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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein derartiges Verfahren ist aus der US-Patentschrift
US 7,145,662 B2 bekannt. Bei diesem vorbekannten Verfahren wird ein elektromagnetischer Messstrahl auf eine Schicht gestrahlt. Der Messstrahl wird an der oberen Schichtfläche der Schicht unter Bildung eines ersten reflektierten Strahles teilweise reflektiert. Darüber hinaus wird der Messstrahl an der unteren Schichtfläche der Schicht unter Bildung eines zweiten reflektierten Strahls teilweise reflektiert. Die beiden reflektierten Strahlen werden unter Bildung eines Interferenzsignals überlagert. Das Interferenzsignal wird gemessen und unter Bildung eines Schichtdickenmesswertes ausgewertet. Bei dem vorbekannten Verfahren wird der Messstrahl mit Hilfe einer Halogenlampe erzeugt, die ein optisch sehr breitbandiges, quasi weißes, Licht erzeugt. Das Licht der Halogenlampe wird über eine Koppeleinrichtung auf die Schicht gelenkt, und es wird das durch Überlagerung entstehende Interferenzsignal mit derselben Koppeleinrichtung in einen Spektrographen eingekoppelt. Der Spektrograph wertet das Wellenlängenspektrum des Interferenzsignals aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Dicke einer Schicht anzugeben, das schneller und kostengünstiger durchführbar ist als das eingangs beschriebene vorbekannte Verfahren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Messstrahl mit einer durchstimmbaren Strahlungsquelle erzeugt wird und die Wellenlänge des von der Strahlungsquelle erzeugten Messstrahls während der Messung verändert und ein intensitätsmoduliertes Interferenzsignal gebildet wird und die Abhängigkeit des intensitätsmodulierten Interferenzsignals von der Wellenlänge unter Bildung des Schichtdickenmesswerts ausgewertet wird.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass bei diesem auf einen Spektrographen verzichtet werden kann. Spektrographen sind aufgrund ihrer physikalischen Arbeitsweise relativ aufwendig, da sie wellenlängenselektiv messen müssen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann hingegen auf eine wellenlängenselektive Messung des Interferenzsignals verzichtet werden, da zu jedem Messzeitpunkt mit nur einer einzigen Wellenlänge gearbeitet wird. Eine Wellenlängenfilterung ist bei der Messung des Interferenzsignals somit nicht erforderlich, so dass auch sehr breitbandig arbeitende und somit kostengünstig erhältliche Fotodetektoren zum Messen des Interferenzsignals eingesetzt werden können. Der Einsatz eines solchen breitbandigen Fotodetektors ist deshalb möglich, weil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine durchstimmbare Strahlungsquelle eingesetzt wird, deren Wellenlänge während der Messung verändert werden kann; dadurch wird ein amplitudenmoduliertes Interferenzsignal gebildet, das eine Bestimmung der Schichtdicke ohne wellenlängenselektive Messung des Interferenzsignals – im Unterschied zum oben beschriebenen Stand der Technik – erlaubt.
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Das Verfahren lässt sich außerdem sehr schnell durchführen, da schnell durchstimmbare Strahlungsquellen kommerziell erhältlich sind.
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Als durchstimmbare Strahlungsquelle wird vorzugsweise ein durchstimmbarer Laser verwendet, da Laser ausgangsseitig eine sehr schmalbandige Strahlung erzeugen können. Außerdem sind Laser schnell durchstimmbar.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der spektrale Abstand zwischen charakteristischen Intensitätswerten des intensitätsmodulierten Interferenzsignals unter Bildung eines spektralen Abstandswertes bestimmt wird und der Schichtdickenmesswert unter Heranziehung des spektralen Abstandswertes ermittelt wird. Als charakteristische Intensitätswerte des intensitätsmodulierten Interferenzsignals können beispielsweise lokale Maxima des Signalverlaufs, lokale Minima des Signalverlaufs und/oder Wendestellen des Signalverlaufs herangezogen werden. Das intensitätsmodulierte Interferenzsignal kann beispielsweise einen sinusförmigen Verlauf – zumindest einen näherungsweise sinusförmigen Verlauf – aufweisen, so dass die Bestimmung der genannten charakteristischen Intensitätswerte im Allgemeinen ohne großen Aufwand möglich ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann das intensitätsmodulierte Interferenzsignal im Frequenzbereich analysiert werden, indem es einer Fouriertransformation unter Bildung eines Spektralsignals unterworfen wird, eine Resonanzfrequenz des Spektralsignals bestimmt wird und der Schichtdickenmesswert unter Heranziehung der Resonanzfrequenz ermittelt wird.
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Besonders bevorzugt wird mit der Strahlungsquelle nacheinander eine vorgegebene Anzahl an unterschiedlichen Wellenlängen eingestellt, jeweils ein Intensitätswert des intensitätsmodulierten Interferenzsignals für die entsprechenden Wellenlängen gemessen und mit den Intensitätswerten der Schichtdickenmesswert bestimmt. Beispielsweise kann die Wellenlänge in Stufen erhöht werden, so dass eine treppenförmige Abhängigkeit der Wellenlänge von der Zeit bzw. – im Wellenlängen-Zeit-Diagramm betrachtet – ein Treppenverlauf auftritt; in einem solchen Fall wird sich in der Regel ein mit Stufen versehener sinusförmiger Verlauf des intensitätsmodulierten Interferenzsignals ergeben.
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Alternativ kann die Wellenlänge des Messstrahls innerhalb eines vorgegebenen Wellenlängenbandes stetig (kontinuierlich) durchgestimmt werden und ein stetiges und differenzierbares intensitätsmoduliertes Interferenzsignal gebildet werden. Beispielsweise kann die Wellenlänge des Messstrahls innerhalb eines vorgegebenen Wellenlängenbandes rampenförmig durchgestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Messstrahl an einer Auskoppelstelle in einen Freistrahlbereich ausgekoppelt wird, den Freistrahlbereich durchstrahlt und an einer Einkoppelstelle in die Schicht eingekoppelt wird und das intensitätsmodulierte Interferenzsignal unter Bildung eines den Abstand zwischen der Auskoppelstelle und der Einkoppelstelle angebenden Abstandsmesswerts ausgewertet wird. Der Abstandsmesswert kann angezeigt und/oder für das Verfahren genutzt werden.
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Beispielsweise kann die Auskoppelstelle in Richtung Einkoppelstelle verfahrbar sein; in diesem Falle wird der Abstand zwischen der Auskoppelstelle und der Einkoppelstelle vorzugsweise unter Berücksichtigung des jeweiligen Abstandsmesswerts eingestellt.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Auskoppelstelle parallel zur Schicht verfahrbar sein; in diesem Falle wird der Abstandsmesswert vorzugsweise zur Bestimmung eines ein- oder zweidimensionalen Höhenprofils der Schicht herangezogen.
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Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Anordnung zum Messen der Dicke einer Schicht mit einer Strahlungsquelle zum Erzeugen eines auf die Schicht richtbaren Messstrahls, einem Photodetektor zum Messen eines Interferenzsignals, das bei Überlagerung eines an der oberen Schichtfläche der Schicht reflektierten ersten Strahls und eines an der unteren Schichtfläche der Schicht reflektierten zweiten Strahls entsteht, und einer Auswerteinrichtung, die geeignet ist, das Interferenzsignal unter Bildung eines Schichtdickenmesswerts auszuwerten.
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Erfindungsgemäß ist bezüglich einer solchen Anordnung vorgesehen, dass die Strahlungsquelle eine durchstimmbare Strahlungsquelle ist und die Auswerteinrichtung geeignet ist, mit einem intensitätsmodulierten Interferenzsignal den Schichtdickenmesswert zu bilden.
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Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen, da die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung denen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen entsprechen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, dass die Auswerteinrichtung mit der durchstimmbaren Strahlungsquelle in Verbindung steht und geeignet ist, die Wellenlänge des von der Strahlungsquelle erzeugten Messstrahls während der Messung zu verändern.
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Vorzugsweise weist die Anordnung eine Koppeleinrichtung mit einer parallel zur Schicht und/oder senkrecht zur Schicht verfahrbaren Auskoppelstelle auf. Dies ermöglicht es beispielsweise, einen den Abstand zwischen Auskoppelstelle und Schicht angebenden Abstandsmesswert bei der Messung zu berücksichtigen und beispielsweise den Abstand zwischen Auskoppelstelle und Schicht gezielt einzustellen und/oder ein zwei- oder dreidimensionales Höhenprofil der Schicht zu erstellen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
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1 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Messen der Dicke einer Schicht, wobei anhand dieser Anordnung auch das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft erläutert wird,
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2 die Bildung eines Interferenzsignals an der oberen Schichtfläche der Schicht, deren Dicke mit der Anordnung gemäß 1 gemessen werden soll,
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3 das Bestimmen eines Schichtdickenmesswerts mit Hilfe einer Auswertung des Interferenzsignals im Zeitbereich, wobei zur Ansteuerung einer durchstimmbaren Strahlungsquelle der Anordnung gemäß 1 ein stufenförmiges Ansteuersignal verwendet wird,
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4 ein Ausführungsbeispiel für eine Ansteuerung der durchstimmbaren Strahlungsquelle der Anordnung gemäß 1, bei der mittels eines Steueralgorithmus gezielt Maxima und Minima des intensitätsmodulierten Interferenzsignals ermittelt und in dieser Weise spektrale Abstandswerte bestimmt werden,
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5 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Messen der Dicke einer Schicht, bei der der Abstand zwischen der Schicht und der Auskoppelstelle des Messstrahles gemessen und der Abstandsmesswert zur Steuerung der Anordnung verwendet wird, und
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6 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Messen der Dicke einer Schicht, bei der der Abstand zwischen der Schicht und der Auskoppelstelle des Messstrahles gemessen und der Abstandsmesswert für die Bestimmung eines zwei- oder dreidimensionalen Höhenprofils verwendet wird.
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Der Übersicht halber werden in den Figuren für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
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In der 1 ist eine Anordnung 10 zum Messen der Dicke d einer Schicht 20 dargestellt. Die Anordnung 10 umfasst eine Koppeleinrichtung 30 mit einer Einkoppelfaser 40, einer Auskoppelfaser 50, einem mit der Einkoppelfaser 40 und mit der Auskoppelfaser 50 verbundenen Faserkoppler 60 sowie einer Linse 70.
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Mit der Einkoppelfaser 40 der Koppeleinrichtung 30 steht eine wellenlängenmäßig durchstimmbare Strahlungsquelle in Form eines Lasers 80 in Verbindung. Der durchstimmbare Laser 80 wird von einer Auswerteinrichtung 90 angesteuert, die eingangsseitig mit einem Fotodetektor 100 in Verbindung steht. Der Fotodetektor 100 ist an ein Faserende 110 der Auskoppelfaser 50 angekoppelt.
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Um die Dicke d der auf dem Substrat 120 befindlichen Schicht 20 zu messen, kann die Anordnung 10 beispielsweise wie folgt betrieben werden:
Die Auswerteinrichtung 90 steuert mittels eines Steuersignals ST den Laser 80 derart an, dass dieser einen Messstrahl M erzeugt und diesen in die Einkoppelfaser 40 einkoppelt. Der Messstrahl M gelangt über die Einkoppelfaser 40 zum Faserkoppler 60 und wird über die Linse 70 in die Schicht 20 eingekoppelt.
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Die 2 zeigt beispielhaft das Einkoppeln des Messstrahls M in die Schicht 20. Es lässt sich erkennen, dass der Messstrahl M an der oberen Schichtfläche 300 der Schicht 20 unter Bildung eines ersten reflektierten Strahles M1 teilweise reflektiert wird. Ein anderer Teil des Messstrahls M gelangt in das Innere der Schicht 20 und wird an einer unteren Schichtfläche 310 unter Bildung eines zweiten reflektierten Strahls M2 ganz oder teilweise reflektiert. Die beiden reflektierten Strahlen M1 und M2 überlagern sich und bilden gemeinsam ein Interferenzsignal, das in den Figuren mit dem Bezugszeichen I gekennzeichnet ist. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass es an den Grenzflächen 300 und 310 zu weiteren Reflexionen kommt, die in das Interferenzsignal I einfließen; dies spielt jedoch weder für das hier beschriebene Verfahren noch für das Verständnis des Verfahrens eine Rolle.
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Nochmals Bezug nehmend auf die 1 lässt sich außerdem erkennen, dass das Interferenzsignal I in die Linse 70 der Koppeleinrichtung 30 sowie in den Faserkoppler 60 eingekopgelt wird und über die Auskoppelfaser 50 zum Fotodetektor 100 gelangt. Der Fotodetektor 100 misst das Interferenzsignal I und bestimmt mit diesem einen Schichtdickenmesswert Dm, der an einem Ausgang A90 der Auswerteinrichtung 90 ausgegeben wird.
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Um eine Bestimmung des Schichtdickenmesswertes Dm zu ermöglichen, steuert die Auswerteinrichtung 90 mittels des Steuersignals ST den Laser beispielsweise derart an, dass dieser den Messstrahl M mit einem – im zeitlichen Verlauf betrachtet – treppenförmigen Wellenlängenverlauf bildet. Die Wellenlängenabhängigkeit des Messstrahls M von der Zeit ist in der 3 durch eine Kurve mit dem Bezugszeichen 400 dargestellt. Man erkennt, dass sich die Wellenlänge im zeitlichen Verlauf stufenförmig erhöht.
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Aufgrund der Veränderung der Wellenlänge λ(t) mit der Zeit t weist das Interferenzsignal I bzw. I(t) eine Intensitätsmodulation auf, die in der 3 durch eine Kurve mit dem Bezugszeichen 410 gekennzeichnet ist. Es lässt sich erkennen, dass der Intensitätsverlauf des Interferenzsignals I einen – von den Stufen abgesehen – näherungsweise sinusförmigen Verlauf aufweist.
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Der – zumindest näherungsweise – sinusförmige Verlauf 410 weist als charakteristische Intensitätswerte zwei Maxima MAX1 und MAX 2 sowie ein Minimum MIN1 auf. Weitere charakteristische Intensitätswerte des Interferenzsignals I sind beispielsweise Wendestellen W1 und W2, die zumindest näherungsweise jeweils zwischen einem Minimum und einem benachbarten Maximum des Signalverlaufs liegen.
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Die Auswerteinrichtung
90 wertet die Abhängigkeit des intensitätsmodulierten Interferenzsignals I von der jeweiligen Wellenlänge λ des Messstrahls M aus und bestimmt einen spektralen Abstandswert SA, der beispielsweise den Abstand zwischen den beiden benachbarten Maximalwerten MAX1 und MAX2 angibt. Alternativ kann die Auswerteinrichtung
90 den spektralen Abstandswert SA auch unter Heranziehung der beiden Wendestellen W1 und W2 und/oder der Minimalstelle MIN1 bestimmen. Mit dem gebildeten spektralen Abstandswert SA kann die Auswerteinrichtung
90 die Schichtdicke d beispielsweise gemäß folgender Formel bestimmen:
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Dabei bezeichnen λ1 und λ2 die Wellenlängen, die der Messstrahl M bei dem Maximalwert MAX1 und dem Maximalwert MAX2 aufweist; n bezeichnet die Brechzahl der Schicht 20.
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Wie bereits erläutert, zieht die Auswerteinrichtung 90 bei der Auswertung gemäß 3 die beiden Maxima MAX1 und MAX2 zur Bestimmung der Schichtdicke d heran und berücksichtigt somit den Fall konstruktiver Interferenz der beiden reflektierten Strahlen M1 und M2 gemäß 2. Alternativ kann die Auswerteinrichtung 90 auch die Minima des Intensitätsverlaufs I(t) bzw. I(λ) heranziehen und somit den Fall destruktiver Interferenz der beiden reflektierten Strahlen M1 und M2 gemäß 2 berücksichtigen. Auch ist es möglich, statt der Maxima oder der Minima die Wendestellen W1 und/oder W2 bzw. eine Kombination von Maxima, Minima und/oder Wendestellen für die Berechnung der Schichtdicke d zu berücksichtigen; selbstverständlich müsste ggf. die o. g. Formel zur Bestimmung der Schichtdicke angepasst werden, wenn anstelle einer kompletten ”Wellenlänge” des Intensitätsverlaufs im Diagramm gemäß der 3 nur die halbe Wellenlänge oder andere Abschnittslängen herangezogen werden.
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Werden mehrere Maxima, Minima und/oder Wendestellen im untersuchten Spektralbereich des Intensitätsverlaufs ausgewertet und die dabei gebildeten Messwerte gemittelt, so kann aufgrund der Mittlung die Messgenauigkeit erhöht werden.
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Darüber hinaus kann durch Interpolation von Messwerten – also durch eine mathematische Glättung der in der 3 gezeigten Stufen im Intensitätsverlauf I – die Auflösung erhöht und die Bestimmung von Maxima, Minima und/oder Wendestellen verbessert werden, wodurch sich ebenfalls die Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Schichtdicke d und der Berechnung des Schichtdickenmesswerts Dm erhöhen lässt.
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In der 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Ansteuerung des Lasers 80 durch die Auswerteinrichtung 90 gezeigt. Bei diesem Ansteuerverfahren wird die Auswerteinrichtung 90 den Laser 80 in Abhängigkeit von der Lichtintensität am Fotodetektor 100 ansteuern und gezielt Maxima, Minima und/oder Wendestellen im intensitätsmodulierten Interferenzsignal I aufsuchen. Bei dieser Ausgestaltung wird also nicht der gesamte Wellenlängenbereich durchfahren und hinterher eine Analyse durchgeführt, vielmehr wird der Laser 80 während der Messung gezielt auf die Wellenlängen zugesteuert, bei denen Maxima, Minima und/oder Wendestellen auftreten werden bzw. bei denen anhand zuvor erhaltener Messwerte das Auftreten entsprechender Stellen prognostiziert wird; eine solche Vorgehensweise ermöglicht es, den zur Bestimmung des Schichtdickenmesswertes Dm geeigneten spektralen Abstand SA möglichst einfach und schnell bestimmen zu können. Je nach Steueralgorithmus lässt sich in dieser Weise der spektrale Abstand SA mit weniger Messwerten bestimmen als bei dem Verfahren gemäß der 3.
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Im Zusammenhang mit den
3 und
4 wurde beispielhaft erläutert, wie mit Hilfe des intensitätsmodulierten Interferenzsignals I, das im Zeitbereich gemessen wird, unter Berücksichtigung der Wellenlängen-Zeit-Korrelation bei der Ansteuerung des Lasers
80 der Schichtdickenmesswert Dm ermittelt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, das intensitätsmodulierte Interferenzsignal I einer Fouriertransformation zu unterziehen, um die im Interferenzsignal I(t) enthaltene Modulationsfrequenz Ω zu bestimmen. Anschaulich betrachtet ist die Frequenz Ω indirekt proportional zum spektralen Abstand SA, wie er in der
3 dargestellt ist. Mit Hilfe der Frequenz Ω lässt sich der Schichtdickenmesswert Dm beispielsweise wie folgt ermitteln:
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In der 5 ist beispielhaft ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung 10 gezeigt, bei der der Abstand A zwischen der Linse 70, die eine Auskoppelstelle des Messstrahls M in den Freistrahlbereich bildet, und der Einkoppelstelle in die Schicht 20 von der Auswerteinrichtung 90 gemessen wird. Der Abstand A zwischen der Linse 70 und der oberen Schichtfläche 300 der Schicht 20 lässt sich bestimmen, da bei zunehmendem Abstand eine Abnahme der Intensität des Interferenzsignals I auftreten wird. Mit Hilfe zuvor durchgeführter Kalibrationsmessungen lässt sich ein Skalierungsfaktor bilden, mit dem das gemessene Interferenzsignal I entfaltet wird. Durch eine solche Entfaltung lässt sich der Abstandsmesswert Am, beispielsweise unter Heranziehung eines Fit-Verfahrens, ermitteln.
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Der entsprechende Abstandsmesswert Am kann am Ausgang A90 der Auswerteinrichtung 90 ausgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den Abstandsmesswert Am zur Ansteuerung der Koppeleinrichtung 30 heranzuziehen und den Abstand A zwischen der Koppeleinrichtung 30 und der Schicht 20 im Rahmen eines Regel- oder Steuerverfahrens gezielt einzustellen. Beispielsweise kann die Auswerteinrichtung 90 die Koppeleinrichtung 30 derart verstellen, dass der Abstand A zwischen der Linse 70 und der Schicht 20 stets konstant ist und/oder einen vorgegeben Wert aufweist.
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Die 6 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung, bei der die Koppeleinrichtung 30 in x-y-Richtung, also im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Messstrahls M, über der Schicht 20 verfahren werden kann. Misst die Auswerteinrichtung 90 nun den Abstand A zwischen der Linse 70 und der Schicht 20, so kann neben der Schichtdicke d auch ein dreidimensionales Höhenprofil H(x, y) der Schicht 20 gemessen werden.
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Liegt das Höhenprofil zusätzlich zum Schichtdickenmesswert Dm vor, so sind nicht nur die Schichtdicke 20 sowie das Höhenprofil H(x, y) der Schicht 20 bekannt, sondern durch entsprechende Differenzbildung zusätzlich auch das Höhenprofil H'(x, y) der Oberfläche 500 des Substrats 120.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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