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Die
Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Messtechnik und Verfahrenstechnik
und betrifft ein Verfahren zur simultanen Ermittlung von Höhenunterschieden
und Zusammensetzungen mittels Glimmentladungsspektroskopie, mit
dem gleichzeitig mit der Ermittlung der Zusammensetzung von Materialien
durch Sputtern hervorgerufene Höhenunterschiede
dieser Materialien ermittelt werden können, und eine Vorrichtung
zur Realisierung des Verfahrens.
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Bei
der analytischen Glimmentladungsspektroskopie werden die Atome an
der Oberfläche
eines Festkörpers
während
einer Gasentladung abgetragen und im Plasma der Entladung zur Lichtemission angeregt.
In der Elementanalytik wird die Konzentration der Elemente des Festkörpers mittels
optischer Emissions- und Absorptionsspektrometrie oder Massenspektrometrie
aus diesen Signalen berechnet.
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Die
Abhängigkeit
der Signalintensitäten
von der Zeit entspricht der Elementverteilung in Abhängigkeit
von der Tiefe des Bereiches, aus dem durch die Gasentladung Elemente
abgetragen worden sind. Für
die Umrechnung der Zeit in die Tiefe der Abtragskrater sind bestimmte
Modellannahmen, wie konstante Emissionsausbeuten und Annahmen zur Dichte
des Festkörpers
erforderlich. Mit dieser Methode werden im Falle von metallischen
Festkörpern gute
und reproduzierbare Ergebnisse erhalten.
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Im
Falle, dass O, H, C oder N Hauptelemente des Festkörpers sind,
kann auf diese Weise aufgrund fehlender Kalibrationsstandards die
Zusammensetzung der Probe nicht exakt ermittelt werden. Hinzu kommt,
dass im Falle, dass die Dichte nicht bekannt ist oder sich mit der
Tiefe ändert,
keine zuverlässigen Aussagen
zur Tiefe der Abtragskrater gemacht werden können.
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Um
für derartige
Festkörper
Lösungen
zu schaffen, sind bisher im Wesentlichen zwei Verfahren bekannt.
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Bei
einem Verfahren handelt es sich um das sogenannten Laserfokusprinzip
(Hartenstein, M. L., Marcus R. K.: Surf. Interface Anal. 27, 962–971 (1999)).
Mit diesem Verfahren kann der Sputterabtrag in-situ verfolgt werden.
Das Verfahren beruht auf der Fokussierung des Laserstrahles auf
der Probe, die durch eine axial variierende Linse realisiert wird. Befindet
sich die Probe im Fokus der Linse, ist die Ausdehnung der beleuchteten
Probenoberfläche
minimal und aus der Position der Linse wird auf die Entfernung der
Probe geschlossen. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die relative
hohe zeitliche Trägheit
des Messsystems und andererseits die Notwenigkeit, das Messsystem
direkt in den Strahlengang zu positionieren, was eine direkte simultane
Messung der Lichtsignale aus dem Plasma unmöglich macht.
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Bei
dem anderen Verfahren wird die direkte Messung der Tiefe der Abtragskrater
durch ein Interferometer realisiert (Wilken, L. u. a., Journal of
Analytical Atomic Spectrometry 18 (2003), S. 1133–1140;
EP 1 235 067 A1 ).
Durch Überlagerung
des reflektierten Lichtes von der Probe mit einem Lichtstrahl mit
einem bezüglich
der Probenoberfläche
festen Reflexionsort kommt es zur Interferenz und aus den auftretenden
Maxima und Minima der Lichtintensität kann auf die relative Änderung
der Probenoberfläche
beim Sputterabtrag geschlossen werden. Mit diesem Verfahren können auch
schnelle Tiefenänderungen
im ms-Bereich gemessen werden.
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Der
Nachteil dieses Messsystems ist der hohe finanzielle Aufwand für ein geeignetes
Interferometer. Bei Störungen
z. B. durch sprunghafte Änderungen
der Probenoberfläche
oder elektrische Störimpulse
verliert das System außerdem
den Bezugspunkt.
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Nachteilig
für beide
Messverfahren ist weiterhin die sich ändernde Reflexivität der Festkörper, was
insbesondere bei schwach reflektierenden Festkörpern zu ungenauen Ergebnissen
oder Fehlmessungen führt.
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Bekannt
ist weiterhin ein Sensor als konfokaler Abstandsmesser (
DE 102 42 374 A1 ).
Dieser Abstandsmesser besteht aus einer Lichtquelle, einer Abbildungsoptik,
einem Strahlteiler, einem Lichtempfänger und einer Auswerteinheit.
Mit diesem Sensor sind schnelle optische Abstandsmessungen nach dem
konfokalen Abbildungsprinzip möglich,
ohne Bewegungen der Vorrichtung oder Teile der Vorrichtung.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur
simultanen Ermittlung von Höhenunterschieden
und Zusammensetzungen mittels Glimmentladungsspektroskopie, mit
dem mit relativ großer
Genauigkeit die Zusammensetzung einer Festkörperprobe in Abhängigkeit
von der Tiefe im Sputterbereich ermittelt werden kann und in der
Angabe einer einfachen Vorrichtung, die die Ermittlung der Zusammensetzung
mittels Glimmentladungsspektroskopie im Wesentlichen nicht behindert.
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Die
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Ermittlung der Zusammensetzung einer Festkörperprobe mittels Glimmentladungsspektroskopie
und zur Ermittlung von Höhenunterschieden
simultan dazu, wird während
des Sputterns einer Festkörperprobe
- – infolge
des Sputterns emittiertes Licht durch eine Abbildungsoptik mit chromatischer
Aberration und durch einen Eintrittsspalt eines ersten Spektrometers
zur spektrometrischen Analyse der Festkörperprobe geleitet,
- – simultan
dazu ein mindestens zweifarbiges Licht über eine Blende, über eine
Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung, die zwischen dem Eintrittsspalt des
ersten Spektrometers und der Abbildungsoptik mit chromatischer Aberration
angeordnet ist, und über
die Abbildungsoptik mit chromatischer Aberration zum Sputterbereich
auf der Festkörperprobe
geleitet,
- – der
reflektierte Anteil dieses Lichtes wiederum über die Abbildungsoptik mit
der chromatischen Aberration und über die Vorrichtung zur Ein-
und Auskopplung aus dem Strahlengang des emittierten Lichtes herausgeführt und
unter Nutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes einem zweiten Spektrometer
zur Auswertung und Ermittlung von Höhenunterschieden im Sputterbereich
zugeführt,
- – wobei
mindestens das für
die spektrometrische Analyse notwendige emittierte Licht durch die Öffnung in
der Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung zum ersten Spektrometer
hindurch gelassen wird.
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Vorteilhafterweise
wird die Ermittlung von Zusammensetzungen von Festkörpern mittels Glimmentladungsspektroskopie
und der simultanen Ermittlung von Höhenunterschieden mit O, H,
C oder N als Hauptelementen durchgeführt.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise wird der Strahlengang des emittierten Lichts
und des reflektierten Lichts durch eine optische Linse mit einer
chromatischen Aberration, die die Abbildungsoptik mit chromatischer
Aberration ist, geführt.
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Weiterhin
vorteilhafterweise wird der Strahlengang des reflektierten Lichtes
durch eine Vorrichtung ausgekoppelt, die ein planer oder ein gekrümmter Spiegel
ist.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn als mindestens zweifarbiges Licht ein Weißlicht eingesetzt
wird.
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Auch
vorteilhaft ist es, wenn der Strahlengang des reflektierten Lichtes
durch eine Vorrichtung zur Nutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes
geführt
wird, die aus einer Blende mit mindestens einer Öffnung und nachfolgend aus
mindestens einer weiteren Abbildungsoptik besteht, wobei als Abbildungsoptiken
optische Linsen eingesetzt werden können.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, wenn der Strahlengang des reflektierten Lichtes
durch eine Vorrichtung zur Nutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes
geführt
wird, die aus einem Lichtleiter und nachfolgend aus mindestens einer
weiteren Abbildungsoptik besteht, wobei als Abbildungsoptiken optische Linsen
eingesetzt werden können.
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Von
Vorteil ist es auch, wenn Blenden mit einer lochförmigen oder
länglichen Öffnung eingesetzt werden.
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Und
auch von Vorteil ist es, wenn eine Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung
des Lichts aus dem Strahlengang mit einer Öffnung eingesetzt wird, bei
der sich hinter der Öffnung
der Eintrittsspalt für das
notwendige emittierte Licht zur spektrometrischen Analyse der Zusammensetzung
des Festkörpers
in das Spektrometer befindet.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Ermittlung der Zusammensetzung einer Festkörperprobe mittels Glimmentladungsspektroskopie
und zur Ermittlung von Höhenunterschieden
simultan dazu besteht aus
- – einer Abbildungsoptik (9)
mit chromatischer Aberration und einem ersten Spektrometer (4)
zur spektrometrischen Analyse der Zusammensetzung der Festkörperprobe
(1), die so angeordnet ist, dass infolge eines Sputterns
der Festkörperprobe
(1) emittiertes Licht über
die Abbildungsoptik (9) mit chromatischer Aberration durch
den Eintrittsspalt (3) des ersten Spektrometers (4)
geleitet wird,
- – einer
Lichtquelle (5) für
mindestens zweifarbiges Licht, einer Blende (7), einer
Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung (2), die zwischen
dem Eintrittsspalt (3) des ersten Spektrometers (4)
und der Abbildungsoptik (9) mit der chromatischen Aberration
angeordnet ist, und einem zweiten Spektrometer (8),
- – wobei
von der Blende (7) über
die Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung (2) und die Abbildungsoptik
(9) mit der chromatischen Aberration zum Sputterbereich
auf der Festkörperprobe
(1) und zurück
ein Strahlengang nach dem konfokalen Abbildungsprinzip (6, 7)
gebildet ist, den das Licht der Lichtquelle (5) zur Festkörperprobe
(1) und von dort reflektiertes Licht zurück zum zweiten Spektrometer
(8) durchläuft,
welches dieses Licht auswertet und Höhenunterschiede im Sputterbereich
ermittelt, und
- – wobei
die Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung (2) eine Öffnung aufweist,
um mindestens das für die
spektrometrische Analyse notwendige emittierte Licht zum ersten
Spektrometer (4) hindurch zu lassen.
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Vorteilhafterweise
sind die Abbildungsoptik (9) mit einer chromatischen Aberration
eine oder mehrere optische Linsen mit einer chromatischen Aberration.
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Weiterhin
vorteilhafterweise befindet sich hinter der Öffnung in der Vorrichtung zur
Ein- und Auskopplung (2) der Eintrittsspalt (3)
für das
erste Spektrometer (4).
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Ebenfalls
vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung
(2) mit einer Öffnung ein
planer oder gekrümmter
Spiegel mit einer runden oder länglichen Öffnung.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn die Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung (2)
in einem Winkel von > 0° und < 90° bezogen
auf den emittierten Lichtstrahl angeordnet ist.
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Und
auch vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung zur Ausnutzung des
konfokalen Abbildungsprinzipes (6, 7) aus einer
Blende (7) und nachfolgend aus mindestens einer weiteren
Abbildungsoptik besteht, wobei die Abbildungsoptiken optische Linsen
sein können.
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Ebenso
vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen
Abbildungsprinzipes (6, 7) aus einem Lichtleiter
(10) und nachfolgend aus mindestens einer weiteren Abbildungsoptik besteht,
wobei die Abbildungsoptiken optische Linsen sein können.
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Weiterhin
vorteilhaft ist es, wenn die Blenden (7) eine lochförmige oder
längliche Öffnung aufweisen.
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Und
auch von Vorteil ist es, wenn die Lichtquelle (5) für mindestens
zweifarbiges Licht so angeordnet ist, dass deren Strahlengang optisch
in den Strahlengang der Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen
Abbildungsprinzipes (6, 7) zwischen den beiden
Abbildungsoptiken eingekoppelt und der Strahlengang über eine
Blende (7) oder einen Lichtleiter (10) und über die
Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung (2) und über die
Abbildungsoptik (9) mit chromatischer Aberration zum Sputterbereich
auf der Festkörperoberfläche (1)
geführt
ist.
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Von
Vorteil ist es auch, wenn zwischen der Vorrichtung zur Ein- und
Auskopplung (2) und der Vorrichtung zur Ausnutzung des
konfokalen Abbildungsprinzipes (6, 7) eine weitere
Abbildungsoptik angeordnet ist.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist es erstmals möglich, gleichzeitig zur Ermittlung
der Zusammensetzung einer Festkörperprobe
mittels Glimmentladungsspektroskopie auch mit relativ großer Genauigkeit
festzustellen, in welcher Tiefe des Sputterkraters diese Zusammensetzung
vorliegt. Dies ist besonders von Vorteil, wenn die Festkörperproben
einen Schichtaufbau aufweisen. Auf diese Weise ist die Ermittlung
der Schichtdicken im Sputterbereich mit großer Genauigkeit im nm-Bereich
möglich.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass diese
simultane Ermittlung unabhängig
von den Oberflächeneigenschaften des
Festkörpers
ohne zusätzlichen
Aufwand und Probleme möglich
ist.
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Weiterhin
sind insbesondere Festkörperproben,
die O, H, C oder N als Hauptelemente enthalten, ebenfalls dem erfindungsgemäßen Verfahren
zugänglich
und die erhaltenden Daten treffen mit hoher Genauigkeit zu.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden zwei an sich bekannte Verfahrens- und Vorrichtungsprinzipien
kombiniert, was bisher noch nicht bekannt gewesen ist.
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Die
Ermittlung der Zusammensetzung mittels Glimmentladungsspektroskopie
benötigt
sehr spezielle Bedingungen, die insbesondere sehr empfindlich auf Änderungen
des Strahlenganges des emittierten Lichtes und des Eintrittspaltes
in das Spektrometer reagieren.
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Die
Ermittlung von Höhenunterschieden
unter Ausnutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes erfordert andere
Verfahrensweisen und Vorrichtungselemente, die nicht mit denen der
Glimmentladungsspektroskopie übereinstimmen.
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Der
Erfinder hat nunmehr unter Kenntnis dieser Voraussetzungen gefunden,
dass die Vorrichtung zur Erzeugung des Eintrittsspaltes für das Spektrometer
zur Ermittlung der Zusammensetzung des Festkörpers mittels Glimmentladung
verändert
und genutzt werden kann, um einen Lichtstrahl zum Sputterbereich
und dann den reflektierten Lichtstrahl in die Vorrichtung zur Ausnutzung
des konfokalen Abbildungsprinzipes zu leiten. Dazu war eine Vorrichtung
zur Ein- und Auskopplung des Lichts zwischen die Abbildungsoptik
und den Eintrittsspalt der Vorrichtung zur Ermittlung der Zusammensetzung
zu integrieren, wobei zu beachten war, dass durch das neue Vorrichtungselement
die Ausleuchtung des Eintrittsspaltes nicht behindert wird. Im Falle,
dass die Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung des Lichts nicht gleichzeitig
den Eintrittsspalt bildet, muss die Größe und Form der Öffnung in
dieser Vorrichtung so gewählt
werden, dass der direkte Strahlengang des emittierten Lichtes von
der Abbildungsoptik zum Eintrittsspalt nicht gestört wird.
Dabei gilt, dass, je weiter die Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung
des Lichts vom Eintrittsspalt entfernt ist, umso größer muss
die Öffnung
in der Vorrichtung sein.
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Der
Eintrittsspalt wird üblicherweise
durch eine Blende mit einer länglichen Öffnung realisiert. Erfindungsgemäß kann diese
Blende durch eine Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung des Lichts
in Form eines Spiegels mit einer länglichen Öffnung ergänzt werden, wobei der Spiegel
zur Einkopplung des eingetragenen und Auskopplung des reflektierten
Lichtstrahls in einem Winkel zwischen > 0° und < 90° zum emittierten
Lichtstrahl angeordnet sein muss, vorteilhafterweise zwischen 30° und 60°, noch vorteilhafterweise
in einem Winkel von 45°,
und dabei die Größe der Öffnung des
Eintrittsspaltes jeweils in Abhängigkeit
vom gewählten
Winkel der Spiegelanordnung so verändert werden muss, dass die
für die
Ermittlung der Zusammensetzung benötigte Abmessung des emittierten
Lichtstrahles durch den Eintrittsspalt gelangen kann.
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Um
optische Behinderungen der Ermittlung der Zusammensetzung zu vermeiden,
kann der ein- und ausgekoppelte Lichtstrahl eine vom emittierten Lichtstrahl
unterschiedliche Wellenlänge
aufweisen oder vor der Einkopplung über Filter geführt werden. Dadurch
wird der emittierte Lichtstrahl nicht verändert und die Ergebnisse der
Ermittlung der Zusammensetzung nicht verfälscht. Beispielsweise beträgt der Wellenlängenbereich
des emittierten Lichtstrahles für
die Ermittlung der Zusammensetzung zwischen 100 und 400 nm. Dementsprechend
kann für die
Ermittlung des Höhenunterschiedes
ein Lichtstrahl mit Wellenlängen
von > 400 nm verwendet werden.
Auch sind Modulationen der Sputterquelle, beispielsweise gepulste
Glimmentladungen und auch der Lichtquelle für das eingekoppelte Licht möglich, die
eine zeitlich unterschiedliche Ermittlung zwischen den jeweiligen
Pulsen ermöglichen,
oder kann die Zeitabhängigkeit
der Signale zur Unterscheidung zwischen eingekoppeltem reflektiertem
Licht und vom Plasma emittierten Licht ausgenutzt werden.
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Das
Verfahren zur Ermittlung der Höhenunterschiede
während
des Sputterns einer Festkörperprobe
nutzt die Vorteile des konfokalen Abbildungsprinzipes, indem ein
mindestens zweifarbiges Licht, vorteilhafterweise ein Weißlicht,
durch eine Linse auf die Festkörperprobe
im Sputterbereich geleitet wird. Der von dort reflektierte Lichtstrahl
wird über
die Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung des reflektierten Lichts
aus dem Strahlengang des emittierten Lichtstrahles herausgeführt und über die
Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes, bestehend
beispielsweise aus in der Reihenfolge eine Blende oder ein Lichtleiter,
zwei weitere Abbildungsoptiken mit einem dazwischen liegenden Strahlteiler, oder
im Falle des Einsatzes von Lichtleitern mit einem Faserkoppler,
zu einem Spektrometer geführt. Die
Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes kann
auch aus nur einer Blende im Fokus des reflektierten Lichtstrahles
und nachfolgend einer Abbildungsoptik bestehen.
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Dem
konfokalen Abbildungsprinzip liegt die Erkenntnis zugrunde, dass
die chromatische Aberration, welche üblicherweise einen unerwünschten
Ablichtungsfehler einer dispersiven Abbildungsoptik darstellt und
welche daher in den meisten Linsensystemen korrigiert wird, in vorteilhafter
Weise ausgenutzt werden kann. Aufgrund der chromatischen Aberration
werden die unterschiedlichen Spektralanteile des Lichtes von der
Abbildungsoptik in unterschiedlichen Abständen fokussiert, d. h. das
Licht wird vertikal in Fokuspunkte der unterschiedlichen Farben
aufgefächert
und auf der Probe abgebildet. Befindet sich die Messoberfläche im Fokusbereich,
so wird nur die Wellenlänge,
deren Fokus auf der Oberfläche
liegt, scharf abgebildet. Dies wird mit der vorliegenden Erfindung
dahingehend ausgenutzt, dass die spektrale Verteilung des Lichtstrahles
von der Festkörperoberfläche reflektiert
und von der Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes
aufgenommen wird. Dabei sind die unterschiedlichen Fokusse der jeweiligen
Spektralanteile des Lichtstrahles die Fixpunkte für die Tiefe
des jeweiligen Messpunktes von der ursprünglichen Oberfläche.
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Selbstverständlich erfordert
die jeweilige Auswahl des eingekoppelten Lichts in Abhängigkeit von
den enthaltenen Anteilen seiner spektralen Verteilung und in Abhängigkeit
von den konkret eingesetzten Abbildungsoptiken mit ihren speziellen
chromatischen Aberrationen eine einmalige Kalibration zur Feststellung
der Fokusse der jeweiligen Spektralfarben bei den konkret gewählten Vorrichtungselementen.
Werden die Vorrichtungselemente danach nicht verändert oder ausgetauscht und
auch die Lichtquelle nicht verändert,
sind nachfolgend Messungen in ihrer Anzahl nicht begrenzt. Werden
Veränderungen
vorgenommen, ist jeweils eine einmalige Kalibrierung wieder erforderlich.
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Die
vorliegende Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass sie unbeweglich
angeordnet ist und daher keinen mechanischen Veränderungen unterworfen ist.
Ebenfalls können
unterschiedlichste Oberflächen
unabhängig
von ihrer Beschaffenheit, Rauhigkeit, Reflexion, Größe untersucht
werden, ohne dass Nachteile oder nennenswerte Messfehler auftreten.
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Eine
weitere vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, dass
ein Höhenprofil
quer zur Festkörperprobe
erstellt werden kann, indem die Abbildung des eingekoppelten Lichtes
nicht punkt- sondern strichförmig
erfolgt, wodurch das Spektrum zweidimensional aufgenommen werden
kann.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren kann
eine sehr schnelle Ermittlung der Höhenunterschiede im Bereich
von ms erfolgen, wobei die Auflösung
in der Tiefe bis zu einen Δz
von 20 nm, d. h. ein Messung kann in Abständen von jeweils 20 nm Tiefe nacheinander
erfolgen.
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Die
laterale Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt dabei
im 1 μm-Bereich. Dieser gröbere Bereich
ist günstiger,
da somit Höhenunterschiede
im Submikrometerbereich, z. B. durch Korngrenzen, ausgeglichen werden.
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Ebenfalls
vorteilhafte ist das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar bei
Proben mit schlechter Reflexibilität und/oder hoher Oberflächenrauhigkeit.
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Aufgrund
der punktgenauen Abbildung des Reflexionsstrahles reicht schon eine
geringe Reflexibilität
der Probe aus, um ein reproduzierbares Ergebnis zu erhalten. Im
Falle von optisch transparenten Proben ist dieses erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls
anwendbar, da für
das konfokale Abbildungsprinzip spezifische Auswertesysteme bekannt sind,
die eine Probenauswertung möglich
machen.
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Bezüglich oberflächenrauhen
Proben ist das erfindungsgemäße Verfahren
relativ unempfindlich, da aufgrund der lateralen Ausdehnung des
Messgebietes eine Mittlung der Werte durchgeführt wird, die jedoch die tatsächlichen
Verhältnisse
ausreichend genau wiedergibt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es möglich,
zwischen der Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung des Lichts und
der Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes
eine weitere Abbildungsoptik zur positionieren, die einerseits die
Fokussierung des reflektierten Lichtstrahles auf die nachfolgende
Blende der Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes
realisiert und gleichzeitig die nachfolgenden Abbildungsoptiken
an die geometrischen Erfordernisse des Spektrometers anpassen kann.
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Weiterhin
kann die Einkopplung eines Lichtstrahles erfindungsgemäß durch
zusätzliche
Vorrichtungsbestandteile, beispielsweise in Form von Lichtleitern,
erfolgen, wobei jedoch die punktförmige Abbildung des Lichtstrahles
auf der Probenoberfläche realisiert
sein muss. Das reflektierte Licht wird dann in jedem Falle über die
Abbildungsoptik und die Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung des
Lichts zur Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes
geführt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Dabei
zeigen
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1 die
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es handelt
sich dabei nur um eine Prinzipdarstellung. Die dargestellten Abmessungen entsprechen
nicht der tatsächlichen
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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2 die
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer anderen
Variante.
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3 die
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer anderen
Variante.
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Beispiel 1
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Eine
Probe 1 mit einem Durchmesser von 8 mm und einer Dicke
von 1 mm wird mit einem handelsüblichen
Glimmentladungsspektrometer (Spectruma GDA 750) 4 untersucht.
Die emittierte Strahlung wird über
die in dem Glimmentladungsspektrometer 4 vorhandenen Linse 9 zu
einem Spiegel 2 mit den Abmessungen 50 mm·50 mm
geführt,
der eine strichförmige Öffnung von
0,1 mm·10
mm aufweist. Der emittierte Lichtstrahl tritt in einer Abmessung
von 50 μm·6 mm durch
die strichförmige Öffnung und
den dahinter befindlichen Eintrittsspalt 3 und wird in
einem nachfolgend angeordneten Spektrometer 4 weiterverarbeitet
und ausgewertet. Die Auswertung ergibt Aussagen zur Zusammensetzung
der Probe 1 im Sputterbereich.
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Seitlich
neben dieser Anordnung befinden sich die Vorrichtung zu Ausnutzung
des konfokalen Abbildungsprinzipes 6, 7 und ein
weiteres Spektrometer 8 sowie eine Weißlichtquelle 5. Die
Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes 6, 7 besteht
aus einer Blende 7 mit den Abmessungen 10 mm·10 mm
und einem punktförmigen
Loch in der Mitte der Blende 7 im Durchmesser von 5 μm, weiterhin
aus zwei Linsen. Das weitere Spektrometer 8 ist im Strahlengang
Blende-Linsen-Blende an der Seite der Vorrichtung zur Ausnutzung
des konfokalen Abbildungsprinzipes 6, 7 angeordnet,
die sich weiter weg vom Spiegel 2 der Vorrichtung zur Ermittlung
der Zusammensetzung befindet.
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Zwischen
die beiden Linsen der Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen
Abbildungsprinzipes 6, 7 ist ein Strahlteiler 6 positioniert, über dem
sich eine Weißlichtquelle 5 in
Form einer Lampe befindet. Prinzipiell kann auch der Strahlengang
von der Weißlichquelle 5 direkt über die
Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes 6, 7 und über Abbildungsoptiken
zum Messort erfolgen und der reflektierte Lichtstrahl wird innerhalb
der Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes 6, 7 über einen
Strahlteiler 6 zum Spektrometer 8 geführt.
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Im
Strahlengang des emittierten Lichtes ist der Spiegel 2 mit
einem Winkel von 45° zum
Strahlengang des emittierten Lichtes positioniert und weiterhin
ist die diesem Spiegel 2 zunächst angeordnete Blende 7 der
Vorrichtung zur Ausnutzung des konfokalen Abbildungsprinzipes 6, 7 im
Fokus des reflektierten Lichtstrahles angeordnet. Gleichzeitig während des
Sputterns der Probenoberfläche 1 wird
ein Weißlichtstrahl
von der Weißlichtquelle 5 über den Strahlteiler 6, über eine
der Linsen und eine der Blenden der Vorrichtung zur Ausnutzung des
konfokalen Abbildungsprinzipes 6, 7 auf den Spiegel 2 geführt und
von dort über
die Linse 9 der Vorrichtung auf die Probenoberfläche 1.
Der Weißlichtstrahl
ist aufgrund der chromatischen Aberration der Linse 9 in
vertikaler Richtung in seine Spektralfarben aufgespalten, wobei
sich der Fokus des blauen Lichtes im geringsten Abstand zur Linsenoberfläche befindet.
Auf diesen Fokuspunkt wird die ursprüngliche Oberfläche der Probe 1 positioniert.
Alle nachfolgenden Fokusse der einzelnen Spektralfarben sind weiter
entfernt von der Linsenoberfläche
und definieren damit die Tiefe des Sputterkraters.
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Die
beiden Messungen werden simultan durchgeführt und führen zu dem Ergebnis, dass
ein schichtförmiger
Aufbau der Probe 1 ermittelt werden konnte, wobei bei einer
Zn-Schicht mit einer Dicke von 7 μm
auf einem Fe-Blech zunächst
eine hohe Intensität
der Zn-Linie gemessen wird, die dann auf Null sinkt. Gleichzeitig
wächst
die Intensität
der Fe-Linie bis nur noch Fe gesputtert wird. Am Schnittpunkt der
normierten Zn- und Fe-Intensität
entspricht die Wellenlänge
des von der Weißlichtquelle 5 maximal reflektierten
Lichtes einer Tiefendifferenz zum Beginn der Untersuchung von 7 μm.