DE102008016714A1

DE102008016714A1 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Bestimmung des Wertes eines Schichtparameters einer Beschichtung eines Objekts, insbesondere einer Antireflexionsbeschichtung eines Wafers

Info

Publication number: DE102008016714A1
Application number: DE200810016714
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Wagner; Michael Dr. Schütz; Heino MÖLLER
Original assignee: INTEGO GmbH
Current assignee: INTEGO GmbH
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-08

Abstract

Um vorzugsweise die Schichtdicke (d) und den Brechungsindex (nf) einer Antireflexionsbeschichtung (A) eines Wafers (14) zu bestimmen, ist vorgesehen, mit Hilfe einer optischen Flächenkamera (2) eine Serie von Bildern (B) der Beschichtung (A) mit jeweils einem unterschiedlichen optischen Spektrum aufzunehmen. Für mehrere Flächenpunkte (F) des jeweiligen Bildes (B) wird eine wellenlängenabhängige Reflektivität (R) der Beschichtung (A) bestimmt. Aus den erhaltenen Reflektivitäten (R) pro Flächenpunkt (F) wird auf den Wert der Schichtdicke (d) und/oder des Brechungsindexes (nf) zurückgeschlossen. Durch dieses Verfahren wird eine Online-Prozessüberwachung der Schichtdicke (d) und des Brechungsindexes (nf) mit sehr hoher Ortsauflösung während des Produktionsprozesses in einfacher Weise ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung des Wertes zumindest von einem der Schichtparameter Schichtdicke und Brechungsindex einer Beschichtung eines Objekts, insbesondere einer Antireflexionsbeschichtung eines Wafers.
Bei der Herstellung von aus einem Halbleiterwafer hergestellten lichtsensitiven Produkten, wie beispielsweise Solarzellen oder Fotodioden, werden die oftmals aus Silizium bestehenden Wafer zunächst mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen. Diese dient zur Erhöhung der Effizienz bei der Lichtausbeutung und bestimmt damit wesentlich beispielsweise die Leistungsfähigkeit der Solarzelle. Die Antireflexionsschicht führt zu dem typischen blauen Aussehen einer Solarzelle.
Für die Antireflexionsbeschichtung werden verschiedene Beschichtungsmaterialien, wie beispielsweise Siliziumnitrid, Siliziumdioxyd (SiN, SiO₂) herangezogen. Es können ein- oder mehrlagige Beschichtungen sowie auch mikroskopische Oberflächenstrukturen eingesetzt werden.
Im Hinblick auf die technische Funktion der Antireflexionsbeschichtung sind die Schichtdicke und der Brechungsindex des Beschichtungsmaterials von wesentlicher Bedeutung. Die Schichtdicke liegt hierbei typisch im Bereich von 100 nm bei einlagigen Systemen. Die Beschichtung wird üblicherweise durch Ausscheiden aus einer Gasphase aufgebracht. Der Brechungsindex ist abhängig von der Zusammensetzung des bei dem Auftragsverfahren verwendeten Gasgemisches. Bei einer Beschichtung bestehend aus Siliziumnitrid wird das Gasgemisch beispielsweise zusammengesetzt aus SiH₄ und NH₃.
Da diese Beschichtungsparameter die Effizienz des Endprodukts, wie Solarzelle oder Fotodiode, entscheidend bestimmen, werden diese Parameter üblicherweise prozessbegleitend im Rahmen einer Qualitätskontrolle überwacht. Im Rahmen einer begleitenden Online-Prozesskontrolle können dabei sofort Aussagen über die Güte des gesamten Produktionsprozesses gemacht und dieser gegebenenfalls optimiert werden.
Neben dem Einfluss auf die technische Effizienz der hergestellten Produkte hat die Antireflexionsbeschichtung auch Einfluss auf die Ästhetik. Da beispielsweise bei einem Solarmodul mehrere Solarzellen nebeneinander geschaltet werden, sollten diese aus ästhetischen Gründen eine ähnliche Farbgebung und damit vergleichbare Beschichtungen aufweisen.
Die Schichtdicke kann beispielsweise bestimmt werden über einen Farbvergleich zwischen mit einer Farbkamera aufgenommen Bildern des Wafers und kalibrierten Referenzmustern. Die Farbe der Beschichtung wird hierbei als charakteristisches Merkmal für die Schichtdicke ausgewertet. Allerdings ist die Schichtdickenauflösung nur begrenzt und eine Brechungsindexbestimmung nicht möglich. Ein alternatives Verfahren ist die so genannte Ellipsometrie, bei der verschiedene Polarisationswinkel des reflektierten Lichts bestimmt und daraus die Schichtdicken bzw. die Brechungsindizes bestimmt werden. Auch mit spektrometrischen Verfahren ist eine Schichtdickenbestimmung und eine Bestimmung der Brechzahl möglich. Bei der Ellipsometrie und den spektrometrischen Verfahren erfolgt allerdings jeweils nur eine Punktmessung, so dass insbesondere der Zeitaufwand für eine flächige Bestimmung der Schichtdicke und des Brechungsindex im Rahmen einer prozessbegleitenden online-Prüfung zu hoch ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine prozessbegleitende flächenhafte Bestimmung der Schichtparameter einer derartigen Beschichtung mit geringem Aufwand zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 12.
Das Verfahren wird hierbei vorzugsweise zur Bestimmung der Schichtdicke und des Brechungsindex der Antireflexionsbeschichtung eines Wafers prozessbegleitend bei der Herstellung eines lichtsensitiven Produkts, wie beispielsweise Solarzelle oder Fotodiode, eingesetzt. Hierbei wird mit Hilfe einer optischen Flächenkamera eine Serie von Bildern der Beschichtung mit jeweils einem unterschiedlichen Spektrum aufgenommen. Unter Aufnahme mit unterschiedlichem Spektrum wird verstanden, dass für jedes Bild der Serie das von der Kamera erfasste Licht einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich mit enger Bandbreite aufweist. D. h. das auf einen üblicherweise eingesetzten CCD-Kamerachip auftreffende Licht weist lediglich eine geringe spektrale Bandbreite beispielsweise von wenigen Nanometern auf. Anhand des jeweils aufgenommenen Bildes wird für mehrere Flächenpunkte des Bildes und damit der Beschichtung eine wellenlängenabhängige Reflektivität der Beschichtung bestimmt. Das bedeutet, zu jedem Flächenpunkt jedes Bildes der Serie wird ein Wert für die Reflektivität bestimmt. Unter Reflektivität wird hierbei eine insbesondere normierte Intensität des reflektierten Lichts verstanden, d. h. die gemessene Intensität wird mit einem Normierungsfaktor gewichtet. Da die einzelnen Bilder der Serie mit unterschiedlichen Wellenlängen aufgenommen werden ist die erhaltene Reflektivität wellenlängenabhängig. Schließlich wird aus den so erhaltenen wellenlängenabhängigen Reflektivitäten pro Flächenpunkt auf den Wert der Schichtdicke und/oder des Brechungsindex der Beschichtung rückgeschlossen.
Dieses Verfahren beruht auf einem physikalischen Schichtmodell für die Reflexion an dünnen Schichten, wonach die Reflektivität abhängig ist von der Wellenlänge, der Schichtdicke und der Brechungszahl. Aus diesem Modell lässt sich eine mathematische Gleichung für die Reflektivität in Abhängigkeit von diesen Parametern aufstellen. Durch die empirische Messung der Reflektivität in Abhängigkeit der Wellenlänge werden auf empirischem Wege zwei Parameter der Gleichung bestimmt, nämlich die Reflektivität und die Wellenlänge. Die Werte für die beiden anderen Parameter lassen sich dann prinzipiell im Rahmen eines Gleichungssystems mit mehreren Gleichungen und mehreren Unbekannten bestimmen.
Ein wesentlicher Vorteil bei diesem Verfahren ist darin zu sehen, dass eine hohe flächenhafte Ortsauflösung mit einer ausreichenden spektralen Auflösung für die Bestimmung der Schichtparameter mit geringem Aufwand ermöglicht ist. Die hohe Ortsauflösung wird durch den Einsatz der Flächenkamera erreicht, mit der 2D-Bilder der Beschichtung mit einer Vielzahl von Bildpunkten aufgenommen werden. Es lässt sich daher mit hoher Ortsauflösung für viele Flächenpunkte des jeweiligen Bildes ein Wert für die Reflektivität ermitteln.
Die „spektrale Auflösung” wird durch die Anzahl der mit unterschiedlichen Wellenlängen aufgenommenen Bilder der Serie erreicht. Es reichen prinzipiell bereits wenige Bilder, also eine geringe spektrale Auflösung, aus. Diese geringe spektrale Auflösung ist im Hinblick auf die gewünschte Auswertung, nämlich Bestimmung der Schichtdicke und des Brechungsindex, vollkommen ausreichend und ermöglicht letztendlich in Kombination mit der gleichzeitigen Auswertung einer Vielzahl von Flächenpunkten eine schnelle Online-Bestimmung der Schichtdicke und Brechungsindex mit hoher Ortsauflösung.
Zur Bestimmung der Reflektivität wird vorliegend der gegebenenfalls gemittelte Intensitätswert zu dem jeweiligen Flächenpunkt herangezogen, wie er von der Kamera aufgenommen wurde. Zweckdienlicherweise wird dieser relative Intensitätswert normiert. Hierzu wird beispielsweise im Vorfeld eine Kalibrierung der Vorrichtung durchgeführt, um einen insbesondere wellenlängenabhängigen Normierungsfaktor zu erhalten. Bei dieser Kalibrierungsprozedur werden beispielsweise ein weißer Körper (100% Reflektivität) und ein schwarzer Körper (0% Reflektivität) mit dem weißen Licht bestrahlt und es werden die wellenlängenabhängigen Aufnahmen für diese beiden Kalibrierkörper gemacht, um so zum einen den Wert für 100% Reflektivität und zum anderen für 0% Reflektivität zu erhalten. Hieraus wird dann der jeweilige wellenlängenabhängige Normierungsfaktor abgeleitet.
Im Hinblick auf eine möglichst hohe Ortsauflösung werden pro Bild vorzugsweise mindestens 256 (16 × 16) und insbesondere mehr als 10.000 (100 × 100) Flächenpunkte ausgewertet. Vorzugsweise wird sogar eine noch höhere Ortsauflösung mit der Auswertung von 1 Mio. Flächenpunkten (1000 × 1000) eingesetzt. Die Anzahl der ausgewerteten Flächenpunkte kann dabei in Abhängigkeit der Größe der zu untersuchenden Fläche gewählt und vorzugsweise auch bei der Durchführung des Verfahrens manuell oder automatisch eingestellt werden. Bei einer typischen Wafergröße mit einem Durchmesser von 150 mm werden bei 256 Flächenpunkten demnach also 1 bis 2 Flächenpunkte pro Quadratzentimeter ausgewertet. Vorzugsweise werden allgemein pro Quadratzentimeter mehrere 10 Flächenpunkte und insbesondere mehrere 100 oder auch mehrere 1000 Flächenpunkte ausgewertet. So werden beispielsweise bei einem Waferdurchmesser von 150 mm und einer Auflösung von 100 × 100 Flächenpunkten über 50 Flächenpunkte und bei einer Auflösung von 1000 × 1000 Flächenpunkten über 5000 Flächenpunkte pro Quadratzentimeter ausgewertet.
Zur Einstellung der Anzahl der Flächenpunkte werden zweckdienlicherweise die einzelnen Bildpunkte (Pixel) des Bildes in geeigneter Weise zu Blöcken zusammengefasst, wobei ein jeweiliger Block einen Flächenpunkt für die Auswertung darstellt. Den zu einem Block (Flächenpunkt) zusammengefassten einzelnen Bildpunkten wird ein gemittelter Intensitätswert für die Reflektivität für diesen Flächenpunkt beispielsweise mit Hilfe eines implementierten Bildbearbeitungsalgorithmus zugeordnet.
Im Hinblick auf die gewünschte spektrale Auflösung werden die Bilder der Serie über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich aufgenommen. Dieser liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 300 nm und 1000 nm und insbesondere im Bereich von 450 nm bis 700 nm. Zweckdienlicherweise wird hierbei die Wellenlänge bzw. der enge spektrale Wellenlängenbereich, bei dem die Bilder der Serie aufgenommen werden, schrittweise um einen vorgegebenen Wellenlängenabstand verändert. Dieser vorgegebene Wellenlängenabstand, um den die einzelnen Bilder zueinander verschoben sind, liegt vorzugsweise zwischen 10 nm und 30 nm.
Es können bei Bedarf auch geringere spektrale Auflösungen mit Schrittbreiten beispielsweise von bis zu 50 nm eingestellt werden.
Insgesamt werden daher einzelne, im Hinblick auf die Wellenlänge diskret voneinander beabstandete Bilder über einen bestimmten Wellenlängenbereich aufgenommen. Bevorzugt werden etwa 10 bis 30 Bilder für die Serie aufgenommen.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird die Beschichtung mit Licht mit einem vorgegebenen Spektrum bestrahlt. Zur Einstellung der Wellenlänge, bei der die einzelnen Bilder aufgenommen werden, ist beispielsweise der Einsatz von mehreren Lichtquellen vorgesehen, die sich im Hinblick auf das abgestrahlte Spektrum unterscheiden. Die Einstellung der jeweiligen Wellenlänge, bei der die einzelnen Bilder der Serie aufgenommen werden, erfolgt in diesem Fall über die Lichtquelle selbst. Hierzu werden beispielsweise für unterschiedliche Wellenlängen ausgelegte LED's eingesetzt und die Beschichtung wird sukzessive mit Licht unterschiedlicher Lichtquellen bestrahlt, wobei zu jeder Lichtquelle ein Bild aufgenommen wird.
Im Hinblick auf eine möglichst einfache Ausgestaltung ist jedoch vorzugsweise vorgesehen, dass der Wafer mit weißem Licht bestrahlt und das von der Beschichtung reflektierte Licht für die einzelnen Bilder der Serie spektral jeweils unterschiedlich mit Hilfe eines geeigneten Spektralfilters gefiltert wird.
Um eine möglichst einfache Bestimmung des Wertes für die Reflektivität zu ermöglichen, wird der Wafer unter 90° mit dem weißen Licht bestrahlt und die Kamera erfasst ebenfalls den unter 90° reflektierten Anteil des Lichts, d. h. das einfallende und von der Kamera erfasste reflektierte Licht sind parallel orientiert.
Zum Einstellen der von der Kamera aufgenommenen Wellenlängenbereiche werden beispielsweise für unterschiedliche Wellenlängenbereiche ausgebildete Filterscheiben in den Strahlengang eingeschoben. Hierzu wird insbesondere ein so genanntes Filterrad herangezogen, bei dem auf einem drehbaren Rad mehrere unterschiedliche Filterscheiben nebeneinander angeordnet sind.
Zweckdienlicherweise wird im Strahlengang ein vorzugsweise elektrisch durchstimmbarer Bandpassfilter angeordnet. Über diesen wird jeweils eine spektrale Bandbreite für das von ihm transmittierte Licht eingestellt. Der elektrisch durchstimmbare Bandpassfilter ist hierbei insbesondere ein so genannter Flüssigkristall-Bandpassfilter (liquid cristall tunable filter (LCTF)), wie er auf dem Markt mittlerweile erhältlich ist. Mit einem derartig elektrisch durchstimmbaren Bandpassfilter ist eine schnelle und automatische Durchstimmung des gewünschten Wellenlängenbereichs, insbesondere im sichtbaren Bereich zwischen 450 nm und 700 nm ermöglicht. Die Schrittweite für die einzelnen Schritte beim Durchstimmen liegt beispielsweise bei 10 nm, so dass für diesen Wellenlängenbereich insgesamt 25 Aufnahmen gemacht werden.
Zur Ermittlung der Parameter der Schichtdicke und/oder des Brechungsindex am jeweiligen Flächenpunkt stehen in bevorzugten Alternativen zwei Möglichkeiten zur Verfügung. Gemäß der ersten Alternative werden die wellenlängenabhängigen Reflektivitäten für eine mathematische, insbesondere numerische Fitprozedur auf Grundlage einer mathematischen Funktion (Gleichung) für die Reflektivität herangezogen, welche das zu Grunde liegende physikalische Modell beschreibt. Es erfolgt hierbei also keine direkte Lösung eines Gleichungssystems mit mehreren Unbekannte. Es erfolgt lediglich eine Approximation, was aufgrund des komplexen Gleichungssystems deutlich einfacher und schneller als eine exakte Lösung des Gleichungssystems ist.
Gemäß einer bevorzugten Alternative werden die gemessenen Reflektivitäten mit hinterlegten Vergleichswerten verglichen und der jeweilige Wert des gewünschten Schichtparameters durch Vergleich bestimmt. Die Vergleichswerte sind hierbei beispielsweise in einer hinterlegten Vergleichstabelle enthalten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in einer schematischen, stark vereinfachten Blockbild-Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
2 eine schematische, stark vereinfachte Darstellung eines physikalischen Schichtmodells, und
3 eine graphische Darstellung der experimentell bestimmten Reflektivität im Vergleich mit dem Ergebnis einer Fitprozedur.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der in 1 gezeigte Aufbau umfasst eine optische CCD-Kamera 2, einen unmittelbar vor dieser Kamera 2 angeordneten Spektralfilter, der als durchstimmbarer, elektrischer Bandpassfilter 4 ausgebildet ist. Weiterhin ist eine Lichtquelle 6 angeordnet, die im Ausführungsbeispiel zur Emission von weißem Licht ausgebildet ist. Die Kamera 2, der Bandpassfilter 4 sowie die Lichtquelle 6 sind über Steuer- und/oder Datenleitungen 8 mit einer kombinierten Steuer- und Auswertevorrichtung 10 verbunden. Diese weist eine Steuereinheit 10A und eine Auswerteeinheit 10B auf. Mit Hilfe der Steuereinheit werden die Kamera 2, der Bandpassfilter 4 und bei Bedarf auch die Lichtquelle 6 angesteuert. Die von der Kamera 2 aufgenommenen Bilder B werden an die Auswerteeinheit 10B übermittelt und dort ausgewertet. Dabei wird jedem Bild B die Information zugewiesen, bei welcher Einstellung des Bandpassfilters 4 und damit mit welcher Wellenlänge λ es aufgenommen wurde.
Die Lichtquelle 6 ist im Ausführungsbeispiel um 90° versetzt zu der Kamera 2 und dem Bandpassfilter 4 angeordnet. Das von der Lichtquelle 6 emittierte Licht L_e wird über einen halb durchlässigen schräggestellten Spiegel 12 auf ein mit einer Antireflexionsbeschichtung A (vgl. 2) versehenen Wafer 14 gerichtet. Das von diesem reflektierte Licht L_r gelangt durch den halb durchlässigen Spiegel 12 zum Bandpassfilter 4 und anschließend in die optische Kamera 2.
Das Verfahren wird vorzugsweise bei der online-Prozessüberwachung bei der Herstellung von Solarzellen oder Fotodioden etc. eingesetzt, um während des Herstellungsprozesses die Qualität unmittelbar überprüfen und gegebenenfalls frühzeitig eingreifen zu können. Hierzu wird die Schichtdicke d sowie der Brechungsindex n_f der Antireflexionsbeschichtung A ermittelt. Das Verfahren eignet sich prinzipiell gleichermaßen bei einlagig und auch bei mehrlagig beschichteten Wafern 14, bei denen also auf den Grundkörper eine einlagige oder mehrlagige Antireflexionsbeschichtung aufgebracht ist. Auch Systeme, bei denen die Oberfläche mikrostrukturiert ausgebildet ist, können mit diesem Verfahren ausgewertet werden. Die hier beschriebene Vorrichtung ist daher vorzugsweise in den Produktionsablauf integriert. Die einzelnen zu überprüfenden Wafer 14 werden der Vorrichtung zugeführt, es werden die Bilder B der Serie angefertigt und abgespeichert. Vorzugsweise erfolgt die Auswertung unmittelbar prozessbegleitend. Alternativ können die Bilder B auch später ausgewertet werden. Das Verfahren inklusive die Auswertung läuft hierbei vorzugsweise vollautomatisch ab.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird der Bandpassfilter 4 sukzessive in diskreten Schritten für unterschiedliche Wellenlängen λ durchlässig geschaltet. Vorzugsweise ist hierbei vorgesehen, dass der durchstimmbare Bandpassfilter 4 in Schritten von beispielsweise 10 Nanometern über den Spektralbereich zwischen 450 nm und 700 nm durchgestimmt wird. Zu jedem einzelnen Schritt wird von der Kamera 2 ein Bild B aufgenommen. Es werden daher von der Antireflexionsbeschichtung A des Wafers 14 mehrere Aufnahmen unterschiedlicher Wellenlängen λ angefertigt. Das durch den Bandpassfilter 4 durchgelassene Licht weist eine gewisse Bandbreite von wenigen Nanometern auf.
Das von der Kamera 2 aufgenommene Bild B ist eine flächige Aufnahme der Antireflexionsbeschichtung A. Jedem einzelnen Bildpunkt (Pixel) der Kamera 2 ist ein Intensitätswert zugeordnet. Über mehrere Bildpunkte wird vorzugsweise gemittelt und der so gemittelte Intensitätswert bildet einen Wert für eine relative Reflektivität R' eines Flächenpunkts F des Bildes B und damit des Wafers 14. Die Anzahl der ausgewerteten Flächenpunkte F bestimmt die Ortsauflösung. Mehrere Bildpunkte der Kamera 2 sind vorzugsweise zu Flächenpunkten F zusammengefasst. Pro Bild wird beispielsweise eine Auflösung von mindestens 16 × 16, vorzugsweise von mehr als 100 × 100 bis zu einer Auflösung von mehr 1000 × 1000 Flächenpunkten F eingestellt.
Aufgrund der Serie von Bildern B kann zu jedem Flächenpunkt F eine wellenlängenabhängige Reflektivität R ermittelt werden. Hierzu wird die gemessene Intensität (relative Reflektivität R') mit einem Normierungsfaktor gewichtet.
Aus dieser zu jedem Flächenpunkt F erhaltenen wellenlängenabhängigen Reflektivität wird die Schichtdicke d und/oder der Brechungsindex n_f der Antireflexionsbeschichtung A bestimmt. Die beiden Koordinaten im Bild B entsprechen realen Ortskoordinaten der Beschichtung A. Daher können zu jedem realen Punkt der Beschichtung A die gewünschten Schichtparameter ermittelt werden. Die Bestimmung der Schichtdicke d und des Brechungsindex n_f für die einzelnen Flächenpunkte erfolgt hierbei im Sekundentakt. Das bedeutet, dass im Sekundentakt, also längstens im Bereich von wenigen Sekunden, sowohl die Bilderserie aufgenommen, als auch die jeweilige Schichtdicke d und der Brechungsindex n_f zu jedem Flächenpunkt F ermittelt wird.
Mit diesem Verfahren ist mit einem vergleichsweise geringen messtechnischen Aufwand eine hohe zweidimensional ortsaufgelöste Ermittlung der Schichtdicke d und des Brechungsindex n_f ermöglicht. Dies wird erreicht bei einer vergleichsweise geringen spektralen Auflösung, die bestimmt ist durch die Anzahl der Bilder B der Serie.
Für die Ermittlung der Werte für Schichtdicke d und für den Brechungsindex n_f wird auf ein physikalisch-mathematisches Modell der Reflexion bei beschichteten Flächen zurückgegriffen. Eine vereinfachte Darstellung des physikalischen Modells ist in 2 dargestellt. Hieraus ist zu entnehmen, dass auf ein Substrat S eine Antireflexionsbeschichtung A mit der Schichtdicke d aufgebracht ist. Die Antireflexionsbeschichtung A weist den Brechungsindex n_f, das Substrat den Bre chungsindex n_s und die an die Antireflexionsbeschichtung A angrenzende Umgebung (Luft) den Brechungsindex n_l auf. Entsprechend den optischen Gesetzen wird ein auf die Antireflexionsbeschichtung A auftreffender Strahl, wie in 2 dargestellt, jeweils an den Grenzflächen gebrochen und zu einem gewissen Teil auch reflektiert. Die reflektierten Strahlen sind mit r1 und r2 bezeichnet, wobei r1 den Anteil des an der Grenzschicht zwischen Beschichtung A und Luft und r2 den reflektierten Anteil an der Grenzfläche zwischen der Beschichtung A und dem Substrat S kennzeichnet.
Allgemein wird mit der Antireflexionsbeschichtung A eine möglichst geringe Reflexion des eingestrahlten Lichts angestrebt. Um die Effizienz für eine bestimmte Wellenlänge λ so hoch wie möglich einzustellen, also einen möglichst großen Anteil zu absorbieren, muss die Schichtdicke d und der Brechungsindex n_f den Bedingungen d = λ/(4n_s) und n_f ²= n_s n_l genügen.
Ein Modell für die wellenlängenabhängige, also spektrale Reflektivität R basierend auf dem schematisch in 2 dargestellten 3-Schicht-Modell aus Luft, Beschichtung A und Substrat S (Siliziumsubstrat) liefert für die spektrale Reflektivität R in Abhängigkeit der Wellenlänge λ den folgenden Ausdruck:
mit den Abkürzungen
wobei der komplexe Brechungsindex der Materialien in seinen reellen Anteil (Brechzahl n) und den imaginären Anteil (Extinktionskoeffizient k) zerlegt wurde.
Aus den experimentell bestimmten spektralen Reflektivitäten lassen sich mit Hilfe dieser Formel daher prinzipiell die freien Parameter, nämlich die Schichtdicke d sowie der Brechungsindex n_f ermitteln.
Um die Ermittlung dieser gesuchten Werte möglichst einfach durchzuführen, wird anstelle einer Lösung eines Gleichungssystem mit mehreren Unbekannten eine Approximation auf Grundlage dieser Funktion für R und unter Berücksichtigung der Messdaten vorgenommen, wie dies anhand der 3 dargestellt ist. Die 3 ist eine graphische Darstellung, bei der die einzelnen Messdaten für die Reflektivität R gegenüber der Wellenlänge λ aufgetragen sind. Die einzelnen diskreten Messpunkte sind durch Kreuze gekennzeichnet. Im Rahmen einer Fitprozedur wurde anschließend durch diese Messdaten eine geeignete Kurve gelegt. Die Kurve entspricht der obigen Funktion. Im Rahmen der Fitprozedur werden daher die Werte für die einzelnen unbekannten Parameter der Schichtdicke d und des Brechungsindexes n_f so lange variiert, bis eine möglichst große Übereinstimmung zwischen den Messdaten und dem Kurvenverlauf erhalten wird (Bestfit). Die auf diese Weise bestimmten Werte für die freien Schichtparameter d und n_f sind die gesuchten Werte für die Schichtdicke d und den Brechungsindex n_f der Antireflexionsbeschichtung A am jeweiligen dem Flächenpunkt F des Bildes B entsprechenden realen Ortspunkt. Hierzu wird vorzugsweise eine numerische Fitprozedur durchgeführt, und zwar vorzugsweise gemäß dem sogenannte Levenberg-Marquardt Algorithmus und gemäß der Methode des kleinsten Quadrats (least square).
Alternativ zu dieser numerischen Fitprozedur besteht auch die Möglichkeit, die Werte für die Schichtdicke d und den Brechungsindex n_f mit Hilfe eines Vergleichs der Messdaten mit beispielsweise in einer Tabelle hinterlegten berechneten Vergleichsdaten zu ermitteln. Auch hier werden die Werte für die Schichtparameter d und n_f, die die beste Übereinstimmung der in der Tabelle hinterlegten Reflektivitäten mit den empirisch bestimmten wellenlängenabhängigen Reflektivitäten ergeben, als die gesuchten Werte für die Schichtdicke d und den Brechungsindex n_f der Antireflexionsbeschichtung A angesehen.
Durch das hier beschriebene Verfahren und die hier beschriebene Vorrichtung ist es daher möglich, mit sehr hoher Ortsauflösung in kürzester Zeit, nämlich im Sekundentakt, die gewünschten Werte für die Schichtdicke d und den Brechungsindex n_f zu ermitteln und damit online während des Fertigungsprozesses zu bestimmen.

2: Kamera
4: Bandpassfilter
6: Lichtquelle
8: Leitung
10: Steuer- und Auswertevorrichtung
10A: Steuereinheit
10B: Auswerteeinheit
12: Spiegel
14: Wafer
B: Bild
d: Schichtdicke
F: Flächenpunkt
L_e: einfallendes Licht
L_r: reflektiertes Licht
n_f: Brechungsindex Beschichtung
R': relative Reflektivität
R: Reflektivität
r1, r2: reflektierte Anteile

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Wertes zumindest von einem der Schichtparameter Schichtdicke (d) und Brechungsindex (n_f) einer Beschichtung eines Objekts, insbesondere einer Antireflexionsbeschichtung (A) eines Wafers (14), bei dem mit Hilfe einer Kamera (2) eine Serie von Bildern (B) der Beschichtung (A) mit jeweils einem unterschiedlichen optischen Spektrum aufgenommen wird, wobei für mehrere Flächenpunkte (F) des jeweiligen Bildes (B) eine wellenlängenabhängige Reflektivität (R) der Beschichtung (A) bestimmt und aus den so erhaltenen einzelnen wellenlängenabhängigen Reflektivitäten (R) pro Flächenpunkt (F) auf den Wert des zumindest einen Schichtparameters (d, n_f) am Flächenpunkt (F) rückgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem pro Bild (B) mindestens 256 und vorzugsweise mehr als 10.000 Flächenpunkte (F) ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Bilder (B) der Serie bei unterschiedlichen Wellenlängen über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Wellenlängenbereich sich von etwa 300 nm bis 1000 nm und vorzugsweise von 450 nm bis 700 nm erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wellenlänge, bei der die Bilder (B) der Serie aufgenommen werden, schrittweise um einen vorgegebenen Wellenlängenbereich verändert wird, der insbesondere zwischen 10 nm und 30 nm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das von der Beschichtung reflektierte Licht für die einzelnen Bilder (B) der Serie spektral jeweils unterschiedlich gefiltert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Objekt unter 90° mit Licht bestrahlt und von der Kamera (2) unter 90° zum Objekt reflektiertes Licht aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vor der Kamera (2) ein durchstimmbarer Bandpassfilter (4) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein elektrisch durchstimmbarer Bandpassfilter (4) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die aus den Bildern (B) ermittelten einzelnen wellenlängenabhängigen Reflektivitäten (R(λ)) für eine mathematische, insbesondere numerische, Fitprozedur zur Bestimmung des Wertes des zumindest einen Schichtparameters (d, n_f) als freier Parameter eines zugrunde liegenden mathematischen Modells bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem aus den ermittelten wellenlängenabhängigen Reflektivitäten (R(λ) durch Vergleich mit hinterlegten Vergleichswerten der Wert (d, n_f) des zumindest einen Schichtparameters bestimmt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung des Wertes zumindest von einem der Schichtparameter Schichtdicke (d) und Brechungsindex (n_f) einer Beschichtung eines Objekts, insbesondere einer Antireflexionsbeschichtung (A) eines Wafers (14) umfassend – eine Lichtquelle (6) zum Bestrahlen des Objekts, – eine Kamera (2) zur Aufnahme von Bildern (B) des Objekts, – Mittel (4), die die Aufnahme der Bilder (B) mit jeweils einem unterschiedlichen optischen Spektrum ermöglichen, – eine Steuereinrichtung (10A), die derart ausgebildet ist, dass mit der Kamera (2) eine Serie von Bildern (B) der Beschichtung mit jeweils einem unterschiedlichen optischen Spektrum aufgenommen wird, sowie – eine Auswerteeinrichtung (10B), die derart ausgebildet ist, dass für mehrere Flächenpunkte (F) des jeweiligen Bildes (B) eine wellenlängenabhängige Reflektivität (R) der Beschichtung bestimmt und aus den so erhaltenen einzelnen wellenlängenabhängigen Reflektivitäten (R) pro Flächenpunkt (F) auf den Wert des zumindest einen Schichtparameters (d, n_f) am Flächenpunkt (F) rückgeschlossen wird.