DE3518774C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Phasengitter werden zur Weg- und Winkelmessung in lichtelektrischen Meßsystemen benutzt. Dies sind meist Beugungsgitter mit einem rechteckigen Stufenprofil oder mit strukturierten Reflexionsniveaus und dazwischenliegender Dielektrikum-Lamelle. Solche Phasengitter lassen sich verhältnismäßig einfach mit bekannten Beschichtungsverfahren herstellen.

Bei den meisten Anwendungen sollen die "Stufen" des Phasengitters als phasenverzögernde Plättchen mit λ/2-Phasenverzögerung wirken. Die Stufenhöhe kann somit nur für eine ganz bestimmte Wellenlänge λ der verwendeten Strahlung bemessen sein.

In der GB-OS 896,934 ist die Messung der Dicke einer Chromschicht beim Aufbringen auf einen ebenen Träger beschrieben. Da die erforderliche Dicke der Chromschicht optisch nicht zu kontrollieren ist, wird laufend in einem festgelegten Verhältnis auf einer Probefläche abgeschieden. An der dünnen Schicht auf dem Probeplättchen, dessen Dicke proportional der tatsächlich abgeschiedenen Schichtdicke auf dem ebenen Träger ist, wird die Intensität parallel durchgehenden Lichtes beliebiger Wellenlänge laufend gemessen und die Abscheidung entsprechend gesteuert.

Mit diesem bekannten Verfahren können die Schichtdicken nicht direkt am Träger ermittelt werden. Durch die indirekte Messung ist das exakte Ermitteln der tatsächlich auf dem Träger abgeschiedenen Schichtdicke nicht gewährleistet.

Weiterhin sind Meßverfahren bekannt, mit denen die optisch wirksame Dicke einer dünnen Schicht mittels Messung von Reflexions- und Transmissionsgrad ermittelt wird.

Mit keinem der bekannten Verfahren ist es möglich, die optisch wirksame Schichtdicke eines Phasengitters, welche auch als optisch wirksame Stufenhöhe bezeichnet wird, bei vorgegebener Strukturdimensionierung der beugungsbildenden Schicht zu optimieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Auftrag und Abtrag von Beschichtungen bei der Herstellung von Phasengittern zu optimieren. Die Messung soll an der jeweiligen Prozeßanlage schnell und einfach erfolgen, ohne den Prozeßablauf zu stören und soll zu sehr genauen Meßergebnissen führen, um die Prozeßparameter regeln zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß bei der Herstellung laufend die Beugungseigenschaften des Phasengitters ermittelt und abhängig von diesem Ergebnis die Abscheidungsparameter gesteuert werden können.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann für jede Kombination von Wellenlänge g, Gitterkonstante d, Lückenbreite l und Brechungsindizes NA, NS die optimale optische Weglängendifferenz Δ L erreicht werden, um einen gewünschten Kontrast bei gegebenen Bedingungen zu erhalten. Kontrast bedeutet in diesem Sinn das Verhältnis der einzelnen Intensitäten der auftretenden Beugungsordnungen.

Zur Bewertung der Meßergebnisse ist kein Referenzsignal notwendig.

Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, daß bereits bei der Messung während des Herstellungsprozesses ein geschütztes Phasengitter simuliert werden kann, so daß die Messung unter ähnlichen Bedingungen erfolgt, wie sie bei der Anwendung des Phasengitters vorliegen.

Mehrere Meßstellen an unterschiedlichen Orten des Abscheidungsvorganges angeordnet erhöhen dabei zusätzlich die Genauigkeit.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein geschütztes Auflichtphasengitter;

Fig. 2 ein Auflichtphasengitter mit einer Abstandsschicht;

Fig. 3 ein weiteres Auflichtphasengitter mit einer Abstandsschicht;

Fig. 4 ein Durchlichtphasengitter;

Fig. 5 einen Ausschnitt einer galvanischen Beschichtungsanlage mit einer Meßstelle;

Fig. 6 eine bevorzugte Ausführung einer Beschichtungsanlage;

Fig. 7 einen Ausschnitt einer Bedampfungsanlage mit einer Meßstelle.

In Fig. 1 ist ein geschütztes Laminarphasengitter dargestellt, welches bei Auflicht Verwendung findet. Es dient zur Phasenverschiebung des reflektierten Lichtes, d. h. die von benachbarten Gitterelementen ausgehenden Lichtwellen gleicher Wellenlänge λ besitzen in der gleichen Ausbreitungsrichtung jeweils die gleiche Phasendifferenz. Diese Phasendifferenz ergibt sich aus der optischen Weglängendifferenz Δ L zwischen zwei Lichtwellen, von denen die eine Lichtwelle von der oberen Reflexionsschicht und die andere Lichtwelle von der unteren Reflexionsschicht des mit einem bestimmten Abstand h der Reflexionsschichten versehenen Auflichtphasengitters reflektiert werden. Die optische Weglängendifferenz Δ L bei einem ungeschützten Auflichtphasengitter entspricht direkt dem Abstand h der Reflexionsschichten. Bei dem geschützten Auflichtphasengitter ist Δ L = h · NS.

In der Dissertation von Dipl.-Ing. Jörg Wilhelm 1978 "Dreigitterschrittgeber, photoelektrische Aufnehmer zur Messung von Lageänderungen" ist auf Seite 22 der Intensitätsverlauf bei Phasengittern mit gleichbreiten Stufen 1 und Lücken 2 einer strukturierten Schicht in Abhängigkeit von einer Stufenhöhe h, die dem optisch wirksamen Abstand der Reflexionsschichten entspricht, für mehrere Beugungsordnungen aufgetragen. Der Intensitätsverlauf der einzelnen Beugungsordnungen bei gegebenem Verhältnis von Stufen- und Lückenbreite sowie bei gegebener Wellenlänge λ der Meßstrahlung und gegebener Stufenhöhe h wird bei der Anwendung von Phasengittern ebenfalls zur Weg- und Winkelmessung ausgenutzt.

Bei einem offenen Auflichtphasengitter gegen Luft mit einem Verhältnis von Lückenbreite l zu Gitterkonstante d gleich 1 zu 2 lautet die Bedingung für die Stufenhöhe:

Bei einem geschützten Auflichtphasengitter ist

wobei NS der Brechungsindex des Schutzmediums 3 ist und K = 1,2, 3, . . . sein kann.

Um für einen möglichst großen Wellenlängenbereich noch brauchbare Ergebnisse zu erzielen, sollte die Stufenhöhe h so gering wie möglich sein, d. h. K wird üblicherweise 1 gesetzt.

Diese Angaben gelten jeweils für senkrechten Lichteinfall. Bei sehr schräger Beleuchtungs- bzw. Beobachtungsrichtung muß ein Korrekturfaktor zugefügt werden.

Auf einem Stahlband 4 ist eine gut reflektierende Grundschicht 5 aufgebracht. Auf dieser Grundschicht 5 sind Stufen 1 ebenfalls aus gut reflektierendem Material mittels eines galvanoplastischen Verfahrens abgeschieden. Die Gitterkonstante d und die Lückenbreite l werden durch eine fotolithografische Strukturierung bestimmt. Die Stufenhöhe h wird erfindungsgemäß durch die Steuerung des Abscheidungsprozesses geregelt.

Phasengitter sind verschmutzungsempfindlich. Wenn in die Lücken 2 des Auflichtphasengitters ein Medium mit einem Brechungsindex von N = 2 gefüllt wird, hat das Phasengitter keine Wirkung mehr. Aus diesem Grund ist das geschützte Auflichtphasengitter schon von vornherein mit dem Schutzmedium 3 mit einem Brechungsindex NS gefüllt. Verschmutzungen der Oberfläche haben dann auf die Beugungswirkung des Gitters keinen Einfluß mehr.

Fig. 2 zeigt ebenfalls ein Auflichtphasengitter. Als Stufenhöhe h ist hier der optisch wirksame Abstand der Reflexionsschichten 6, 7 anzusehen. Eine Abstandschicht 8 mit einem Brechungsindex NA trennt die beiden Reflexionsschichten 6, 7. Die Dicke dieser Abstandsschicht 8 ist maßgebend für die Phasenverschiebung, die Dicke der Reflexionsschichten 6, 7 ist hierbei vernachlässigbar gering. Ein Träger 11, auf dem die Schichen 6, 7, 8 aufgebracht sind, gewährleistet die Stabilität des Phasengitters.

In Fig. 3 ist ein Auflichtphasengitter nach Fig. 2 gezeigt. Eine obere Reflexionsschicht 9 ist strukturiert und bestimmt das Verhältnis von Lückenbreite l zu Gitterkonstante d. Eine untere Reflexionsschicht 10 ist durchgehend auf den Träger 11 aufgebracht. Eine Abstandsschicht 12 mit dem Brechungsindex NA ist auch hier für die Phasenverschiebung maßgebend. Für die Stufenhöhe h nach Fig. 2 und Fig. 3 gilt im Idealfall

Die optische Weglängendifferenz Δ L berechnet sich in beiden Fällen zu Δ L = h · NA.

Ein weiteres Phasengitter, welches im Durchlicht betrieben wird, zeigt Fig. 4. Auf einem transparenten Träger 13 ist eine strukturierte transparente Schicht 14 mit einer Stufenhöhe h und dem Brechungsindex NA aufgebracht. Für die Stufenhöhe h gilt hier im Idealfall:

Die optische Weglängendifferenz Δ L beträgt hier

Δ L = h · (NA-1)

Das erfindungsgemäße Meßprinzip bei einer galvanoplastischen Herstellung des Phasengitters nach Fig. 1 wird anhand der Fig. 5 erläutert. Das Stahlband 4 mit der Grundschicht 5 und der mit bekannten fotolithografischen Verfahren aufgebrachten Struktur eines Fotoresists 15 als isolierendes Material wird durch einen Elektrolyten 16 in Richtung X transportiert. Das Stahlband 4 mit der leitenden Grundschicht 5 bildet dabei die Kathode. Die Anode 17 befindet sich in dem Elektrolyten 16. Außerhalb eines Behälters 18 ist ein lichtelektrischer Meßaufbau angeordnet. Eine Meßstrahlung 19, die nur schematisch eingezeichnet wurde, gelangt durch den transparenten Boden des Behälters 18, das Elektrolytbad 17, eine Öffnung 20 der Anode 17, und durch den Fotoresist 15 auf die Oberfläche der Grundschicht 5, sowie auf die, von Fotoresist 15 frei gehaltenen Stellen, an denen sich die Stufen 1 durch Abscheidung ausbilden. Die Breite d-l der Stufen 1 ist durch den fotolithografischen Prozeß vorbestimmt. Die Dicke des Fotoresists 15 kann bei diesem fotolithografischen Prozeß nicht exakt auf einen bestimmten Wert eingehalten werden. Damit aber die Dicke des Fotoresists 15 nicht die Messung beeinflußt, wird der Brechungsindex NE des Elektrolyten 16 dem Brechungsindex NP des Fotoresist 15 angenähert. Das Elektrolyt 16 und der Fotoresist 15 muß für die Wellenlänge λ der verwendeten Meßstrahlung 19 transparent sein.

Die durch den Fotoresist 15 auf die Oberfläche der Grundschicht 5 und der entstehenden Stufen 1 auftreffende Meßstrahlung 19 erfährt eine Beugung. Die reflektierenden Beugungsstrahlen 210-212 gelangen wiederum durch das Elektrolyt 16, die Öffnung 20 und den Boden des Behälters 18 zu dem lichtelektrischen Meßaufbau. Hier werden von Empfängern 220-222 die Intensitäten der einzelnen Beugungsordnungen 210-212 gemessen. Nach dem Beugungsgesetz sind für diese Intensitäten folgende Abhängigkeiten gegeben:

Die Meßstrahlung 19 wird vorzugsweise wie gezeigt mit geringer Neigung eingestrahlt, damit keine Strahlung von einem Empfänger 220-222 abgedeckt wird. Vorzugsweise wird für die Meßstrahlung 19 die Wellenlänge verwendet, die auch bei Gebrauch des Phasengitters zur Positionsmessung herangezogen wird. Wenn das Phasengitter geschützt betrieben werden soll, ist es angebracht, den Brechungsindex NE des Elektrolyten 16 und den Brechungsindex NP des Fotoresists 15 zumindest annähernd dem Brechungsindex NS des Schutzmediums 3 anzugleichen.

Wie bereits erwähnt, gibt es für jede Kombination von d, l, NS=NJ, λ und dem Reflexionsgrad der Reflexionsschichten eine optimale Stufenhöhe h, um der geforderten Bedingung nahezukommen. Der Vergleich der Intensitäten der einzelnen Beugungsordnungen erlaubt es, für jede Kombination die optimale Stufenhöhe h bzw. optische Weglängendifferenz Δ L auf dem Stahlband 4 abzuscheiden.

Entsprechend der Differenz dieses Vergleiches werden von einer Steuereinheit 24 die Abscheidungsparameter laufend geregelt. Als Abscheidungsparameter kann wie gezeigt das Potential der Elektroden 4, 17 und somit die Stromdichte im Elektrolyten 16 verändert werden. Weiterhin ist es möglich, als Abscheidungsparameter die Transportgeschwindigkeit des Stahlbandes 4 in X-Richtung und die Badtemperatur in Abhängigkeit der ermittelten Beugungseigenschaften zu regeln.

Eine bevorzugte Anordnung zur Herstellung eines Phasengitters gemäß der Erfindung wird in Fig. 6 gezeigt. Das mit der Grundschicht versehene Stahlband 4 läuft von einer Vorratsrolle 25 in Richtung X in einen Bereich A. In diesem Bereich A erfolgt die Strukturierung mittels Fotoresist 15 mit bekannten Verfahren. Das Stahlband 4 gelangt weiter in einen Behälter 18, der mit einem Elektrolyten 16 gefüllt ist.

In einem Bereich B werden durch eine Anode 26 mit ungeregeltem konstantem Potential etwa 90% der optimalen Gesamtstufenhöhe h auf der hier nicht dargestellten Grundschicht aufgebaut. Im Elektrolyten 16 befindet sich eine weitere Anode 17 in einem Bereich D, deren Potential in Abhängigkeit von der Messung im Bereich C gesteuert wird. Im Bereich D wird eine Stufenhöhe h von etwa 99% erreicht. Eine zweite Meßstelle ist in einem Bereich E vorgesehen, in dem ein Behälter 27 mit einer Immersionsflüssigkeit 28 mit dem Brechungsindex NP des Fotoresists angeordnet ist. Diese Messung im Bereich E steuert das Potential einer Anode 29 in einem Bereich F. Da nur noch etwa 1% der Stufenhöhe h aufgebracht werden muß, ist der Behälter 30 im Bereich F mit einem verdünnten Elektrolyten 31 gefüllt. Eine dritte Meßstelle in einem Bereich G ist ebenso aufgebaut wie die Meßstelle im Bereich E. Das Ergebnis der Kontollmessung im Bereich G wird ebenfalls zur Regelung des Potentials der Anode 29 herangezogen.

In einem Bereich H wird der Fotoresist 15 entfernt; als weitere Arbeitsgänge können in diesem Bereich das Spülen und Trocknen des Phasengitters folgen. Auf eine Antriebsrolle 32 wird das fertige Phasengitter aufgespult. Wie in Fig. 6 gezeigt, kann auch die Durchlaufgeschwindigkeit des Stahlbandes 4 in Richtung X von den Messungen in den Bereichen C, E und G durch Auswerte- und Steuereinheiten 33, 34 geregelt werden.

Die Ermittlung der optimalen Dicke der aufgedampften Abstandsschicht 8 des Phasengitters nach Fig. 2 zeigt Fig. 7. Der Träger 11 bewegt sich während des Bedampfungsvorganges geradlinig zyklisch in X-Richtung. Die Reflexionsschicht 7 ist als Amplitudengitter ausgebildet und wurde mit bekannten Verfahren aufgebracht. Die Dicke der Reflexionsschicht 7 ist gegenüber der erforderlichen Dicke der Abstandsschicht 8 zu vernachlässigen. Die Abstandsschicht 8 mit dem Brechungsindex NA besteht aus SiO₂. Durch die gleichmäßige Bewegung des Trägers 11 in X-Richtung wird eine gleichmäßige Abscheidung der Abstandsschicht 8 auf den Träger 11 und auf die Reflexionsschicht 7 gewährleistet. Bei Phasengittern mit Abstandsschicht 8 wird die optisch wirksame Weglänge von der Stufenhöhe h und dem Brechungsindex NA bestimmt. Mit dem erfindungsgemäßen Meßverfahren werden beide Parameter, die Stufenhöhe h in Verbindung mit dem Brechungsindex NA als optische Weglänge erfaßt. Damit die Messung durchgeführt werden kann, ohne daß undefinierte Bedingungen das Meßergebnis beeinflussen, wird außerhalb des Aufdampfbereiches 35 eine Spiegelschicht 39 durch einen Flüssigkeitsspiegel aus Quecksilber 36 an der Oberfläche der Abstandsschicht 8 gebildet. Dazu wird ein Gefäß 37 mit Quecksilber 36 gefüllt, so daß sich ein Quecksilber-Miniskus 38 ausgebildet. Die Oberfläche des Quecksilber-Miniskus 38 wird mit der Oberfläche der Abstandsschicht 8 in optischen Kontakt gebracht. Eine Meßstrahlung 40 gelangt durch den transparenten Träger 11, wird an der strukturbildenden Reflexionsschicht 7 gebeugt, gelangt weiter durch die Abstandsschicht 8 mit dem Brechungsindex NA, wird an der Spiegelschicht 39 reflektiert und die Intensitäten der so erzeugten Beugungsstrahlen 410-412 werden mit den Empfängern 420-422 gemessen.

Außerhalb des Meßortes kann die Kondensation des Aufdampfgutes ungestört erfolgen. Durch einen Wert, der durch den laufenden Vergleich der Empfängersignale ermittelt wird, wird für die vorliegende Kombination von d, l, NA, λ die Durchlaufgeschwindigkeit des Trägers 11, die Anzahl der Durchläufe, der Druck und die Temperatur in der Aufdampfanlage geregelt. Die Reflexion an der Spiegelschicht 39 erfolgt unter konstanten und gleichbleibenden Bedingungen, so daß ein konstanter Korrekturfaktor eingeführt werden kann.

Dieser Korrekturfaktor berücksichtigt die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der Spiegelschicht 39 (während der Herstellung des Phasengitters) und der strukturierten Reflexionsschicht 6 aus Fig. 2 (während der Anwendung des fertigen Phasengitters).

Es ist ersichtlich, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren Phasengitter auf einfache und präzise Weise mit optimalen optischen Eigenschaften hergestellt werden können.

Die Meßstrahlung wurde in den Zeichnungen nur schematisch dargestellt, es ist offensichtlich, daß zur Ausbildung von Beugungsordnungen, deren Intensitäten von den Empfängern erfaßt werden, ein Strahlenbündel erforderlich ist, dessen Mindestdurchmesser von der Geometrie des beugungsbildenden Mittels, speziell von der Gitterkonstante d und der Lückenbreite l des Phasengitters bestimmt wird. Des weiteren ist anzumerken, daß die geometrische Ausbildung h, d, l des Phasengitters im Verhältnis zur Herstellungsanordnung übertrieben dargestellt wurde.

In den Zeichnungen ist nur die Herstellung eines Laminarphasengitters gezeigt. Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren und Meßverfahren lassen sich aber ebenso Mehrstufengitter exakt mittels eines bekannten Verfahrens optimal produzieren.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren läßt sich nicht nur bei den beschriebenen Auftrags- bzw. Abtragsverfahren anwenden, sondern ebenso bei Verfahren wie stromloses Abscheiden in Flüssigkeiten und Ionen-Sputtern.

Claims (8)

1. Verfahren zur Optimierung der Beugungseigenschaften eines Phasengitters durch die Erzeugung einer optimalen, die optisch wirksame Stufenhöhe bildende Schicht auf einem Träger, dadurch gekennzeichnet, daß während des Herstellungsprozesses eines periodischen Phasengitters (1, 7, 14) weitgehend monochromatisches Meßlicht (19, 40) an dem Phasengitter (1, 7, 14) gebeugt wird, daß die Strahlungsintensität der Lichtbündel mindestens zweier Beugungsordnungen (210, 211, 212) gemessen wird und daß aus dem Intensitätsverhältnis der Beugungsordnungen (210, 211, 212) Prozeßparameter abgeleitet werden, die zur Optimierung der Beugungseigenschaften entweder eine Erhöhung oder eine Verminderung der optisch wirksamen Stufenhöhe des Phasengitters (1, 7, 14) bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein die optisch wirksame Stufenhöhe bildender Stoff galvanoplastisch auf dem Träger niedergeschlagen wird, der eine elektrisch isolierende periodisch strukturierte Schicht aufweist und als Elektrode durch ein Elektrolytbad geführt wird, wobei sich der genannte Stoff in den nicht isolierten Trägerbereichen abscheidet, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex NP des isolierenden Materials (15) - um die Beugung der Meßstrahlung (19, 40) nicht zu beeinflussen - zumindest annähernd gleich dem Brechungsindex NE des Elektrolyten (16) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex NE des Elektrolyten (16) annähernd gleich dem Brechungsindex NS eines am fertigen Phasengitter vorgesehenen Schutzmediums (3) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die die optisch wirksame Stufenhöhe bildende Schicht auf den mit einer periodisch strukturierten Spiegelschicht versehenen Träger niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Durchgang durch den Träger (11) an der Spiegelschicht (7) gebeugte Meßstrahlung (40) zur Erhöhung der Reflexion auf eine hochreflektierende Fläche auftrifft, die durch Benetzung der Schicht (8) - welche die Stufenhöhe bildet - mit einem Hilfsmedium (36) erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsmedium durch einen Quecksilberfilm (36) gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung der die optisch wirksame Stufenhöhe bildende Schicht zumindest eine Meßstelle (E, G) vorgesehen ist, bei der die Messung durch ein bei der Abscheidung oder dem Abtrag der Schicht inaktives Immersionsbad erfolgt, wobei der Brechungsindex NJ der Immersionsflüssigkeit (28) annähernd gleich dem Brechungsindex NP des isolierenden Materials (15) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex NJ der Immersionsflüssigkeit (28) gleich dem Brechungsindex NS eines am Phasengitter vorgesehenen Schutzmediums (3) ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Messung nach Erreichen der annähernd optimalen Stufenhöhe erfolgt, und daß davon abhängig die weitere Abscheidung oder ein Abtrag durch Regelung eines Anodenpotentials erfolgt.