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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft auf Substrate aufgebrachte dünne Schichten, und zwar eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Parametern dünner Schichten. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Messverfahren zum Erfassen von Oberflächentopografie und Schichtdicke einer auf einem Substrat aufgebrachten dünnen Schicht. Das Messverfahren beruht auf dem Einsatz optischer Strahlung.
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STAND DER TECHNIK
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In herkömmlicher Weise werden zur Vermessung von Schichtparametern unterschiedliche Messverfahren wie beispielsweise mechanische Abtastverfahren eingesetzt. Auch optische Messtechniken werden verwendet, um beispielsweise die optische Dicke von transparenten Schichten zu bestimmen.
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So beschreibt in die
DE 103 25 942 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dickenmessung transparenter Körper. Hierbei wird von einer Lichtquelle ausgesandtes Licht durch chromatische Aberration in wellenlängenabhängige Brennebenen fokussiert. Fällt eine Brennebene mit einer Begrenzungsfläche des transparenten Körpers zusammen, ergibt sich im reflektierten Signal ein Intensitätsmaximum. Unterschiedliche Begrenzungsflächen des transparenten Körpers ergeben Maxima unterschiedlicher Wellenlänge, aus welchen über eine bekannte chromatische Aberration der Optik die Dicke des transparenten Körpers bestimmt werden kann.
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Ferner offenbart die
DE 10 2005 023 351 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen von Oberflächen. Ein Mehrfarben-Lichtstrahl wird durch eine Abbildungsoptik auf die zu vermessende Oberfläche abgebildet. Durch die chromatische Aberration der Abbildungsoptik lässt sich der Mehrfarben-Lichtstrahl in unterschiedlich weit von Abbildungsoptik beabstandete Punkte fokussieren. Somit wird die zu vermessende Oberfläche ähnlich wie bei dem in der
DE 103 25 942 A1 beschriebenen Verfahren abgetastet. Darüber hinaus weist die in der
DE 10 2005 023 351 A1 beschriebene Vorrichtung eine Optik zum gezielten Herbeiführen einer chromatischen Aberration und eine weitere Optik zum Formen des aus der Abbildungsoptik austretenden Lichtstrahls auf.
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Weiterhin beruht ein in der
DE 2004 034 693 A1 offenbartes Verfahren auf dem gezielten Einsatz einer chromatischen Aberration einer Abbildungsoptik. Durch ein Fokussieren eines Lichtstrahls auf einen heißen Glaskörper kann die Glasdicke des heißen Glaskörpers unmittelbar nach seiner Herstellung gemessen werden. Die in der
DE 2004 034 693 A1 beschriebene Messvorrichtung weist ein Spektrometer auf, welches zwei Wellenlängen mit hoher Intensität im Vergleich zu den übrigen Wellenlängen infolge der Reflexion an der Vorder- und Rückseite des Glases detektiert.
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In der Druckschrift ”E. Papastathopoulos et al: Chromatic Confocal Spectral Interferometry, in: Proc. SPIE Vol. 6292, 629215, (2006)” ist ein Verfahren beschrieben, welches die Techniken der Spektralinterferometrie und der chromatischen Konfokalmikroskopie kombiniert. Das offenbarte Verfahren ist jedoch nicht zur Messung an dünnen Schichten ausgefegt.
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Die Druckschrift ”T. Fukano, I. Yamagushi: Separate measurement of geometrical thickness and refractive index by an interference confocal microscope, in: SPIE Vol. 3897, (1999), S. 342–354” offenbart eine Messvorrichtung, mit welcher separat Dicke und Brechungsindex einer transparentern Platte oder eines transparenten Films erfasst werden können. Hierzu wird eine Kombination von Konfokalmikroskopie und Interferometrie mit niedriger Kohärenzlänge verwendet.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Oberflächentopografie und Schichtdicke einer auf einem Substrat aufgebrachten Dünnschicht gemäß Anspruch 1 bereit. Ferner wird ein Messverfahren zum Erfassen von Oberflächentopografie und Schichtdicke gemäß Anspruch 6 bereitgestellt.
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Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Oberflächentopografie und Schichtdicke einer auf einem Substrat aufgebrachten Dünnschicht bereit, mit einer Lichtquelle, die angepasst ist, Licht mehrerer Wellenlängen entlang eines Lichtstrahlengangs zu emittieren, einer Blendeneinheit, die in dem Lichtstrahlengang angeordnet ist, einer optischen Abbildungseinheit, die eine chromatische Aberration aufweist und angepasst ist zur Abbildung der Blendeneinheit auf die Oberfläche der Dünnschicht, einem Detektor, der angepasst ist zur Erfassung von an der Dünnschicht reflektiertem Licht mehrerer Wellenlängen, und einer Auswerteeinheit, die angepasst ist zur Auswertung einer Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts mehrerer Wellenlängen in Abhängigkeit von der Wellenlänge und dem Abstand der Blendeneinheit von der Oberfläche der Dünnschicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Messverfahren zum Bestimmen von Oberflächentopografie und Schichtdicke einer auf einem Substrat aufgebrachten Dünnschicht bereit, mit den Schritten: Emittieren von Licht mehrerer Wellenlängen aus einer Lichtquelle entlang eines Lichtstrahlengangs, Abbilden einer in dem Lichtstrahlengang angeordneten Blendeneinheit auf die Oberfläche der Dünnschicht, Reflektieren zumindest eines Teils des Lichts mehrerer Wellenlängen an der Dünnschicht, Erfassen des reflektierten Lichts mehrerer Wellenlängen, Bestimmen einer Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts mehrerer Wellenlängen, und Auswerten der Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänge und dem Abstand der Blendeneinheit von der Oberfläche der Dünnschicht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein schematisches Blockdiagramm einer Messvorrichtung zur Bestimmung von Oberflächentopografie und Schichtdicke gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine Anordnung einer Oberflächentopografie- und Schichtdicken-Messvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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3 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der Dünnschichtinterferometrie;
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4 ein Beispiel eines Dünnschichtsignals als Funktion der Schichtdicke einer Dünnschicht;
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5 schematisch eine Konfokal-Anordnung zur Messung einer Oberflächentopografie einer Dünnschicht;
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6 eine zweidimensionale Intensitätsverteilung als Funktion eines Abstands von der Schichtoberfläche und der Wellenlänge;
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7 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Intensitätsverteilung als Gesamtantwort als Funktion der Wellenlänge; und
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8 ein Blockbild eines Flussdiagramms zur Veranschaulichung eines Messverfahrens zum Bestimmen von Oberflächentopografie und Schichtdicke einer auf einem Substrat aufgebrachten Dünnschicht.
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In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
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Zur Messung von Schichtdicke und Oberflächentopografie einer auf einem Substrat aufgebrachten Dünnschicht wird eine Messvorrichtung vorgesehen, welche neben einem Konfokalsignal von an dem Schichtsystem reflektiertem Licht auch eine Auswertung einer Dünnschichtinterferenz bereitstellt. Die Messvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt umfasst eine Anordnung zur Konfokalmikroskopie, mit welcher zusätzlich ein Dünnschicht-Interferenzsignal erfasst werden kann.
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Messvorrichtung zur Bestimmung von Oberflächentopografie und Schichtdicke gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Eine Lichtquelle 101 emittiert Licht mehrerer Wellenlängen 201 in Richtung eines Strahlteilers 109. Es sei hier darauf hingewiesen, dass Licht, welches in der Messvorrichtung 100 verwendet wird, nicht auf sichtbares Licht beschränkt ist. Vielmehr kann das Licht auch Wellenlängen im Ultraviolett- oder Infrarotbereich aufweisen. Die Lichtquelle 101 ist in typischer Weise ausgelegt zum Emittieren von Licht in einem Wellenlängenbereich von 280 nm bis 1000 nm, in bevorzugter Weise in einem Bereich von 380 nm bis 500 nm, und in noch bevorzugterer Weise in einem Bereich von 400 nm bis 480 nm. Ferner ist die Lichtquelle 101 ausgelegt zum Emittieren von Licht, welches eine Kohärenzlänge größer oder gleich einer zu messenden Schichtdicke 402 der Dünnschicht 301 aufweist.
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Entlang eines Lichtstrahlengangs 210 wird das Licht mehrerer Wellenlängen 201 nach Reflexion an dem Strahlteiler 109 über eine Abbildungsoptik 104 auf eine Oberflöche 302 der zu vermessenden Dünnschicht 301 eingestrahlt. Ein Teil des eingestrahlten Lichts 201 wird direkt an der Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 reflektiert, während ein anderer Teil des eingestrahlten Lichts 201 in die Dünnschicht 301 eindringt, gebrochen wird und nach einer Reflexion an der Substratoberfläche 303 wieder aus der Dünnschicht 301 austritt. Dieser austretende Lichtanteil interferiert mit dem direkt reflektierten Lichtanteil des einfallenden Lichts 201 und bildet mit dem direkt reflektierten Lichtanteil eine Dünnschichtinterferenz. Eine derartige Interferenz erlaubt dann Rückschlüsse auf die Schichtdicke 402 und den Brechungsindex der Dünnschicht 301.
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In Richtung der Lichtausbreitung entlang des Lichtstrahlengangs 210 ist vor der Abbildungsoptik 104 eine Blendeneinheit 102 angeordnet, welche in dem Lichtstrahlengang 210 liegt und eine Apertur 103 für das Licht mehrerer Wellenlängen 201 definiert. Die Blendeneinheit 102 wird mittels der Abbildungsoptik 104 auf die Schichtoberfläche 302 abgebildet. Aufgrund einer in der Abbildungsoptik 104 vorhandenen chromatischen Aberration wird die Lichtaustrittfläche 103 in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts mehrerer Wellenlängen 201 in unterschiedliche Brennebenen bzw. Fokuspunkte 217 abgebildet.
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Ein Teil des an der Dünnschicht 301 reflektierten Lichts 202 mehrerer Wellenlängen wird über den Strahlteiler 109 einem Detektor 105 zugeführt. Eine maximale Intensität des reflektierten Lichts 202 mehrerer Wellenlängen wird dann erhalten, wenn die Blendeneinheit 102 für eine Wellenlänge scharf auf die Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 abgebildet ist. In Abhängigkeit von dem dem Detektor 105 zugeführten reflektierten Licht 202 mehrerer Wellenlängen gibt der Detektor 105 ein spektral aufgelöstes elektrisches Ausgangssignal zu einer nachfolgenden Auswerteeinheit 106 aus. Dieses elektrische Ausgangssignal wird einer an den Detektor 105 angeschlossenen Auswerteeinheit 106 zugeführt. Nach einer Auswertung des elektrischen Ausgangssignals in der Auswerteeinheit 106 wird ein wellenlängenabhängiges Intensitätssignal 203 erhalten, aus welchem, wie untenstehend beschrieben wird, Oberflächentopografie 401 und Schichtdicke 402 der auf dem Substrat 300 aufgebrachten Dünnschicht 301 bestimmbar sind.
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Die Auswerteeinheit 106 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert. Die Auswerteeinheit 106 ist ausgelegt zur Auswertung der Intensitätsverteilung 203 des reflektierten Lichts 202 mehrerer Wellenlängen in Abhängigkeit von der Wellenlänge 204 und dem Abstand der Blendeneinheit 102 von der Oberfläche 302 der Dünnschicht 301. Zur Bestimmung der Oberflächentopografie 401 der Dünnschicht 301 wird die wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung 203 bestimmt. Diese Intensitätsverteilung 203 weist an der Stelle im Wellenlängenband ein Maximum auf, an welcher eine Lichtkomponente des eingestrahlten Lichts mehrerer Wellenlängen 201 die Blendeneinheit 102 exakt auf die Schichtoberfläche 302 abbildet.
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Das Bezugszeichen 207 bezeichnet einen Messkopfabstand, welcher sich für eine spezifische Wellenlänge aufgrund der chromatischen Aberration der Abbildungseinheit 104 ergibt. In dem erfassten reflektierten Licht 202 mehrerer Wellenlängen ist neben einer Information über den Messkopfabstand 207 und damit über die Oberflächentopografie 401 der Dünnschicht 301 eine Information über die Schichtdicke 302 der Dünnschicht 301 enthalten.
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Es sei hier darauf hingewiesen, dass zur Erfassung der Oberflächentopografie 401 der Schichtoberfläche 302 eine Relativbewegung eines Fokuspunkts 217 der Abbildungsoptik 104 in Bezug auf die Schichtoberfläche 302 bereitgestellt werden kann. Diese Relativbewegung kann beispielsweise durch ein Bewegen des Substrat 300 in Richtungen senkrecht der Richtung des Lichtstrahlengangs 210 mittels einer Abtasteinrichtung 113 erfolgen. Ferner kann die Messvorrichtung 100 relativ zur Dünnschicht 302 in Richtung des Lichtstrahlengangs 210 mittels einer Fokuspunkt-Einstelleinrichtung 114 bewegt werden, derart, dass der Fokuspunkt 217 der Abbildungsoptik 104 auf die Schichtoberfläche 302 ausgerichtet werden kann.
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Die Auswerteeinheit 106 kann herangezogen werden zur Bestimmung einer Hüllkurve 211 (siehe 6) der Intensitätsverteilung 203 des reflektierten Lichts 202 mehrerer Wellenlängen in Abhängigkeit von der Wellenlänge 204, wie untenstehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Anschließend wird die Oberflächentopografie 401 auf Grundlage der Wellenlänge eines Hauptmaximums 208 der Hüllkurve 211 ausgegeben.
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Insbesondere ist es möglich, aus der Intensitätsverteilung 203 des reflektierten Lichts 202 mehrerer Wellenlängen in Abhängigkeit von der Wellenlänge 204 und dem Abstand der Blendeneinheit 102 von der Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 in Kombination sowohl eine Bestimmung der Schichtdicke 402 der Dünnschicht 301 als auch eine Bestimmung der Oberflächentopografie 401 der Dünnschicht 301 bereitzustellen.
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Die in 1 gezeigte Abtasteinrichtung 113 ist angepasst zur Bewegung der Messvorrichtung 100 in einer Richtung senkrecht zu der Richtung des Lichtstrahlengangs 210. Dadurch wird erreicht, dass die Schichtoberfläche 302 abgetastet wird und somit ein Oberflächenprofil in Abtastrichtung bzw., bei zweidimensionaler Abtastung senkrecht zu der Richtung des Lichtstrahlengangs 210, eine zweidimensionale Oberflächentopografie 401 der Schichtoberfläche 302 erhalten wird.
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Weiterhin ist es möglich, obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, bei feststehender Messvorrichtung 100 das Substrat 300 mitsamt aufgebrachter Dünnschicht 301 unter einem Fokuspunkt 217 der Abbildungsoptik 104 in Richtungen senkrecht zu dem Lichtstrahlengang 210 zu verschieben, um eine entsprechende Oberflächentopografie 401 zu erhalten.
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Die Fokuspunkt-Einstelleinheit 114 ist ausgelegt zur Bewegung der Messvorrichtung 100 in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche 302 der Dünnschicht 301. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, einen infolge der chromatischen Aberration der Abbildungsoptik 104 festgelegten Abtastbereich an eine zu erfassende Oberflächentopografie 401 anzupassen. So lässt sich beispielsweise ein Mittelwert eines Abtastbereichs mittels der Fokuspunkts-Einstelleinheit 114 festlegen, während die Oberflächentopografie 401 anschließend durch eine Auflösung der Wellenlänge 204 bestimmt wird.
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2 zeigt eine Anordnung einer kombinierten Oberflächentopografie- und Schichtdicken-Messvorrichtung 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Primärlicht 201, welches mehrere Wellenlängen enthält, wird hier mittels eines ersten Lichtwellenleiters 110 über einen als 3 dB-Koppler ausgebildeten Strahlteiler 109 der Abbildungsoptik 104 zugeführt. Die Austrittsöffnung des Lichtwellenleiters 110 wirkt hierbei als eine Apertur 103.
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Wie bereits unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, wird die Apertur 103 mittels der Abbildungsoptik 104 auf die Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 abgebildet. Der in der Lichtwellenleiter-Anordnung integrierte Strahlteiler 109 ist ausgelegt, von der Dünnschicht 301 reflektiertes Licht 202 mehrerer Wellenlängen in einen zweiten Lichtwellenleiter 111 zu koppeln. Der zweite Lichtwellenleiter 111 ist mit einem Spektrometer 107 verbunden, welches ausgelegt ist zum Dispergieren des reflektiertem Lichts 202 mehrerer Wellenlängen und damit zur Auflösung eines Spektrum des reflektierten Lichts 202. Eine Eintrittsöffnung in das Spektrometer 107 stellt die Austrittsöffnung des zweiten Lichtwellenleiters 111 dar, während an der Austrittseite des Spektrometers 107 ein Zeilendetektor 108 angebracht ist, welcher eine wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung 203 als ein Ausgangssignal liefert.
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Die Führung des Primärlichts 201 und des reflektierten Lichts 202 in den ersten und zweiten Lichtwellenleitern 110, 111 hat den Vorteil, dass die Apertur 103 zusammen mit der Abbildungseinheit 104 in einfacher Weise parallel zu der Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 bewegt werden kann, während die Lichtquelle 101 und das Spektrometer 107 mit angebrachtem Zeilendetektor 108 lokal feststehend angeordnet sein können.
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Das Spektrometer 107 kann beispielsweise als ein Monochromator, ein Prismenspektrometer, ein Gitterspektrometer, ein Echelle-Spektrometer etc. ausgebildet sein. Das Spektrometer 107 ist ausgelegt zur spektralen Auflösung eines Wellenlängenbands 214 (7) in einem Bereich von 280 nm bis 1000 nm, in bevorzugter Weise in einem Bereich von 380 nm bis 500 nm, und in noch bevorzugterer Weise in einem Bereich von 400 nm bis 480 nm. Die erhaltene wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung 203 kann schließlich zur Bestimmung von Oberflächentopografie 401 und Schichtdicke 402 der Dünnschicht 301 herangezogen werden.
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3 zeigt ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der Dünnschichtinterferometrie. Einfallendes Licht 201 mehrerer Wellenlängen wird an zwei optischen Grenzflächen teilweise gebrochen und teilweise reflektiert. Eine erste optische Grenzfläche stellt die Schichtoberfläche 302 als Grenze zwischen einem Medium mit einem Umgebungs-Brechungsindex n0 und einem Brechungsindex n1 der Dünnschicht 301 dar. Eine zweite optische Grenzfläche stellt die Substratoberfläche 303 als Grenze zwischen einem Brechungsindex n1 der Dünnschicht 301 und dem Material des Substrats 300 dar.
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In 3 ist gezeigt, dass die von den beiden Grenzflächen reflektierten Lichtstrahlen 215, 216 in die gleiche Richtung abgestrahlt werden und dadurch interferieren können, falls eine optische Wegdifferenz zwischen benachbarten reflektierten Lichtstrahlen 215 und 216 kleiner ist als die Kohärenzlänge des einfallenden Lichts 201. Dieses Phänomen wird als Dünnschichtinterferometrie bezeichnet, wobei ein erhaltenes Dünnschichtsignal 205 zur Bestimmung der Schichtdicke 402 der Dünnschicht 301 ausgewertet werden kann.
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Insbesondere wird eine Laufzeitdifferenz zwischen dem ersten reflektierten Lichtstrahl 215 und dem zweiten reflektierten Lichtstrahl 216 herangezogen, um eine optische Dicke der Dünnschicht 301 zwischen den beiden Grenzflächen zu erfassen. Als optische Dicke der Dünnschicht 301 wird das Produkt von Brechungsindex n0 der Dünnschicht und durchstrahlte Schichtdicke 402 bezeichnet. Bei einer Veränderung der optischen Dicke ergeben sich Interferenzen im reflektierten Licht durch Interferenz benachbarter Lichtstrahlen wie beispielsweise der ersten und zweiten Lichtstrahlen 215, 216.
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4 veranschaulicht einen Graphen, in welchem ein Dünnschichtsignal 205 als Funktion einer variierenden Schichtdicke 402 geplottet ist. Dieses Dünnschichtsignal 205 ergibt sich aus einer Reflektivität des in 3 gezeigten Substrat-Schicht-Systems für einfallendes Licht 201. Es sei hier darauf hingewiesen, dass bei der Aufzeichnung des in 4 gezeigten Signals der Brechungsindex n0 der Dünnschicht einen konstanten Wert aufweist, während die Schichtdicke 402 in einem Bereich von 0 μm bis 1 μm variiert.
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Ein dem in 4 gezeigten Signal ähnlicher Signalverlauf ergibt sich, wenn nicht die Schichtdicke 402 der Dünnschicht 301, sondern die Wellenlänge 204 des einfallenden Lichts 201 mehrerer Wellenlängen variiert wird, wie untenstehend unter Bezugnahme auf 7 erläutert werden wird.
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Zur Auswertung derartiger Interferenzsignale im Hinblick auf Schichtparameter ist vorteilhaft, wenn eine Periodizität 212 (7) des Dünnschichtsignals 205 in der Auswerteeinheit 106 erfasst werden kann. Beispielsweise kann, wie untenstehend unter Bezugnahme auf 7 erläutert werden wird, ein Wellenlängenabstand zwischen Extrema (lokale Maxima oder lokale Minima) des Dünnschichtsignals 205 zur Bestimmung der Schichtdicke 402 der Dünnschicht 301 herangezogen werden.
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5 veranschaulicht schematisch eine Konfokal-Anordnung zur Messung der Oberflächentopografie 401 einer Dünnschicht 301. In 5 sind zwei Situationen einer Konfokalmessung für unterschiedliche Abstände 207 zwischen der Blendeneinheit 102 und der Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 gezeigt. Wie obenstehend unter Bezugnahme auf 1 erläutert, wird die Blendeneinheit 102, welche eine Apertur 103 aufweist, jeweils mittels der Abbildungseinheit 104 auf die Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 abgebildet.
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Ein Fokuspunkt 217 der Abbildungsoptik 104 fällt hierbei im linken Teil der 5 exakt mit der Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 zusammen, d. h. es ergibt sich eine scharfe Abbildung der Blendeneinheit 102 auf die Oberfläche 302, während im rechten Teil der 5 eine geringfügig defokussierte Abbildung der Blendeneinheit 102 bzw. der Apertur 103 auf die Schichtoberfläche 302 der Dünnschicht gegeben ist.
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Nur bei einer scharfen Abbildung der Blendeneinheit 102 auf die Oberfläche 302 ergibt sich eine maximale Intensität im reflektierten Licht 202, d. h. dass ein maximaler Anteil des eingestrahlten Lichts 201 mehrerer Wellenlängen in den Detektor 105 (in nicht gezeigt) gelangen kann. Im Falle einer unscharfen Abbildung der Blendeneinheit 102 auf die Oberfläche 302 wird, wie im rechten Teil der 5 gezeigt, ein Teil des reflektierten Lichts 202 mehrerer Wellenlängen nach einer Reflexion an der Oberfläche 302 durch die Blendeneinheit 102 ausgeblendet. Somit wird die durch einen Detektor 105 erfassbare Intensität reduziert.
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Auf diese Weise ist es möglich, durch eine Aufzeichnung einer Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts 202 eine exakte Position des Fokuspunkts 217 bei einer scharfen Abbildung zu bestimmen, derart, dass eine Oberflächentopografie 401 der Dünnschicht 301 erfasst werden kann. Die chromatische Aberration der Abbildungsoptik 104, welche beispielsweise als eine einfache Linse ausgebildet sein kann, führt dazu, dass unterschiedliche spektrale Anteile des einfallenden Lichts 201 mehrerer Wellenlängen in unterschiedlichen Abständen 207 zu der Blendeneinheit 102 fokussiert werden. Es wird stets diejenige Wellenlänge mit der höchsten Intensität zurückgestreut oder reflektiert, bei welcher die Fokuslage 217 mit dem Abstand 207 zwischen der Blendeneinheit 102 und der Oberfläche 302 übereinstimmt.
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Ferner ist es möglich, durch eine Verschiebung der Messvorrichtung 100 relativ zu dem Substrat 300 in einer Richtung senkrecht zu dem Lichtstrahlengang 210 bzw. parallel zu der Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 ein Abtasten der Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 bereitzustellen und damit die Oberflächentopografie 401 zu bestimmen.
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6 zeigt eine zweidimensionale Intensitätsverteilung 203 als Funktion eines Abstands 207 der Blendeneinheit 102 von der Schichtoberfläche 302 und als Funktion der Wellenlänge 204. Als Signalverläufe sind jeweils mehrere Hüllkurven 211 gezeigt, die sich durch eine Variation des Abstands 207 zwischen der Blendeneinheit 102 bzw. einem Messkopf der Messvorrichtung 100 und der Oberfläche 302 der Dünnschicht ergeben.
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Ferner zeigt die in 6 dargestellte zweidimensionale Intensitätsverteilung 203 deutlich, dass sich das Hauptmaximum 208 der Hüllkurve 211 für zunehmende Wellenlänge 204 zu einem größeren Abstand 207 hin verschiebt. Eine derartige Verschiebung des Hauptmaximums 208 der Hüllkurve 211 beruht auf der Tatsache, dass eine Brechung von Licht in dem dispersiven Element der Abbildungseinheit 104, wie beispielsweise einer in 5 die gezeigten Linse mit chromatischer Aberration, wellenlängenabhängig ist. Für größere Wellenlängen 204 ergibt sich hierbei eine geringere Brechung von Licht und damit für die Fokussierung ein größerer Abstand zwischen der Blendeneinheit 102 und der Oberfläche 302 als für kürzere Wellenlängen 204.
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Ferner ist es möglich, eine in 1 gezeigte Fokuspunkt-Einstelleinheit 114 bereitzustellen, mit welcher bei einem Erfassen des reflektierten Lichts 202 mehrerer Wellenlängen ein Abstand 207 zwischen der Abbildungseinheit 104 und der Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 variiert werden kann. Hierdurch ist es möglich, den infolge der chromatischen Aberration der Abbildungsoptik 104 festgelegten Abtastbereich in Richtung des Lichtstrahlengangs 210 an eine zu erfassende Oberflächentopografie 401 anzupassen. Hierbei kann ein Mittelwert eines Abtastbereichs mittels der Fokuspunkts-Einstelleinheit 114 festgelegt werden, während die Oberflächentopografie 401 anschließend durch eine Auflösung der Wellenlänge 204 bestimmt wird.
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7 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Intensitätsverteilung 203 der Gesamtantwort als Funktion der Wellenlänge 204. Durch Auswertung des in dem Graphen der 7 gezeigten Intensitätsverlaufs 203 ist ein kombiniertes Bestimmen der Oberflächentopografie 401 und der Schichtdicke 402 der Dünnschicht 301 auf Grundlage der wellenlängenabhängigen Intensitätsverteilung 203 des reflektierten Lichts 202 möglich. Hierbei wird das erhaltene Summensignal, d. h. die Gesamtantwort 203 in mindestens zwei Einzelsignale, beispielsweise in eine Dünnschichtantwort 205 und eine Konfokalantwort 206 zerlegt.
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Eine gestrichelte, fett gedruckte Linie in 7 zeigt die Intensitätsverteilung 203 als die Gesamtantwort, welche mit einer in den 1 bzw. 2 gezeigten Messvorrichtung 100 erfassbar ist. Weiterhin sind in 7 ein Konfokalsignal 206 und ein Dünnschichtsignal 205 gezeigt, die in ihrer Überlagerung die Gesamtantwort als Intensitätsverteilung 203 ergeben.
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Das Dünnschichtsignal 205 (durchgezogene Linie) entspricht dem obenstehend unter Bezugnahme auf 4 gezeigten Signalverlauf, während das Konfokalsignal 206 (dünne gestrichelte Linie) einem der obenstehend unter Bezugnahme auf 6 gezeigten Signalverläufe entspricht. Die gemessene Intensitätsverteilung 203 ergibt sich somit als kombiniertes Summensignal aus Dünnschichtantwort und Konfokalantwort.
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Eine Periodizität 212 der Dünnschichtantwort (siehe auch 4) spiegelt sich somit ebenfalls in der Gesamtantwort, d. h. in der Intensitätsverteilung 203 wider. Hierbei ergibt sich aus dem Abstand der Nebenmaxima die Periodizität 212 des Dünnschichtsignals 205.
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Ferner weist die Intensitätsverteilung 203 ein Hauptmaximum 208 auf, welches durch die Konfokalantwort hervorgerufen wird. Dieses Maximum 208, das obenstehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben ist, ergibt sich aus dem Abstand 207 zwischen der Blendeneinheit 102 und der Oberfläche 302 der Dünnschicht 301. Eine Hüllkurve 211 des Summensignals kann somit bestimmt werden, wobei das Maximum 208 der Hüllkurve 211 die Oberflächentopografie 401 der Dünnschicht 301 an einer bestimmten Messstelle, d. h. an dem Fokuspunkt 217 widerspiegelt.
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Da sowohl die Periodizität 212 als auch ein Intensitätsmaximum 208 zur Auswertung der Intensitätsverteilung 203 herangezogen werden können, sind mit der beschriebenen Messvorrichtung 100 sowohl die Oberflächentopografie 401 als auch die Schichtdicke 402 der Dünnschicht 301 kombiniert erfassbar. Bei einer Auswertung ist es somit möglich, mindestens zwei Maxima einer Intensitätsverteilung 203 zu erfassen und aus einem Wellenlängenabstand 213 auf die Periodizität zurückzuschließen. Die Periodizität 212 in der Intensitätsverteilung 203 basiert auf dem Interferenzeffekt, welcher durch eine Interferenz von Licht an der Dünnschicht 301 bereitgestellt wird. Eine derartige bereits oben beschriebene Dünnschichtinterferenz wird durch eine Lichtquelle 101 ermöglicht, welche ausgelegt ist zum Emittieren von Licht, welches eine Kohärenzlänge größer oder gleich einer zu messenden Schichtdicke 402 aufweist.
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Da die Zuordnung zwischen Schichtdicke 402 und Signalverlauf der Dünnschichtantwort über der Wellenlänge eindeutig ist, lässt sich aus der Periodizität 212 in einem vorgegebenen Wellenlängenband 214 die Schichtdicke 402 bestimmen. Das Intensitätshauptmaximum 208 wird hierbei zur Messung der Oberflächentopografie 401 herangezogen, während der Abstand 213 zwischen dem Intensitätshauptmaximum 208 und einem weiteren Extremum im Signalverlauf wie beispielsweise einem Intensitätsminimum 209 zur Bestimmung der Schichtdicke 402 herangezogen wird.
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Ferner kann die Auswerteeinheit 106 angepasst sein zur Bestimmung mindestens zweier benachbarter Extrema 209 der Intensitätsverteilung 203 des reflektierten Lichts 201 mehrerer Wellenlängen in Abhängigkeit von der Wellenlänge 204 und zur Ausgabe der Schichtdicke 402 auf Grundlage der Wellenlängen bzw. des Wellenlängenabstands 213 der mindestens zwei benachbarten Extrema 209.
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Zur Bestimmung von Schichtdicke 402 und Oberfächentopografie 401 weist die Auswerteeinheit 106 Mittel zur kombinierten Erfassung der Hüllkurve 211 und der Periodizität 212 der Intensitätsverteilung 203 des reflektierten Lichts 202 mehrerer Wellenlängen in Abhängigkeit von der Wellenlänge 204 und zur Ausgabe der Oberflächentopografie 401 auf Grundlage der Wellenlänge eines Hauptmaximums 208 der Hüllkurve 211 und zur Ausgabe der Schichtdicke 402 auf Grundlage eines Wellenlängenabstands 212 mindestens einer Periode der Intensitätsverteilung 203 auf. Hierbei wird ein Bestimmen der Intensitätsverteilung 203 des reflektierten Lichts 202 mehrerer Wellenlängen herangezogen zum kombinierten Messen der Oberflächentopografie 401 und der Schichtdicke 402 der Dünnschicht 301.
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8 zeigt ein Blockbild eines Flussdiagramms zur Veranschaulichung eines Messverfahrens zum kombinierten Bestimmen von Oberflächentopografie 401 und Schichtdicke 402 einer auf einem Substrat 300 aufgebrachten Dünnschicht 301. In einem Block 501 wird der Prozess zum kombinierten Bestimmen von Oberflächentopografie 401 und Schichtdicke 402 gestartet.
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Licht 201 mehrerer Wellenlängen wird aus einer Lichtquelle 101 entlang eines Lichtstrahlengangs 210 emittiert (Block 502). Das Licht 201 wird hierbei von der Lichtquelle 101 auf die zu untersuchende Dünnschicht 301 gerichtet. Ferner wird ein Teil des Lichts 201 mehrerer Wellenlängen in dem Lichtstrahlengang 210 mittels der Blendeneinheit 102 in dem Block 503 ausgeblendet. Die Blendeneinheit 102 kann schließlich auf die Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 mittels der Abbildungseinheit 104 wie beispielsweise einem geeigneten Objektiv, welches eine chromatische Aberration aufweist, auf die Dünnschicht 302 abgebildet werden (Block 504).
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Schließlich wird zumindest ein Teil des Lichts 201 mehrerer Wellenlängen an der Dünnschicht 301 reflektiert, wobei ein Dünnschichtsignal 205, das durch Interferenz erhalten wird, und ein Konfokalsignal 206 überlagert werden (Block 505). In einem Block 506 wird das reflektierte Licht 202 mehrerer Wellenlängen erfasst. In der Auswerteeinheit (106) wird eine Intensitätsverteilung 203 des reflektierten Lichts 202 mehrerer Wellenlängen in Abhängigkeit von der Wellenlänge 204 und dem Abstand der Blendeneinheit 102 von der Oberfläche 302 der Dünnschicht 301 bestimmt und ausgewertet (Block 507). Hierbei werden in Kombination sowohl die Schichtdicke 402 der Dünnschicht 301 aus dem Interferenzanteil der Intensitätsverteilung 203 als auch die Oberflächentopografie 401 aus einem Maximum der Hüllkurve 211 der Intensitätsverteilung 203 erhalten. In einem Block 508 wird der Prozess beendet.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Messvorrichtung
- 101
- Lichtquelle
- 102
- Blendeneinheit
- 103
- Apertur
- 104
- Abbildungseinheit
- 105
- Detektor
- 106
- Auswerteeinheit
- 107
- Spektometer
- 108
- Zeilendetektor
- 109
- Strahlteiler
- 110
- erster Lichtwellenleiter
- 111
- zweiter Lichtwellenleiter
- 113
- Abtasteinrichtung
- 114
- Fokuspunkt-Einstelleinheit
- 201
- Licht mehrerer Wellenlängen
- 202
- reflektiertes Licht mehrerer Wellenlängen
- 203
- Intensitätsverteilung
- 204
- Wellenlänge
- 205
- Dünnschichtsignal
- 206
- Konfokalsignal
- 207
- Abstand Blendeneinheit-Schichtoberfläche
- 208
- Intensitätshauptmaximum
- 209
- Intensitätsnebenminimum, Extremum
- 210
- Lichtstrahlengang
- 211
- Hüllkurve
- 212
- Periodizität
- 213
- Wellenlängenabstand
- 214
- Wellenlängenband
- 215
- erster reflektierter Lichtstrahl
- 216
- zweiter reflektierter Lichtstrahl
- 217
- Fokuspunkt
- 300
- Substrat
- 301
- Dünnschicht
- 302
- Schichtoberfläche
- 303
- Substratoberfläche
- 401
- Oberfächentopographie
- 402
- Schichtdicke
