Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein spektrales retarderfreies Infrarot-Ellipsometer zur Bestimmung der optischen Parameter einer Materialprobe im Infrarotbereich mit einer Strahlungsquelle, einem Detektor und einer Auswerte- einheit sowie mit einer polarisierenden Interferometeranordnung aus einem polarisierenden Strahlteiler und einem ortsfesten und einem ortsveränderlichen Spiegel vor der Materialprobe, wobei die Interferometeranordnung einen Wechselausgang mit einer Weiterleitung der Infrarotstrahlen und einen Gleichausgang mit einer Rücklenkung der Infrarotstrahlen zur Strahlungsquelle aufweist, und einer Ellipsometeranordnung mit einem linearen Polarisator vor der Materialprobe und einem analysierenden Polarisator hinter der Materialprobe, wobei vom einfallenden und reflektierten Infrarotstrahl am polarisierenden Strahlteiler eine erste Einfallsebene und an der Materialprobe eine zweite Einfallsebene definiert sind.

Infrarot ist der Spektralbereich, dessen Photonenenergien den intermolekularen (Fernes Infrarot, FIR: Wellenlängen von ca. 30 μm bis in den mm- Bereich) und den intramolekularen (Mittleres und Nahes Infrarot, MIR und NIR: Wellenlängen von ca. 3 μm bis 30 μm bzw. vom sichtbaren Licht, ca. 800 nm bis ca. 3 μm) Wechselwirkungen entsprechen. In jüngster Zeit wird insbesondere der Terahertzstrahlung (FIR, Terastrahlen) besondere Aufmerksamkeit zugemessen. Insgesamt gilt aber für die Infrarotstrahlung allgemein auch, was im Folgenden beispielhaft für die Terahertzstrahlung im Speziellen ausgeführt wird. Optische Konstanten sind im Terahertzbereich des Lichts sind bislang nur von wenigen Materialien hinreichend gut bekannt. Terahertzstrahlung tritt am niederenergetischen Ende des Lichtspektrums auf und kann stabil mit einer Synchrotronquelle durch beschleunigte Elektronenpakete nahe der

Lichtgeschwindigkeit erzeugt werden. Terahertzstrahlung durchdringt die Materie und kann vielfältig angewendet werden, vom Objektscannen an Flughäfen bis hin zu biologischen Darstellungen und Studien an Halbleitern und Hochtemperatursupraleitern. An großtechnischen Speicherringen (BESSY, ANKA) kann Infrarotstrahlung hoher Intensität für die Spektroskopie, Mikroskopie und Ellipsometrie bereitgestellt werden. Mittels Infarotspektroskopie können die molekularen Baugruppen komplexer Verbindungen anhand ihrer Schwingungsabsorptionsspektren identifiziert werden. Die Ellipsometrie mit Infrarotstrahlung erlaubt es, die komplexe Dielektrizitätsfunktion einer Material- probe zu bestimmen. Diese Methode ist auch besonders empfindlich hinsichtlich der optischen Eigenschaften von dünnen Filmen. Im Gegensatz zu anderen Arten von Reflexionsmessungen sind bei der Ellipsometrie weder Referenzmessungen noch Datenextrapolationen zu hohen und tiefen Photonenenergien nötig.

Stand der Technik

Zur prinzipiellen Messmethode der Ellipsometrie wird beispielsweise auf die Veröffentlichung I „Ellipsometrie" der RWTH Aachen, Fachgruppe Physik hingewiesen (abrufbar im Internet unter der Webadresse http://ia.physik.rwth- aachen.de/methods/ellipsometry/elli.htm, Stand 12.06.2005). Die grundsätzliche Messmethode der Infrarotspektroskopie ist beispielsweise aus der Veröffentlichung Il „Prinzip der FTIR-Spektroskopie" bekannt (abrufbar im Internet unter der Webadresse http://www.ir-spektroskopie.de/spec/ftir-prinzip/, Stand 12.06.2005).

Zur Ermittlung optischer Eigenschaften von Materialien und dünner Filme ist es beispielsweise aus den NACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe, Jahrg. 32, 4/2000, S. 308-332, für Messplätze an der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA bekannt, ein Michelson-Interferometer mit einem Strahlteiler aus Polyethylen-Folie (Handelsname: Mylar) und in Reihe dahinter ein Eilipsometer

einzusetzen. Der Einsatz eines Mylar-Strahlteilers bedingt jedoch in nachteiliger Weise Interferenzen, anisotrope Effekte und einen geringen nutzbaren Frequenzbereich. Somit wird ein Interferometer mit einem Strahlteiler mit einem photometrischen Eilipsometer gekoppelt, das zunächst das Amplitu- denverhältnis tg Ψ und den Cosinus der Phasendifferenz Δ nach der Reflexion an der Materialprobe ermittelt. Zur eindeutigen Bestimmung der Phasendifferenz Δ muss jedoch auch der Sinus der Phasendifferenz Δ durch eine zusätzliche Messung mit einem Retarder ermittelt werden. An die optische Qualität der als Retarder verwendeten Prismen werden jedoch hohe Ansprüche gestellt, die auch schon im mittleren Infrarotbereich nicht realisiert werden können und daher stets ein Problem darstellen.

Die bauliche Vereinigung eines Interferometers und eines Eilipsometers führt zu einem spektralen Eilipsometer. Ein spektrales Infrarot-Ellipsometer wird beispielsweise von der Firma Lot-Oriel unter dem Namen „I R-VASE" mit einem Polymerfolienstrahlteiler und einem Autoretarder am Markt angeboten (vergleiche Prospektblätter I und II, abrufbar im Internet unter http://www.lot- oriel.com/de/htm/all/obe01 c.php und http://www.lot-oriel.com/de/htm/spec/ s09704.php, beide Stand 11.06.2005). Das bekannte Infrarot-Spektralellipso- meter weist einen kontinuierlich einstellbaren Einfallswinkelbereich des Infrarotstrahls (umgangssprachlich oft auch mit „Lichtstrahl" bezeichnet, obwohl „Licht" prinzipiell nur für den sichtbaren Spektralbereich verwendet wird) in die Materialprobe von 30° bis 90° auf. Aus der Veröffentlichung III „VASE Messungen an dünnen beschichteten Mylarfolien" (Firma Lot-Oriel, abrufbar im Internet unter der Webadresse www.lot-oriel.com/pdf/a_obe01/ mylarfolien.pdf, Stand 11.06.2005) ist es weiterhin bekannt, die Mylarfolie auf anisotrope Effekte hin zu untersuchen. Es wurden zur Ermittlung der Parameter jeweils mehrere Messungen an den Mylarfolien und auch separate Transmissionsmessungen durchgeführt und diese Spektren mit den ellipsometrischen Daten gemeinsam gefittet. Bei einer Drehung der

Materialprobe um 45° gegenüber der Einfallsebene wurde die Methode der

„generalisierten" Ellipsometrie" angewandt. Dabei wird für jeden Messpunkt bei unterschiedlichen Polarisatorstellungen des Eilipsometers gemessen. Da bei dieser Probenausrichtung die s-Komponente (senkrecht) und die p-Kompo- nente (parallel) des E-Feldvektors des einstrahlenden Lichts gemischt werden, ist das gemessene Ergebnis nicht mehr unabhängig vom Polarisationsazimut. Bei isotropen Materialproben sind die Nebenelemente der Jones-Matrix Null, bei anisotropen Materialproben nicht. Neben den Diagonalelementen ψ _ss werden die Nebenelemente ψ _sp , ψ _ps bestimmt. Diese beinhalten die Information bezüglich des Brechzahlunterschieds der einzelnen Achsen, während die Diagonalelemente die Information der absoluten Brechzahl enthalten und den isotropen ellipsometrischen Größen entsprechen. Gemessen wurde bei Einfallswinkeln von 20° und 70°. Da die Werte der Phasendifferenz Δ jedoch häufig im Bereich von 0° liegen, ist der Autoretarder zwingend notwendig, der zusätzliche Messungen bedingt.

Die Nachteile bei der Verwendung eines Retarders im Infrarotbereich und auch die Nachteile eines Mylar-Strahlteilers können durch die Verwendung eines polarisierenden Strahlteilers im Interferometer vermieden werden, da hier derartige Komponenten entfallen. Eine retarderfreie Anordnung ist beispiels- weise aus der Veröffentlichung IV „Analysis of a Polarizing Michelson

Interferometer for Dual Beam Fourier Infrared, Circular Dichroism Infrared, and Reflectance Ellipsometrie Infrared Spectroscopies" von MJ. Dignam und M. D. Baker (Appl. Spectroscopy, Vol. 35, No. 2, 1981 , pp186-193) bekannt, von der die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht. In dieser Veröffentlichung wird die Kombination eines polarisierenden Martin- Puplett-Interferometers (MPI) mit einem Eilipsometer beschrieben. Hierbei handelt es sich dementsprechend um eine gattungsgemäße Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art mit einer Strahlungsquelle, einem Detektor und einer Auswerteeinheit als Basiskomponenten. Für die Messtechnik sind zwei Anordnungen vorhanden: eine polarisierende Interferometeranordnung aus einem polarisierenden Strahlteiler und einem ortsfesten und einem ortsverän-

derlichen Spiegel vor der Materialprobe und eine Ellipsometeranordnung mit einem linearen Polarisator vor und einem analysierenden Polarisator hinter der Materialprobe. Dabei weist die Interferometeranordnung einen Wechselausgang, von dem aus die polarisierten Infrarotstrahlen in Richtung auf die Materialprobe weitergeleitet werden, und einen Gleichausgang auf, von dem aus die Infrarotstrahlen zur Strahlungsquelle rückgelenkt werden. Geometrisch definiert wird die Vorrichtung durch eine erste Einfallsebene am polarisierenden Strahlteiler und eine zweite Einfallsebene an der Materialprobe. Dabei definiert sich die Einfallsebene immer als die vom einfallenden und vom reflektierten Infrarotstrahl aufgespannte Ebene.

Die Besonderheit der MPI besteht in einem polarisierenden Strahlteiler in Verbindung mit zwei Spiegeln, von denen der eine verstellbar angeordnet ist. Bei den Spiegeln kann es sich um einfache Planspiegel, aber auch um so genannte „Dachkantspiegel" handeln, die zwei einander orthogonal gegenüber liegende Spiegelflächen aufweisen. Damit kann bei geeigneter Orientierung des Strahlteilers die gesamte von der Strahlungsquelle kommende Strahlungsenergie zum der Strahlungsquelle entgegen gesetzten Ausgang (W-Ausgang, Wechsel-Ausgang) geleitet werden. Eine in Richtung des Lichteinfalls vorgesehene parallele Verschiebbarkeit eines Spiegels dient der Erzeugung einer Phasenverschiebung bzw. eines Gangunterschiedes zwischen den beiden Teilstrahlen. Die Vektoren des elektrischen Feldes der beiden im MPI erzeugten Teilstrahlen stehen jedoch orthogonal zueinander und werden erst durch einen weiteren Polarisator zur Interferenz befähigt.

Bei der aus der Veröffentlichung IV bekannten Vorrichtung, deren Realisierung beispielsweise der Veröffentlichung V: „The DA3 at Work" (Application note number DA3 - 8701 , Fa. BOMEM, Kanada 05-87) zu entnehmen ist, wird jedoch ein weiterer Polarisator zwischen der Strahlungs- quelle und dem polarisierenden Strahlteiler verwendet. Die Transmissionsrichtung des Strahlteilers bezüglich seiner Einfallsebene beträgt darüber hinaus 0° oder 90°. Weiterhin ist in der Ellipsometeranordnung der

analysierende Polarisator bei 45° fixiert und die Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung wird durch einen aufwändigen Rotator, bestehend aus vier Spiegeln, geändert. Schließlich verlaufen die MPI- und die Ellipsometer- ebene parallel zueinander. Durch die gewählte Geometrie ist aber wiederum nur die die direkte Messung des Cosinus der Phasendifferenz Δ aus dem Interferogramm möglich. Der Sinus der Phasendifferenz Δ müsste weiterhin durch zusätzliche Messungen ermittelt werden, welche jedoch dort nicht vorgesehen sind.

Aufgabenstellung und Lösung

Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, ein spektrales retarderfreies Infrarot-Ellipsometer zur Bestimmung der optischen Parameter einer Materialprobe im Infrarotbereich der gattungsgemäßen Art zur Verfügung zu stellen, das unter Beibehaltung der Vorteile durch die Verwendung eines polarisierenden Strahlteilers im Interferometer hochgenau und ohne zusätzliche Messungen die Bestimmung der optischen Parameter zulässt. Trotz der zu erreichenden Schnelligkeit und Genauigkeit soll die erfindungsgemäße Vorrichtung einfach und zuverlässig in der Handhabung bei einer vielseitigen Einsatzmöglichkeit mit einem breiten Spektrum der zu ermittelnden Parameter sein. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dem Unteranspruch zu entnehmen, der im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert wird.

Das erfindungsgemäße spektrale retarderfreie Infrarot-Ellipsometer ist unter anderem erfindungswesentlich dadurch gekennzeichnet, dass der polarisierende Strahlteiler in der Interferometeranordnung gleichzeitig als linearer Polarisator in der Ellipsometeranordnung ausgebildet ist. Dadurch entfällt bei dem erfindungsgemäßen spektralen Infrarot-Ellipsometer ein

weiterer Polarisator zwischen Interferometer und der Materialprobe, wodurch der Geräteaufbau vereinfacht und kostengünstiger wird und die Handhabung, insbesondere im Hinblick auf die Einstellung des Infrarot-Ellipsometers, vereinfacht wird. Es ergibt sich ein Intensitätsvorteil um den Faktor vier an der Materialprobe im Vergleich zur herkömmlichen Variante mit einem amplitudenteilenden Strahlteiler.

Die Infrarotstrahlen werden bei der Reflexion an der Materialoberfläche, die damit als Reflexionsanordnung wirkt, parallel und senkrecht zur Einfallsebene mit unterschiedlicher Amplitude (Wurzel aus der Intensität) und Phase reflektiert. Das Verhältnis der Amplituden wird durch tg Ψ und die Differenz der Phasen durch Δ dargestellt. Die polarisationsoptische Berechnung der Anordnung ergibt Folgendes: das bisher übliche Azimut von 45°oder ein Vielfaches davon lässt nur die Messung von tg Ψ und sin Δ zu. Für die Messung von cos Δ ist jedoch zwingend ein von 45° oder einem Vielfachen davon verschiedener Winkel erforderlich. Deshalb sind bei dem erfindungsgemäßen Infrarot-Ellipsometer die beiden Einfallsebenen unter einem Azimut α in einem Bereich von 22,5° als optimalen Winkel oder des (2n+1 )fachen davon mit n= 1 , 2, 3... zueinander angeordnet. Geringfügige Abweichungen vom Azimut α im Gradbereich erbringen dabei auch akzeptable Ergebnisse. Dabei wird mit dem Azimut der Winkel zwischen der optischen Achse von Strahlungsquelle und polarisierendem Strahlteiler und der vom einfallenden und reflektierten Strahl an der Materialprobe aufgespannten Ebene bezeichnet. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die Senkrechte auf die Materialprobe in der Ellipsometeranordnung einen Winkel mit der optischen Achse der in das Interferometer einfallenden Strahlung bildet. Die Polarisationsebene an der Materialprobe wird damit um das Azimut gedreht. Durch diese erfindungswesentliche Ausrichtung des Azimuts (ungerade Vielfache von ca. 22, 5°, keine Einstellung der Winkel 0° und 45° bzw. Vielfache davon) oder entsprechende Neigung der Materialprobe bzw. der Ellipsometeranordnung gegenüber der Interferometeranordnung (konstruktive Neigung der Geräteebene), können der

Sinus der Phasendifferenz Δ und der Cosinus der Phasendifferenz Δ ohne Retarder in einem Messvorgang unabhängig voneinander bestimmt werden. Es entfallen die Probleme bei der Realisierung des Retarders und die hohen Reflexionsverluste an dieser optischen Komponente. Die Phasendifferenz Δ wird im Vollwinkelbereich von 0° ... 360° eindeutig festgelegt und es können die optischen Parameter in der Auswerteeinheit aus der Cosinus- und Sinus- Transformierten des mit der Interferometeranordnung erstellten Interfero- gramms direkt ermittelt werden. Die Winkelfunktionen Sinus und Cosinus sind jeweils nur in einem Bereich von 180° eindeutig. Cosinus ist in der Umgebung von 0° und 180° und Sinus in der Umgebung von 90° und 270° für eine

Messung untauglich. Eine eindeutige und genaue Messung der Phasendifferenz Δ im Vollwinkelbereich von 0° ... 360° erfordert daher die Messung von cos Δ und sin Δ. Dies erfolgt mit dem erfindungsgemäßen spektralen Infrarot- Ellipsometer ohne zusätzlichen Aufwand, insbesondere auch ohne Retarder, in einer gemeinsamen Messung. Im Stand der Technik dagegen wird die

Messung von cos Δ und sin Δ nur durch eine zusätzliche Messung mit einem Retarder erreicht, der der bekannten Phasenverschiebung eine zusätzliche Phasenverschiebung in der Nähe von 90° in den Strahlengang hinzufügt. Dadurch sind zwei Messungen mit und ohne Retarder erforderlich. Realisiert wird der bekannte Retarder durch ein transparentes Prisma in Totalreflexion, an dessen optische Qualitäten aber insbesondere im Infrarotbereich kaum zu erfüllende Anforderungen gestellt werden. Bei dem spektralen Infrarot- Ellipsometer nach der Erfindung hingegen wird die Phasenänderung in der Interferometeranordnung durch den Spiegelhub realisiert, der somit den Retarder ersetzt.

Durch die fest vorgegebene Winkelorientierung des polarisierenden Strahlteilers zur Einfallsebene an der Materialprobe können die ellipsometrischen Größen des Amplitudenverhältnisses ψ und der Phasendifferenz Δ als Spektren gemessen werden. Dabei kann die Einstellung des Azimuts auf zwei verschiedenen Wegen ereicht werden. Zum einen können die Geräteebenen

von Interferometer- und Ellipsometeranordnung bzw. die entsprechenden Einfallsebenen um das Azimut zueinander gekippt werden. Vorteilhaft ist dabei, dass das Azimut am Interferometer dann 45° beträgt. Dadurch wird die gesamte Intensität der Infrarotstrahlen auf den Wechsel-Ausgang des Inter- ferometers gelenkt und es entsteht kein Intensitätsverlust beim Lichteinfall in die Materialprobe. Die gesamte Strahlungsenergie der Strahlungsquelle kann zur ellipsometrischen Messung verwendet werden. Andererseits können aber auch die Geräte- bzw. Einfallsebenen keinen Winkel zueinander haben, wohingegen das Azimut dann am polarisierenden Strahlteiler in der Interfero- meteranordnung eingestellt wird. Hierdurch entsteht jedoch ein Intensitätsverlust, da das Interferometer einen Teil der Strahlung auf die Strahlungsquelle (Gleich-Ausgang) zurückleitet. Bei einem Azimut von 22,5° wird die Intensität hälftig auf beide Ausgänge verteilt, sodass die Intensität am W-Ausgang nur noch 50% beträgt, wie es beim Michelson-Interferometer der Fall ist.

Bei dem erfindungsgemäßen spektralen Infrarot-Ellipsometer ist das Azimut am Interferometer bevorzugt auf 45° eingestellt. Dabei sind die Spiegel in der Interferometeranordnung bevorzugt als Dachkantspiegel mit einer geraden Anzahl von Reflexionen ausgebildet. Die Materialprobe, der analysierende Polarisator und der Detektor sind hinter dem Wechselausgang der Interferometeranordnung angeordnet. Durch die Drehung der Polarisationsebene um 90° an den Dachkantspiegeln aufgrund der geraden Anzahl von Reflexionen wird die gesamte Strahlungsintensität am polarisierenden Strahlteiler in die Interferometeranordnung reflektiert.

Weiterhin kann vorteilhaft der analysierende Polarisator ortsfest unter 45° oder einem ungeraden Vielfachen davon zum einfallenden Infrarotstrahl angeordnet sein. Er wird dann sowohl in der Transmissionsrichtung als auch in der Reflexionsrichtung der Materialprobe zur Messung eingesetzt und muss nicht mehr verstellt werden. Dabei muss sowohl für den transmittierten als auch für den reflektierten Anteil des Infrarotstrahls jeweils ein Detektor vorgesehen sein. Weitere Erläuterungen zu dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen

spektralen Infrarot-EIlipsometers sind dem nachfolgenden speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.

Ausführungsbeispiel

Ausbildungsformen des spektralen retarderfreien Infrarot-EIlipsometers nach der Erfindung unter speziellem Bezug auf Terahertzstrahlen werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Es gelten aber die weiter oben bereits gemachten Verallgemeinerungen auf den gesamten Infrarotstrahlungsbereich. Dabei zeigt:

Figur 1 den schematischen Aufbau des spektralen Infrarot-EIlipsometers, Figur 2 mit dem Aufbau gemäß Figur 1 aufgenommene Interferogramme, Figur 3 aus den Interferogrammen gemäß Figur 2 errechnete Spektren von sin/cosΔ und tgψ und Figur 4 die Spektren gemäß Figur 3 als Messpunkte und gefittete

Spektren für eine Polymerfolie.

Die Figur 1 zeigt schematisch ein spektrales Infrarot-Ellipsometer SIE zur Bestimmung der optischen Parameter einer Materialprobe MP im Infrarotbereich mit einer Strahlungsquelle SQ zur Aussendung von Terastrahlen TS1 im Infrarotbereich (Infrarotstrahlen), einem Detektor DE und einer Auswerte- einheit AWE. Das spektrale Infrarot-Ellipsometer SIE umfasst zwei

Anordnungen zur Durchführung physikalisch unterschiedlicher Messungen. Hierbei handelt es sich um eine polarisierende Interferometeranordnung MPI (Martin-Puplett-Interferometer) und um eine Ellipsometeranordnung ELA.

Die polarisierende Interferometeranordnung MPI umfasst einen polarisierenden Strahlteiler PST und zwei Spiegel SP1, SP2. Hierbei handelt es sich im

gewählten Ausführungsbeispiel nicht um einfache Planspiegel, sondern um einen ortsfesten Dachkantspiegel DKS1 und einen ortsveränderlichen Dachkantspiegel DKS2. Im gezeigten Ausführungsbeispiel bewirken beide Dachkantspiegel DKS1 , DKS2 eine gerade Anzahl von Reflexionen, sodass die Polarisationsebene der einfallenden Terastrahlen TS um 90° gedreht wird. Weiterhin verfügt die polarisierende Interferometeranordnung MPI über einen Wechselausgang WG mit einer Weiterleitung der Terastrahlen TS4, der der Strahlungsquelle SQ winklig gegenüberliegt, und über einen Gleichausgang GG mit einer Rücklenkung der Terastrahlen TS1 , der in Richtung der Strahlungsquelle SQ liegt.

Zu der Ellipsometeranordnung ELA gehören die Materialprobe MP als Reflexionsanordnung RA, ein analysierender Polarisator APS, zwei optionale Umlenkspiegel US1, US2 und ein linearer Polarisator LPS, der wiederum vom polarisierender Strahlteiler PST der Interferometeranordnung MPI gebildet wird. Dabei sind die Umlenkspiegel US1, US2 durch die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform des spektralen Infrarot-Ellipsometers SIE bedingt, das im Strahlengang für den konkreten Aufbau aus Platzgründen zweimal gefaltet ist. Der polarisierende Strahlteiler PST gehört damit zu beiden Anordnungen MPI, ELA und bildet deren Schnittstelle. Mit dem analysierenden Polarisator APS werden beispielsweise vier um 45° verschiedene Stellungen abgefahren, um die Parameter der Polarisationsellipse des von der Materialprobe MP reflektierten Terastrahls TS5 zu erhalten, aus denen dann das Amplitudenverhältnis tg Ψ und die Phasendifferenz Δ berechnet werden. Es sind aber auch nur zwei Stellungen des analysierenden Polarisator APS (45° und 135°) oder sogar nur eine ortsfeste Stellung des analysierenden Polarisators APS (± 45° oder ungerade Vielfache davon) zum einfallenden Terastrahl TS5 erforderlich, wenn der analysierende Polarisator APS sowohl in der Transmissionsrichtung als auch in der Reflexionsrichtung der Materialprobe MP zur Messung eingesetzt wird, wobei sowohl für den transmittierten als auch für den reflektierten Anteil des Terastrahls TS5 jeweils ein Detektor DE vorgesehen ist (vergleiche auch weiter

unten). Durch die Variation des Gangunterschiedes der beiden Terastrahlen TS2, TS3 im überlagerten Terastrahl TS4 in der Interferometeranordnung MPI über eine Bewegung des zweiten Dachkantspiegels DKS2 in Richtung des durchgelassenen Terastrahls TS1, TS3 (in der Figur angedeutet durch einen Doppelpfeil) wird ein Interferogramm erstellt, das die spektrale Ermittlung der optischen Konstanten im Infraroten ermöglicht.

In der Interferometeranordnung MPI wird eine erste Einfallsebene EE1 definiert, die von dem einfallenden Terastrahl TS1 und dem an dem polarisie- renden Strahlteiler PST reflektierten Terastrahl TS2 aufgespannt wird. Eine zweite Einfallsebene EE2 wird an der reflektierenden Materialprobe MP in der Ellipsometeranordnung ELA definiert und hier analog von dem einfallenden Terastrahl TS4 und dem reflektierten Terastrahl TS5 aufgespannt. Die beiden Einfallsebenen EE1 , EE2 sind im gewählten Ausführungsbeispiel durch Einstellung des Umlenkspiegels US2 in einem Bereich unter einem Azimut α („Projektionswinkel") in einem Bereich von 22,5° als optimalem Winkel zueinander angeordnet. Andere Winkel mit dem (2n+1 )fachen von 22,5° mit n= 1 , 2, 3... und geringfügige Abweichungen davon sind ebenfalls einstellbar und erbringen auch gute Ergebnisse. Das Azimut α ist als Winkel zwischen der Einfallsebene EE1 und der Einfallsebene EE2 definiert und entspricht dem Winkel der Transmissionsrichtung des polarisierenden Strahlteilers PST bezüglich der Einfallsebene EE2 an der Materialprobe MP. Durch die erfindungsgemäße Wahl des Azimuts α zwischen den beiden Einfallsebenen EE1 , EE2 können die ellipsometrischen Parameter in der Auswerteeinheit AWE aus der Cosinus- und Sinus-Transformierten des mit der Interferometeranordnung MPI erstellten Interferogramms direkt ermittelt werden. Dabei erfolgen Messweise und Berechnung bei dem spektralen Infrarot-Ellipsometer SIE in folgender Weise.

Es gilt:

i(d) = sin ² 2a _St J /(v ){(cos ² ßR _p + sin ² ßR _s ) +

[(cos ² ßR _p - sin ² /fä _s ) sin 2a - sin 2ß^R _p R _s cos 2öf cos Δ] cos 2;rvd

+ [sin 2ß^R _p R _s sin Δ] sin 2πvd }dv

mit

I(v) = Intensitätsspektrum der Strahlungsquelle SQ i(d)= Interferogramm v = Wellenzahl d = optischer Gangunterschied zwischen LS2 und LS3 in LS4

R _{3 p} = Reflexionskomponente an der Materialprobe MP senkrecht/parallel αst = Azimut der Transmissionsrichtung des polarisierenden

Strahlteilers PST bezüglich seiner Einfallsebene EE1 α = Azimut zwischen der Einfallsebene EE1 und der Einfallsebene

EE2 = Winkel der Transmissionsrichtung des polarisierenden

Strahlteilers PST bezüglich der Einfallsebene EE2 an der

Materialprobe MP und ß = Azimut der Transmissionsrichtung des analysierenden Polarisators APS bezüglich der Einfallsebene EE2 der

Materialprobe MP.

Weiterhin gilt: tgψ = JR pJR S

Die Reflexion R, die Phasendifferenz Δ und das Amplitudenverhältnis tg Ψ hängen von der Wellenzahl v ab, die sich aus dem Kehrwert der Wellenlänge berechnet.

Das Azimut αs _t der Transmissionsrichtung des polarisierenden Strahlteilers PST bezüglich seiner Einfallsebene EE1 muss 45° betragen, wenn eine maximale Intensität im Interferogramm erhalten werden soll, d.h. keine Strahlung zur Strahlungsquelle SQ zurück reflektiert werden soll. Damit aber cosΔ gemessen werden kann, ist bezüglich der Einfallsebene EE2 der

Materialprobe ein Winkel von 22,5° optimal. Die Einstellung eines Winkels von 45° würde die Messung von cosΔ verhindern. Diese beiden Forderungen lassen sich gleichzeitig erfüllen, indem die Einfallsebene EE1 des polarisierenden Strahlteilers PST und die Einfallsebene EE2 der Materialprobe durch den Umlenkspiegel US2 um 22,5° gegeneinander geneigt werden. Hierbei handelt es sich um den optimalen Wert. Ungerade Vielfache davon und von 22,5° geringfügig abweichende Winkel können ebenfalls eingestellt werden.

Die eckigen Klammern in der oben angegebenen Formel enthalten die Amplituden der cos- und sin-Anteile des Interferogramms, aus denen dann das Amplitudenverhältnis tg Ψ und die Phasendifferenz Δ berechnet werden. Das Interferogramm i(d) wird einer cos -Fouriertransformation und einer sin- Fouriertransformation für jeden der Winkel ß (0°, 45°, 90°, 135°) der Transmissionsrichtung des analysierenden Polarisators APS bezüglich der Einfallsebene EE2 der Materialprobe MP unterzogen, sodass die Inhalte der eckigen Klammern als Ergebnis für den jeweiligen Winkel folgen. Mit der cos- und sin-Fourier-Transformation ergeben sich für jeden Winkel ß zwei Resultate. Das Amplitudenverhältnis tg Ψ ergibt sich aus der cos -Fouriertransformation ß für 0° und 90° (R _p .und R ₈ ). Der cos Δ ergibt sich aus der cos - Fouriertransformation ß für 45° und 135°, besser noch aus der Differenz von 45° und 135°. Der sin Δ ergibt sich aus der sin -Fouriertransformation ß für 45° und 135°°, besser noch aus der Differenz von 45° und 135°. Die Geräteeigenschaften des spektralen Infrarot-Ellipsometers SIE werden durch eine Eichmessung ohne Probe erfasst und bei der Auswertung berücksichtigt.

Im zuvor genannten Ausführungsbeispiel werden die Messungen für vier gemessene Einstellwinkel des analysierenden Polarisators APS von ß = 0°, 45°, 90° und 135° (vier Drehbewegungen des analysierenden Polarisators APS) ausgewertet, um die ellipsometrischen Parameter Ψ und Δ zu berech- nen. Dabei werden zur Berechnung von Δ nur die Winkel ß = 45° und 135°, d.h. ± 45°, benötigt. Es gibt aber die Möglichkeit, auch Ψ nur aus den Winkeln ß = 45° und 135°, d.h. ± 45°, zu berechnen. Damit sind zur Ermittlung von Ψ und Δ nur noch zwei, statt bislang vier Messungen erforderlich. Der analysierende Polarisator APS muss nur noch zwischen den Positionen +45° und -45° hin und her bewegt werden.

Selbst diese Schwenkbewegung kann noch entfallen, wenn der analysierende Polarisator APS sowohl in der Transmissionsrichtung (+45°) als auch in der Reflexionsrichtung (-45°) der Materialprobe MP zur Messung eingesetzt wird. Damit ist die Polarisationsrichtung im reflektierten Anteil des Terastrahls TS5 (-45°) um 90° gegenüber dem transmittierten Anteil des Terastrahls TS5 (+45°) gedreht. Der reflektierte und transmittierte Anteil des Terastrahls TS5 werden jeweils auf einen separaten Detektor DE geleitet und gemessen. Es ist in dieser Anordnung, bei der der analysierende Polarisator APS ortsfest unter 45° (oder ungeraden Vielfachen davon) zum einfallenden Terastrahl TS5 angeordnet ist, nur noch ein Interferometer-Scan, der aus mehreren Einzelscans bestehen kann, erforderlich (eine Messung). Diese Variante ergibt einen Messzeitvorteil vom Faktor vier und minimiert den Einfluss von zeitlichen Veränderungen im optischen Weg der Ellipsometeranordnung ELA. Die polarisierende Interferometeranordnung MPI bildet mit der Materialprobe MP (oder zu Eichzwecken auch ohne Materialprobe MP) und dem analysierende Polarisator APS in zweifacher Funktion eine ellipsometrische Messeinheit.

In der Figur 2 sind in einem Diagramm der Intensität über Messpunkte für die optische Wegdifferenz (= Gangunterschied der Terastrahlen TS2, TS3 im Terastrahl TS4) vier Interferogramme aufgezeigt, die mit dem analysierenden

Polarisator APS an einer Materialprobe MP in Form einer Polyethylen-Folie von nominell 0,05 cm Dicke gemessen wurden. Aus Platzgründen wurden die Interferogramme in Transmission unter einem Einfallswinkel von 65° erstellt.

Die Figur 3 zeigt die aus den Interferogrammen errechneten Spektren von sin/cos Δ und tgψ.

In der Figur 4 sind die tg Ψ- und Δ-Spektren als Messpunkte und die gefitteten Spektren für den Polyethylenfilm als Linie dargestellt. Die Messergebnisse ergeben eine Foliendicke von 0,054 cm, einen Brechungsindex von 1 ,46 und einen Absorptionsindex von 0.

Bezugszeichenliste

APS analysierender Polarisator AWE Auswerteeinheit

DE Detektor

DKS1 ortsfester Dachkantspiegel

DKS2 ortsveränderlicher Dachkantspiegel

EE Lichteinfallsebene ELA Ellipsometeranordnung

GG Gleichausgang

LPS linearer Polarisator

MP Materialprobe

MPI polarisierende Interferometeranordnung PST polarisierender Strahlteiler

RA Reflexionsanordnung

SIE spektrales retarderfreies Infrarot-Ellipsometer

SP Spiegel

SQ Strahlungsquelle TS Terastrahl/Infrarotstrahl

US Umlenkspiegel

WG Wechselausgang α Azimut zwischen den beiden Einfallsebenen EE1 , EE2

Δ Phasendifferenz tg Ψ Amplitudenverhältnis