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-EllipsometrieInfo
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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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999143312 DE19943312A1 (de) | 1999-09-10 | 1999-09-10 | Vorrichtung und Verfahren zur on-line-Dickenmessung transparenter Schichten/ Medien durch Transmissions-Ellipsometrie |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999143312 DE19943312A1 (de) | 1999-09-10 | 1999-09-10 | Vorrichtung und Verfahren zur on-line-Dickenmessung transparenter Schichten/ Medien durch Transmissions-Ellipsometrie |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19943312A1 true DE19943312A1 (de) | 2001-03-15 |
Family
ID=7921493
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1999143312 Ceased DE19943312A1 (de) | 1999-09-10 | 1999-09-10 | Vorrichtung und Verfahren zur on-line-Dickenmessung transparenter Schichten/ Medien durch Transmissions-Ellipsometrie |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19943312A1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN117928399A (zh) * | 2024-03-22 | 2024-04-26 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置及方法 |
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-
1999
- 1999-09-10 DE DE1999143312 patent/DE19943312A1/de not_active Ceased
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