Retroreflex Ellipsometry for Nonplanar Surfaces

Objekte mit physikalischen Eigenschaften, die streng kontrolliert werden müssen (z. B. Abmessungen, Transmissionsgrad, Reflexionsgrad und Konzentrationen), sind in industriellen Produktionsprozessen wie in der Automobil-, Halbleiter- und Bioindustrie üblich. Ein industrielles
Messsystem für die Qualitätssicherung muss eine hohe Präzision und Genauigkeit aufweisen, um eine hochgenaue Kontrolle der Eigenschaften der Objekte für den Herstellungsprozess zu ermöglichen. Die Ellipsometrie ist eine zuverlässige und sehr empfindliche Methode zur Charakterisierung von Materialien und dünnen Schichten. ... mehrSie zeichnet sich durch hohe Präzision und Empfindlichkeit aus und ermöglicht zerstörungsfreie Messungen zur Prozessüberwachung von optischen Elementen, Displays und Halbleitern. Die Ellipsometrie nutzt die Änderungen der Polarisation, wenn polarisiertes Licht von einer Probe unter einem schrägen (oder normalen) Einfallswinkel (AOI) reflektiert (oder durchgelassen) wird.

Messungen mit herkömmlichen Ellipsometern sind nur an ebenen Flächen oder ebenen Flächenelementen (bezogen auf die Größe des Messstrahls) möglich. Ein Signal wird nur dann erkannt, wenn Winkel und Höhe des Polarisationszustandsgenerators (PSG) und des Polarisationszustandsanalysators (PSA) in Bezug auf die Oberflächennormalen so ausgerichtet sind, dass sie den Gesetzen der Reflexion entsprechen. Schon geringe Abweichungen von den idealen Reflexions- oder Transmissionseinstellungen können zu erheblichen Messfehlern führen. Bei größeren Ausrichtungsfehlern ist es nicht möglich, aussagekräftige Signale zu erzeugen. Bei nicht ebenen Proben verändert die Krümmung der Oberfläche den AOI und die vertikale Position des reflektierten Lichts, so dass die ideale Reflexionsbedingung für das Ellipsometer nicht erreicht werden kann. Die Winkeleinstellungen für das PSG und das PSA müssen sehr genau auf die Oberflächennormalen abgestimmt werden. Auch die Höhe der Oberfläche relativ zu den optischen Komponenten muss sehr genau eingestellt werden. Diese Bedingungen sind für ellipsometrische Messungen erforderlich. Nicht planare Proben müssen justiert werden, damit die PSA ein ausreichendes Signal empfangen kann. Der Prozess der Ausrichtung und Justierung von Ellipsometer und Probe ist zeitaufwändig. Daher ist die Inline-Inspektion gekrümmter Oberflächen mit einer Standard-Ellipsometriekonfiguration fast unmöglich. Viele Anwendungen erfordern jedoch eine Qualitätsüberwachung oder Charakterisierung von nicht ebenen Oberflächen.

Zur Überwindung der geometrischen Beschränkung wird die Retroreflex-Ellipsometrie für nichtplanare Oberflächen vorgeschlagen, einschließlich eines Prototyps, Polarisationsstrahlverfolgung und zwei Analysemethoden für zwei- und dreiphasige Systeme. Das Retroreflex-Ellipsometer misst Mueller-Matrizen für nichtplanare Oberflächen. Dabei wird das Konzept des Retroreflektors verwendet, der den Lichtstrahl von der Probe auf demselben Strahlengang mit einer festen Phasendifferenz von $180^\circ$ zurückwirft. Der Polarisationseffekt ist derselbe wie bei einem idealen Spiegel innerhalb eines Winkelbereichs von etwa $30^\circ$. Für optisch isotrope Zweiphasensysteme (Umgebung/Substrat) misst das vorgeschlagene Ellipsometer gleichzeitig den AOI, den Neigungswinkel und den Brechungsindex mit kalibrierten Reflexionswerten. Bei optisch isotropen Dreiphasensystemen (Umgebung/Dünnschicht/Substrat) misst das System den AOI, den Kippwinkel und die Schichtdicke unter Verwendung der Brechungsindizes von Schicht und Substrat.

Insgesamt überwindet die Retroreflex-Ellipsometrie die geometrischen Einschränkungen der konventionellen Ellipsometrie, wodurch die Proben nicht mehr auf ebene Flächen beschränkt sind. Damit können ellipsometrische Messungen erstmals umfassend für viele industrielle Produktionsprozesse genutzt werden, z.B. zur Charakterisierung der optischen Eigenschaften von Freiformoptiken und zur Defektkontrolle bei nahezu beliebig geformten Proben. Die Retroreflex-Ellipsometrie hat eine hohe Flexibilität für unterschiedliche Oberflächenformen und die Komplexität des Systems ist gering. Darüber hinaus bietet sie aufgrund des großen zulässigen Winkelbereichs für die Reflexion oder Brechung der Strahlen an der Probe ein großes Potenzial für den Einsatz in Inline- und In-situ-Qualitätskontrollsystemen.

Objects with physical properties that must be tightly controlled (e.g., dimensions, transmittance, reflectance and concentrations) are common in industrial production processes in the automobile, semiconductor and biological industries. An industrial measurement system for quality assurance must feature high precision and accuracy to allow 100 percent control over the properties of objects for the manufacturing process. Ellipsometry is a reliable and very sensitive method for characterizing materials and thin films. It features high precision and sensitivity and allows nondestructive measurement for process monitoring of optical elements, displays and semiconductors. ... mehrEllipsometry uses the changes in polarization when polarized light is reflected (or transmitted) from a sample at an oblique (or normal) angle of incidence (AOI).

Measurements with conventional ellipsometers are only possible on plane surfaces or plane surface elements (with respect to the size of the measurement beam). A signal is only detected if the angle and height of the polarization state generator (PSG) and polarization state analyzer (PSA) in relation to the surface normals are aligned in such a way that they comply with the laws of reflection. Even slight misalignments from the ideal reflection or transmission settings can result in significant experimental errors. For larger misalignments, it is not possible to generate any meaningful signals. For nonplanar samples, the curvature of the surface alters the AOI and the vertical position of the reflected light, so the ideal reflection condition for the ellipsometer cannot be achieved. The angle settings for the PSG and the PSA must be very precisely adjusted relative to the surface normals. The height of the surface relative to the optical components must also be adjusted very accurately. These conditions are necessary for ellipsometry measurements. Nonplanar samples must be adjusted to allow the PSA to receive a sufficient signal. The process of the alignment and adjustment for the ellipsometer and sample is time-consuming. Therefore, inline inspection of curved surfaces is almost impossible using a standard ellipsometry configuration. However, many applications require quality monitoring or characterization for nonplanar surfaces.

To overcome the geometric limitation, retroreflex ellipsometry is proposed for nonplanar surfaces, including a prototype, polarization ray tracing and two analysis methods for two-phase and three-phase systems. The retroreflex ellipsometer measures Mueller matrices for nonplanar surfaces. This uses the concept of the retroreflector, which returns the light beam from the sample on the same beam path with a fixed phase difference of $180^\circ$. The polarization effect is the same as that for an ideal mirror within an angular range of approximately $\pm 30^\circ$. For optically isotropic two-phase systems (ambient/ substrate), the proposed ellipsometer simultaneously measures the AOI, the tilt angle and the refractive index with calibrated reflectance values. For optically isotropic three-phase systems (ambient/ thin film/ substrate), the system measures the AOI, the tilt angle and the film thickness using the refractive indices of the film and substrate.

In order to verify the proposed method and the retroreflex ellipsometer, several experiments are conducted. The accuracy and precision of the retroreflex ellipsometer are determined using straight-through measurements in air and a reference sample. The refractive index of an off-axis parabolic mirror is measured and the result is compared with that of a commercial ellipsometer. The film thickness of a protected gold-coated concave mirror is measured and the results are compared with those of a commercial ellipsometer. The surface of the concave mirror is reconstructed using calculated angles of incidence and tilt.

Overall, retroreflex ellipsometry addresses the geometric restrictions of conventional ellipsometry, whereupon samples are no longer limited to flat surfaces. Hence, ellipsometric measurements can be used comprehensively for many industrial production processes for the first time, e.g., the characterization of optical properties of freeform optics and defect inspection for samples with almost arbitrary shapes. Retroreflex ellipsometry has high flexibility for different shapes of surfaces and the complexity of the system is simple. Moreover, it has great potential for use inline and in situ quality control systems because of the large acceptable angular range for the reflection or refraction of beams at the sample.