumpimpuls durch das Substrat 80 aus und wird in der Schicht 84 absorbiert, wodurch der Beanspruchungsimpuls erzeugt wird. In jedem Fall wird der Fühlerimpuls auf die untere Oberfläche des Substrats 80 aufgebracht, wodurch drei zeitlich getrennte reflektierte Fühlerstrahlen 21b' entstehen.
In 15c wird angenommen, daß das Substrat 80 die Pumpimpulse wenigstens etwas absorbiert, wodurch im Substrat Beanspruchungsimpulse entstehen. Das Substrat 80 kann beispielsweise aus Silicium bestehen.
In 15d absorbiert eine vergrabene Schicht 84 den Pumpimplus und sendet einen Beanspruchungsimpuls aus, der sich in Richtung zur Oberfläche einer darüberliegenden transparenten Schicht 84' fortpflanzt. Die resultierenden reflektierten Fühlerimpulse 21b' sind dem in 21b gezeigten Fall ähnlich.
Es ist zu beachten, daß die Lehren dieser Erfindung auch auf sehr dünne Schichten angewendet werden können, die bei Anregung erheblich schwingen, statt die Fortpflanzung der Beanspruchungs- oder Schallimpulse zu unterstützen.
Gemäß einer Grenzflächencharakterisierungstechnik dieser Erfindung wird die Amplitudeninformation (d. h. die Amplitude der Änderung der reflektierten oder durchgelassenen Fühlerstrahlintensität) verwendet, um quantitative Schlußfolgerungen über den Zustand der vergrabenen Grenzflächen oder Oberflächen zu ziehen. Die Technik besitzt im Vergleich zu herkömmlichen Ultraschalltechniken eine höhere Empfindlichkeit gegenüber sehr feinen Grenzflächendefekten (Verunreinigungen, Zwischenschichten, Rauheit, Verklebung, und dergleichen), da die Wellenlängen des akustischen Phonons, das den Impuls enthält, sehr viel kürzer sind als die Wellenlängen, die mit anderen Verfahren erreicht werden können. In Fällen z. B., in denen unterscheidbare akustische Echos erkannt werden (z. B. für Schichten, die dicker sind als einige optische Absorptionslängen und dünn genug für eine akustische Welle, so daß diese zur Oberfläche zurückkehrt, bevor die Verzögerungsbühne 44 aus dem Verzögerungsbereich herausläuft), können die Echoamplituden und -breiten Informationen über die Glattheit einer vergrabenen Grenzfläche liefern, von denen sie reflektiert worden sind (siehe z. B. 15d).
Ein wichtiger Mechanismus zum Ermitteln einer solchen Verzerrung von Echoformen ist die Phasenverschiebung an unterschiedlichen Abschnitten der Beanspruchungsfront, die eine aufgeraute Grenzfläche zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreicht (und in Richtung zur Oberfläche reflektiert wird). Durch Einbauen solcher Mechanismen in eine Simulation einer bestimmten Struktur ist es möglich, den Grad der Grenzflächenrauheit zu quantifizieren.
Der hier verwendete Begriff der Rauheit einer Oberfläche oder Grenzfläche kann als die effektive Höhe und Korrelationslänge parallel zur Oberfläche oder Grenzfläche aufgefaßt werden.
Es ist zu beachten, daß der gleiche Mechanismus eine Echoverbreiterung bewirken kann, wenn die oberste Oberfläche (statt einer vergrabenen Grenzfläche) rauh ist. Es wird daher angenommen, daß es möglich ist, zwischen einer durch Oberflächenrauheit hervorgerufenen Echoverbreiterung und einer durch Grenzflächenrauheit hervorgerufenen Echoverbreiterung auf der Grundlage von z. b. der Symmetrie der Echos und einem Vergleich mit Referenzechoformen und/oder simulierten Echoformen zu unterscheiden.
Es ist zu beachten, daß die Verwendung von Echos an sich jedoch nur eine beispielhafte Technik für die Charakterisierung der Probe 51 ist. In einigen Proben werden z. B. verschiedene Echos nicht gesehen. Die Charakterisierung der Probe kann jedoch dennoch erreicht werden durch Vergleichen des reflektierten Fühlersignals mit Referenzdaten und/oder Simulationen.
Es liegt ferner innerhalb des Umfangs der Lehre dieser Erfindung, die Rauheit zu erfassen oder Veränderungen der Schichtdicke über kleine seitliche Verschiebungen zu erfassen, durch die Verwendung eines optischen Generators und Detektors mit kleiner Fläche, die relativ zur Probenoberfläche abgetastet wird.
Grenzschichten sind eine weitere mögliche Ursache der Echoverzerrung. Wie im vorangehenden Beispiel ist ein bevorzugtes Verfahren zum Charakterisieren solcher Grenzschichten, diese in ein Modell der Probenstruktur aufzunehmen (z. B. als eine separate Schicht mit bestimmten physikalischen Eigenschaften, von denen einige von Interesse sein können, und somit als Anpassungsparameter belassen werden können).
Hierbei ist zu beachten, daß Tas u. a. über das Erfassen dünner Grenzschichten von CF_x zwischen Aluminium und Silicium als ein bestimmtes Beispiel dieses Effekts für eine Situation berichtet haben, in der die Aluminiumschichten sehr dünn waren (G. Tas u. a. Appl. Phys. Lett. 61(15), 12. Oktober 1992, S. 1787–1789). Tas u. a. haben keine Echos beobachtet, sondern statt dessen das Nachschwingen der Aluminiumschichten. Außerdem galt das Ergebnis für eine sehr schmale Klasse von Strukturen, in denen die Metallschichten auf sehr gleichmäßigen, ultradünnen Schichten eines sehr weichen Materials abgeschieden wurden.
Grenzschichten, die ganz andere Effekte erzeugen, können ebenfalls mit der Technik dieser Erfindung charakterisiert werden. Eine wichtige Klasse von Grenzschichten umfaßt Schichten, die an den Grenzflächen zwischen zwei Materialien ausgebildet sind, die chemisch reagiert haben, um eine Zwischenverbindung zu bilden. Beispielsweise reagieren Ti und Al, um TiAl₃ zu bilden; Ti und Si reagieren, um TiSi₂ zu bilden; Co und Si reagieren, um CoSi₂ zu bilden; Pt und Si reagieren, um PtSi zu bilden. Die Dicke der so ausgebildeten Grenzschichten kann beträchtlich sein. In einigen der obenerwähnten Beispielpaarungen können z. B. die Materialien mit der Reaktion fortfahren, bis eine oder beide der Ausgangsmaterialien von der Reaktion vollständig verbraucht sind.
Grenzflächenfehlstellen, Brücke und Regionen mit geringer Haftung können in ähnlicher Weise erfaßt werden. Solche Defekte bewirken üblicherweise akustische Reflexionen, wie z. B. Echos, die größere Amplituden aufweisen, als sie durch eine perfekte Grenzfläche entstehen würden, sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Der Grund hierfür liegt darin, daß Beanspruchungsimpulse keinen Verlust an Amplitude erfahren, wenn sie von einer perfekt freien Oberfläche reflektiert werden. Daher kann das Vorhandensein von größeren Fühlersignalamplituden als erwartet innerhalb der Daten beispielsweise eine Delaminierung zwischen der Schicht 84 und einer darunterliegenden Schicht oder dem Substrat anzeigen.
Diese Technik ist auch gegenüber Dünnschichtprozessen empfindlich, die die Haftung zwischen Schichten verbessern sollen. Eine solche Technik ist der Ionenbeschuß.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß die Dämpfungsrate des Ultraschallnachschwingens einer auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht, die anschließend mit Hochenergieionen implantiert wurde, bei niedrigen Ionendosen langsamer gedämpft wird als bei hohen Ionendosen. Daraus wird gefolgert, daß die Haftung für Proben mit höheren Implantierungsdosen größer ist, da die akustische Energie in der Dünnschicht leichter in das Substrat einkoppeln kann als in Proben mit niedrigeren Implantierungsdosen oder Energien.
Zusammengefaßt, ein ultrakurzer Laserimpuls (τ_p ~ 0,1 ps) wird selektiv in einer Dünnschicht oder in einer komplexeren Nanostruktur absorbiert. Die Absorption bewirkt eine thermische Beanspruchung, die einen ultrakurzen Beanspruchungswellenimpuls erzeugt. Die sich ausbreitende Beanspruchung kann die optischen Konstanten irgendwo innerhalb der Probe beeinflussen, was eine komplexe, jedoch berechenbare Änderung der Reflektivität (oder der Durchlässigkeit, oder des Polarisationszustands, oder der optischen Phase) des Fühlerstrahls bewirkt. Echos sind jedoch nur ein einfacher Fall von temporären Merkmalen. Andere komplexere temporäre Merkmale können ebenfalls erfaßt werden, wie z. B. diejenigen, die Ultraschallschwingungen in Nanostrukturen und Mehrschichtproben zugeordnet sind. Diese anderen temporären Merkmale müssen nicht einem zur Oberfläche zurückkehrenden Beanspruchungsimpuls zugeordnet sein. Die einzige Anforderung für die Erfassung ist, daß die von der Pumpe erzeugte Beanspruchung sich in einer Tiefe in der Probe befindet, wo sie mit dem Fühlerstrahl in Wechselwirkung treten kann.
Eine Schicht oder eine Mehrfachschicht, die auf einem Substrat bei einer erhöhten Temperatur abgeschieden worden ist, befinden sich normalerweise aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung in einem Beanspruchungszustand. Derzeitige Techniken zum Bewerten der Beanspruchung haben ernsthafte praktische Beschränkungen.
Messungen an mehreren Materialien haben gezeigt, wie die Temperaturabhängigkeit ∂v_s/∂T der Schallgeschwindigkeit durch Spannung beeinflußt wird. Diese Größe kann mit den Pikosekunden-Ultraschallverfahren dieser Erfindung leicht gemessen werden und verwendet werden, um die Spannung der Schicht zu erhalten, ohne daß es erforderlich ist, daß die genaue Dicke der Schicht bekannt ist. Die Technik besitzt viele Vorteile und ist selbst für sehr dünne Schichten, Mehrfachschichten (–100 Å) und für Submikrometer-Querabmessungen geeignet.
Gemäß dieser Erfindung wird ferner die Schallgeschwindigkeit in einer Schicht bei zwei Temperaturen in der Schicht gemessen. Die Differenz zwischen den zwei Schallgeschwindigkeiten hängt in einer voraussagbaren Weise von der Spannung innerhalb der Schicht ab, unabhängig davon, ob die Spannung extern hervorgerufen oder ”eingebaut” ist. Dies schafft ein Verfahren zur Spannungsmessung in einem seitlichen Maßstab der Fleckgröße FS, die einen Durchmesser von einem Mikrometer oder weniger aufweisen kann. Die Temperatur der Probe 51 kann mittels einer Widerstandsheizbühne, einer Bogenlampe, eines auf den Meßfleck fokusierten CW-Lasers oder mittels Modulieren der Pumpleistung verändert werden. Die Schallgeschwindigkeit kann gemessen werden durch Beobachten der Ultraschallechos oder der Schwingungssignale, wie mit Bezug auf die 15a–15d gezeigt, oder durch die Schwingungsperiode der sehr dünnen Schichten.
Die Änderungsrate der Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur hängt von der Spannung in der Schicht in einer vorhersagbaren Weise ab, wie in der Literatur berichtet worden ist (K. Salama u. a., Journal of Applied Physics, Bd. 51, S. 1505ff (1980); J. Cantrell, Ultrasonics International 1989 Confrerence Proceedings, S. 977ff).
Pikosekunden-Ultraschallmessungen Der Schallgeschwindigkeit können auf folgenden Wegen durchgeführt werden: Echozeit (wie in Tauc u. a.); Nachschwingungsperiode; die Schwingungsperiode der durch die wandernde Beanspruchungswelle hervorgerufenen Oszillationen in halbtransparenten oder transparenten Proben, oder durch Erzeugen einer besten Anpassung an Pikosekunden-Ultraschalldaten durch Variieren eines Schallgeschwindigkeitsparameters in einer Simulation einer oder mehrerer Schichten.
Die Temperatur kann auf folgenden Wegen verändert werden: durch eine Widerstandsheizvorrichtung, die in der Probenbühne 50 eingebettet ist; durch eine induktive Heizvorrichtung; durch Strahlung (z. B. eine intensive Lampe); durch Verändern der Pumpstrahlintensität, so daß die mittlere Temperatur der Pumpe über der der Umgebung liegt; oder durch Lenken eines Heizlasers mit kontinuierlicher Welle durch ein gemeinsames oder separates Objektiv auf den Meßfleck FS.
Die Temperaturänderung kann auf folgenden Wegen gemessen wurden: durch optische Pyrometrie; durch Berechnung der eingebrachten Wärmeenergie (was die Messung der einfallenden und reflektierten Strahlung erfordert) und anschließendes Verwenden der Werte der optischen und thermischen Konstanten der Probe, die erforderlich sind, um die Gleichgewichtstemperatur in der Meßregion zu ermitteln; mit einem Thermoelement (das mit der Probe 51 in Kontakt ist); oder durch Verwenden des Mirage-Effekts. Beim Mirage-Effekt wird die Änderung im Brechungsindex in Luft oberhalb des erwärmten Flecks über die Ablenkung eines Laserstrahls gemessen, der in einem Glanzwinkel auftrifft, wobei die Temperatur aus der Brechungsindexänderung abgeleitet wird, die erforderlich ist, um eine beobachtete Strahlablenkung zu erzeugen (siehe z. B. T. R. Anthony u. a., Physical Review B, Bd. 42, 1104 (1990)).
Die Kalibrierung des Systems dieser Erfindung kann auf verschiedene Weise bewerkstelligt werden. Beispielsweise können Schichten, die mehrere unterschiedliche Metalle enthalten, auf Silicium-Wafern bei unterschiedlichen Temperaturen abgeschieden werden. In diesen Proben kann die Spannung unabhängig geschätzt werden durch Berechnung anhand der unterschiedlichen Ausdehnung und anhand von Messungen der von der Schicht hervorgerufenen Krümmung. Die berechneten Werte werden anschließend mit Ergebnissen verglichen, die aus der Nutzung des Systems dieser Erfindung erhalten worden sind, wobei entsprechende Kalibrierungsfaktoren ermittelt werden.
Die Lehre dieser Erfindung umfaßt ferner Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Änderung der optischen Konstanten eines Materials mit Spannung. In dieser Technik wird das System verwendet, um die Größen ∂n/∂η und ∂κ/∂η in einer bestimmten Probengeometrie zu ermitteln. Die Proben besitzen eine Schicht aus Glas oder einem anderen transparenten Material, das auf der Oberseite einer Dünnschicht eines undurchlässigen oder halbundurchlässigen Materials abgeschieden worden ist (das interessierende Material kann ein Metall sein). Die optischen Konstanten beider Materialien sind bekannt. Die Größen ∂n/∂η und ∂κ/∂η sind für das transparente Material ebenfalls bekannt und werden für das zweite Material abgeleitet, indem die akustischen Daten mit Simulationen verglichen werden, in denen ∂n/∂η und ∂κ/∂η für das zweite Material verändert werden.
Um Simulationen durchführen zu können, die einen quantitativen Vergleich mit den Daten der Größe der Änderung der Reflektivität oder der Durchlässigkeit einer Probe, in der ein Spannungsimpuls erzeugt wird, ermöglichen, ist es notwendig, im voraus zu wissen, um wieviel sich die optischen Konstanten n und κ für die Objektmaterialien als Antwort auf die Beanspruchung σ verändern. In einigen Ausführungsformen werden vorzugsweise Simulationen in Bezug auf die Spannung η durchgeführt, die in einfacher Weise auf die Beanspruchung bezogen werden können. Ausgedrückt durch die Spannung ist das vorangehende Äquivalent zu der Aussage, daß die Größen ∂n/∂η und ∂κ/∂η bekannt sein müssen. Es ist ein Merkmal dieser Erfindung, daß die hier beschriebenen Verfahren und die Vorrichtung verwendet werden können, um diese Größen zu ermitteln. In einer Technik können ∂n/∂η und ∂κ/∂η für ein Material gefunden werden, indem auf der Oberseite einer optisch glatten Probe dieses Materials eine Schicht eines transparenten Materials wie z. B. Glas (z. B. LP-CVD TEOS oder PE-CVD-BPSG) mit einer Dicke von wenigstens mehreren hundert Å und weniger als 100 μm abgeschieden wird. Die darunterliegende Probe des Materials, für das ∂n/∂η und ∂κ/∂η ermittelt werden sollen, kann eine Dünnschicht oder ein dickes Substrat sein. Der Prozeß der Bestimmung von ∂n/∂η und ∂κ/∂η verwendet zwei Schritte, die mit Bezug auf 15d beschrieben werden können (die den Fall zeigt, in dem das interessierende Material eine dünne Metallschicht ist, die auf der Oberseite eines Substrats abgeschieden ist, das Silicium sein kann). Im Schritt (1) wird ein Beanspruchungsimpuls im Material erzeugt. Ein Teil dieser Beanspruchungswelle tritt in die transparente Schicht ein und pflanzt sich bis zum freien Raum fort, wird dann von dieser Oberfläche reflektiert und pflanzt sich anschließend durch die transparente Schicht hindurch fort, wobei anschließend ein Teil dieser Beanspruchungswelle erneut in die Metallschicht eintritt. Der von der freien Oberfläche reflektierte Beanspruchungsimpuls hat im Vergleich zum einfallenden Beanspruchungsimpuls das entgegengesetzte Vorzeichen, jedoch eine identische Amplitude. Der Anteil des Beanspruchungsimpulses, der von der Glasschicht auf die Metallschicht einfällt und erneut in die Metallschicht eintritt, kann aus den akustischen Impedanzen (d. h. dem Produkt aus Schallgeschwindigkeit und Dichte) des Glases und des Metalls berechnet werden (wie in Tauc u. a. beschrieben). Während sich die Beanspruchungswelle durch die Glasschicht fortpflanzt, läßt sie Schwingungen entstehen, wie vorher mit Bezug auf die 15a–15d beschrieben worden ist. Die Amplitude dieser Schwingungen kann verwendet werden, um die Größe ∂n/∂η für das Glas (die im allgemein einen anderen Wert aufweist als der Wert, der dem Metall zugeordnet ist) entweder analytisch oder durch Vergleich mit Simulationen der Schwingungen zu berechnen: ∂n/∂η = 0 für das Glas. Im Schritt (2) werden die Größen ∂n/∂η und ∂κ/∂η für die Metallschicht ermittelt, indem eine Simulation der Reflektivitätsänderung durchgeführt wird, die als Antwort auf die in diese Schicht wiedereintretende Beanspruchung auftritt, sowie durch Einstellen von ∂n/∂η und ∂κ/∂η, um eine beste Anpassung an die beobachtete Antwort für diejenigen Zeitpunkte zu erreichen, während denen die Wirkungen der Beanspruchungswelle auf die reflektierte Fühlerstrahlintensität beobachtet werden können. In diesen Simulationen werden die akustischen Impedanzen und Schallgeschwindigkeiten des Glases und der Metallschicht als im voraus bekannt angenommen. Außerdem können die optischen Konstanten n und κ für eines oder für beide Materialien bei den Pump- und Fühlerstrahlwellenlängen als Eingänge der Simulationen verwendet werden, oder können alternativ als weitere einstellbare Parameter verwendet werden.
Ein wichtiges Merkmal dieser Prozedur ist, daß die so ermittelten Simulationsparameter gleichzeitig zu der Antwort passen sollten, die der Beanspruchungswelle zugeordnet ist, die sich im Metall fortpflanzt. Bei der obenerwähnten Prozedur wird angenommen, daß der Detektor 60 und der Prozessor 66 so kalibriert sind, daß sie die wahre Reflektivität der Probe als Funktion der Zeit angeben. Eine alternative 3-Schritt-Prozedur, die nicht erfordert, daß der Detektor 60 und der Prozessor 66 so kalibriert sind, wird im folgenden beschrieben. Im Schritt (1) wird ein Beanspruchungsimpuls im Material erzeugt. Ein Teil dieser Beanspruchungswelle tritt in die transparente Schicht ein und pflanzt sich bis zur freien Oberfläche fort, wird von dieser Oberfläche reflektiert und pflanzt sich anschließend durch die transparente Schicht fort, wobei ein Teil dieser Beanspruchungswelle erneut in die Metallschicht eintritt. Der von der freien Oberfläche reflektierte Beanspruchungsimpuls besitzt ein zum einfallenden Beanspruchungsimpuls entgegengesetztes Vorzeichen, jedoch eine identische Amplitude. Der Anteil des Beanspruchungsimpulses, der von der Glasschicht auf die Metallschicht fällt und erneut in die Metallschicht eintritt, kann aus den akustischen Impedanzen (d. h. dem Produkt aus Schallgeschwindigkeit und Dichte) des Glases und des Metalls berechnet werden (wie in Tauc u. a. beschrieben). Während sie sich durch die Glasschicht fortpflanzt, ruft die Beanspruchungswelle Schwingungen hervor, wie oben in bezug auf die 15a–15d beschrieben worden ist. Im Schritt (2) können ∂n/∂η für das Glas und ∂n/∂η und ∂κ/∂η für das Metall in der simulierten Antwort frei variiert werden, um eine beste Anpassung an die beobachtete Antwort zu erreichen. Die so erhaltenen Werte ∂n/∂η und ∂κ/∂η können mit dem Verhältnis der wahren Werte von ∂n/∂η für das Glas an den angepaßten Wert skaliert werden. Somit wird in Schritt (3) der wahre Wert von ∂n/∂η für das Glas ermittelt (dieser kann durch mehrere Verfahren neben dem Pikosekunden-Ultraschallverfahren erhalten werden, die auf transparente Materialien angewendet werden können), wobei das angepaßte ∂n/∂η und ∂κ/∂η für das Metall skaliert werden, um deren wahre Werte zu erhalten.
Es liegt ebenfalls innerhalb des Umfangs der Lehre dieser Erfindung, die Ableitung des Signals nach der Zeit zu verwenden, um die Eigenschaften einer Probe zu ermitteln, statt dem Signal selbst. Der Zweck ist, einen Teil des Hintergrundsignals, das der Abkühlung der Schicht zugeordnet ist, aus den Daten zu entfernen. Die Ableitung des Signals kann ferner mit der Ableitung einer Simulation verglichen werden, um Parameter zu extrahieren.
In einer Ausführung des Algorithmus, der zum Ermitteln unbekannter Größen aus der beobachteten Reflektivität oder Durchlässigkeit der Probe verwendet wird, werden die zeitlichen Merkmale, die der Ausbreitung der Beanspruchung innerhalb der Probe zugeordnet sind, mit einer Simulation verglichen, die nur die Ultraschallantwort enthält. Andere Merkmale, insbesondere der langsam veränderliche Hintergrund, der der Diffusion der Wärme innerhalb der Probe zugeordnet ist, werden bei solchen Vergleichen ignoriert oder können im Anpassungsprozeß enthalten sein, indem einer oder mehrere Anpassungsparameter einer langsam variierenden Funktion eingeführt werden (z. B. eine Exponentialfunktion oder ein Polynom niedriger Ordnung). Für bestimmte Materialien kann der langsam veränderliche Hintergrund eine viel größere Amplitude aufweisen als die Merkmale, die der Ultraschallantwort der Probe zugeordnet sind. Um die Genauigkeit und Geschwindigkeit des Anpassungsprozesses in solchen Situationen zu verbessern, kann es günstig sein, die Ableitung der Antwort bezüglich der Verzögerungszeit numerisch zu berechnen. Ein Vergleich kann anschließend zwischen der so ermittelten Ableitung und der Ableitung der simulierten Antwort durchgeführt werden, wobei die Werte der Unbekannten variiert werden, bis eine beste Anpassung erreicht wird.
Ein alternatives Verfahren ist, die Ableitung der Probenantwort direkt zu messen, wodurch der Schritt der numerischen Differentiation vermieden wird. Dieses Verfahren liefert im Vergleich zur numerischen Prozedur einen größeren Geräuschabstand. In einer Ausführungsform dieses Ableitungsmeßschemas ist der Retroreflektor 46 im Fühlerweg auf einem Halter (wie z. B. einem piezoelektrischen Betätigungselement) angeordnet, der zu einer schnellen Schwingung (f₂) längs der Fühlerstrahlachse veranlaßt wird (d. h. von 10 bis 10⁶ Hz), so daß er eine große Anzahl von Schwingungen (d. h. mehr als 10) für jede aufeinanderfolgende Verzögerungsposition des Verzögerungsmechanismus ausführt. Das gemessene Signal kann in einem solchen System auf die Ableitung des Signals nach der Verzögerung mittels einer einfachen Proportionalitätskonstante bezogen werden, vorausgesetzt, daß die Amplitude der Schwingungen einem Bereich von Verzögerungen entspricht, die klein sind im Vergleich zu einem minimalen zeitlichen Ausmaß der beobachteten Ultraschallmerkmale in einer undifferenzierten Antwort. In dieser Ausführungsform ist es ferner möglich, bei der Differenzfrequenz zu erfassen (f₁ – f₂ oder f₁ + f₂) wobei f₁ die vom AOM im Pumpstrahlweg induzierte Frequenz ist (z. B. 1 MHz) und f₂ die Frequenz ist, die vom Verzögerungsmodulator im Fühlerstrahlweg induziert wird.
Im folgenden wird auf 16 Bezug genommen, um eine Ausführungsform dieser Erfindung zu erläutern, die als eine parallele, schräge Ausführungsform bezeichnet wird.
Diese Ausführungsform enthält eine Licht/Wärme-Quelle 120, die als ein veränderlicher hochdichter Beleuchter dient, und die eine Beleuchtung für eine Videokamera 124 liefert, sowie eine Probenwärmequelle für temperaturabhängige Messungen unter Computersteuerung. Ein alternatives Erwärmungsverfahren verwendet eine Widerstandsheizvorrichtung, die in der Probenbühne 122 eingebettet ist. Der Vorteil der optischen Heizvorrichtung besteht darin, daß sie schnelle aufeinanderfolgende Messungen bei zwei unterschiedlichen Temperaturen ermöglicht, wie im folgenden beschrieben wird. Die Videokamera 124 liefert ein Anzeigebild für eine Bedienungsperson und erleichtert das Einrichten des Meßsystems. Eine geeignete Mustererkennungssoftware kann ebenfalls für diesen Zweck verwendet werden, wodurch die Inanspruchnahme einer Bedienungsperson minimiert oder beseitigt wird.
Die Probenbühne 122 ist vorzugsweise eine Bühne mit mehrfachem Freiheitsgrad, die in ihrer Höhe (z-Achse), Position (x- und y-Achsen) und im Neigungswinkel (θ) eingestellt werden kann und eine motorgesteuerte Positionierung eines Abschnitts der Probe relativ zu den Pump- und Fühlerstrahlen erlaubt. Die z-Achse wird verwendet, um die Probe vertikal in den Fokusbereich der Pump- und Fühlerstrahlen zu verschieben, während die x- und y-Achsen die Probe parallel zur Brennebene verschieben und die Kippachse die Orientierung der Bühne 122 einstellt, um einen gewünschten Einfallswinkel des Fühlerstrahls zu bewerkstelligen. Dies wird erreicht über Detektoren PDS1 und PDS2 und den lokalen Prozessor, wie im folgenden beschrieben wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann der optische Kopf relativ zu einer stationären, neigbaren Bühne 122' (nicht gezeigt) bewegt werden. Dies ist insbesondere wichtig für die Abtastung großer Objekte (wie z. B. Wafer mit 300 mm Durchmesser oder mechanischen Strukturen und dergleichen). In dieser Ausführungsform werden der Pumpstrahl, der Fühlerstrahl und das Videosignal über Lichtleitfasern oder Faserbündel zum verschiebbaren Kopf geliefert.
BS5 ist ein Breitbandstrahlteiler, der das Videosignal und eine kleine Menge an Laserlicht auf die Videokamera 124 richtet. Die Kamera 124 und der lokale Prozessor können verwendet werden, um die Pump- und Fühlerstrahlen automatisch auf einer Meßstelle zu positionieren.
Der Pumpstrahlteiler 126 spaltet einen ankommenden Laserstrahlimpuls (vorzugsweise mit einer Dauer einer Pikosekunde oder kürzer) in Pump- und Fühlerstrahlen und enthält eine drehbare Halbwellenplatte (WP1), die die Polarisierung des ungeteilten Strahls dreht. WP1 wird in Kombination mit dem polarisierenden Strahlteiler PBS1 verwendet, um eine kontinuierlich variable Aufteilung zwischen der Pump- und der Fühlerleistung zu bewirken. Dieses Aufspalten kann von einem Computer mittels eines Motors gesteuert werden, um ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis für eine bestimmte Probe zu erhalten. Die geeignete Aufspaltung hängt von Faktoren ab wie z. B. der Reflektivität und der Rauheit der Probe. Die Einstellung wird bewerkstelligt, indem unter Computersteuerung ein motorisierter Halter WP1 gedreht wird.
Ein erster akustooptischer Modulator (AOM1) zerhackt den Pumpstrahl mit einer Frequenz von ungefähr 1 MHz. Ein zweiter akustooptischer Modulator (AOM2) zerhackt den Fühlerstrahl mit einer Frequenz, die sich etwas von derjenigen des Pumpmodulators AOM1 unterscheidet. Die Verwendung von AOM2 ist in dem in 16 gezeigten System optional. Wie im folgenden beschrieben wird, können die AOMs mit einer gemeinsamen Taktquelle synchronisiert sein und können ferner mit der Impulswiederholrate (PRR) des Lasers synchronisiert sein, der die Pump- und Fühlerstrahlen erzeugt.
Ein räumlicher Filter 128 wird verwendet, um an seinem Ausgang ein in wesentlichen invariantes Profil, Durchmesser und Ausbreitungsrichtung für einen eingegebenen Fühlerstrahl sicherzustellen, der sich aufgrund der Wirkung der als Retroreflektor 129 gezeigten mechanischen Verzögerungsstrecke verändern kann. Der räumliche Filter 128 enthält zwei Blenden A1 und A2, sowie zwei Linsen L4 und L5. Eine alternative Ausführungsform des räumlichen Filters enthält eine Lichtleitfaser, wie oben beschrieben worden ist.
WP2 ist eine zweite einstellbare Halbwellenplatte, die in ähnlicher Weise, mit PBS2, für WP1/PBS1 des Strahlteilers 126 funktioniert. Mit WP2 wird beabsichtigt, das Verhältnis des Anteils des Fühlerstrahls, der auf die Probe auftrifft, zu dem Anteil des Strahls, der als Referenz verwendet wird (in D5 des Detektors 130 eingegeben) zu variieren. WP1 kann motorgesteuert sein, um ein Verhältnis von ungefähr 1 zu erreichen. Die von den Strahlen erzeugten elektrischen Signale werden subtrahiert, so daß nur der modulierte Anteil des Fühlerstrahls verstärkt und verarbeitet wird. PSD2 wird in Verbindung mit WP2 verwendet, um irgendein gewünschtes Verhältnis der Intensitäten der Fühler- und Referenzstrahlen zu erhalten. Der Prozessor kann dieses Verhältnis einstellen, indem er vor einer Messung WP2 dreht, um ein Verschwinden des unmodulierten Anteils der Fühler- und Referenzstrahlen zu erreichen. Dies ermöglicht, allein das Differenzsignal (den modulierten Anteil des Fühlerstrahls) zu verstärken und an die Elektronik weiterzuleiten.
Der Strahlteiler BS2 wird verwendet, um die Intensität des einfallenden Fühlerstrahls in Kombination mit dem Detektor D2 abzutasten. Der Linearpolarisierer 132 wird verwendet, um die gestreute Pumplichtpolarisation abzublocken und den Fühlerstrahl durchzulassen. Die Linsen L2 und L3 sind Pump- und Fühlerstrahlfokusierungsobjektive beziehungsweise Sammelobjektive. Der Strahlteiler BS1 wird verwendet, um einen kleinen Anteil der Pump- und Fühlerstrahlen auf einen ersten positionsempfindlichen Detektor (PSD1) zu richten, der für die Autofokusierung in Verbindung mit dem Prozessor und den Bewegungen der Probenbühne 122 verwendet wird. Der PSD1 wird in Kombination mit dem Prozessor und der computergesteuerten Bühne 122 (Kippachse und z-Achse) verwendet, um die Pump- und Fühlerstrahlen automatisch auf die Probe zu fokusieren, um eine gewünschte Fokusierungsbedingung zu erreichen.
Der Detektor D1 kann gemeinsam mit Akustik-, Ellipsometrie- und Reflektometrieausführungsformen dieser Erfindung verwendet werden. Die resultierende Signalverarbeitung ist jedoch für jede Anwendung unterschiedlich. Für die Akustikausführungsform wird die Gleichstromkomponente des Signals z. B. durch Subtrahieren des Referenzstrahleingangs D5 oder bei Bedarf eines Teils desselben unterdrückt, um den unmodulierten Anteil von D1 oder durch elektrisches Filtern den Ausgang von D1 auszulöschen, so daß andere Frequenzen als die der Modulation unterdrückt werden. Der kleine modulierte Anteil des Signals wird anschließend verstärkt und gespeichert. Bei der Ellipsometrie gibt es keinen kleinen modulierten Anteil, statt dessen wird das gesamte Signal mehrmals während jeder Drehung des Rotationskompensators (siehe 17) abgetastet, wobei die resultierende Signalform analysiert wird, um die ellipsometrischen Parameter zu erhalten. Bei der Reflektometrie wird die Änderung der Intensität des gesamten unmodulierten Fühlerstrahls aufgrund der Probe erfaßt, indem die Ausgangssignale D1 und D2 (D2 mißt ein Signal proportional zur Intensität des einfallenden Fühlerstrahls) zu ermitteln. In ähnlicher Weise können zusätzliche Reflektometriedaten aus dem Pumpstrahl unter Verwendung der Detektoren D3 und D4 erhalten werden. Die Analyse der Reflektometriedaten aus einem oder aus beiden Strahlen kann verwendet werden, um die Probe zu charakterisieren. Die Verwendung von zwei Strahlen ist nützlich, um die Auflösung zu verbessern und um irgendwelche Mehrdeutigkeiten in der Lösung der relevanten Gleichungen aufzulösen.
Ein dritter Strahlteiler BS3 wird verwendet, um einen kleinen Bruchteil des Pumpstrahls auf den Detektor D4 zu richten, der ein Signal proportional zur einfallenden Pumpstrahlintensität mißt. Ein vierter Strahlteiler BS4 ist so angeordnet, daß er einen kleinen Bruchteil des Pumpstrahls auf den Detektor D3 richtet, der ein Signal proportional zur reflektierten Pumpstrahlintensität mißt.
Die 17 zeigt eine Ausführungsform dieser Erfindung mit senkrechtem Pumpstrahl und schrägem Fühlerstrahl. Die in 16 bezeichneten Komponenten funktionieren in ähnlicher Weise, sofern im folgenden nichts anderes angegeben ist. In 17 ist der obenerwähnte Rotationskompensator 132 gezeigt, der als eine lineare Viertelwellenplatte auf einem motorisierten drehbaren Halter ausgebildet ist und einen Teil eines Ellipsometermodus des Systems bildet. Die Platte wird im Fühlerstrahl mit einer Rate von beispielsweise einigen 10 Hz gedreht, um die optische Phase des auf die Probe einfallenden Fühlerstrahls kontinuierlich zu ändern. Das reflektierte Licht durchläuft einen Analysierer 134, wobei die Intensität gemessen wird und während jeder Drehung mehrmals zum Prozessor übertragen wird. Die Signale werden entsprechend den bekannten Typen der Ellipsometrieverfahren analysiert, um die Eigenschaften der Probe zu ermitteln (transparente oder halbtransparente Schichten). Dies erlaubt, den (gepulsten) Fühlerstrahl zu verwenden, um Ellipsometriemessungen durchzuführen.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung werden die Ellipsometriemessungen unter Verwendung eines gepulsten Lasers durchgeführt, was unter normalen Bedingungen ungünstig ist, da die Bandbreite des gepulsten Lasers sehr viel größer ist als diejenige eines CW-Lasers des normalerweise für Ellipsometriemessungen verwendeten Typs.
Wenn Akustikmessungen durchgeführt werden, wird der Drehkompensator 132 so ausgerichtet, daß der Fühlerstrahl orthogonal zum Pumpstrahl linear polarisiert ist.
Der Analysierer 134 kann als ein fester Polarisierer ausgeführt sein und bildet ferner einen Abschnitt des Ellipsometermodus des Systems. Wenn das System für Akustikmessungen verwendet wird, ist der Polarisierer 134 so ausgerichtet, daß er die Pumppolarisation abblockt. Wenn er im Ellipsometermodus verwendet wird, ist der Polarisierer 134 so ausgerichtet, daß er das mit 45° bezüglich der Ebene der einfallenden und reflektierten Fühlerstrahlen polarisierte Licht abblockt.
Schließlich enthält die Ausführungsform der 17 einen dichroitischen Spiegel (DM2), der für Licht in einem schmalen Band um die Pumpwellenlänge hochreflektiv ist und für andere Wellenlängen im wesentlichen transparent ist.
Es ist zu beachten, daß in 17 BS4 bewegt wird, um den Pumpstrahl abzutasten, in Verbindung mit BS3, und um einen Anteil des Pumpstrahl auf D3 und auf einen zweiten PSD (PSD2) zu richten. Der PSD2 (Pump-PSD) wird in Kombination mit dem Prozessor, der computergesteuerten Bühne 122 (Kippachse und Z-Achse) und dem PSD1 (Fühler-PSD) verwendet, um die Pump- und Fühlerstrahlen automatisch auf die Probe zu fokusieren, um eine gewünschte Fokusierungsbedingung zu erreichen. Ferner wird eine Linse L1 als Pump-, Video- und Lichtheizfokusierungsobjektiv verwendet, während eine optische Linse L6 verwendet wird, um das abgetastete Licht von BS5 auf die Videokamera 124 zu fokussieren.
Zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform des Pikosekunden-Ultraschallsystems, insbesondere einer kombinierten Ellipsometerausführungsform mit einer einzigen Wellenlänge, senkrechtem Pumpstrahl und schrägem Fühlerstrahl, wird im folgenden auf 18 Bezug genommen. Wie vorher werden im folgenden nur diejenigen Elemente beschrieben, die vorher nicht beschrieben worden sind.
Der Verschluß 1 und der Verschluß 2 sind computergesteuerte Verschlüsse und ermöglichen dem System, einen He-Ne-Laser 136 im Ellipsometermodus anstelle des gepulsten Fühlerstrahls zu verwenden. Für Akustikmessungen ist der Verschluß 1 geöffnet und der Verschluß 2 geschlossen. Für Ellipsometermessungen ist der Verschluß 1 geschlossen und der Verschluß 2 geöffnet. Der HeNe-Laser 136 ist ein Dauer-Laser mit geringer Leistung und weist eine Ausbeute auf, die für bestimmte Schichten der Ellipsometerleistungsfähigkeit überlegen ist.
Die 19 ist eine Doppelwellenlängeausführungsform des in 18 gezeigten Systems. In dieser Ausführungsform ist der Strahlteiler 126 durch einen Oberwellenteiler und einen optischen Oberwellengenerator ersetzt, der eine oder mehrere Lichtoberwellen des einfallenden ungeteilten Laserstrahls erzeugt. Dies wird bewerkstelligt mittels der Linsen L7, L8 und eines nichtlinearen optischen Materials (DX), das für die Erzeugung der zweiten Oberwelle aus dem ankommenden Laserstrahl geeignet ist. Der Pumpstrahl wird wie gezeigt vom dichroitischen Spiegel (DM 138a) zu AOM1 durchgelassen, während der Fühlerstrahl zum Retroreflektor reflektiert wird. Die umgekehrte Situation ist ebenfalls möglich. Die kürzere Wellenlänge kann durchgelassen werden, während die längere Wellenlänge reflektiert wird, oder umgekehrt. Im einfachsten Fall ist der Pumpstrahl die zweite Oberwelle des Fühlerstrahls (d. h. der Pumpstrahl besitzt die halbe Wellenlänge des Fühlerstrahls).
Es ist zu beachten, daß in dieser Ausführungsform der AOM2 beseitigt ist, da das Zurückwerfen des Pumpstrahl mittels eines Farbfilters F1 bewirkt wird, der einfacher und kostengünstiger ist als die Überlagerung. F1 ist ein Filter mit hoher Durchlässigkeit für den Fühlerstrahl und die He-Ne-Wellenlängen, jedoch mit sehr geringer Durchlässigkeit für die Pumpwellenlänge.
Die 20 zeigt schließlich eine kombinierte Ellipsometerausführungsform dieser Erfindung mit senkrechtem Einfall und doppelter Wellenlänge. In 20 fällt der Fühlerstrahl auf PBS2 und ist längs der Richtung polarisiert, die von PBS2 durchgelassen wird. Nachdem der Fühlerstrahl durch WP3, eine Viertelwellenplatte, gelaufen ist und von der Probe reflektiert worden ist, kehrt er entlang der Richtung, in der er stark reflektiert wird, zu PBS2 zurück und wird anschließend auf einen Detektor D0 im Detektorblock 130 gerichtet. D0 mißt die reflektierte Fühlerstrahlintensität.
Genauer bewirkt WP3, daß der ankommende eben polarisierte Fühlerstrahl zirkular polarisiert wird. Die Ausrichtung der Polarisierung wird bei der Reflexion von der Probe umgekehrt, wobei beim Verlassen von WP3 nach der Reflexion der Fühlerstrahl orthogonal zu seiner ursprünglichen Polarisation linear polarisiert ist. BS4 reflektiert einen kleinen Bruchteil des reflektierten Fühlerstrahls auf einen Autofokusdetektor AFD.
Ein dichroitischer Spiegel DM3 kombiniert den Fühlerstrahl auf einer gemeinsamen Achse mit dem Beleuchtungs- und Pumpstrahl. DM3 ist hochreflektiv für die Fühlerstrahlwellenlänge und ist im wesentlichen durchlässig für die meisten anderen Wellenlänge.
Ein Detektor D1 für den reflektierten He-Ne-Laser wird nur für Ellipsometriemessungen verwendet.
Es ist zu beachten, daß in 20 im Gegensatz zu den 18 und 19 der Verschluß 1 so angeordnet ist, daß er den einfallenden Laserstrahl vor dem Oberwellenteiler 138 abfängt.
Auf der Grundlage der vorangehenden Beschreibungen mehrerer Ausführungsformen dieser Erfindung kann angenommen werden, daß diese Erfindung in einem Aspekt ein Pikosekunden-Ultraschallsystem für die Charakterisierung von Proben lehrt, indem ein kurzer Lichtimpuls (Pumpstrahl) auf einen Bereich der Oberfläche der Probe gerichtet wird und anschließend ein zweiter Lichtimpuls (Fühlerstrahl) auf den gleichen Bereich oder einen benachbarten Bereich zu einem späteren Zeitpunkt gerichtet wird. Der Retroreflektor 129, der in allen dargestellten Ausführungsformen 16–20 gezeigt ist, kann verwendet werden, um eine gewünschte zeitliche Trennung der Pump- und Fühlerstrahlen zu bewirken, wie vorher mit Bezug auf z. B. 9 beschrieben worden ist.
Das System mißt einige oder alle der folgenden Größen: (1) die kleine modulierte Änderung ΔR der Intensität des reflektierten Fühlerstrahls, (2) die Änderung ΔT der Intensität des durchgelassenen Fühlerstrahls, (3) die Änderung ΔP der Polarisation des reflektierten Fühlerstrahls, (4) die Änderung Δϕ der optischen Phase des reflektierten Fühlerstrahls, und/oder (5) die Änderung des Reflexionswinkels ΔΩ des Fühlerstrahls. Diese Größen (1)–(5) können alle als Stoßantworten der Probe betrachtet werden, die durch den Pumpimpuls induziert werden. Diese Messungen können zusammen mit einer oder mehreren der folgenden durchgeführt werden: (a) Messungen irgendwelcher oder aller Größen (1)–(5), die eben aufgelistet worden sind, als Funktion des Einfallswinkels des Pump- oder Fühlerlichts, (b) Messungen irgendwelcher Größen (1)–(5) als eine Funktion von mehr als einer Wellenlänge für das Pump- und/oder Fühlerlicht, (c) Messungen der optischen Reflektivität durch Messungen der einfallenden und reflektierten mittleren Intensität der Pump- und/oder Fühlerstrahlen; (d) Messungen der mittleren Phasenänderung der Pump- und/oder Fühlerstrahlen bei der Reflexion; und/oder (e) Messungen der mittleren Polarisierung und der optischen Phase der einfallenden und der reflektierten Pump- und/oder Fühlerstrahlen. Die Größen (c), (d) und (e) können als mittlere oder statische Antworten der Probe auf den Pumpenstrahl betrachtet werden.
Eine Funktion des Systems ist, die Dicke der Schichten, die die Probe bilden, die mechanischen Eigenschaften der Schichten (Schallgeschwindigkeiten und Dichten) und die Eigenschaften der Grenzflächen (Haftung, Rauheit und andere Grenzflächeneigenschaften) zu ermitteln.
Das System gemäß den verschiedenen Ausführungsformen dieser Erfindung ermöglicht somit eine Kombination von Messungen des oben aufgelisteten Typs, um die Ermittlung von Eigenschaften der Probe zu ermöglichen, die durch die Verwendung herkömmlicher Systeme nicht erhalten werden können.
Es sei beispielsweise eine Probe betrachtet, in der die oberste Schicht transparent ist. Bei einer solchen Probe wird der Pumpimpuls in dieser Schicht nicht absorbiert, sondern wird stattdessen in der nächsten Barunterliegenden Schicht absorbiert, unter der Annahme, daß diese Schicht nicht ebenfalls transparent ist. Normalerweise ist jedoch ein Beitrag zur Änderung ΔR der Reflektivität des Fühlerimpulses von der obersten transparenten Schicht vorhanden. In der darunterliegenden optisch absorbierenden Schicht wird eine Beanspruchungswelle erzeugt, die sich in die transparente Schicht fortpflanzt. Dies bewirkt eine lokale Änderung Δn des Brechungsindex n der transparenten Schicht, wobei der Ort dieser Änderung des Brechungsindex sich in Richtung zur freien Oberfläche der transparenten Schicht mit einer Geschwindigkeit fortpflanzt, die gleich der Schallgeschwindigkeit v in der Schicht ist. Das Fühlerlicht, das an dieser Änderung von n reflektiert wird, überlagert konstruktiv oder destruktiv das Fühlerlicht, das an den anderen Grenzflächen der Probe reflektiert wird. Folglich gibt es eine Änderung ΔR der Intensität des reflektierten Fühlerlichts, die zu einer Schwingung der Frequenz f beiträgt, die gegeben ist durch
wobei λ die Wellenlänge im Vakuum des Fühlerlichts ist und O der Winkel zwischen der Richtung des Fühlerlichts in der Probe und der Normalen zur Oberfläche ist. Somit kann eine Messung der Frequenz dieser Schwingung verwendet werden, um das Produkt nv, jedoch nicht n und v getrennt zu ermitteln. Diese Schwingung erfährt eine abrupte Phasenänderung, wenn der Beanspruchungsimpuls die freie Oberfläche der Probe zum Zeitpunkt τ₁ erreicht und wird anschließend zurückgeworfen. Durch eine Messung von τ₁ kann somit die Größe d/v ermittelt werden, wobei d die Schichtdicke ist. Diese zwei Messungen und deren Analyse können unter Verwendung herkömmlicher Systeme erhalten werden, führen jedoch nicht zu definierten Werten für die drei interessierenden Größen n, v und d. Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Schwierigkeit wie folgt.
Wenn Messungen der Frequenz f als Funktion des Einfallwinkels θ des Fühlerlichts außerhalb der Probe durchgeführt werden, kann das gemessene f(θ) analysiert werden, um sowohl n als auch v zu erhalten. Dies liegt daran, daß die Beziehung zwischen α und θ nur n und nicht v enthält. Anschließend kann die Messung der Zeit τ₁ verwendet werden, um d zu ermitteln.
Zweitens kann unter Verwendung der Messungen der Intensität des reflektierten Pump- oder Fühlerlichts die Phasenänderung oder die relativen Intensitäten der unterschiedlichen Polarisationskomponenten des Pump- und/oder Fühlerlichts unter vielen Umständen verwendet werden, um den Brechungsindex und/oder die Dicke der transparenten Schicht abzuleiten. Zum Beispiel können die Dicke oder die optischen Konstanten einer oder mehrerer Schichten in einer Probe anhand der gemessenen Größen gemäß den Prinzipien der optischen Reflektometrie oder Ellipsometrie ermittelt werden. In diesem Fall können die im System dieser Erfindung verfügbaren Pikosekunden-Lichtimpulse verwendet werden, um solche Reflektometrie- oder Ellipsometriemessungen durchzuführen, wobei keine zusätzlichen Lichtquellen erforderlich sind. Die gepulste Eigenschaft des Lasers ist für diese Messungen nicht relevant. Die Ermittlung der optischen Konstanten und/oder der Schichtdicken ermöglicht anschließend, daß die Schallgeschwindigkeit und/oder die Dicke aus einer einzelnen Messung der Frequenz f abgeleitet werden können.
Das vorangehende Beispiel wurde im Hinblick auf die Messung von ΔR(t) beschrieben; selbstverständlich kann die gleiche Technik auf andere Stoßgrößen angewendet werden.
Für viele Proben von derzeitigem Interesse in der Halbleiterschaltungsherstellungsindustrie ist es unpraktisch, die Änderung ΔT beim Durchlassen des Fühlerlichtimpulses zu messen. Die Schichten sind normalerweise auf Siliciumsubstraten mit einer Dicke von ungefähr 0,02 cm aufgebracht. Sofern nicht Licht mit einer Wellenlänge von einem Mikrometer oder größer verwendet wird, wird das Licht im Substrat stark absorbiert wodurch die Messung der Transmission sehr schwierig wird. Für solche Proben sind herkömmliche Verfahren daher im wesentlichen auf die Verwendung der Messung der Änderung ΔR der optischen Reflektivität beschränkt, die vom Pumpimpuls induziert wird. Viele interessierenden Proben enthalten eine Serie von Schichten, die sequentiell auf dem Substrat abgeschieden worden sind. Dieser Typ von Struktur kann als ”Stapel” bezeichnet werden. Wenn Beanspruchungsimpulse in einem Stapel erzeugt werden, kann eine sehr komplizierte Antwort (z. B. das Ergebnis einer Messung von ΔR(t)) erhalten werden. Diese komplexe Antwort resultiert aus der Erzeugung von Beanspruchungsimpulsen in mehreren unterschiedlichen Abschnitten der Struktur, der Ausbreitung dieser Impulse mit einer teilweisen Transmission und einer teilweisen Reflexion an den Grenzflächen oder den Schichten, und der Änderung des Intensitätsreflexionskoeffizienten der Struktur aufgrund der durch die Beanspruchung induzierten Änderungen der optischen Eigenschaften jeder Schicht. Um die Dicke mehrerer Schichten in einem Stapel zu ermitteln, ist die Ermittlung der Zeitpunkte erforderlich, zu denen die Beanspruchungsimpulse, die an bekannten Stellen in der Struktur entspringen, an verschiedenen Grenzflächen reflektiert oder durchgelassen werden. Aus diesen Zeitpunkten und unter Verwendung der angenommenen Geschwindigkeiten für die verschiedenen Schichten können die Dicken der Schichten festgestellt werden. Die Ermittlung der eben erwähnten Zeitpunkte erfordert die Identifizierung der unterschiedlichen Merkmale, die in der Antwort ΔR(t) erscheinen. Mit der in herkömmlichen Systemen zur Verfügung stehenden Anordnung kann die Identifizierung des Ursprungs der verschiedenen Merkmale für eine Mehrschichtstruktur extrem schwierig und/oder zeitaufwendig sein. Es ist häufig erforderlich, zu raten, ob ein bestimmtes Merkmal von einem Beanspruchungsimpuls kommt, der an einer bestimmten Stelle entspringt und einer bestimmten Sequenz von Transmissionen und Reflexionen an verschiedenen Grenzflächen unterworfen ist. Außerdem kann es der Fall sein, daß ein bestimmtes interessierendes Merkmal, wie z. B. die Ankunft eines Beanspruchungsimpulses an einer bestimmten Grenzfläche, eine Antwort ergibt, die dominant ist oder von einer größeren Antwort von einem weiteren Beanspruchungsimpuls, der einen anderen Abschnitt der Struktur in nahezu der gleichen Zeit erreicht, überdeckt wird. Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten wie folgt.
Wie oben erwähnt, ist im Stand der Technik die hauptsächlich gemessene Größe für die meisten Proben von derzeitigem technischen Interesse die Änderung ΔR(t) der optischen Reflektivität. Wenn die Antwort ΔR(t) schwierig zu analysieren ist, ist es auch schwierig, die benötigten Informationen über die Struktur, z. B. die Dicken der unterschiedlichen Schichten, abzuleiten. Diese Schwierigkeit kann durch Messungen von ΔP, Δθ oder ΔΩ beseitigt werden. Zum Beispiel kann ein bestimmtes wichtiges Merkmal als eine sehr kleine Antwort im ΔR(t) erscheinen, jedoch eine dominante Antwort im ΔP(t), Δθ(t) oder ΔΩ(t) erzeugen.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung kann das nichtdestruktive System und das Verfahren ferner gleichzeitig wenigstens zwei Stoßantworten der Struktur auf den Pumpimpuls messen. Die gleichzeitig gemessenen Stoßantworten umfassen wenigstens zwei aus der Gruppe der Messungen der modulierten Änderung ΔR der Intensität eines reflektierten Anteils eines Fühlerimpulses, der Änderung ΔT der Intensität eines durchgelassenen Anteils des Fühlerimpulses, der Änderung ΔP der Polarisierung des reflektierten Fühlerimpulses, der Änderung Δθ der optischen Phase des reflektierten Fühlerimpulses und der Änderung des Reflexionswinkels ΔΩ des Fühlerimpulses. Die gemessenen Stoßantworten werden anschließend wenigstens einer interessierenden Eigenschaft der Struktur zugeordnet.
Selbst wenn jedoch die Messung von ΔP(t), Δθ(t) oder ΔΩ(t) keine Antwort aufzeigt, in der das Merkmal von primärem Interesse dominiert, ist es immer noch möglich, die interessierende Antwort mittels eines ”Differentialverfahrens” (DM) effektiv zu isolieren. Das heißt, durch Aufnehmen einer geeigneten Linearkombination unterschiedlicher gemessener Antworten kann es möglich sein, die Größe der interessierenden Antwort zu verbessern und die Größe der anderen konkurrierenden Antwort oder Antworten zu reduzieren.
Der gleiche Typ von DM-Prozedur wie eben beschrieben kann ferner verwendet werden, indem gleichzeitig oder sequentiell Messungen einer oder mehrerer der Größen ΔR(t) und dergleichen bei mehr als einer Wellenlänge des Pumpstrahls und/oder des Fühlerstrahls, oder bei mehr als einem Einfallwinkel des Pumpstrahls und/oder des Fühlerstrahls oder bei mehr als einer Polarisierung des Pumpstrahls und/oder des Fühlerstrahls durchgeführt wird.
Der gleiche Typ von DM-Prozedur kann ferner für einige Proben erreicht werden, indem Messungen bei mehr als einer Intensität der Pump- und/oder Fühlerstrahlen durchgeführt werden. Der Punkt ist, daß die Antworten, wie z. B. die Änderung der Reflektivität ΔR(t), z. B. nichtlinear mit der Intensität und/oder der Dauer der Pump- und/oder Fühlerimpulse schwanken können. Durch Aufnehmen geeigneter Linearkombinationen der bei unterschiedlichen Intensitäten oder Pulsdauer gemessenen Antworten ist es somit wiederum möglich, einen Anteil der Antwort, der von einem Effekt stammt, auf Kosten der konkurrierenden Effekte zu erhöhen.
Das Pikosekunden-Ultraschallsystem gemäß der Lehre dieser Erfindung kann ferner die gleichzeitige oder sequentielle Messung von ellipsometrischen Parametern der Probe unter Verwendung von Signalen nutzen, die einer oder mehreren geeigneten nicht gepulsten zusätzlichen Lichtquellen (z. B. dem He-Ne-Laser 136) zugeordnet sind, deren optischer Weg einige oder alle optischen Komponenten gemeinsam mit der Einrichtung zum Richten der gepulsten Lasterstrahlen zur und von der Probe enthalten kann. Dies beseitigt einige der Schwierigkeiten der herkömmlichen Systeme in einer Weise ähnlich zu den obenbeschriebenen Verfahren.
Eine automatische Einstellung der Position und Orientierung der Probe, um eine gewünschte Überlappung der Pump- und Fühlerstrahlen auf der Probenoberfläche zu erhalten, kann ebenfalls verwendet werden, in Verbindung mit der Steuerung der Fleckgröße auf der Probe einer oder beider Pump- und Fühlerlaser. Dies wird erreicht, wie mit Bezug auf die 16–20 beschrieben, mit einer Einrichtung zum Erfassen eines oder beider Strahlen, nachdem sie auf die Probe aufgetroffen sind, und einer Einrichtung zum Einstellen der Höhe und der Neigung der Probe bezüglich der um die gewünschten Fokusierungsbedingungen zu erreichen. Dieser Ansatz ist manuellen Einstellungstechniken, die vom Stand der Technik gelehrt werden, insofern überlegen, als das automatische Einstellungsschema die Schwierigkeit einer langsamen und unzuverlässigen manuellen Einstellung beseitigt, die mit der Forderung nicht vereinbar ist, schnelle und genaue Messungen in einer Industrieumgebung durchzuführen. Ferner wird die Reproduzierbarkeit der Messungen zwischen den Proben ebenfalls verbessert.
Es liegt ebenfalls innerhalb es Umfangs dieser Erfindung, ein Pikosekunden-Ultraschallsystem zu schaffen, das einen oder mehrere Modulatoren der Pump- oder Fühlerstrahlen verwendet, in denen das Modulationsansteuersignal für einen oder mehrere der Modulatoren und die Impulsrate des einen oder der mehreren gepulsten Laser von einem gemeinsamen Takt abgeleitet werden. Außerdem liegt es ebenfalls im Umfang der Lehre dieser Erfindung, daß die Modulation des Pump- oder Fühlerstrahls aus der Impulsrate eines oder mehrerer der gepulsten Laser im System abgeleitet wird. Dies beseitigt ein Problem des Standes der Technik, bei dem die Modulation nicht mit der Wiederholrate des Lasers oder der Laser synchronisiert ist. Somit kann jeder Modulationszyklus eine veränderliche Anzahl von Fühler- oder Pumpimpulsen enthalten, entsprechend der augenblicklichen Phase des Modulators bezüglich des Zeitpunkts der Laserimpulse. Diese Veränderung trägt zum Rauschen des Systems bei und wird in der vorliegenden Erfindung vorteilhaft beseitigt.
Diese Erfindung lehrt ferner ein Pikosekunden-Ultraschallsystem, bei dem Messungen für eine bestimmte Probe bei wenigstens zwei Temperaturen durchgeführt werden, um die Änderung der Schallgeschwindigkeit in einer oder mehreren Schichten als Antwort auf die Temperaturänderung zu erfassen. Die Temperaturänderung kann mittels einer Wärmelampe induziert werden, die auf die Oberfläche der Probe gerichtet ist, mittels einer Widerstandsheizvorrichtung, die mit der Rückseite der Probe in Kontakt ist, mittels der durchschnittlichen Erwärmung der Probe durch die Pumplichtimpulse oder mittels Verwendung einer weiteren Lichtquelle, die durch einige der gleichen optischen Komponenten gerichtet ist, die zum Führen der Pump- und/oder Fühlerstrahlen auf die Probe verwendet werden (oder über ein bestimmtes anderes optisches System). Die Beanspruchung in einer oder mehrerer Schichten wird ermittelt durch Vergleichen der beobachteten Änderung der Schallgeschwindigkeit in einer oder mehreren Schichten, die bei zwei oder mehr Temperaturen ermittelt worden sind, mit der Beanspruchung in der Schicht oder den Schichten.
Wie beschrieben worden ist, wurde experimentell ermittelt, daß die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der statischen Spannung abhängt. Dies schafft die Grundlage für diesen Aspekt der Erfindung.
Es ist wichtig, zu beachten, daß die Anwendung dieses Verfahrens keine Messung des absoluten Werts der Schallgeschwindigkeit, sondern nur der Änderung der Geschwindigkeit mit der Temperatur erfordert. Dies ist ein wichtiger Punkt, da es zum Ermitteln der absoluten Geschwindigkeit erforderlich wäre, einen sehr genauen Wert der Schichtdicke zu kennen. Um andererseits die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit zu ermitteln, ist nur eine Messung der Temperaturabhängigkeit der akustischen Durchgangszeit erforderlich. Um die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit aus dieser Größe zu ermitteln, ist es lediglich erforderlich, eine Korrektur vorzunehmen, um die Wärmeausdehnung der Probe zuzulassen.
Diese Erfindung lehrt ferner ein Pikosekunden-Ultraschallsystem, das direkt die Ableitung über der Zeitverzögerung zwischen den Pump- und Fühlerstrahlen einiger oder aller oben aufgelisteten Größen mißt, d. h. (1) die kleine modulierte Änderung ΔR der Intensität des reflektierten Fühlerstrahls, (2) die Änderung ΔT der Intensität des durchgelassenen Fühlerstrahls, (3) die Änderung ΔP der Polarisierung des reflektierten Fühlerstrahls, (4) die Änderung Δθ der optischen Phase des reflektierten Fühlerstrahls, und/oder (5) die Änderung des Reflexionswinkels ΔΩ des Fühlerstrahls. Um die Messung der Ableitung des Fühlerimpulses zu erhalten, wird die Verzögerung mittels einer oszillierenden optischen Komponente im Pump- oder Fühlerweg periodisch über einen kleinen Bereich verändert. Ein Frequenzbereich von 10 Hz bis 1 MHz ist für diesen Zweck geeignet.
Ein Vorteil dieses Verfahrens wird im folgenden beschrieben. In vielen Anwendungen ist die Ankunftszeit der Akustikechos an bestimmten Punkten in der Probe von Interesse. Diese akustischen Echos erscheinen als scharfe Merkmale in der gemessenen Reflektivitätsänderung ΔR(t) als Funktion der Zeit. Diese Echos können relativ zum Hintergrund verstärkt werden, wenn das System direkt die Ableitung von ΔR (oder der anderen oben aufgelisteten Größen) nach der Zeit mißt, statt ΔR selbst.
Diese Erfindung lehrt ferner ein Pikosekunden-Ultraschallsystem, das eine Lichtleitfaser oder Fasern für irgendeinen der folgenden Zwecke enthält: (a) Führen des Laserstrahls zwischen verschiedenen Abschnitten des optischen Systems; (b) Führen des Pump- und/oder Fühlerstrahls zur Probe; (c) Sammeln des reflektierten oder durchgelassenen Fühlerstrahls von der Probe; und/oder (d) Erhalten eines konstanten Profils und Position des Fühlerstrahlausgangs für veränderliche Eingangsbedingungen.
Das Pikosekunden-Ultraschallsystem gemäß dieser Erfindung kann Lichtquellen enthalten, die irgendeines der folgenden Merkmale besitzen.
Ein erstes Merkmal verwendet einen gepulsten Laser, dessen Ausgang auf einen optischen Oberwellengenerator oder mehrere Generatoren gerichtet ist, wie in den 19 und 20 gezeigt. Die Ausgänge des Oberwellengenerators 138 und/oder der unmodifizierte Ausgang des Lasers werden somit für die Pump- und/oder Fühlerstrahlen verwendet. Dies ist gegenüber der herkömmlichen Praxis günstiger, da es ermöglicht, daß das Pumplicht am Detektor des Fühlerstrahls zurückgeworfen wird, um den Geräuschabstand zu verbessern. Für bestimmte Proben kann ferner die am besten geeignete Wellenlänge für die Erzeugung des Pumpstrahls von der optimalen Wellenlänge für den Fühlerstrahl verschieden sein.
Ein zweites Merkmal verwendet einen oder mehrere Polarisierungsstrahlteiler, die verwendet werden, um das Verhältnis der Pump- und Fühlerstrahlen unter Computersteuerung kontinuierlich zu ändern. Das Verhältnis kann gesteuert werden, um für eine gegebene Probe den Geräuschabstand zu optimieren. Es kann vorteilhaft sein, das Verhältnis zu ändern, um die beste Leistung für Proben mit bestimmten Eigenschaften zu erhalten.
Diese Erfindung lehrt ferner ein Pikosekunden-Ultraschallsystem, das Laser mit unterschiedlicher Wiederholrate enthält, um eine Verzögerung zu bewirken, als einen alternativen Lösungsansatz gegenüber einer mechanischen Verzögerungsbühne. Dies hat den Vorteil, daß eine mechanische Bühne nicht erforderlich ist. Außerdem können die Daten sehr schnell aufgenommen werden, vorausgesetzt, daß der Geräuschabstand annehmbar ist.
Diese Erfindung lehrt ferner ein Pikosekunden-Ultraschallsystem, das eine Mehrfachelement-Verzögerungsbühne verwendet. Dies hat den Vorteil, daß die Verzögerung des Fühlerimpulses für eine gegebene Strecke, um die die mechanische Bühne bewegt wird, erhöht wird. Somit kann die von der Bühne zurückgelegte Strecke zum Erzeugen einer gegebenen Verzögerung des Fühlerimpulses verringert werden.
Die Erfindung lehrt ferner die Messung der optischen Stoßeigenschaften der Probe unter Verwendung eines Fühlerimpulses, der aus einem Ausgangsimpuls des Lasers abgeleitet wird, der sich von dem für den Pumpstrahl verwendeten Ausgangsimpuls unterscheidet. Dies ermöglicht die Erzeugung großer effektiver Verzögerungen für den Fühlerstrahl, ohne daß das Einrichten einer sehr langen optischen Wegdifferenz im System erforderlich ist.
Die Erfindung lehrt ferner ein Pikosekunden-Ultraschallsystem, das geeignete zusätzliche Lichtquellen enthalten kann, die zusätzliche Laser sowie weiße Lichtquellen umfassen. Diese Quellen können mittels eines Leitsystems auf die Probe gerichtet sein, das einige Elemente gemeinsam mit den gepulsten Pump- und Fühlerstrahlwegen enthalten kann. Diese zusätzlichen Lichtquellen können verwendet werden, um die Ellipsometrie oder die Reflektometrie zu bewerkstelligen, oder um die Probe für Untersuchungszwecke zu beleuchten, oder um die Temperatur an einer bestimmten Stelle zu erhöhen.
Gemäß einem Aspekt schafft die Erfindung ein Pikosekunden-Ultraschallsystem, das den Farbfilter F1 im Weg des Fühlerstrahls enthält, nachdem dieser an der Probe reflektiert oder durchgelassen worden ist, um das gestreute Pumplicht zu unterdrücken. Diese Ausführungsform wird günstigerweise verwendet, wenn die Pump- und Fühlerquellen unterschiedliche Wellenlängen besitzen. Die Unterdrückung des Pumplichts verbessert den Geräuschabstand, wenn die Probenoberfläche nicht spiegelnd ist, und wenn das einfallende Pumplicht an der Probenoberfläche gestreut wird.
Die Erfindung schafft ferner ein Pikosekunden-Ultraschallsystem, das optische Elemente enthält zum Leiten des Fühlerstrahls zur Probe, und das ermöglicht, daß der Ort, die Form und/oder die Größe des Fühlerflecks auf der Probe im wesentlichen konstant und frei von Änderungen aufgrund der Variation der optischen Weglänge des Fühlerstrahls gehalten wird. Dies ist ein allgemeinerer Fall als die obenerwähnte Verwendung einer optischen Faser für einen ähnlichen Zweck. Ferner können ”aktive” Korrekturschemen verwendet werden, in denen die Eigenschaften des Fühlerflecks erfaßt werden, und bei denen die Eigenschaften des Fühlerstrahls (z. B. Profil und Ort) adaptiv korrigiert werden.
Die Erfindung lehrt ferner ein Pikosekunden-Ultraschallsystem, das ein optisches Leitsystem enthält, in dem die Pump- und Fühlerstrahlen separat auf die Probe fokusiert werden. Die Pump- und Fühlerstrahlen können seitlich relativ zueinander abgetastet werden. Genauer kann ein Leit- und Fokusierungssystem verwendet werden, bei dem der Fühlerstrahl durch eine Lichtleitfaserbaueinheit mit einem abgeschrägten Ende geführt wird, das eine Nahfeldfokusierung auf einen Fleck bewirkt, der kleiner ist als derjenige des Pumpstrahls und der über kleine Verschiebungen abgetastet werden kann, während der Pumpstrahl im wesentlichen stationär gehalten wird. Die Verwendung einer reduzierten Faserspitze macht es möglich, Punkte für die Pump- und Fühlerstrahlen mit Abmessungen von nur 1000 Å zu erreichen.
Es ist somit möglich, die Eigenschaften einer Probe durch die Untersuchung von Wellen zu ermitteln, die sich über die Oberfläche von einem Punkt zu einem weiteren ausbreiten. Ein zweiter Zweck ist, Raumwellen zu erzeugen, die durch die Probe vom gepumpten Bereich zum Fühlerfleck wandern. Andere Anwendungen beziehen sich auf Strukturen, die quer gemustert sind. In diesem Fall kann das Pumplicht so ausgerichtet sein, daß es in einem ”Punkt” absorbiert wird, d. h. in einer Schicht, die einen sehr kleinen Bereich aufweist. Die in diesem Punkt erzeugten Beanspruchungswellen pflanzen sich anschließend zu dem Bereich der Struktur fort, der vom Fühlerimpuls abgetastet wird.
Ferner wird ein Pikosekunden-Ultraschallsystem offenbart, bei dem die Ergebnisse der Messungen beispielsweise mit Computersimulationen der gemessenen Antwort oder der Antworten (1)–(5) verglichen werden. Um die Simulation durchzuführen, werden die folgenden Schritte ausgeführt. Ferner wird auf das Flußdiagramm der 21 Bezug genommen.
(A) Anfängliche Beanspruchungsverteilung
Die Beanspruchungsverteilung in der Probe, die als Ergebnis der Absorption des Pumpimpulses erzeugt wird, wird unter Verwendung bekannter Werte für die optische Absorption der verschiedenen in der Probe vorhandenen Materialien, der spezifischen Wärme dieser Materialien, der Wärmeausdehnungskoeffizienten und der elastischen Konstanten berechnet. Um die Beanspruchungsverteilung zu berechnen, kann der Effekt der Wärmediffusion berücksichtigt werden. Für eine Probe, die aus mehreren ebenen Schichten unterschiedlicher Materialien mit Materialeigenschaften besteht, die über alle Schichten gleich sind, wird die folgende Prozedur verwendet.
Aus den optischen Konstanten und den Dicken der Schichten wird das elektrische Feld aufgrund des Pumplichtimpulses in allen Punkten in der Struktur berechnet, ausgedrückt durch die Amplitude, den Einfallswinkel und die Polarisation des auf die Probenoberfläche auftreffenden Pumpstrahls. Diese Berechnung wird am leichtesten durch Verwendung der optischen Übertragungsmatrizen durchgeführt. Als nächstes wird aus der berechneten elektrischen Feldverteilung die in der Struktur absorbierte Energie als Funktion der Position berechnet. Als nächstes wird die Wirkung der Wärmediffusion auf die absorbierte Energieverteilung berücksichtigt. Als nächstes wird der Temperaturanstieg jedes Abschnitts der Probe berechnet. Dieser Temperaturanstieg ist die pro Volumeneinheit eingebrachte Energie geteilt durch die spezifische Wärmekapazität. Als nächstes wird die Beanspruchung in allen Punkten in der Probe aus dem Temperaturanstieg berechnet, indem der Temperaturanstieg mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem entsprechenden Elastizitätsmodul multipliziert wird.
(B) Änderung der Beanspruchung und der Spannung über der Zeit
Die Änderung der Beanspruchung und der Spannung in der Probe wird als nächstes als Funktion der Zeit und der Position unter Verwendung der Gesetze der physikalischen Akustik berechnet. Diese Berechnung wird effektiv mittels eines ”Schrittalgorithmus” durchgeführt, der die folgenden Berechnungen ausführt.
Erstens, es wird ein Zeitschritt τ gewählt. Für jede Schicht, die die interessierende Struktur enthält, wird anschließend eine Fachgröße b gleich der Zeit τ multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit in der Schicht berechnet. Jede Schicht wird anschließend in Fächer dieser Größe oder kleiner eingeteilt. Beispielsweise können Fächer kleinerer Größe für jeden Schichtrand verwendet werden. Der Zeitschritt τ wird so gewählt, daß jede Schicht vorzugsweise eine große Zahl von Fächern enthält. Die Ergebnisse des Vorangehenden ergeben die vom Pumpimpuls in jedem Fach der Struktur erzeugte Beanspruchung. Als nächstes wird die Beanspruchung in jedem Fach in zwei Komponenten zerlegt, eine, die sich anfangs in Richtung zur freien Oberfläche der Probe ausbreitet, und eine die sich von dieser weg ausbreitet. Innerhalb einer gegebenen Schicht werden diese zwei Komponenten von Fach zu Fach in Ausbreitungsrichtung vorgerückt. Für ein Fach nahe dem Rand zwischen zwei Schichten wird die Ausbreitung in Richtung zum Rand teilweise in das erste Fach auf der anderen Seite des Randes und weiter in der gleichen Richtung fortpflanzend vorgerückt, und teilweise in das ursprüngliche Fach, jedoch in Rückwärtsrichtung fortpflanzend vorgerückt. Der Bruchteil der Beanspruchung, der über die Grenzfläche vorgerückt wird, und der Bruchteil, der in Rückwärtsrichtung vorgerückt wird, werden anhand der Gesetzte der physikalischen Akustik berechnet. An der oberen (freien) Oberfläche der Struktur verbleibt die Beanspruchung in dem Fach neben der Oberfläche, die sich in Richtung zur Oberfläche ausbreitet, im gleichen Fach, jedoch wird ihre Richtung umgekehrt, d. h. sie wird zu einem Beanspruchungsimpuls, der sich im Richtung zum Inneren der Struktur fortpflanzt, statt in Richtung zur Oberfläche. Durch Anwenden dieser Prozedur auf alle Fächer für eine ausreichende Anzahl von Zeitschritten τ kann die Beanspruchungsverteilung für eine beliebig lange Zeitspanne zum Vergleich mit den gemessenen Ergebnissen berechnet werden. Aus der berechneten Beanspruchung wird die Spannung berechnet mittels Dividieren durch den geeigneten Elastizitätskoeffizienten.
Proben, die bei der Chipherstellung von Interesse sind, besitzen typischerweise mehrere dünne Schichten, die auf der Oberseite eines Halbleitersubstrats aufgebracht sind. Derzeit beträgt die Gesamtdicke derselben einige Mikrometer oder weniger, während das Substrat typischerweise ungefähr 200 μm dick ist. Ein wichtiger Vorteil dieses ”Schrittverfahrens” ist, daß es nicht erforderlich ist, die Beanspruchungsfortpflanzung durch das gesamte Substrat zu berücksichtigen. Statt dessen ist es normalerweise ausreichend, nur einfach des Substrats zusammen mit den ”Randbedingungen” zu betrachten, die im folgenden spezifiziert werden.

(1) Zu jedem Zeitschritt τ kann die Beanspruchung innerhalb des einzelnen Faches des Substrats, die sich in Richtung zum Substrat fortpflanzt, als vollständig in den Rest des Substrats übertragen betrachtet werden, so daß kein Teil dieser Beanspruchung reflektiert wird. (2) Die Beanspruchung innerhalb des Substratfaches, die sich in Richtung zur Schichtstruktur ausbreitet, wird zu 0 angenommen. Diese Beschreibung der Behandlung des Substrats trifft zu, wenn die Menge des Lichts, das das Substrat erreicht, nachdem es durch irgendwelche Schichten, die auf dem Substrat abgeschieden worden sind, gelangt ist, vernachlässigt werden kann. Diese Bedingung trifft für die Mehrheit der Strukturen zu, die von aktuellem industriellen Interesse sind.

Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist und das Licht das Substrat erreicht, ist es erwünscht, in der Simulation eine Dicke des Substrats vorzusehen, die ausreicht, um die gesamte Tiefe zu enthalten, über die das Pump- oder das Fühlerlicht signifikant eindringen kann. Diese Tiefe beträgt typischerweise mehrere, z. B. 5, Absorptionslängen des Pump- oder Fühlerlichts. Dieser Bereich des Substrats wird anschließend in Fächer mit der oben spezifizierten Dicke unterteilt. Das letzte Fach des Substrats wird anschließend entsprechend den folgenden Randbedingungen behandelt.
Erstens, bei jedem Zeitschritt wird die Beanspruchung innerhalb des letzten Faches des Substrats, die sich in Richtung zum Inneren des Substrats fortpflanzt, als vollständig in den Rest des Substrats übertragen betrachtet, so daß kein Teil dieser Beanspruchung reflektiert wird. Zweitens, die Beanspruchung innerhalb des letzten Faches des Substrats, die sich in Richtung zur Schichtstruktur fortpflanzt, wird zu 0 angenommen.
Für einige Proben ist die obenerwähnte Unterteilung der Simulation in die Betrachtung der Berechnung des Temperaturanstiegs und in die Fortpflanzung der Beanspruchung möglicherweise nicht anwendbar. Es ist zu beachten, daß, sobald Energie in irgendeinen Teil der Probe eingetragen wird, eine Beanspruchung entsteht und mechanische Wellen in die benachbarten Regionen ausgesendet werden. Wenn die Diffusion der Energie ausreichend groß ist und für eine ausreichende Zeitspanne fortbesteht, erzeugen die Temperaturänderungen und die zugehörige Beanspruchungsverteilung in der Probe weiterhin neue Beanspruchungswellen. Die Erweiterung der Simulation, um diesen Effekt einzuschließen, ist jedoch einfach.
In einigen Proben, insbesondere in Metallschichten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, ist eine detailliertere Behandlung der Diffusion der Energie erforderlich. Die Energie im Pumplichtimpuls wird anfangs in die Leiterelektronen eingebracht, wodurch deren Energie beträchtlich über das Fermi-Niveau angehoben wird. Diese Elektronen haben einen sehr hohen Diffusionseffizienten und können eine signifikante Strecke durch die Probe zurücklegen, bevor sie ihre überschüssige Energie als Wärme an das Gitter abgeben. Unter diesen Bedingungen ist die Diffusion der Energie mit dem Fourier-Gesetz für die klassische Wärmeleitung nicht angemessen beschrieben. Stattdessen wird vorzugsweise ein eher mikroskopischer Ansatz verwendet, der die Diffusionsrate der Elektronen und die Rate, mit der sie Energie verlieren, berücksichtigt.
(C) Berechnung der vom Fühlerstrahl gemessenen Stoßantwort
Aus der berechneten Spannungsverteilung als Funktion der Tiefe in der Probe werden die Änderungen Δn und Δκ der optischen Konstanten berechnet. Dieser Schritt erfordert die Kenntnis der Ableitungen der optischen Konstanten n und κ nach der elastischen Spannung.
Aus den berechneten Änderungen Δn und Δκ der optischen Konstanten als Funktion der Tiefe wird wenigstens eine der Größen ΔR, ΔT, ΔP, Δϕ und Δβ berechnet und mit den gemessenen Ergebnissen verglichen. Diese Berechnung wird am bequemsten durch Verwendung der optischen Transfermatrizen durchgeführt.
Die obige Beschreibung der Simulationsschritte A–C ist in Ausdrücken eines eindimensionalen Modells dargestellt, das nur die Änderung des elektrischen Feldes des Fühlerlichts, die elastische Beanspruchung, die elastische Spannung und dergleichen auf der Strecke längs der Richtung senkrecht zur Oberfläche der Probe berücksichtigt. Es liegt im Umfang dieser Erfindung, die Berechnungen zu erweitern, um die Variation der Intensität der Pump- und Fühlerstrahlen innerhalb der Ebene der Oberfläche der Probe zu ermöglichen. Dieser Ansatz ist für die Berechnung der Änderung des Ausbreitungswinkels des reflektierten Fühlerlichts ΔΩ nützlich.
Eine Serie solcher Simulationen wird durchgeführt, in der die angenommenen Dicken der Schichten in der Struktur variiert werden. Durch Vergleichen der Ergebnisse der Simulation mit einigen oder allen gemessenen Größen ΔR, ΔT, ΔP, Δϕ und ΔΩ können die Dicken der Schichten ermittelt werden.
Es liegt ferner im Umfang der Erfindung, die Schichtdicken so einzustellen, daß sie mit den Ergebnissen irgendwelcher oder aller folgenden Messungen konsistent sind: (a) Messungen der optischen Reflektivität durch Messungen der einfallenden und reflektierten mittleren Intensität der Pump- und/oder Fühlerstrahlen; (b) Messungen der mittleren Phasenänderung der Pump- und/oder Fühlerstrahlen bei der Reflexion; und (C) Messungen der mittleren Polarisierung und der optischen Phase der einfallenden und reflektierten Pump- und/oder Fühlerstrahlen.
Es liegt ferner im Umfang der Lehre dieser Erfindung, Simulationen einzuschließen, die als Einstellparameter wenigstens einen der folgenden Parameter für einen oder mehrere Schichten enthalten, um eine beste Anpassung an die gemessenen Daten zu finden.
Ein erster einstellbarer Parameter ist die Schichtdicke, um die Dicken einzustellen, die gemäß dem obenbeschriebenen Verfahren erhalten werden.
Hierzu kann auf einen Artikel mit dem Titel ”Time-resolved study of vibrations of α-Ge:H/α-Si:multilayers”, Physical Review B, Bd. 38, Nr. 9, 15. September 1988, H. T. Grahn u. a., Bezug genommen werden, der sich auf eine Simulation einer Mehrschichtstruktur und eine Variation der Schichtdicke (sowie der Schallgeschwindigkeiten) bezieht. Wie in diesem Artikel berichtet wird, war es nicht möglich, solche Parameter zu finden, daß die simulierte Antwort mit einem experimentell beobachteten ΔR(t) übereinstimmte. Es kann ferner beispielsweise auf die folgenden Artikel Bezug genommen werden, die ebenfalls von einem der Erfinder dieser Patentanmeldung mitverfaßt wurden: ”Sound velocity and index of refraction of AlAs measured by picosecond ultrasonics”, Appl. Phys. Lett. 53 (21), 21. November 1988, S. 2023–2024, H. T. Grahn u. a.; ”Elastic properties of silicon oxynitride films determined by picosecond acoustics”, Appl. Phys. Lett. 53 (23), 5. Dezember 1988, S. 2281–2283, H. T. Grahn u. a.; und ”Study of vibrational modes of gold nanostructures by picosecond ultrasonics”, Appl. Phys. 73 (1), 1. Januar 1993, S. 37–45, H. N. Lin u. a.
Ein zweiter einstellbarer Parameter ist die Schallgeschwindigkeit. Ein Beispiel einer Situation, in der die Schallgeschwindigkeit ermittelt werden kann, wurde oben beschrieben. In diesem Zusammenhang wird daher die Ermittlung der Parameter n, d und v durch Vergleichen der gemessenen Daten mit Simulationen statt durch eine Messung der Frequenz f(θ) als Funktion des Winkels θ gelehrt.
Ein dritter einstellbarer Parameter ist die Kristallorientierung in einer Schicht. Dies kann erreicht werden durch Messen der Schallgeschwindigkeit, die in allen Kristallen, sogar in denjenigen mit kubischer Symmetrie, von der Kristallorientierung abhängt. In nichtkubischen Kristallen führt die Kristallorientierung der Schicht oder die Vorzugsorientierung der kristallinen Körner zu anisotropen optischen Eigenschaften, die durch Messungen der obenbeschriebenen optischen Maße der optischen Reflektivität erfaßt werden können, indem die einfallende und reflektierte mittlere Empfindlichkeit der Pump- und/oder Fühlerstrahlen, die mittlere Phasenänderung der Pump- und/oder Fühlerstrahlen bei der Reflexion; und/oder die mittlere Polarisierung und die optische Phase der einfallenden und reflektierten Pump- und/oder Fühlerstrahlen ermittelt werden.
Ein vierter einstellbarer Parameter ist die Grenzflächenrauheit. Der Grenzflächenrauheitsparameter verursacht z. B. eine Verbreiterung eines Beanspruchungsimpulses, der über die Grenzfläche hinweg übertragen oder an dieser reflektiert wird.
Ein fünfter einstellbarer Parameter ist die Grenzflächenhaftfestigkeit, die im folgenden genauer beschrieben wird.
Ein sechster einstellbarer Parameter ist die statische Beanspruchung. Eine geeignete Prozedur, die diese ermitteln kann, ist vorher im Zusammenhang mit den Messungen beschrieben worden, die bei zwei oder mehr Temperaturen der Probe vorgenommen wurden.
Ein siebter einstellbarer Parameter ist die Wärmediffusivität. Die Wärmediffusivität der unterschiedlichen Schichten in der Probe beeinflußt die Form und die Größe der erzeugten Beanspruchungsimpulse. Durch Behandeln der thermischen Diffusivität als ein einstellbarer Parameter und durch Auswählen desselben, um die beste Übereinstimmung zwischen der Simulation und den gemessenen Daten zu erhalten, kann die thermische Diffusivität einer bestimmten Schicht in der Struktur ermittelt werden.
Ein achter einstellbarer Parameter ist die elektronische Diffusivität. In bestimmten Proben, die Metallschichten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit enthalten, hat die Diffusion der Leiterelektronen, bevor diese ihre vom Pumpimpuls empfangene Energie abgeben, großen Einfluß auf die Form und Größe der erzeugten Beanspruchungsimpulse. Die Behandlung der elektronischen Diffusivität als einstellbarer Parameter und das Einstellen desselben, um die beste Übereinstimmung zwischen der Simulation und den gemessenen Daten zu erhalten, kann die elektronische Diffusivität einer bestimmten Schicht in der Struktur ermittelt werden.
Es wird angenommen, daß die siebten und achten einstellbaren Parameter separat oder in Verbindung miteinander eine Einrichtung zum Ermitteln des elektrischen Widerstandes der Metallschichten bilden.
Ein neunter einstellbarer Parameter verwendet die optischen Konstanten der Schichten und/oder des Substrats.
Ein zehnter verwandter einstellbarer Parameter sind die Ableitungen der optischen Konstanten nach der Beanspruchung oder der Spannung.
Ein elfter einstellbarer Parameter ist die Oberflächenrauheit. Die Oberflächenrauheit hat die Konsequenz, daß ein Beanspruchungsimpuls, der an der Oberfläche der Probe reflektiert wird, verbreitert wird. Diese Verbreiterung kann in die Simulation eingeführt und eingestellt werden, bis die Simulation die beste Übereinstimmung mit den gemessenen Daten ergibt. Auf diese Weise kann die Oberflächenrauheit ermittelt werden.
Ein zwölfter einstellbarer Parameter ist die Grenzflächenkontamination. Wenn eine Grenzfläche zwischen zwei Materialien A und B durch das Vorhandensein einer dünnen Schicht eines weiteren Materials C kontaminiert ist, beeinflußt das Vorhandensein der Schicht C die Reflexions- und Transmissionskoeffizienten für Beanspruchungswellen, die auf die Grenzfläche treffen. Für zwei elastische Medien mit perfektem mechanischem Kontakt sind die Reflexions- und Transmissionskoeffizienten durch die wohlbekannten Formeln aus der physikalischen Akustik gegeben. Die Wirkung der Grenzflächenhaftfestigkeit auf die Koeffizienten wird im folgenden beschrieben. Die Koeffizienten können ferner durch andere Effekte beeinflußt werden, die in keiner Beziehung zur Haftfestigkeit stehen. Zusätzlich zur Veränderung der Festigkeit der Kopplung zwischen A und B (d. h. der Haftfestigkeit) liefert die Kontaminationsschicht C z. B. eine Schicht von Masse an der Grenzfläche, die die akustische Ausbreitung beeinflußt. Die Kontaminationsschicht C kann ferner zu einer zusätzlichen optischen Absorption an der Grenzfläche führen. Die zusätzliche optische Absorption des Pumpimpulses führt in diesem Fall zu zusätzlichen Beanspruchungswellen, die an der Grenzfläche erzeugt werden. Die Erfassung dieser zusätzlichen Beanspruchungswellen liefert eine Einrichtung zum Erfassen des Vorhandenseins der Kontaminationsschicht C. Dieses Verfahren kann vorteilhaft zum Erfassen einer Kontamination auf der Oberfläche von optisch transparenten Substratmaterialien verwendet werden.
Ein dreizehnter einstellbarer Parameter bezieht sich auf andere Abmessungen neben der Dicke und der geometrischen Form. Diese Parameter sind im allgemeinen für Messungen an Proben, die nur aus ebenen Schichten bestehen, nicht relevant. Stattdessen gehen diese einstellbaren Parameter in die Charakterisierung der Proben des obenerwähnten Typs mit Bezug auf die seitlich gemusterten Strukturen und dergleichen ein. Diese einstellbaren Parameter werden auch für die Charakterisierung einer Matrix identischer Strukturen mit Abmessungen sehr viel größer als der Pump- und Fühlerfleckdurchmesser angewendet, wie im folgenden beschrieben wird.
Ein weiterer einstellbarer Parameter bezieht sich auf das Vorhandensein und die Dicke einer Region der Vermischung zwischen zwei benachbarten Schichten.
Ein wichtiger Aspekt dieser Erfindung bezieht sich auf die genaue Beziehung zwischen den Computersimulationen und den optischen Stoßantworten, die vom System gemessen werden. Die folgende Beschreibung erläutert die wesentlichen Aspekte dieser Beziehung für ein bestimmtes Beispiel einer Probe, die mehrere ebene Schichten enthält, deren Querausdehnung sehr viel größer ist als deren Dicke und auch größer als die linearen Abmessungen des Bereichs der Probe, die von den Pump- und Fühlerimpulsen beleuchtet wird. Eine Verallgemeinerung auf quergemusterte Strukturen ist für Fachleute der entsprechenden Technik offensichtlich, wenn sie von den folgenden Lehren geführt werden. In ähnlicher Weise betrachtet die folgende Beschreibung, wiederum als ein spezielles Beispiel, eine bestimmte optische Stoßantwort, nämlich die Änderung ΔR(t) der optischen Reflektivität. Die Verallgemeinerung der Beschreibung zur Betrachtung der anderen obenerwähnten optischen Stoßantworten ist für Fachleute ebenfalls offensichtlich, wenn sie von den folgenden Lehren geleitet werden.
In diesem Beispiel berechnen die Computersimulationen die Änderung der optischen Reflektivität ΔR_sim(t) der Probe, wenn sie mit einem Pumpimpuls mit einer Energieeinheit pro Einheitsfläche der Probe beleuchtet wird. Diese Simulation ergibt ferner einen Wert für den statischen Reflexionskoeffizienten der Pump- und Fühlerstrahlen. Das System mißt die Stoßänderung ΔP_probe-refl in der Leistung des reflektierten Fühlerimpulses, wie er z. B. von der Photodiode D1 in 18 ermittelt wird. Es mißt ferner die statischen Reflexionskoeffizienten der Pump- und Fühlerstrahlen anhand eines Verhältnisses der Leistung der einfallenden und reflektierten Strahlen. Die einfallende Fühlerleistung wird mittels der Photodiode D2 in 18 gemessen, die reflektierte Fühlerleistung wird mittels D1 gemessen, die einfallende Pumpleistung wird mittels D4 gemessen und die reflektierte Pumpleistung wird mittels D3 gemessen.
Um die Simulationsergebnisse für die Stoßänderung der optischen Reflektivität mit der Systemmessung in Beziehung zu setzen, ist erforderlich, zu wissen: (a) die Leistung der Pump- und Fühlerstrahlen; (b) die Intensitätsprofile dieser Strahlen; und (c) deren Überlappung auf der Probenoberfläche.
Zuerst sei angenommen, daß der Pumpstrahl auf einer Fläche A_pump auftrifft, und daß innerhalb dieses Bereichs die Pumpintensität gleichmäßig ist. Dann beträgt für jeden aufgebrachten Pumpimpuls die pro Flächeneinheit absorbierte Energie
wobei f die Wiederholrate des Pumpimpulszuges ist und R_pump der Reflexionskoeffizient für den Pumpstrahl ist. Somit beträgt die Änderung der optischen Reflektivität für jeden Fühlerlichtimpuls
wobei die Änderung der Leistung des reflektierten Fühlerstrahls
beträgt.
In einem praktischen System erzeugt die Beleuchtung der Probe jedoch tatsächlich keine gleichmäßige Intensität des einfallenden Pumpstrahls. Außerdem verändert sich auch die Intensität des Fühlerlichts mit der Position der Probenoberfläche. Um diese Variationen zu berücksichtigen, wird die Gleichung für ΔP_probe-refl modifiziert zu
wobei die effektive Fläche A_effective durch die Gleichung
definiert ist, wobei I_probe-inc(r ⇀) und I_pump-inc(r ⇀) jeweils die Intensitäten der Fühler- und Pumpstrahlen auf der Oberfläche der Probe sind. Es kann A_effective als effektive Fläche der Überlappung der Pump- und Fühlerstrahlen betrachtet werden.
Analoge Ausdrücke können für die Änderung der optischen Durchlässigkeit ΔT(t), die Änderung der optischen Phase Δθ(t), die Änderung der Polarisation ΔP(t) und die Änderung Δβ(t) des Reflexionswinkels des Fühlerlichts abgeleitet werden.
Die folgenden Größen werden vom System gemessen: ΔP_probe-ref, P_probe-inc, P_pump-inc, R_pump, R_probe. Die Computersimulation ergibt vorhergesagte Werte für AR_sim(t), R_pump und R_probe. Somit können die folgenden Vergleiche zwischen der Simulation und den Systemmessungen durchgeführt werden, um die Eigenschaften der Probe zu ermitteln.

(1) Ein Vergleich des simulierten und gemessenen Reflexionskoeffizienten R_pump.
(2) Einen Vergleich der simulierten und gemessenen Reflexionskoeffizienten R_probe.
(3) Einen Vergleich der simulierten und gemessenen Stoßänderung ΔP_probe-refl der Leistung des reflektierten Fühlerlichts.

Um einen Vergleich der simulierten und gemessenen Änderung durchzuführen, wird aus der vorangehenden Gleichung (6) deutlich, daß es erforderlich ist, den Wert von A_effective zu kennen. Dies kann mittels eines oder mehrerer der folgenden Verfahren erreicht werden.

(a) Ein erstes Verfahren mißt direkt die Intensitätsänderungen der Pump- und Fühlerstrahlen über die Oberfläche der Probe, d. h. I_probe-inc(r ⇀) und I_pump-inc(r ⇀) als eine Funktion der Position und verwendet die Ergebnisse dieser Messungen, um A_effective zu berechnen. Dies kann erreicht werden, erfordert jedoch sehr umsichtige Messungen, was in der industriellen Umgebung schwierig zu bewerkstelligen sein kann.
(b) Ein zweites Verfahren mißt die Stoßantwort ΔP_probe-refl für eine Probe auf einen System S, für das die Fläche A_effective bekannt ist. Dieses Verfahren mißt anschließend die Antwort ΔP_probe-refl der gleichen Probe auf dem System S', für die A_effective ermittelt werden soll. Das Verhältnis der Antworten der zwei Systeme ergibt das umgekehrte Verhältnis der effektiven Flächen für die zwei Systeme. Dies kann ein effektives Verfahren sein, da das System S gewählt werden kann, daß es ein speziell konstruiertes System ist, bei dem die von den Pump- und Fühlerstrahlen beleuchteten Flächen größer sind, als sie für ein Instrument mit einer schnellen Meßfähigkeit wünschenswert wären. Da die Flächen für dieses System groß sind, ist es einfacher, die Intensitätsänderungen der Pump- und Fühlerstrahlen über die Oberfläche der Probe, d. h. I_probe-inc(r ⇀) und I_pump-inc(r ⇀) als Funktion der Position, zu messen. Dieses Verfahren ist selbst dann effektiv, wenn die Größen, die in die Kalkulation der simulierten Reflektivitätsänderung ΔR_sim(t) eingehen, nicht bekannt sind.
(c) Ein drittes Verfahren mißt die Stoßantwort ΔP_probe-refl für eine Probe, in der alle Größen bekannt sind, die in die Berechnung der simulierten Reflektivitätsänderung ΔR_sim(t) der Probe eingehen, wenn sie mit einem Pumpimpuls mit einer Energieeinheit pro Einheitsfläche der Probe beleuchtet wird. Durch Vergleichen der gemessenen Stoßantwort ΔP_probe-refl mit der aus der Gleichung 6 vorhergesagten Antwort wird die effektive Fläche A_effective ermittelt.

Um ein wirklich effektives Instrument zu bilden, ist es erforderlich, daß die effektive Fläche A_effective über den Verlauf einer Sequenz von Messungen stabil ist. Um dies sicherzustellen, enthält das System der Erfindung eine Einrichtung zum automatischen Fokussieren der Pump- und Fühlerstrahlen auf die Oberfläche der Probe, um eine reproduzierbare Intensitätsveränderung der zwei Strahlen während jeder Messung zu erreichen. Das automatische Fokussierungssystem schafft einen Mechanismus zum Halten des Systems in einem vorher festgelegten Zustand, indem die Größe und die relativen Positionen der Strahlen auf der Probenoberfläche für effektive Stoßantwortmessungen geeignet sind.
Es ist zu beachten, daß für irgendeine Anwendung, in der die Amplitude einer optischen Stoßantwort verwendet wird, um quantitative Schlußfolgerungen über eine Probe zu ziehen (wenn z. B. die Größe eines Merkmals, das von einem akustischen Echo stammt, durch den Zustand einer vergrabenen Grenzfläche beeinflußt wird), ein Kalibrierungsschema, wie es oben beschrieben worden ist, ein Merkmal des Meßsystems sein muß.
Die vorangehende Beschreibung des Verfahrens für den Vergleich der Computersimulationsergebnisse und der Systemmessungen schlägt vor, daß mehrere Detektoren im Meßsystem kalibriert werden. Es wird angenommen, daß ein solches System Detektoren verwendet, die im linearen Bereich arbeiten, so daß die Ausgangsspannung V jedes Detektors proportional zur einfallenden Lichtleistung P ist. Für jeden Detektor gibt es somit eine Konstante G, so daß gilt V = GP. Die vorangehende Beschreibung nimmt an, daß die Konstante G für alle Detektoren bekannt ist. In dem Fall, daß diese Informationen nicht zur Verfügung stehen, können die einzelnen Kalibrierungsfaktoren, die den jeweiligen einzelnen Detektoren zugeordnet sind, die P_probe-inc, P_pump-inc und ΔP_probe-refl messen, mit A_effective und f zu einer einzigen Gesamtsystemkalibrierungskonstante C kombiniert werden. Ausgedrückt durch einen Kalibrierungsfaktor C wird die Gleichung 6 somit ausgedrückt durch ΔV_probe-refl = CV_probe-incΔR_sim(t)V_pump-inc(1 – R_pump), (8) wobei ΔV_probe-refl die Ausgangsspannung des Detektors ist, der verwendet wird, um die Änderung der Leistung des reflektierten Fühlerlichts (D1) zu messen, V_pump-inc die Ausgangsspannung vom Detektor ist, der verwendet wird, um das einfallende Pumplicht (D4) zu messen, und V_probe-inc die Ausgangsspannung des Detektors ist, der verwendet wird, um das einfallende Fühlerlicht (D2) zu messen. Um somit ein effektives Instrument zu schaffen, reicht es aus, die Konstante C zu ermitteln. Dies kann bewerkstelligt werden durch eines der zwei folgenden Verfahren.

(a) ein erstes Verfahren mißt die Stoßantwort ΔV_probe-refl für eine Probe, in der alle Größen bekannt sind, die in die Berechnung der simulierten Reflektivitätsänderung Δr_sim(t) der Probe eingehen, wenn sie mit einem Pumpimpuls von einer Energieeinheit pro Einheitsfläche der Probe beleuchtet wird. Als nächstes mißt das Verfahren V_probe-inc und V_pump-inc und ermittelt anschließend R_pump durch Messung oder aus der Computersimulation. Das Verfahren findet anschließend den Wert der Konstanten C so, daß Gleichung 8 erfüllt ist.
(b) ein zweites Verfahren mißt die Stoßantwort ΔV_probe-refl für eine Referenzprobe, für die die optische Stoßantwort ΔR(t), wenn diese mit einem Pumpimpuls von einer Energieeinheit pro Einheitsfläche der Probe beleuchtet wird, unter Verwendung eines Systems gemessen worden ist, das vorher z. B. mit einem oder mehreren der obenbeschriebenen Verfahren kalibriert worden ist. Das Verfahren mißt anschließend V_probe-inc und V_pump-inc und ermittelt R_pump durch Messung, woraufhin es den Wert für die Konstante C so findet, daß die folgende Gleichung erfüllt ist. ΔV_probe-refl = CV_probe-incΔR(t)V_pump-inc(1 – R_pump) (9)

Für diese beiden Verfahren ist es wichtig, die Autofokusbedingungen vor der Durchführung der Messungen von ΔV_probe-refl einzurichten, da C vom Wert von A_effective abhängt.
Die Lehre dieser Erfindung umfaßt ferner ein Pikosekunden-Ultraschallsystem, bei dem die Ergebnisse der Messungen mit Computersimulationen der gemessenen Antwort verglichen werden, wie oben beschrieben worden ist, wobei jedoch ein anderes Verfahren verwendet wird, um die Simulation durchzuführen. In diesem Fall werden die folgenden Schritte verwendet.
Erstens, die anfängliche Beanspruchungsverteilung in der Struktur wird unter Verwendung des obenbeschriebenen Verfahrens berechnet.
Zweitens, die akustischen Normalmoden der Struktur werden durch Lösen der Gleichungen der physikalischen Akustik zusammen mit geeigneten Randbedingungen an den Grenzflächen zwischen den Schichten, an der freien Oberfläche der Probe und an der freien Oberfläche des Substrats berechnet. Alle Normalmoden bis zu einer bestimmten Maximalfrequenz f_max werden berechnet. Die Wahl dieser Maximalfrequenz bezieht sich auf die Schärfe der Merkmale, wie z. B. der Echos, die in den gemessenen Daten erscheinen. Als eine Näherungsregel gilt, daß es dann, wenn gewünscht ist, Daten für eine interessierende Struktur zu simulieren, die eine charakteristische Zeitskala τ besitzt, erforderlich ist, f_max so zu wählen, daß das Produkt von f_max und τ mindestens so groß ist wie der Wert 1. Wenn somit z. B. die gemessenen Daten ein Echo der Breite 1 ps enthalten, ist es zum Durchführen einer genauen Simulation wünschenswert, alle Normalmoden bis zur Frequenz 1000 GHz zu berechnen.
Die Substratdicke liegt typischerweise im Bereich um 200 μm, während häufig die Gesamtdicke der auf dem Substrat aufgebrachten Dünnschichten 1 μm oder sogar weniger beträgt. Eine Berechnung der Normalmoden einer Probe, die aus Schichten auf einem Substrat dieser Dicke besteht, ist sehr schwierig und zeitaufwendig, aufgrund der sehr großen Anzahl akustischer Moden mit sehr eng beabstandeten Frequenzen. Für die Zwecke der Erzeugung einer genauen Simulation der typischen Daten auf diesem Typ von Probe ist es jedoch nicht erforderlich, die wirkliche Dicke des Substrats zu verwenden. Statt dessen reicht es aus, das ”Substrat” so zu betrachten, daß es eine Dicke besitzt, die sehr viel kleiner ist als das wirkliche physikalische Substrat. Die Dicke dieses künstlichen Substrats sollte ausreichend groß sein, so daß die für eine Schallwelle erforderliche Zeit zum Durchqueren des Substrats von den auf der vorderen Oberfläche des Substrats abgeschiedenen Dünnschichten zur entfernten Seite des Substrats und wieder zurück länger ist als die Gesamtzeitspanne, über die sich die zu simulierenden Daten erstrecken. Wenn somit z. B. die Daten sich von der Nullzeitverzögerung des Fühlerstrahls relativ zum Punktstrahl bis zu einer Zeitverzögerung von 1000 ps erstrecken und die Schallgeschwindigkeit v im Substrat 5·10⁵ cms^–1 beträgt, kann das künstliche Substrat mit einer Dicke von lediglich 2,5 μm angenommen werden. Wenn die Dicke wenigstens so groß ist, können von der Rückseite des Substrats während der Zeitspanne, während der die Messungen durchgeführt werden, keine akustischen Echos zurückkehren, weshalb die Differenz der Dicke zwischen dem künstlichen Substrat und dem wirklichen Substrat irrelevant ist.
Drittens, die anfängliche Beanspruchungsverteilung, die vom Pumpstrahl erzeugt wird, wird in eine Summe über die gerade berechneten Normalmoden zerlegt. Es ist möglich, einen Satz von Amplituden für die Normalmoden so auszuwählen, daß dann, wenn die Beiträge aller Normalmoden addiert werden, wobei ein Spielraum für die Amplitude jedes Modus angenommen wird, die anfängliche Beanspruchungsverteilung genau reproduziert wird. Diese Anfangsamplitude des n-tn Normalmodus kann als A_n bezeichnet werden.
Viertens, jeder Normalmodus besitzt ein charakteristisches räumliches Beanspruchungsmuster, das ihm zugeordnet ist. Dieses Beanspruchungsmuster ergibt eine Änderung des Reflexionskoeffizienten des Fühlerlichts, die gemäß den obenbeschriebenen Verfahren berechnet werden kann. Wenn der n-te Modus eine Einheitsamplitude besitzt, sei diese Änderung gleich B_n. Diese Änderung ist in der Amplitude des akustischen Normalmodus linear. Die Gesamtänderung der Reflektivität des Fühlerlichts zum Zeitpunkt 0 beträgt somit ΔR(t = 0) = sum_nA_nB_n. (10)
Fünftens, die Frequenz des n-tn Normalmodus sei f_n. Anschließend kann die Gesamtänderung der Reflektivität des Fühlerlichts zu irgendeinem späteren Zeitpunkt t berechnet werden als ΔR(t) = sum_nA_nB_ncos(2πf_nt). (11)
Dieses Simulationsverfahren hat den Vorteil, daß durch die Verwendung der eben gegebenen Formel die Änderung der Reflektivität zu irgendeinem gewählten Zeitpunkt oder innerhalb irgendeines gewählten Zeitbereichs berechnet werden kann, ohne daß es erforderlich ist, die akustischen oder optischen Prozesse zu betrachten, die in der Probe zu allen Zeitpunkten zwischen der Aufbringung des Pumpimpulses und dem interessierenden Zeitpunkt auftreten. Es ist wichtig, zu beachten, daß die Amplituden An und die Koeffizienten B_n nur einmal berechnet werden müssen und anschließend verwendet werden können, um die Antwort zu irgendeinem späteren Zeitpunkt zu finden.
Ferner ist zu beachten, daß die obige Beschreibung sich auf die Verwendung dieses Verfahrens für die Berechnung der Veränderung der reflektierten Intensität des Fühlerstrahls bezieht. Vollständig analoge Verfahren können jedoch verwendet werden, um die anderen interessierenden Antworten zu finden, nämlich Δt, Δb, Δϕ und ΔΩ.
Wie vorher gezeigt wurde, ist die Lehre dieser Erfindung auch auf ein Pikosekunden-Ultraschallsystem gerichtet, das die Messung einer Schwingungsantwort einer Probe ermöglicht, die z. B. eine sehr dünne Schicht auf einem Substrat oder eine sehr dünne Schicht auf einer deutlich dickeren Schicht enthält. Beispielsweise kann ein Substrat eine Schicht aus Metall, wie z. B. Aluminium, sowie eine Zwischenschicht, die aus einem Polymer besteht besitzen. Die gemessene Antwort wird anschließend analysiert, um die Dämpfungsrate der Dickenschwingung der Schicht zu ermitteln. Diese Dämpfungsrate wird mit einer Dämpfungsrate verglichen, die für ein Modell auf der Grundlage der klassischen Akustik ermittelt worden ist, in der die Grenzfläche zwischen der Dünnschicht und dem Substrat (oder der dickeren Schicht) durch einen Koppelparameter (”Haftfestigkeit”) pro Einheitsfläche charakterisiert ist. Dieser Koppelparameter, der als ein Federkonstantenparameter betrachtet werden kann, der eine lineare Eigenschaft pro Einheitsfläche ist, ist die Stärke einer Feder pro Einheitsfläche, die die Oberfläche der Dünnschicht mit dem Substrat oder mit der dickeren Schicht verbindet. Die Haftfestigkeit wird so eingestellt, daß sie eine Übereinstimmung zwischen der Simulation und dem gemessenen Wert der Dämpfung ergibt, wobei dies als ein Maß der Qualität der Grenzfläche verwendet wird.
Wie vorher gezeigt worden ist, betrifft die Lehre dieser Erfindung ferner ein Pikosekunden-Ultraschallsystem, bei dem eine Probe eine Matrix identischer Strukturen umfaßt, die Abmessungen aufweisen, die sehr viel kleiner sind als der Pump- und Fühlerfleckdurchmesser. In diesem Fall wird jede Struktur gleichzeitig vom Pumpstrahl angeregt und anschließend gleichzeitig vom Fühlerstrahl untersucht. Die Antwort jeder Struktur wird mit den obenbeschriebenen Verfahren simuliert. Die Eigenschaften der Strukturen werden anschließend durch Vergleichen der Simulation und der gemessenen Antwort abgeleitet.
Diese Erfindung lehrt ferner Verfahren zum Ableiten der Abmessungen von im wesentlichen identisch gemusterten Strukturen, die periodisch angeordnet sind, und zum Ableiten der statistischen Verteilung der Größen solcher Strukturen. Dies wird bewerkstelligt durch Vergleichen der beobachteten Antwort der Strukturen auf einen Beanspruchungsimpuls, der von einem Pumpimpuls induziert wird, mit Simulationen der Matrix der schwingenden Strukturen.
Hierzu bezieht sich die Lehre dieser Erfindung ferner auf Verfahren zum Ableiten der physikalischen Eigenschaften von Dünnschichten, die mechanisch oder mittels lithographischer Einrichtungen zu Strukturen gemustert worden sind. Die Schritte der Verfahren umfassen die Simulation der mechanischen Schwingungen einer einzelnen Struktur, die Berechnung der Änderung des Fühlerstrahls, nachdem er auf die Struktur aufgetroffen ist, und das Einstellen der physikalischen Eigenschaften der simulierten Struktur und der Grenzflächen, um eine beste Anpassung an die beobachtete Antwort zu erhalten.
Gemäß der Lehre dieser Erfindung verwendet ferner ein Pikosekunden-Ultraschallsystem ein Verfahren zum Ableiten der physikalischen Eigenschaften einer Probe und verwendet eine Analyse eines akustischen Echos oder mehrerer Echos auf der Grundlage eines oder beider der folgenden zwei Verfahren.
In einem ersten Verfahren wird eine Charakterisierung der Ankunftszeit eines Echos erhalten mittels des zeitlichen Ortes eines oder mehrerer Echomerkmale, sowie eines. Punkts der Maximal- oder Minimalamplitude oder des Beugungspunktes.
In einem zweiten Verfahren wird eine Charakterisierung der Ankunftszeit des Echos wie im ΔR(t) (oder z. B. ΔT(t), ΔP(t), Δϕ(t) und ΔΩ(t)) zu sehen, durch Faltung des gemessenen Echos mit einer geeignet ausgewählten Funktion f(t) der Zeit erhalten. Somit wird die Faltung C(t₁) = ∫ΔR(t)f(t – t₁)dt (12) berechnet. Der Zeitpunkt t₁ wird anschließend so eingestellt, daß das Ergebnis der Faltung maximiert wird, d. h. es wird C maximiert. Der resultierende Wert von t₁ wird anschließend als Schätzung der Ankunftszeit des Echos verwendet. Die Funktion f(t) kann die Form des auf einer Referenzprobe mit bekannten physikalischen Eigenschaften gemessenen Echos sein oder durch Simulation ermittelt werden. Die Echozeit oder die Zeiten, wie sie bestimmt worden sind, werden anschließend verwendet, um die Schichtdicken oder Grenzflächeneigenschaften zu erhalten.
Hinsichtlich der vorangehenden Beschreibungen ist somit klar, daß die Lehre dieser Erfindung sich ferner auf Verfahren zum Ableiten der physikalischen Eigenschaften von Dünnschichten und Grenzflächen bezieht, in denen die Schritte die sequentielle Anwendung einiger oder aller obenbeschriebenen Verfahren umfassen, um die physikalischen Parameter einer komplexen Probe mit mehr als einer Schicht oder Grenzschicht zu ermitteln.
Die Lehre dieser Erfindung bezieht sich ferner auf Verfahren zum Ableiten der Schallgeschwindigkeit und des Brechungsindex einer Schicht oder eines Substrats, in denen eine Beanspruchungswelle durch einen Lichtimpuls erzeugt wird, und in denen eine Schwingungsantwort im erfaßten Fühlerstrahl als Funktion der Verzögerung beobachtet wird, wobei Messungen der Schwingungsperiode entsprechend den wenigstens zwei Einfallswinkeln des Fühlerstrahls auf der Probenoberfläche durchgeführt werden. Die Messungen bei mehreren Winkeln können sequentiell oder gleichzeitig durchgeführt werden. In diesem Fall kann die Schicht teilweise absorbierend sein und kann eine Schicht sein, die unterhalb einer weiteren teilweise absorbierenden Schicht oder mehrerer solcher Schichten (d. h. auf der Substratseite derselben) angeordnet sind.
Die Lehren dieser Erfindung umfassen ferner Verfahren, die die Qualität einer Probe mit einer weiteren Referenzprobe in Beziehung setzen, die unter einen bestimmten Satz von Bedingungen vorbereitet worden ist, indem die beobachteten zeitlichen Antworten der Probe mit denjenigen verglichen werden, die von der Referenzprobe unter ähnlichen Bedingungen gemessen worden sind. Das Ergebnis des Vergleichs kann eine Ursache für irgendwelche beobachteten Differenzen einer speziellen physikalischen oder chemischen Eigenschaft irgendeiner Probe beschreiben, oder auch nicht.
Die Qualität wird als ein Faktor betrachtet, der sich auf die Ähnlichkeit oder Unähnlichkeit der optischen Antworten der mehreren Proben auf die Erzeugung einer Beanspruchungswelle oder eines Impulses durch den Pumpstrahl bezieht.
Diese Erfindung bezieht sich ferner auf die Anwendung der Pump- und/oder Fühlerstrahlen auf unterschiedliche räumliche Orte auf der Probe, mit der Absicht der Kennzeichnung eines dazwischenliegenden Abschnitts der Probe. Der dazwischenliegende Abschnitt der Probe kann z. B. eine Grenzfläche, ein Riß oder ein Material sein, in dem die Signale nicht direkt erzeugt werden können, die jedoch charakterisiert werden sollen.
Die Lehre dieser Erfindung bezieht sich ferner auf Verfahren und eine Vorrichtung zum Anregen von Moden von ein- oder zweidimensionalen gemusterten Objekten zum Zweck der Charakterisierung ihrer Formen, Schichtdicken, der Haftung und der strukturellen Integrität. Dieser Aspekt der Erfindung kann als Verallgemeinerung der vorangehenden Merkmale und Vorteile betrachtet werden und ist auf Proben gerichtet, die keine Dünnschichten mit gleichmäßiger Dicke sind und die im Vergleich zu ihrer Dicke groß sind. Für diese Proben umfaßt die Analyse vorzugsweise die Berechnung der Beanspruchung, der Spannung, der elektrischen Felder aufgrund der Pump- und Fühlerlichtimpulse und dergleichen, als eine Funktion der zwei oder drei räumlichen Koordinaten, statt nur den Abstand von der Oberfläche der Strecke. Während das obenbeschriebene Zeitschrittverfahren zur Lösung dieses Problems nicht angewendet werden kann, da es auf eine Dimension angewendet werden kann, werden andere numerische Simulationsverfahren verwendet, um die Berechnung durchzuführen, wie sich die Beanspruchung mit der Zeit ändert. Die vorher beschriebenen Simulationen verwenden ferner optische Transfermatrizen, um die elektrische Feldverteilung des Pumplichts und die Änderung der optischen Reflektivität (oder andere Änderungen der Eigenschaften) des Fühlerlichts zu berechnen. Das Verfahren der optischen Transfermatrix ist jedoch nicht auf gemusterte Strukturen anwendbar, da es wiederum notwendigerweise ein eindimensionales Verfahren ist. Daher wird stattdessen ein weiteres, besser geeignetes numerisches Verfahren verwendet.
Die Lehre dieser Erfindung umfaßt ferner Verfahren und eine Vorrichtung zum Anregen von Beanspruchungsimpulsen in einem Teil einer Dünnschicht oder einer Mehrfachschicht, um eine Änderung in einem weiteren Teil der Dünnschicht zu erfassen, wie z. B. ein Vorhandensein einer chemischen Reaktion, einer Vermischung oder einer Legierung an einer oder mehreren Grenzflächen innerhalb der Probe.
Die Lehre dieser Erfindung umfaßt ferner die Charakterisierung der chemischen Grenzflächenreaktionen zwischen zwei oder mehr Schichten, oder zwischen einer Schicht und einer Grenzfläche, sowie die Korrelation der akustischen und optischen Messungen mit den reagierenden Elementen. Dies umfaßt die Charakterisierung der strukturellen Phase und der Dicke und/oder der Schallgeschwindigkeit der Schichten in der Probe, einschließlich irgendwelcher neuer Schichten, die durch die chemische Reaktion gebildet werden.
Die Lehren dieser Erfindung beziehen sich ferner auf die Charakterisierung der Ionenimplantationsdosis, der Energie, der Elemente oder irgendwelcher anderer Ionenimplantationsparameter für eine durch eine Schicht durchgeführte Ionenimplantation zum Zweck der Änderung ihrer Haftung an einem Substrat oder einer darunterliegenden Schicht. Diese Charakterisierung wird gemäß irgendeiner der obenbeschriebenen Techniken ausgeführt, in der die Haftung aus den zeitlichen Eigenschaften der beobachteten Probenantwort abgeleitet werden kann, oder durch einen einfachen Vergleich mit einer Referenzantwort für eine Probe, die unter ähnlichen Bedingungen hergestellt worden ist.
Schließlich lehrt diese Erfindung ein Verfahren zum Ableiten der Ableitung des Brechungsindex n oder des Schwächungskoeffizienten κ eines Materials nach der Beanspruchung oder der Spannung durch Vornehmen von Messungen der Reflektivitätsänderung im Material, die durch einen Beanspruchungsimpuls hervorgerufen werden, von dem ein berechenbarer Anteil in einem zweiten Material erfaßt worden ist, deren Ableitungen des Brechungsindex und des Schwächungskoeffizienten nach der Beanspruchung oder der Spannung bekannt sind oder separat ermittelt werden können.
Es ist somit klar, daß, obwohl die Erfindung mit Bezug auf mehrere Ausführungsformen genauer gezeigt und beschrieben worden ist, die Lehren dieser Erfindung nicht als nur auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt betrachtet werden soll. Das heißt, Änderungen in Form und in Einzelheiten können an diesen offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Der Lehre dieser Erfindung soll somit ein Umfang zugestanden werden, der mit dem Umfang der folgenden Ansprüche übereinstimmt.

Claims

Nichtdestruktives System zum Charakterisieren einer Probe, mit: einer Einrichtung zum Erzeugen eines optischen Pumpimpulses und zum Fokussieren des Pumpimpulses auf eine Oberfläche der Probe; einer Einrichtung zum Erzeugen eines optischen Fühlerimpulses und zum Fokussieren des Fühlerimpulses auf der Oberfläche der Probe; einer Einrichtung zum Messen von wenigstens einer Stoßantwort der Struktur auf dem Pumpimpuls durch Erfassen einer Änderung des reflektierten oder durchgelassenen Anteils des Fühlerimpulses; gekennzeichnet durch: eine Einrichtung zum Simulieren einer Wirkung eines Aufbringens von Pump- und Fühlerimpulsen auf die Oberfläche der Probe; und eine Detektoreinrichtung zum automatischen Einstellen des Fokus von wenigstens einem der Pump- und Fühlerimpulse als Antwort auf die reflektierten Anteile der wenigstens einen Pump- und Fühlerimpulse, um einen effektiven Überlappungsbereich der Pump- und Fühlerimpulse auf der Oberfläche der Probe zu stabilisieren, so daß sie mit der Simulation übereinstimmen.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen eines optischen Pumpimpulses einen Zug von Pumpimpulsen erzeugt, die auf eine einzelne Stelle auf der Oberfläche der Probe aufgebracht werden.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 1, bei dem die Pumpimpulse einen Beanspruchungsimpuls in der Probe induzieren, der sich senkrecht zur Oberfläche fortpflanzt.
Nichtdestruktives System zum Charakterisieren einer Probe, mit: einer Einrichtung zum Erzeugen eines optischen Pumpimpulses und zum Richten des Pumpimpulses auf einen Bereich der Oberfläche der Probe; einer Einrichtung zum Erzeugen eines optischen Fühlerimpulses und zum Richten des Fühlerimpulses auf den gleichen Bereich der Oberfläche der Probe, so daß er nach dem Pumpimpuls ankommt, wobei der Pumpimpuls die gleiche Wellenlänge besitzt wie der Fühlerimpuls oder eine Wellenlänge besitzt, die sich von der Wellenlänge des Fühlerimpulses unterscheidet; einer Einrichtung zum Messen von wenigstens einer Stoßantwort der Struktur auf den Pumpimpuls, wobei die gemessene Stoßantwort eine Messung von wenigstens der modulierten Änderung ΔR der Intensität eines reflektierten Anteils des Fühlerimpulses, einer Änderung ΔT der Intensität eines durchgelassenen Anteils des Fühlerimpulses, einer Änderung ΔP der Polarisation des reflektierten Fühlerimpulses, einer Änderung ΔΦ der optischen Phase des reflektierten Fühlerimpulses oder einer Änderung des Reflexionswinkels ΔΩ des Fühlerimpulses umfaßt; einer Einrichtung zum Kalibrieren des Meßsystems zur Ermittlung einer Amplitude der optischen Stoßantwort der Probe; und einer Einrichtung zum Zuordnen einer Ausgabe der Einrichtung zum Messen zu wenigstens einer interessierenden Eigenschaft der Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass das System ferner eine Einrichtung zum automatischen Steuern einer Fokussierung der Pump- und Fühlerimpulse auf der Oberfläche der Probe umfaßt, um einen effektiven Überlappungsbereich der Pump- und Fühlerimpulse auf der Oberfläche der Probe zu stabilisieren; und die Zuordnungseinrichtung eine Einrichtung umfaßt zum Vergleichen einer Ausgabe der Meßeinrichtung mit wenigstens einer Simulation der Beaufschlagung der Probe mit den Pump- und Fühlerimpulsen oder mit einem Ergebnis einer Beaufschlagung einer Referenzprobe mit den Pump- und Fühlerimpulsen.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner eine Einrichtung umfaßt zum Messen einer Ableitung der Stoßantwort als Funktion von wenigstens dem Einfallswinkel der Pump- oder Fühlerimpulse und als Funktion einer Wellen länge wenigstens eines der Pump- und Fühlerimpulse.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner eine Einrichtung enthält zum Messen von wenigstens einer statischen Antwort der Probe auf den Pumpimpuls, wobei die Statikantwortmessung wenigstens eine Messung der optischen Reflektivität entsprechend einer einfallenden und einer reflektierten mittleren Intensität wenigstens eines Pump- oder Fühlerimpulses, einer mittleren Phasenänderung wenigstens eines Pump- oder Fühlerimpulses aufgrund der Reflexion an der Struktur sowie einer mittleren Polarisation und optischen Phase wenigstens eines einfallenden oder reflektierten Pump- oder Fühlerimpulses umfaßt.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die interessierende Eigenschaft eine Dicke wenigstens einer Schicht der Probe, eine mechanische Eigenschaft der wenigstens einen Schicht und eine Eigenschaft einer Grenzfläche zwischen der wenigstens einen Schicht und wenigstens einer weiteren Schicht oder dem Substrat umfaßt.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner eine Einrichtung enthält zum Variieren eines Ortes der Probe relativ zu wenigstens einem der Pump- und Fühlerimpulse.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner eine Einrichtung enthält zum Variieren einer Temperatur der Probe während einer Operation der Meßeinrichtung und zum Messen einer Ableitung einer Geschwindigkeit einer Schallwelle in der Probe nach der Temperatur, sowie zum Korrelieren der gemessenen Ableitung mit einer statischen Beanspruchung innerhalb der Probe.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Pump- und Fühlerimpulse längs paralleler optischer Wege zu einem Fokussierungsobjektiv geleitet werden, das zum Fokussieren der Pump- und Fühlerimpulse auf der Probe dient.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Pump- und Fühlerimpulse längs paralleler optischer Wege zu einem Fokussierungsobjektiv geleitet werden, das zum Fokussieren der Pump- und Fühlerimpulse auf der Probe dient, und mit entweder senkrechtem oder schrägem Einfallswinkel auf die Probe aufgebracht werden.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem einer der Pump- oder Fühlerimpulse im senkrechten Einfallswinkel auf die Oberfläche der Probe aufgebracht wird, und in dem der andere Pump- oder Fühlerstrahlimpuls in einem schrägen Einfallswinkel auf die Oberfläche der Probe aufgebracht wird.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Pump- und Fühlerimpulse aus einem einzigen Laserimpuls abgeleitet werden.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Pump- und Fühlerimpulse von separaten Laserimpulsen abgeleitet werden.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Pump- und Fühlerimpulse aus einem einzigen Laserimpuls abgeleitet werden, und das ferner eine Einrichtung umfaßt zum Umsetzen einer Wellenlänge des einzelnen Laserimpulses in eine Oberwelle dieser Wellenlänge, so daß der eine der Pump- und Fühlerimpulse eine Wellenlänge besitzt, die sich von der Wellenlänge des anderen Impulses unterscheidet.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner eine Einrichtung umfaßt zum Beaufschlagen wenigstens eines der Pump- und Fühlerimpulse mit einer Intensitätsmodulation.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 16, in dem die Einrichtung zum Beaufschlagen mit einer Impulswiederholungsrate eines Lasers synchronisiert ist, der die Pump- und Fühlerimpulse erzeugt.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 16, in dem die Einrichtung zum Beaufschlagen den Pumpimpuls mit einer ersten Intensitätsmodulationsfrequenz und den Fühlerimpuls mit einer anderen Intensitätsmodulationsfrequenz beaufschlagt.
System nach Anspruch 4, das ferner enthält: eine Laserquelle mit kontinuierlicher Welle zum Beleuchten eines Abschnitts einer Oberfläche der Probe mit Dauerlicht; und eine Einrichtung, die auf reflektiertes Dauerlicht anspricht, um eine ellipsometrische Messung der Probe durchzuführen.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner enthält: eine Lichtquelle zum Beleuchten eines Abschnitts einer Oberfläche der Probe; und eine Einrichtung zum Abbilden des beleuchteten Abschnitts und zum Zuführen des Abbildes zu einer Bedienungsperson oder einer Mustererkennungssoftware.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner versehen ist mit einer Wärmequelle zum Beleuchten eines Abschnitts einer Oberfläche der Probe mit Wärmestrahlung, um eine Temperatur der Probe während der Operation des Systems kontrolliert zu variieren.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Meßeinrichtung direkt eine Ableitung der wenigstens einen Stoßantwort der Probe nach der Zeitverzögerung zwischen dem Pumpimpuls und dem Fühlerimpuls mißt.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem einer der Pump- und Fühlerimpulse eine Wellenlänge besitzt, die sich von der Wellenlänge des anderen Impulses unterscheidet, und das ferner einen wellenlängenselektiven Filter in einem optischen Weg des Fühlerimpulses umfaßt, um den Fühlerimpuls durchzulassen, während irgendein gestreuter Anteil des Pumpimpulses abgeblockt wird.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner eine Einrichtung enthält zum Ändern der räumlichen Beziehung zwischen einem Ort, an dem der Fühlerimpuls auf die Probe auftrifft, und einem Ort an dem der Pumpimpuls auf die Probe auftrifft.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Pump- und Fühlerimpulse aus ersten bzw. zweiten gepulsten Laserquellen abgeleitet werden, und in dem sich eine Impulswiederholungsrate der ersten Quelle von einer Impulswiederholungsrate der zweiten Quelle unterscheidet.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner eine Einrichtung umfaßt zum automatischen Variieren eines Verhältnisses der Pumpimpulsenergie zur Fühlerimpulsenergie.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner eine Einrichtung enthält zum automatischen Aufrechterhalten von im wesentlichen konstantem Ort, Form und Größe des Fühlerimpulses auf der Probe für einen Bereich zeitlicher Offsets zwischen dem Fühlerimpuls und dem Pumpimpuls.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner eine Einrichtung umfaßt zum Fokussieren und Verschieben des Fühlerimpulses auf einer Oberfläche der Probe unabhängig vom Pumpimpuls.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 28, in dem die Fokussierungs- und Verschiebungseinrichtung versehen ist mit einer Faseroptik, die einen verjüngten Enddurchmesser besitzt, um eine Nahfeldfokussierung des Fühlerimpulses zu bewirken, sowie eine Einrichtung zum Verschieben des verjüngten Endes der Faseroptik relativ zu einem Brennpunkt des Pumpimpulses.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 28, in dem die Fokussierungs- und Verschiebungseinrichtung versehen ist mit einer Faseroptik, die ein zum Sammeln des reflektierten Fühlerlichts vorgesehenes Ende besitzt, sowie mit einer Einrichtung zum Verschieben der Faseroptik relativ zu einer Oberfläche der Probe.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner mehrere Faseroptiken umfaßt, die jeweils ein relativ zur Oberfläche der Probe angeordnetes Ende besitzen, um die Pump- und Fühlerimpulse auf die Probe zu richten.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 31, das ferner eine weitere Faseroptik umfaßt, die ein relativ zur Oberfläche der Probe angeordnetes Ende besitzt, um das reflektierte Fühlerlicht zu sammeln.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Probe mehrere gemusterte Unterstrukturen mit Abmessungen umfaßt, die kleiner sind als ein Fokussierungsfleckdurchmesser eines der Pump- und Fühlerimpulse, und in dem mehrere Unterstrukturen von den Pump- und Fühlerimpulsen gleichzeitig beleuchtet werden.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Probe mehrere Unterstrukturen umfaßt, die periodisch angeordnet sind, und das ferner eine Einrichtung enthält zum Ermitteln wenigstens einer Eigenschaft der Unterstrukturen durch Vergleichen einer optischen Antwort der Unterstrukturen mit Simulationen einer Schwingungsantwort der Unterstrukturen auf den Pumpimpuls.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, das ferner eine Einrichtung umfasst zum Erfassen eine Vorhandenseins wenigstens eines akustischen Echos im reflektierten Anteil des Fühlerimpulses.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 35, in dem die Erfassungseinrichtung eine Ankunftszeit des akustischen Echos ermittelt durch Erfassen eines Zeitpunkts eines interessierenden Merkmals des akustischen Echos.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 35, in dem die Erfassungseinrichtung eine Ankunftszeit des akustischen Echos ermittelt durch Falten des erfaßten akustischen Echos mit einer vorgegebenen Funktion.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Meßeinrichtung die Stoßantwort bei wenigstens zwei verschiedenen Einfallswinkeln des Fühlerimpulses mißt.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Probe ferner eine transparente Schicht oder eine teilweise absorbierende Schicht umfaßt.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Probe ferner wenigstens eine erste Schicht umfaßt, die unterhalb wenigstens einer zweiten Schicht liegt, und in dem wenigstens der Fühlerimpuls durch die wenigstens eine zweite Schicht läuft, um die wenigstens eine erste Schicht zu erreichen.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem der Pumpimpuls auf einen ersten Ort auf einer Oberfläche der Probe aufgebracht wird, wobei der Fühlerimpuls auf einen zweiten Ort auf derselben oder einer anderen Oberfläche der Probe aufgebracht wird, und wobei die Zuordnungseinrichtung eine interessierende Eigenschaft für einen Abschnitt der Probe ermittelt, der zwischen den ersten und zweiten Orten liegt.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die Probe in wenigstens einer dreidimensionalen Mehrschicht-Unterstruktur gemustert ist, und in dem die Zuordnungseinrichtung eine Einrichtung umfaßt zum Vergleichen einer Ausgabe der Meßeinrichtung mit einer dreidimensionalen Simulation der Beaufschlagung der wenigstens einen Mehrschicht-Unterstruktur mit den Pump- und Fühlerimpulsen.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die interessierende Eigenschaft eine Eigenschaft einer Zwischenschicht zwischen wenigstens einer Schicht und wenigstens einer weiteren Schicht oder dem Substrat umfaßt.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 43, in dem die Eigenschaft der Zwischenschicht wenigstens eine Dicke der Zwischenschicht, eine strukturelle Phase der Zwischenschicht und ein chemisches Element, das sich in der Zwischenschicht befindet, umfaßt.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die interessierende Eigenschaft ein Haftmerkmal der wenigstens einen Schicht an einer weiteren benachbarten Schicht oder am Substrat umfaßt.
Nichtdestruktives System nach Anspruch 4, in dem die interessierende Eigenschaft wenigstens eine Ableitung eines Brechungsindex oder eine Ableitung eines Schwächungskoeffizienten nach der vom Pumpimpuls induzierten Beanspruchung oder Spannung umfaßt.
Nichtdestruktives Verfahren zum Charakterisieren einer Probe, mit den Schritten: Erzeugen eines optischen Pumpimpulses und Richten des Pumpimpulses auf einen Bereich der Oberfläche der Probe; für jeden erzeugten optischen Pumpimpuls Erzeugen eines optischen Fühlerimpulses und Richten des Fühlerimpulses auf die Oberfläche der Probe, so daß er nach dem Pumpimpuls ankommt; automatisches Fokussieren der Pump- und Fühlerimpulse, um vorgegebene Fokussierungsbedingungen zu erreichen; Messen der wenigstens einen Stoßantwort der Struktur auf den Pumpimpuls, wobei die gemessenen Stoßantworten eine Messung wenigstens einer modulierten Änderung ΔR der Intensität eines reflektierten Anteils des Fühlerimpulses, eine Änderung ΔT der Intensität eines durchgelassenen Anteils des Fühlerimpulses, eine Änderung ΔP der Polarisation des reflektierten Fühlerimpulses, eine Änderung ΔΦ der optischen Phase des reflektierten Fühlerimpulses und eine Änderung des Reflexionswinkels Δβ des Fühlerimpulses umfaßt; Anwenden wenigstens eines Kalibrierungsfaktors auf die wenigstens eine Stoßantwort; Zuordnen einer Ausgabe der Meßeinrichtung zu wenigstens einer interessierenden Eigenschaft der Struktur; Einstellen eines Wertes der einen oder mehreren Eigenschaften der Struktur, um einen Referenzdatensatz mit der gemessenen Stoßantwort in Übereinstimmung zubringen; und Zuordnen des eingestellten Wertes der einen oder mehreren Eigenschaften zu einem Wert einer oder mehrerer wirklicher Eigenschaften der Struktur.