DE102005023302B4

DE102005023302B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Krümmung einer Oberfläche

Info

Publication number: DE102005023302B4
Application number: DE200510023302
Authority: DE
Inventors: Jörg-Thomas Dr. Zettler; Armin Prof.Dr. Dadgar; Alois Dr. Krost; Gunther Straßburger
Original assignee: LAYTEC GES fur IN SITU und NA; Laytec Gesellschaft fur In-Situ und Nano-Sensorik Mbh
Current assignee: LAYTEC AKTIENGESELLSCHAFT, DE
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2025-05-14
Also published as: DE102005023302A1

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Krümmung einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche (1) einer Probe (12), mit
– einer Lichtquelle (2) zur Einstrahlung eines Lichtstrahls (3)
– einem doppelbrechenden Element (4) zwischen Lichtquelle (2) und Oberfläche (1), dessen mindestens eine Hauptachse (17) in Relation zum Lichtstrahl (3) der Lichtquelle (2) derart positioniert ist, dass der Lichtstrahl (3) der Lichtquelle (2) in mindestens zwei parallele Teilstrahlen (6, 7) aufgespalten wird, die auf die Oberfläche (1) einstrahlen,
– einem Detektor (5) zur Detektion der von der Oberfläche (1) reflektierten Teilstrahlen (6, 7),
gekennzeichnet durch eine Optik zwischen Lichtquelle (2) und doppelbrechendem Element (4), die die Schärfe der von den Teilstrahlen erzeugten Spots am Detektor erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Krümmung einer Oberfläche mit den in den Ansprüchen 1, 16 und 25 genannten Merkmalen.
Zur Herstellung von Halbleiterwafern müssen entsprechende Wachstumsprozesse in Abhängigkeit verschiedener Parameter, wie beispielsweise der aufwachsenden Schichtdicke, der Temperatur, der Dotierung oder der Ebenheit der Waferoberfläche geregelt werden. Hierzu ist es unter anderem erforderlich, genaue Kenntnis über die Krümmung der Waferoberfläche während des Herstellungsprozesses zu besitzen. Insbesondere bei der Herstellung von Wafern in Mehrscheibenreaktoren ist es notwendig, die Oberflächenkrümmung der Wafer möglichst genau in möglichst kurzer Zeit zu bestimmen.
Aus US 5,912,738 ist eine Vorrichtung zur Messung der Krümmung einer Oberfläche bekannt, bei welcher ein Lichtstrahl mittels eines ersten und eines zweiten Etalons in ein Array paralleler Lichtstrahlen aufgespalten wird, wobei diese parallelen Lichtstrahlen an der zu vermessenden Oberfläche reflektiert werden und aufgrund der Verteilung der einzelnen Lichtpunkte (insbesondere deren Abstand zueinander) in einer Detektorebene auf die Krümmung der Oberfläche geschlossen wird. Ein Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass insbesondere keine senkrechte Einstrahlung der parallelen Lichtstrahlen auf die Probe möglich ist, da ansonsten die Einstrahloptik und die Detektorebene zusammenfallen würden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die mittels der Etalone aufgespaltenen Teilstrahlen deutlich unterschiedliche Intensität (im Bereich einiger Größenordnungen) aufweisen, so dass das Detektieren dieser Lichtstrahlen einen über einen großen Intensitätsbereich empfindlichen Detektor erfordert, was zu einem erheblichen Kostenaufwand führt. Insbesondere ist es wegen der unterschiedlichen Intensitäten und der großen Zahl der Teilstrahlen nicht möglich, schnelle Messungen der Oberflächenkrümmung, wie sie beispielsweise bei rotierenden Wafern in Mehrscheibenreaktoren erforderlich sind, durchzuführen.
Weiterhin ist aus DE 203 06 904 U1 eine Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke und der Krümmung einer mindestens teilweise reflektierenden Oberfläche bekannt, wobei die Vorrichtung Mittel zum Beleuchten der Schichtoberfläche mit mindestens zwei nahezu parallelen Lichtstrahlen aufweist, wobei die auf die Oberfläche einfallenden und die von der Schichtoberfläche reflektierten Lichtstrahlen nahezu parallel geführt werden und die Vorrichtung einen Strahlteiler zur Trennung der einfallenden und der an der Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen aufweist, wobei weiterhin ein Zeilen oder ein Flächendetektor zum Messen des Abstands von mindestens zwei an der Oberfläche reflektierten und auf den Reflektor auftreffenden Lichtstrahlen sowie Mittel zur Messung der Intensitäten der an der Schicht reflektierten Lichtstrahlen oder der Gesamtintensität als Maß für die Schichtdicke vorgesehen sind.
Vorteilhafterweise lässt sich durch diese Vorrichtung eine senkrechte Einstrahlung der zur Krümmungsbestimmung der Oberfläche vorgesehenen Lichtstrahlen realisieren. Eine solche senkrechte Einstrahlung ist in vielen Fällen notwendig, da die Größe der an Halbleiterbeschichtungsanlagen verfügbaren Messfenster in der Regel sehr begrenzt ist.
Nachteilig an der vorgenannten Vorrichtung ist jedoch ebenfalls, dass die mittels Etalon und Spiegel aufgespaltenen mindestens zwei Teilstrahlen nicht die gleiche Intensität aufweisen. Hierdurch entstehen wiederum Probleme in der Detektion, vor allem muss der Detektor über einen großen Intensitätsbereich empfindlich ausgebildet sein, was zu einem erheblichen Kostennachteil führt, weiterhin ist eine schnelle Messung innerhalb eines kurzen Zeitintervalls aufgrund der unterschiedlichen Intensitäten problematisch. (große Integrationszeit für Teilstrahlen geringer Intensität, insbesondere dann, wenn die Proben prozessbedingt nur einen geringen Reflexionsgrad aufweisen.)
US 5,067,817 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung kleinster Abweichungen von der Sollform einer Oberfläche. Durch den zweimaligen Durchlauf durch ein doppelbrechendes Element sowie eine Auftrennung der Teilstrahlen auf zwei Detektoren kann eine hohe Empfindlichkeit erzielt werden. Nachteilig sind jedoch einerseits die erhöhten Kosten aufgrund der Notwendigkeit zweier Detektoren und andererseits die Tatsache, dass im Falle einer taumelnden Probe – wie es bei Aufwachsprozessen in der Halbleitertechnologie der Fall ist – ein permanenter und damit nicht realisierbarer Justieraufwand anfällt. Daher ist die Vorrichtung der US 5,067,817 für eine in-situ Krümmungskmessung an schnell taumelnden Proben nicht geeignet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Krümmung einer Oberfläche anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Ansprüche 1, 16 und 25 gelöst. Bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung gleiche Intensität in den optischen Teilstrahlen bei gleichzeitig hoher Spotschärfe am Detektor erzeugt, wodurch bei vorgegebenen Anforderungen an die Präzision der Krümmungsmessung die Verwendung eines deutlich preiswerteren Detektors (zum Beispiel eine CCD-Matrix oder ein CMOS-Sensor) im Vergleich zu den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ermöglicht wird.
Dazu weist die Vorrichtung zur Messung der Krümmung einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche einer Probe eine Lichtquelle zur Einstrahlung eines Lichtstrahls auf die Oberfläche der Probe auf, wobei zwischen Lichtquelle und Oberfläche ein doppelbrechendes Element angeordnet ist. Weiterhin ist zumindest eine Hauptachse des doppelbrechenden Elements in Relation zum Lichtstrahl der Lichtquelle derart positioniert ist, dass der Lichtstrahl der Lichtquelle in zwei parallele Teilstrahlen aufgespalten wird, wobei die Vorrichtung weiterhin einen Detektor zur Detektion der von der Oberfläche reflektierten Teilstrahlen aufweist und wobei eine Optik zwischen Lichtquelle und doppelbrechendem Element vorgesehen ist, die die Schärfe der von den Teilstrahlen erzeugten Spots am Detektor erhöht.
Die Idee der Erfindung einerseits besteht darin, zwei parallele Teilstrahlen gleicher Intensität dadurch zu erzeugen, dass der vorzugsweise wenig divergente Lichtstrahl (beispielsweise Laserstrahl, aber auch unpolarisiertes weißes Licht ist geeignet) auf ein doppelbrechendes Element, beispielsweise eine doppelbrechende Platte oder ein doppelbrechendes Prisma, eingestrahlt wird. Ist der einfallende Lichtstrahl polarisiert, muss die optische Achse des doppelbrechenden Elements in Relation zum Lichtstrahl unter Berücksichtigung dessen Polarisation derart positioniert bzw. eingestellt werden, dass der ordentliche Strahl und der außerordentliche Strahl nach Durchlaufen des doppelbrechenden Elements parallel verlaufen und die gleiche Intensität aufweisen. Dazu ist es erforderlich, dass der einfallende Lichtstrahl schräg auf die optische Achse des doppelbrechenden Elementes fällt, so dass die Aufspaltung in ordentlichen und außerordentlichen Strahl erfolgt. Zusätzlich ist eine Optik zwischen Lichtquelle und doppelbrechendem Element vorgesehen, die die Schärfe der von den Teilstrahlen erzeugten Spots am Detektor erhöht.
Nutzt man polarisiertes Licht, dann kann die Intensitätsverteilung zwischen ordentlichen und außerordentlichen Strahl durch geeignete Einstellung der Polarisationsrichtung auf den gewünschten Wert eingestellt werden (im allgemeinen gleiche Intensität).
Der Abstand der parallel verlaufenden ordentlichen und außerordentlichen Teilstrahlen kann sowohl durch den Neigungswinkel zwischen Teilstrahl und optischer Achse als auch durch die Dicke des doppelbrechenden Elementes eingestellt werden.
Weiterhin weist die Vorrichtung Mittel zur Bestimmung der Krümmung der Oberfläche aus dem Abstand der nach Reflexion an der Probe vom Detektor detektierten Teilstrahlen auf. Dieses Mittel kann beispielsweise durch ein Datenverarbeitungsgerät ausgebildet sein, welches aus dem Abstand der Teilstrahlen am Detektor sowie aus den einzelnen Längen (beispielsweise von der Probe zum Detektor sowie dem Abstand der Teilstrahlen vor der Reflexion) die Krümmung der Oberfläche entsprechend mathematischer Gesetze berechnet. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung ist es möglich, parallele Teilstrahlen zur Einstrahlung auf die gekrümmte Oberfläche mit gleicher Intensität und hoher Schärfe in besonders einfacher Weise zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, dass auch die reflektierten Teilstrahlen eine nahezu gleiche Intensität sowie einen geringen Spotdurchmesser aufweisen, wodurch der Detektor lediglich in einem sehr schmalbandigen Empfindlichkeitsbereich bezüglich der Lichtintensität der reflektierten Teilstrahlen arbeiten können muss. Hierdurch ist es möglich, einen preiswerten Detektor zu verwenden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass auch (aufgrund der geringen Anforderungen an den Detektor) aufgrund der gleichen Intensitäten sehr schnelle Messungen in sehr kurzen Zeitintervallen durchgeführt werden können, wodurch auch bei rotierenden Wafern, beispielsweise in Mehrscheibenreaktoren eine präzise Messung während ihrer Rotation realisiert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung weist die Vorrichtung einen Strahlteiler auf, welcher zwischen Lichtquelle und reflektierender Oberfläche angeordnet ist, wobei die Lichtquelle in Relation zur Oberfläche derart angeordnet ist, dass der Lichtstrahl oder die Teilstrahlen senkrecht oder im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche treffen und der Detektor in Relation zum Strahlteiler derart angeordnet ist, dass die von der Oberfläche reflektierten Teilstrahlen auf den Detektor treffen. Hierdurch wird es erfindungsgemäß möglich, den Lichtstrahl zur Messung der Krümmung der Oberfläche senkrecht einzustrahlen, was in vielen Applikationen aufgrund der verwendeten Reaktoren notwendig ist. Die Lichtquelle ist vorzugsweise ein Halbleiterlaser. In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung weist die von der Lichtquelle emittierte Strahlung eine derartige Polarisation auf, dass die Teilstrahlen nach Durchtritt durch das doppelbrechende Element eine gleiche Intensität oder zumindest eine nahezu gleiche Intensität aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist im Strahlengang zwischen der Oberfläche und dem Detektor eine Zylinderlinse angeordnet. Durch diese Zylinderlinse wird vorteilhafterweise eine Abbildung sämtlicher von der eventuell taumelnden Oberfläche reflektierten Strahlen aus einer Ebene auf eine Linie realisiert. Dadurch kann anstatt eines Array-Detektors ein Liniendetektor verwendet werden, was zusätzlich zu einem Kostenvorteil führt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung weist die Lichtquelle mindestens zwei kollinear geführte Lichtquellen, vorzugsweise Laserlichtquellen, unterschiedlicher Wellenlänge auf. Hierdurch kann ein Signalausfall durch Interferenz an einer aufwachsenden Schicht weitestgehend ausgeschlossen werden, da die Wellenlängen der kollinear geführten Lichtquellen derart gewählt werden, dass die Interferenzminima im zu erwartenden Schichtdickenbereich auseinanderfallen. Ergänzend kann die Intensität der Lichtquellen geregelt werden, um Interferenzbedingte Signalschwankungen auszugleichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung zusätzlich Mittel zur Bestimmung charakteristischer Schichtparameter der Probe aufweist. Vorzugsweise ist das Mittel zur Bestimmung charakteristischer Schichtparameter der Probe durch mindestens ein Pyrometer und eine Reflexions-Auswerteeinheit sowie ein Mittel zum Einstrahlen von Licht (für die Reflexions-Auswerteeinheit) ausgebildet. Das Pyrometer ist vorzugsweise ein emissivitäts-korrigiertes Pyrometer. Vorzugsweise wird zwischen der Lichtquelle und dem doppelbrechenden Element ein Filter zur Unterdrückung von Störungen bei den Temperaturmessungen (mittels Pyrometer) angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante weist sowohl die Lichtquelle für die Krümmungsmessung als auch die Lichtquelle für die optionale Reflexions-Auswerteeinheit Mittel zur Dunkeltastung auf. Die Mittel zur Dunkeltastung erlauben dann die Eliminierung von Prozesslicht- und Umgebungslichtartefakten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Krümmung einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche einer Probe ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: Erzeugen und Aufspalten eines Lichtstrahls mittels eines doppelbrechenden Elements in mindestens zwei parallele Teilstrahlen, Einstrahlen der mindestens zwei parallele Teilstrahlen auf die teilweise reflektierende Oberfläche, Detektieren der an der Oberfläche der Probe reflektierten Teilstrahlen auf einem Detektor, wobei ihr Abstand am Detektor erfasst und die Krümmung der Oberfläche aus diesem Abstand ermittelt wird, wobei die reflektierten Teilstrahlen auf den Detektor gelangen, ohne das doppelbrechende Element nochmals zu durchlaufen, wobei die Schärfe der von den Teilstrahlen erzeugten Spots am Detektor durch eine Optik zwischen Lichtquelle und doppelbrechendem Element erhöht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Achse des doppelbrechenden Elements in Relation zur Strahlrichtung des Lichtstrahls derart orientiert bzw. positioniert, dass die resultierenden Teilstrahlen einen geeigneten Abstand für die Krümmungsmessung aufweisen. Alternativ kann zur Einstellung des Strahlabstandes auch die Dicke des doppelbrechenden Elementes variiert werden.
Bei Nutzung von polarisiertem Licht wird die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls bei vorgegebenem Winkel zwischen der Achse des doppelbrechenden Elements und dem Lichtstrahl derart eingestellt, dass die Teilstrahlen eine gleiche Intensität oder zumindest eine nahezu gleiche Intensität aufweisen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird gleichzeitig (neben der Bestimmung Krümmung der Oberfläche) eine Bestimmung charakteristischer Schichtparameter der Probe vorgenommen. Vorzugsweise wird die Bestimmung der Schichtparameter der Probe mittels eines Pyrometers und einer Reflexions-Auswerteeinheit vorgenommen. In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird der bzw. werden die zur Krümmungsmessung verwendeten Lichtstrahlen moduliert. Dadurch kann vorzugsweise eine spektral-optische Messung ohne einen entsprechenden Einfluss durch die Krümmungsmessung (gleichzeitig) durchgeführt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist es vorgesehen, neben der Bestimmung der Krümmung der Oberfläche und der Bestimmung charakteristischer Schichtparameter die Rauhigkeit der Oberfläche durch Lichtstreuung zu bestimmen. Dazu wird die Breite der reflektierten Teilstrahlen auf der Detektorfläche oder die Größe des Störsignals an der Reflexions-Auswerteeinheit als Maß für die Rauhigkeit der Oberfläche verwendet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Krümmung einer Oberfläche bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Krümmung einer Oberfläche kann besonders vorteilhaft in einem spektral-optischen System zur Messung charakteristischer Schichtparameter, beispielsweise bei Aufwachsprozessen in der Halbleitertechnologie verwendet werden. Einerseits kann ein kostengünstiger Detektor verwendet werden, andererseits ist es möglich, aufgrund der gleichen Intensitäten der parallel einfallenden Lichtstrahlen eine sehr schnelle Messung (wegen des schmalbandigen Intensitätsbereichs des Detektors, was zu einer schnelleren Auswertung der Daten führt) zu realisieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen.
1a eine schematische, geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Krümmung einer Probenoberfläche bei schrägem Einfall der Lichtstrahlen,
1b eine schematische, geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Krümmung einer Probenoberfläche bei senkrechtem Einfall der Lichtstrahlen,
2a eine schematische Darstellung des Prinzips der Aufspaltung eines Lichtstrahls in 2 parallele Teilstrahlen mit gleicher Intensität bei senkrechtem Einfall,
2b eine schematische Darstellung des Prinzips der Aufspaltung eines Lichtstrahls in 2 parallele Teilstrahlen mit gleicher Intensität bei schrägem Einfall,
2c eine schematische Darstellung des Prinzips der Aufspaltung eines Lichtstrahls in 2 parallele Teilstrahlen mit gleicher Intensität bei senkrechtem Einfall nach einer Strahlaufweitung,
2d eine schematische Darstellung des Prinzips der Aufspaltung eines Lichtstrahls in 2 parallele Teilstrahlen mit gleicher Intensität bei senkrechtem Einfall mittels eines aus mehreren doppelbrechenden Elementen zusammengesetzten optischen Elements,
3 eine schematische geschnittene Darstellung von zwei kollinear geführte Laserlichtquellen,
4 eine schematische Darstellung der Bestimmung der Rauhigkeit der Probenoberfläche aus der streulichtbedingten Breite des reflektierten Lichts, und
5 die Verwendung einer Zylinderlinse zur Abbildung der von einer taumelnden Oberfläche reflektierten Strahlen.
1 zeigt eine schematische, geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Krümmung einer Probenoberfläche 1 bei schrägem Einfall der Lichtstrahlen. Der schräge Lichteinfall kann beispielsweise deshalb notwendig sein, weil direkt über der Probenoberfläche 1 eine Vorrichtung zur Bestimmung charakteristischer Schichtparameter, beispielsweise eine Reflexions-Auswerteeinheit 15 angeordnet sein kann. Der Halbleiterlaser 2 erzeugt den Lichtstrahl 3, der zunächst über den Filter 11 und die Linse 24 in das doppelbrechende Element 4 geführt wird. Die Hauptachse (bzw. eine der Hauptachsen) des doppelbrechenden Elements 4 ist zum Lichtstrahl 3 derart orientiert, dass der Lichtstrahl 3 in zwei Teilstrahlen 6 und 7 aufgespalten wird, wobei die Teilstrahlen 6 und 7 nach Verlassen des doppelbrechenden Elements 4 parallel zueinander verlaufen. Das doppelbrechende Element 4 weist vorzugsweise ebene Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen auf. Ferner sind die Lichteintritts-/Lichtaustrittsflächen sowie die Hauptachse des doppelbrechenden Elements 4 derart zum einfallenden Lichtstrahl 3 (unter Berücksichtigung der Polarisation des Lichtstrahls 3) orientiert, dass die Teilstrahlen 6 und 7 nach Verlassen des doppelbrechenden Elements 4 die gleiche oder nahezu die gleiche Intensität aufweisen. Hierdurch kann ein preiswerter Detektor 5 mit einem geringen Empfindlichkeitsbereich verwendet werden, da die später am Detektor 5 zu detektierenden Teilstrahlen 6 und 7 auch dort eine gleiche Intensität aufweisen werden. Mittels des ersten Umlenkspiegels 18 werden die Teilstrahlen 6 und 7 auf die Probenoberfläche 1 geführt, dort zumindest teilweise reflektiert und danach über den zweiten Umlenkspiegel 18 und den Filter 13 zum Detektor 5 geführt, welcher beispielsweise als CCD-Matrix ausgebildet sein kann. Sofern die Probenoberfläche 1 eine konvexe Krümmung aufweist, wird der Abstand der Teilstrahlen 6 und 7 im Detektor 5 größer sein als auf der Probenoberfläche 1. Über die bekannten Parameter (Abstand der Teilstrahlen 6 und 7 auf der Probenoberfläche 1, Abstand der Teilstrahlen 6 und 7 auf dem Detektor 5 und Abstände und Winkel der Probenoberfläche 1 zum Spiegel 18 und zum Detektor 5) kann die Krümmung der Probenoberfläche 1 berechnet werden, was vorzugsweise über ein (hier nicht dargestelltes) Datenverarbeitungsgerät erfolgt. Der Filter 11 dient zur Unterdrückung ungewollter Emissionen der Lichtquelle 2 und der Filter 13 dient zur Unterdrückung der thermischen Strahlung der Probe 12.
1b zeigt eine schematische, geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Krümmung einer Probenoberfläche bei senkrechtem Einfall der Lichtstrahlen. Das Prinzip entspricht dem nach 1a, jedoch können die Umlenkspiegel 18 aufgrund des senkrechten Lichteinfalls durch lediglich einen teildurchlässigen Spiegel 19 ersetzt werden, wodurch die Anzahl der Bauelemente weiter reduziert werden kann.
Der besondere Vorteil der Verwendung eines doppelbrechenden Elements im Strahlengang besteht in der preiswerten Erzeugung von parallelen Teilstrahlen 6 und 7 gleicher Intensität, wodurch beispielsweise ein preiswerter Detektor 5 verwendet werden kann.
2a zeigt eine schematische Darstellung des Prinzips der Aufspaltung des Lichtstrahls 3 in 2 parallele Teilstrahlen 6 und 7 mit gleicher Intensität bei senkrechtem Einfall. Das doppelbrechende Element 4 spaltet den Lichtstrahl 3 bei senkrechtem Einfall in den ordentlichen Teilstrahl 6 und den außerordentlichen Teilstrahl 7 auf. Die Hauptachse 17 (entspricht der Richtung der eingezeichneten Linie) des doppelbrechenden Elements 4 wird in Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl 3 (und dessen Polarisation) so gewählt, dass die Teilstrahlen 6 und 7 nach Verlassen des doppelbrechenden Elements 4 die gleiche Intensität aufweisen. Der Abstand der Teilstrahlen 6 und 7 nach Verlassen des doppelbrechenden Elements 4 wird durch die Dicke des doppelbrechenden Elements 4 (und das Material) bestimmt. Das gleiche gilt analog für 2b, die das Prinzip der Aufspaltung des Lichtstrahls 3 in die parallelen Teilstrahlen 6 und 7 mit gleicher Intensität bei schrägem Einfall veranschaulicht.
2c zeigt eine schematische Darstellung des Prinzips der Aufspaltung des Lichtstrahls 3 in die parallele Teilstrahlen 6 und 7 mit gleicher Intensität bei senkrechtem Einfall nach einer Strahlaufweitung. Die Strahlaufweitung wird durch eine handelsübliche Strahlaufweitungsoptik 21 realisiert. Damit wird der Strahl besser kollimiert und eine nachfolgende, abbildende Optik besser ausgeleuchtet. Im Ergebnis erzielt man schärfere Spots auf dem Detektor 5 und somit eine höhere Auflösung der Krümmungsmessung.
2d zeigt eine schematische Darstellung des Prinzips der Aufspaltung des Lichtstrahls 3 in die parallelen Teilstrahlen 6 und 7 mit gleicher Intensität bei senkrechtem Einfall mittels eines aus zwei doppelbrechenden Elementen 4 zusammengesetzten optischen Elements 22 (Rochon-Prisma) und einer Linse 23. Die Hauptachsen 17 der doppelbrechenden Elemente 4 werden dabei so gewählt, dass die Teilstrahlen 6 und 7 nach Verlassen des Prismas 22 die gleiche Intensität aufweisen, jedoch noch nicht parallel verlaufen. Unter Zuhilfenahme weiterer optischer Elemente, in diesem Fall einer Linse 23 werden die divergenten Lichtstrahlen zu parallelen Lichtstrahlen umgelenkt.
Entscheidend ist also, dass das doppelbrechende Element 4 derart positioniert wird, dass die Teilstrahlen 6 und 7 die gleiche Intensität aufweisen und, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme weiterer optischer Elemente, parallel zueinander verlaufen. Vorzugsweise weisen die Teilstrahlen 6 und 7 bei Verlassen des doppelbrechenden Elementes 4 ohne Zuhilfenahme weiterer optischer Elemente die gleiche Intensität auf und verlaufen parallel.
3 zeigt eine schematische geschnittene Darstellung von zwei kollinear geführte Laserlichtquellen 2 und 16. Hierdurch kann ein Signalausfall durch Interferenz an einer aufwachsenden Schicht (Probe 12) weitestgehend ausgeschlossen werden, da die Wellenlängen der kollinear geführten Lichtquellen 2, 16 derart gewählt werden, dass die Interferenzminima im zu erwartenden Schichtdickenbereich der Probe 12 auseinanderfallen.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Bestimmung der Rauhigkeit der Probenoberfläche 1 aus der streulichtbedingten Breite des reflektierten Lichts. Entsprechend der Rauhigkeit der Oberfläche 1 der Probe 12 wird der Streulichtkegel 20 der Teilstrahlen 6 und 7 anwachsen. Aus dem Durchmesser des Streulichtkegels 20 der Teilstrahlen 6 und 7 kann dann auf die Rauhigkeit der Probenoberfläche 1 geschlossen werden.
5 zeigt die Verwendung einer Zylinderlinse 10 zur Abbildung der von einer taumelnden Oberfläche 1 reflektierten Strahlen 6 und 7. Durch diese Zylinderlinse 10 wird vorteilhafterweise eine Abbildung sämtlicher von der eventuell taumelnden Oberfläche 1 reflektierten Strahlen 6, 7 aus einer Ebene auf eine Linie des Detektors 5 realisiert. Dadurch kann anstatt eines Array-Detektors ein preiswerter Liniendetektor verwendet werden, was zusätzlich zu einem Kostenvorteil führt.

1: Oberfläche
2: Lichtquelle
3: Lichtstrahl
4: doppelbrechendes Element
5: Detektor
6: Teilstrahl
7: Teilstrahl
10: Zylinderlinse
11: Filter
12: Probe
13: Filter
15: Reflexions-Auswerteeinheit
17: optische Achse des doppelbrechenden Elements
18: Umlenkspiegel
19: teildurchlässiger Spiegel
20: Streulichtkegel
21: Strahlaufweitungsoptik
22: Rochon-Prisma
23: Linse
24: Linse

Claims

Vorrichtung zur Messung der Krümmung einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche (1) einer Probe (12), mit – einer Lichtquelle (2) zur Einstrahlung eines Lichtstrahls (3) – einem doppelbrechenden Element (4) zwischen Lichtquelle (2) und Oberfläche (1), dessen mindestens eine Hauptachse (17) in Relation zum Lichtstrahl (3) der Lichtquelle (2) derart positioniert ist, dass der Lichtstrahl (3) der Lichtquelle (2) in mindestens zwei parallele Teilstrahlen (6, 7) aufgespalten wird, die auf die Oberfläche (1) einstrahlen, – einem Detektor (5) zur Detektion der von der Oberfläche (1) reflektierten Teilstrahlen (6, 7), gekennzeichnet durch eine Optik zwischen Lichtquelle (2) und doppelbrechendem Element (4), die die Schärfe der von den Teilstrahlen erzeugten Spots am Detektor erhöht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Bestimmung der Krümmung der Oberfläche (1) aus dem Abstand der vom Detektor (5) detektierten Teilstrahlen (6, 7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen teildurchlässigen Spiegel (19) aufweist, welcher zwischen Lichtquelle (2) und reflektierender Oberfläche (1) angeordnet ist, wobei die Lichtquelle (2) in Relation zur Oberfläche (1) derart angeordnet ist, dass der Lichtstrahl (3) oder die Teilstrahlen (6, 7) senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche (1) treffen, wobei der Detektor (5) in Relation zum teildurchlässigen Spiegel (19) derart angeordnet ist, dass die von der Oberfläche (1) reflektierten Teilstrahlen (6, 7) zunächst auf den teildurchlässigen Spiegel (19) treffen und die vom teildurchlässigen Spiegel (19) reflektierten Teilstrahlen (6, 7) auf den Detektor (5) treffen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) ein Halbleiterlaser ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Lichtquelle (2) emittierte Strahlung eine solche Polarisation aufweist, dass die Teilstrahlen (6, 7) nach Durchtritt durch das doppelbrechende Element (4) die gleiche Intensität aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) ein Halbleiterlaser mit einem polarisierenden Element ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Oberfläche (1) und dem Detektor (5) eine Zylinderlinse (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) mindestens zwei kollinear geführte Laserlichtquellen (2, 16) unterschiedlicher Wellenlänge aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich Mittel zur Bestimmung charakteristischer Schichtparameter der Probe (12) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Bestimmung charakteristischer Schichtparameter der Probe (12) ein Mittel zum Einstrahlen von Licht sowie eine Reflexions-Auswerteeinheit (15) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Bestimmung charakteristischer Schichtparameter der Probe (12) zusätzlich ein Pyrometer aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrometer ein emissivitäts-korrigiertes Pyrometer ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle (2) und dem doppelbrechenden Element (4) ein Filter (11) zur Unterdrückung von unerwünschten Emissionen der Lichtquelle (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) zur Krümmungsmessung und/oder Mittel zum Einstrahlen von Licht des Mittels zur Bestimmung charakteristischer Schichtparameter Mittel zur Dunkeltastung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Bestimmung der Krümmung der Oberfläche (1) aus dem Abstand der vom Detektor (5) detektierten Teilstrahlen (6, 7) ein Datenverarbeitungsgerät aufweist.
Verfahren zur Messung der Krümmung einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche (1) einer Probe (12), bei dem: – ein Lichtstrahl (3) erzeugt und mittels eines doppelbrechenden Elements (4) in mindestens zwei parallele Teilstrahlen (6, 7) aufgespalten wird, die auf die Oberfläche (1) einstrahlen, und – die an der Oberfläche (1) der Probe (2) reflektierten Teilstrahlen (6, 7) auf einem Detektor (5) detektiert werden, ihr Abstand am Detektor (5) erfasst und die Krümmung der Oberfläche (1) aus diesem Abstand ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die reflektierten Teilstrahlen (6, 7) auf den Detektor (5) gelangen, ohne das doppelbrechende Element (4) nochmals zu durchlaufen, und – die Schärfe der von den Teilstrahlen (6, 7) erzeugten Spots am Detektor (5) durch eine Optik zwischen Lichtquelle (2) und doppelbrechendem Element (4) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachse (17) des doppelbrechenden Elements (4) in Relation zur Strahlrichtung des einfallenden Lichtstrahls (3) derart orientiert wird, dass die Teilstrahlen (6, 7) nach Verlassen des doppelbrechenden Elements (4) parallel verlaufen und einen vorgegeben Abstand zueinander aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls (3) bei vorgegebenem Winkel zwischen der Hauptachse (17) des doppelbrechenden Elements (4) und dem Lichtstrahl (3) derart eingestellt wird, dass die Teilstrahlen (6, 7) die gleiche Intensität aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (3) und/oder die Teilstrahlen (6, 7) dunkelgetastet oder moduliert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig eine Bestimmung charakteristischer Schichtparameter der Probe (12) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung charakteristischer Schichtparameter der Probe (12) mittels eines Pyrometers und einer Reflexions-Auswerteeinheit (15) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeit der Oberfläche (1) aus der streulichtbedingten Breite der detektierten Teilstrahlen (6, 7) oder der Größe des Störsignals der Reflexions-Auswerteeinheit (15) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass aus der durch das Taumeln der Probe (12) bedingten Amplitude der Oszillationen mindestens eines Strahlmittelpunktes der beiden Teilstrahlen (6, 7) die Taumelamplitude der Probe (12) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem in der Reflexions-Auswerteeinheit (15) detektierten Störsignal, das durch mindestens einen der Teilstrahlen (6, 7) durch Reflexion an der Probe (12) erzeugt wird und eine andere Wellenlänge als das von der Lichtquelle (2) emittierte Licht aufweist, auf die Photolumineszenzeigenschaften der Probe (12) geschlossen wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Bestimmung charakteristischer Schichtparameter einer Probe (12).