DE19943312A1 - Vorrichtung und Verfahren zur on-line-Dickenmessung transparenter Schichten/ Medien durch Transmissions-Ellipsometrie - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur on-line-Dickenmessung transparenter Schichten/ Medien durch Transmissions-Ellipsometrie

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ellipsometer sind Instrumente, die berührungslos messen. Grundsätzlich wird bei den Ellipsometern der Sachverhalt ausgenutzt, daß eine Probeiii, die unter einem festen Winkel mit polarisiertem monochromatischen Licht bestrahlt wird, den Polarisationszustand des Lichtes ändert. Hierbei werden die Polarisationszustandsänderungen für das transmittierte und reflektierte Licht nach Azzam, Basharaiv beschrieben. Sind die Lichtzustände vor und nach der Probe bekannt, dann lassen sich Rückschlüsse auf die Probe ziehen. Ziel ist hierbei in der Regel die Bestimmung der dielektrischen Funktion oder der Dicke der untersuchten Materialien. Alle bekannten Verfahren werten aufgrund der Lichtundurchlässigkeit vieler Proben, das von der Probe reflektierte polarisierte Licht in ihren Ellipsometern aus.
Diese Reflexionsmessungen haben bei der Dickenbestimmung transparenter Schichten/Medienii folgende Nachteile:
  • - Die Detektoren von Ellipsometern, die das reflektierte Licht auswerten, müssen für unterschiedliche Einstrahlwinkel neu positioniert werden, weil die Auftreffposition winkelabhängig (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) ist (siehe Zeichnung 1).
  • - Bei stark transparenten Medien/Schichtenii ist je nach Einstrahlwinkel die transmittierte Lichtintensität größer als die reflektierte Intensität. Dies ist ein Nachteil, da eine größere Lichtintensität auch eine größere Meßgenauigkeit zuläßt.
  • - Zur Intensitätssteigerung des reflektierten Lichtes müßte bei einer Reflexionsmessung die/das zu messende Schicht/Mediumii auf eine stark reflektierende Schicht bzw. in einer bekannten und festen Lage zu ihr positioniert werden. Dies ist speziell für bewegende Medien/Schichtenii sehr aufwendig und beeinflußt die Meßgenauigkeit.
Ein bekanntes Ellipsometer-Verfahren (der Firma PLASMOS) zur Schicht- /Medien-Dickenbestimmung besteht darin, daß eine Probe mit zwei bzw. mehreren unterschiedlichen Wellenlängen bei gleichem Einstrahlwinkel nacheinander beleuchtet wird, wobei das reflektierte Licht ausgewertet wird. Dies wird von der Firma dadurch realisiert, daß die Wellenlänge des Lasers für die Messungen umgestellt wird. Da bei einer ellipsometrischen Messung der volle Phasenwinkel "verloren geht", kann die durch die/das Schicht/Medium hervorgerufene Phasenverschiebung Δϕ um ein Vielfaches von 2π variieren. Für die Dickenbestimmung bedeutet dies, daß eine Lösungsschar existiert. Durch eine zweite bzw. durch mehrere Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen erhält man bei diesem Verfahren jeweils eine neue Lösungsschar, wobei die Dicken-Abstände (z. B. 280 nm) der einzelnen Lösungen wellenlängenabhängig sind. Wird bei den Messungen der gleiche Punkt beleuchtet, so ist die Schnittmenge aller Lösungsscharen (eine Dicke) die gesuchte und gemessene Dicke. Da in der Praxis niemals exakt die selbe Dicke gemessen wird, wird als Lösung die Schicht-/Mediendicke angenommen, die insgesamt am nächsten zu den Lösungsscharen liegt.
Diese Meßmethode hat bei einer/-em sich vorbeibewegenden Schicht/Mediumii folgenden wesentlichen Nachteil:
  • - Dadurch, daß eine gewisse Zeitspanne zwischen zwei Messungen verstreicht, wird ein anderer Schicht-/Medienii-Punkt bestrahlt, der eine andere Dicke besitzen kann/wird. Weichen die gemessenen Schichtdicken stark voneinander ab, so können zur Dickenbestimmung nicht mehr jeweils die Dicken der Lösungsscharen herangezogen werden (eine Dicke pro Lösungsschar), die am dichtesten zusammenliegen. Eine Dickenmessung wird damit je nach Stärke der Schicht-/Mediendickenabweichungii nur schwer bzw. gar nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Vorrichtung zur Dickenmessung von transparenten Schichten/Medienii zu schaffen, die einen variablen Einstrahlwinkel des polarisierten Lichts zuläßt und mit der eine on-linei Dickenmessung möglich ist, wobei die zuvor beschriebenen Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:
  • - Bei einer Transmissionsmessung ist bei üblichen Einstrahlwinkeln (nicht extrem flach) die detektierte Intensität an einer/-em transparenten Schicht/Mediumii höher als bei einer Reflexionsmessung. Somit steigt grundsätzlich hierfür auch die Meßgenauigkeit an.
  • - Durch die Auswertung des transmittierten Lichtes ist keine zusätzliche Reflexionsschicht notwendig. Somit kann es auch nicht zu einer Meßergebnisverfälschung aufgrund eines Positionierungsfehlers zwischen Reflexionsschicht und zu messender/-em Schicht/Mediumii kommen.
  • - Für unterschiedliche Einstrahlwinkel ist keine weitere Ausrichtung bezüglich Lichtquelle und Auswerteoptik notwendig. Dies liegt darin begründet, daß der Strahlversatz beim Durchleuchten des/der Mediums/Schichtii maximal der Schichtdicke entsprechen kann. Da i. a. die zu messende Schicht- /Mediendickeii wesentlich kleiner ist als die Detektorfläche, bleibt bei richtiger Dimensionierung der Lichtfleck für unterschiedliche Einstrahlwinkel immer auf der Detektorfläche (siehe Zeichnung 2).
  • - Die Probe wird parallel mit zwei bzw. mehreren monochromatischen Lichtquellen unter unterschiedlichen Einstrahlwinkeln an einem Punkt bestrahlt, so daß dies bei synchroner Strahlauswertung bei einer/einem sich vorbeibewegenden Schicht/Mediumii eine punktförmigev Dickenmessung ermöglicht.
  • - Eine punktförmigev Dickenmessung bedeutet bei einer/-em sich vorbeibewegenden Schicht/Mediumii, daß ihre/seine Dicke i. a. durch die Schnittmenge der Lösungsscharen der einzelnen Messungen bestimmt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Zeichnung 3: Schematische Darstellung des Transmissions-Ellipsometers mit rotierendem Analysator (RAE),
Zeichnung 4: Fokussierung des Lichtstrahls auf der Schicht/Mediumi,
Zeichnung 5: Darstellung der Polarisationsbestimmung durch Strahlaufteilung und zeitgleicher Intensitätsmessung bei drei festen Analysatoren pro Lichtquelle.
Die on-linei Dickenmessung transparenter Schichten/Medienii wird durch ein Transmissions-Ellipsometer realisiert, wobei die Polarisationszustands­ bestimmung durch einen rotierenden Analysator, durch den Faraday-Effekt oder durch Strahlteilung mit drei anschließenden festen Analysatoren erfolgt.
Der prinzipielle Aufbau des Transmissions-Ellipsometers mit rotierendem Analysator ist in den Zeichnungen 3 und 4 dargestellt.
In dem in Zeichnung 3 dargestellten Ellipsometeraufbau wird eine/ein transparente/-es und sich bewegende/-es Schicht/Mediumii (4) von zwei bzw. mehreren monochromatischen Lichtquellen (1) und (8) durchstrahlt, wobei die Lichtquellen unterschiedliche Wellenlängen besitzen. Die Lichtquellen sind hierbei mit unterschiedlichen Einstrahlwinkeln (ϕ01, ϕ02) so angeordnet, daß sie alle den selben Schicht-/Medienpunkti durchstrahlen.
Hinter den monochromatischen Lichtquellen (1), (8) ist jeweils ein Polarisator (2), (9) so angeordnet, daß von ihm linear polarisiertes Licht ausgeht, welches mit α = 45° zur x- bzw. p-Achse geneigt istvi. Dadurch werden die s- und p- Komponenten des Lichtes der/dem transparenten Schicht/Mediumii (4) gleichstark angeboten. Damit das Licht eine möglichst kleine Fläche auf der/dem Schicht/Mediumii (4) bestrahlt, wird es vorher durch eine Linse (3), (10) gebündelt. Um möglichst eine punktförmige Messung durchzuführen, sind die Linsen (3) und (10) so dimensioniert, daß die Strahltaille jeweils in der Mitte der/des Schicht/Mediumsii (4) liegt (siehe Zeichnung 4). Das linear polarisierte Licht trifft unter einem Winkel von ϕ01 bzw. ϕ02 auf die/das Schicht/Mediumii (4), durchstrahlt sie/es und wird nach dem Austritt im allgemeinen elliptisch polarisiert. Dieses Licht erzeugt nun im weiteren Strahlenverlauf beim Durchleuchten eines mit konstanter Geschwindigkeit drehenden Analysators (5), (11) am Detektor (6) und (12) jeweils ein sinusförmiges Signal der Intensität:
Diese Signale I1 und I2 werden mit der Fourier-Analyse ausgewertet und damit zur Bestimmung der ellipsometrischen Parameter Δ1, Ψ1 und Δ2, Ψ2 herangezogen. Zur Parameterbestimmung wird ein Prozessorvii (7) verwendet, der die Spannungswerte an den Detektoren (6), (12) zu der entsprechenden Winkelstellung (θn) der Analysatoren (5), (11) einliest und auswertet.
Durch die Summe der Spannungen (Gesamtzahl = N) über eine bzw. mehrere Analysatordrehungen mit Hilfe des Prozessors (7) werden die Fourierkoeffizienten a0, a2 und b2 jedes Detektorsignals gebildet. Durch die Fourierkoefiizienten sind auch die Verhältnisse der Stokes-Komponenten s1/s0 und s2/s0 bzw. die ellipsometrischen Größen cosΔ1, cosΔ2 und tanΨ1, tanΨ2 bekannt mit:
Mit Hilfe der ellipsometrischen Größen tan Ψ1ejΔ1 und tan Ψ2ejΔ2 wird durch den Prozessor (7) auf die Schicht-/Mediendickeii geschlossen. Aufgrund der Vieldeutigkeit der trigonomischen Funktionen ergibt sich pro Wellenlänge für die Schicht-/Mediendickeii eine Lösungsschar, wobei der Dickenabstand der einzelnen Lösungen wellenlängenabhängig ist. Da die/das Schicht/Mediumii von den Lichtquellen in einem und denselben Punkt durchstrahlt wird, ist die Schnittmenge der Lösungsscharen (eine Dicke) die wahre und gemessene Dicke. Diese durch den Prozessor (7) errechnete Dicke kann bei Verwendung eines PCs (7) auch auf dem Bildschirm ausgegeben werden. Durch die on-linei Schicht-/Mediendickenbestimmungii kann somit während der Schicht- /Medienproduktionii Einfluß auf sie genommen werden.
Die Analysatordrehfrequenz sollte bei diesem Verfahren der Medien- /Schichtgeschwindigkeitii derart angepaßt werden, daß der Beleuchtungspunkt auf der/dem Schicht/Mediumii für den Zeitraum der Fourier-Analyse (Zeitspanne für eine oder mehrere Analysatordrehungen) keinen größeren Weg als die Medien-/Schichtdickeii hinterlegt. Die Analysatordrehung kann mechanisch erfolgen, so daß zur Ansteuerung z. B. ein Schritt- oder Gleichstrommotor eingesetzt werden kann.
Zur Auswertung sind auch elektrooptische Komponenten denkbar oder der Ansatz, an Stelle den Analysator zu drehen, den Polarisationszustand durch den Faraday-Effekt zu drehen.
Ist die Analysator-Drehfrequenz für die Fourier-Analyse zu gering, um ein brauchbares Ergebnis zu erhalten, so ist zur Auswertung das folgende Verfahren geeignet:
Zur direkten Polarisationsbestimmung des transmittierten Lichtes ist das Verfahren der Intensitätsmessung unter drei festen Analysatorstellungen geeignet (siehe Zeichnung 5). Im Gegensatz zu den vorherigen Auswerteverfahren wird hier der Polarisationszustand exakt zu einem zugehörigen Schicht-/Medienpunktii bestimmt, so daß aufgrund des Fehlens der zeitlichen Intensitätsmodulation (durch z. B. rotierenden Analysator) der Beleuchtungspunkt während der Polarisationsbestimmung keine Strecke auf der/dem Schicht/Mediumii mehr zurücklegt.
Dieses Verfahren unterscheidet sich zu den vorherigen in der Art der Polarisationsbestimmung, so daß in Zeichnung 5 nur der weitere Verlauf des transmittierten Lichtes hinter der/dem Schicht/Mediumii dargestellt ist.
Wie bei den vorherigen Verfahren beschrieben, wird die Schicht/Mediumii (4) von zwei bzw. mehreren monochromatischen Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge in einem Punkt durchstrahlt. Das transmittierte Licht wird durch den Strahlteiler (5) bzw. (14) jeweils in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt. Die Intensität der geteilten Lichtstrahlen ist hierbei gleich groß. Im weiteren Strahlenverlauf durchdringt jeder Teilstrahl einen weiteren Strahlteiler (6), (7), (15), (16), so daß insgesamt vier Lichtstrahlen gleicher Intensität pro Lichtquelle existieren. Drei der Teilstrahlen jeder Lichtquelle durchlaufen anschließend einen Analysator (8), (9), (10) und (17), (18), (19). Die Winkelstellungen der Analysatoren sind fest. Sie betragen bei den drei Analysatoren, die einer Lichtquelle zugeordnet sind, 0°, 90° und 135°.
Die Strahlteilerwürfel (5), (6), (7), (14), (15), (16) sind unempfindlich gegenüber der Polarisation des einfallenden Strahls. Sie erlauben ein echtes 50 : 50 Teilungsverhältnis, ohne daß die Polarisation verändert wird. Die zuvor genannten Winkelstellungen (0°, 90°, 135°) der Analysatoren werden von der p- /x-Achse aus gegen den Uhrzeigersinn und mit Blickrichtung gegen die Strahlausbreitungsrichtung gemessen.
Die Lichtintensität hinter den Analysatoren (8), (9), (10), (17), (18), (19) wird von den Detektoren (11), (12), (13), (20), (21), (22) gemessen und mittels des Prozessorsvii (23) zeitgleich eingelesen und anschließend verarbeitet.
Hierbei wird auf die ellipsometrischen Größen nach den nachfolgenden Gleichungen geschlossen mit:

Claims (10)

1. Vorrichtung und Verfahren zur Dickenmessung transparenter Schichten/Medienii (4) durch Transmissions-Ellipsometrie, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die/das transparente Schicht/Mediumii (4) tretende (transmittierte) polarisierte Lichtstrahl zur Auswertung herangezogen wird.
2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probeii (4) von zwei bzw. mehreren monochromatischen Lichtquellen (1) und (8) in einem Punkt zeitgleich durchstrahlt wird, wobei die Lichtquellen unterschiedliche Wellenlängen besitzen und mit verschiedenen Einstrahlwinkeln (ϕ01, ϕ02) angeordnet sind (siehe Zeichnung 3).
3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) bzw. (8) und der Detektor (6) bzw. (12) (siehe Zeichnung 3) ihre relative Lage zueinander nach einmaliger Ausrichtung für unterschiedliche Einstrahlwinkel ϕ0 nicht ändern. Wird die Auswertung nach Zeichnung 5 vollzogen, so ändert sich die relative Lage der Lichtquelle (1) bzw. (8) zu den Detektoren (11), (12), (13) bzw. (20), (21), (22) für unterschiedliche Einstrahlwinkel ϕ0 nicht.
4. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die monochromatische Lichtquelle (1) bzw. (8) mit anschließendem Polarisator (2) bzw. (9) durch einen Laser mit Polarisationsfenster realisiert werden kann (siehe Zeichnung 3).
5. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Probeii einfallenden Lichtstrahlen jeweils durch eine Linse (3) bzw. (10) so fokussiert werden, daß ihre kleinsten Strahltaillen idealerweise in der Mitte der Probeii liegen und sich in einem Schicht-/Probenpunktii überlagern (siehe Zeichnungen 3 und 4).
6. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung ein mit konstanter Geschwindigkeit rotierender Analysator (5) bzw. (11) benutzt wird, der am Detektor (6) bzw. (12) ein sinusförmiges Signal entstehen läßt, welches zur Bestimmung der ellipsometrischen Parameter Δ1 und Ψ1 bzw. Δ2 und Ψ2 herangezogen wird (siehe Zeichnung 3). Der selbe Effekt der Intensitätsmodulation kann auch durch ein Faraday- Rotator erreicht werden, der die Polarisationsellipse des Lichtstrahls um seine Ausbreitungsachse dreht, wobei ein nachgeschalteter Analysator feststeht.
7. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung jeder verwendeten Lichtquelle drei Strahlteiler (5), (6), (7) bzw. (14), (15), (16) benutzt werden, die den transmittierten Lichtstrahl dieser Quelle hinter der Probeii (4) in mindestens drei Teilstrahlen gleicher Polarisation und Intensität aufteilen (siehe Zeichnung 5).
8. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung die drei polarisierten Teilstrahlen jeder Lichtquelle zeitgleich jeweils einen Analysator (8), (9) oder (10) bzw. (17), (18) oder (19) durchlaufen, die eine Winkellage von 0°, 90° und 135° besitzen. Nach den Analysatoren treffen die Lichtstrahlen auf die Detektoren (11), (12), (13) bzw. (20), (21), (22), so daß zur Bestimmung der ellipsometrischen Parameter Δ1 und Ψ1 bzw. Δ2 und Ψ2 die Detektorintensitäten herangezogen werden (siehe Zeichnung 5).
9. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein PC (7) mit Hilfe einer A/D- Wandlerkarte bzw. ein Prozessor (7) die Spannungswerte an den Detektoren (6), (12) zeitgleich einliest, die ellipsometrischen Größen Δ1, Δ2 und Ψ1, Ψ2 bestimmt und die Dicke der/des transparenten Schicht/Mediumsii errechnet und ausgibt (siehe Zeichnung 3).
10. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein PC (23) mit Hilfe einer A/D- Wandlerkarte bzw. ein Prozessor (23) die Spannungswerte an allen Detektoren (11), (12), (13), (20), (21) und (22) zeitgleich einliest, die ellipsometrischen Größen Δ1, Δ2 und Ψ1, Ψ2 bestimmt und die Dicke der/des transparenten Schicht/Mediumsii errechnet und ausgibt (siehe Zeichnung 5).
i on-line = während der Folienproduktion (Medium ist in Bewegung)
ii Die Bezeichnung Schicht/Medium, auch mit Probe bezeichnet, bezieht Folien und Gläser mit ein.
iii In dem Bereich, in dem die Probe/Schicht beleuchtet wird, sollte sie idealerweise ebene und parallele (Phaen-)Grenzflächen besitzen.
iv M. A. Azzam, N. M. Bashara: Elypsometry and polarized light, North-Holland Publishing Company, Amsterdam, 1977
v Als punktförmig wird hier auch eine Messung mit bezeichnet, bei der die Lichtquellen aufgrund der Auswertezeit des polarisierten Lichtes (hinter dem Medium) eine Linie auf der sich vorbeibewegenden Folie/Medium/Schicht beschreiben.
vi Es ist auch ein anderer Winkel denkbar.
vii Es kann auch ein PC mit A/D-Wandlerkarte verwendet werden.
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