DE102018202985A1

DE102018202985A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Ablösewahrscheinlichkeit einer Schicht

Info

Publication number: DE102018202985A1
Application number: DE102018202985.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Ross-Messemer; Johannes Sommer
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2018-04-12

Abstract

Die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Ablösewahrscheinlichkeit einer Schicht (1) von einem unter der Schicht (1) befindlichen Material (Mat2), umfassend: a) Bestrahlen der Schicht (1) zum Erzeugen von Röntgenstrahlung (9), b) Aufnehmen mindestens eines WDX- und/oder EDX-Spektrums (8a–c) der beim Bestrahlen der Schicht (1) erzeugten Röntgenstrahlung (9), c) Ermitteln einer Konzentration von Fremdatomen (3) im Bereich einer Grenzfläche (5) zwischen der Schicht (1) und dem unter der Schicht (1) befindlichen Material (Mat2) anhand des mindestens einen aufgenommenen Spektrums (8b, 8c), sowie d) Bestimmen der Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht (1) anhand der ermittelten Konzentration von Fremdatomen (3).

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zerstörungsfreien Bestimmen einer Ablösewahrscheinlichkeit einer Schicht von einem unter der Schicht befindlichen Material.
Im Betrieb von optischen Anordnungen kann es zur ungewollten Ablösung von Schichten von den Oberflächen von optischen Elementen kommen, die im schlimmsten Fall zu einem vollständigen Ausfall der optischen Anordnung führen. Es ist bekannt, Oberflächen bzw. Schichten licht- und/oder elektronenmikroskopisch zu analysieren, um Defekte zu erkennen. Auch ist es bekannt, optische Anordnungen verschiedenen Tests zu unterziehen, beispielsweise einem so genannten Bestrahlungs- oder Livetime-Test, bei dem geprüft wird, ob bei der über die Lebensdauer zu erwartenden Bestrahlungsdosis eine Ablösung von Schichten auftritt. Tritt bei einem solchen Test keine Schichtablösung auf, gilt der für die Schichtherstellung verwendete Prozess als sicher.
Für die zerstörungsfreie Untersuchung von Schichten, insbesondere für die Messung von Schichtdicken, sind unterschiedliche Verfahren bekannt: Die DE 1962359 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Schichtdickenmessung an einer von einem Körper getragenen Schicht mit Hilfe eines Interferometers, wobei ein zur Messung verwendeter Lichtstrahl sowohl an der Schichtoberfläche als auch von der Grenzfläche zwischen Schicht und Körper reflektiert wird. Dieses Verfahren eignet sich daher nur für transparente Schichten.
Die DE 39 26 184 A1 beschreibt ein Verfahren zur spektralphotometrischen Schichtdickenbestimmung von lichtdurchlässigen oder lichtteildurchlässigen Schichten mittels polychromatischem Licht.
In der US 5,486,701 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schichtdickenmessung nach dem Prinzip der Spektralphotometrie beschrieben, bei denen Messungen der Reflektivität sowohl mit Strahlung im UV-Wellenlängenbereich als auch im sichtbaren Wellenlängenbereich durchgeführt werden.
Die DE 100 21 379 A1 beschreibt eine optische Messanordnung, insbesondere zur Schichtdickenmessung sowie zur Ermittlung optischer Materialeigenschaften, z.B. des Brechungsindex. Bei der optischen Messanordnung werden ein von einer Probe reflektierter Objektlichtstrahl und ein Referenzlichtstrahl über faseroptische Lichtleitereinrichtungen in eine Auswerteeinrichtung eingekoppelt.
In der DE 44 08 057 A1 ist eine Vorrichtung zur Röntgenfluoreszenzspektroskopie beschrieben, die insbesondere zur kontinuierlichen Schichtdickenmessung verwendbar ist. Bei der Vorrichtung trifft die von einer Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung nach dem Verlassen eines Optikelements auf ein Messobjekt, an dem Fluoreszenzstrahlung erzeugt wird, die von mindestens einem in unmittelbarer Nähe zum Messobjekt angeordneten Detektionssystem empfangen wird.
Aus der EP 1192416 B1 ist eine Schichtdickenmessung mittels unelastischer Elektronenstreuung bekannt geworden, bei der ein Spektrum von unelastisch gestreuten Sekundär-Elektronen ausgewertet wird, um die Dicke einer (dünnen) Schicht zu bestimmen, die auf einem Substrat mit einer deutlich unterschiedlichen Kernladungszahl aufgebracht ist.
In der US 7,120,228 B2 ist ein kombiniertes Röntgen-Reflektometer und Röntgen-Diffraktometer beschrieben, bei dem Eigenschaften (z.B. Dichte, Dicke, Oberflächenrauheit, Qualität, ...) einer Oberflächenschicht einer Probe mit einer Kombination aus Reflektometrie („X-Ray Reflectometry“, XRR) unter streifendem Einfall und Diffraktometrie („X-Ray Diffractometry“, XRD) nahe beim Bragg-Winkel analysiert werden.
In der US 7,120,228 B2 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Schichteigenschaften (Dicke, Dichte, Zusammensetzung, Rauheit etc.) beschrieben, bei denen eine Kombination aus XRR (Röntgenreflektometrie unter streifendem Einfall) und XRD (Röntgenbeugung bei Bragg-Winkel) angewendet wird, wobei sich das Verfahren auch zur in-situ Messung eignet.
In der US 6,810,106 B2 ist eine Vorrichtung zur Schichtdickenmessung mittels Röntgenfluoreszenz unter Verwendung von zwei Röntgensensoren beschrieben, wobei der erste Röntgensensor eine hohe Energieauflösung und eine niedrige Empfindlichkeit und der zweite Röntgensensor eine niedrige Energieauflösung und eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Die DE 102 42 962 A1 beschreibt eine Einrichtung und ein Verfahren zur örtlichen Schichtdickenmessung an einer Probe und/oder zur örtlichen Veränderung der Dicke der Schicht mit einem Elektronenstrahl.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum zerstörungsfreien Bestimmen einer Ablösewahrscheinlichkeit einer Schicht von einem unter der Schicht befindlichen Material bereitzustellen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum zerstörungsfreien Bestimmen einer Ablösewahrscheinlichkeit einer Schicht, umfassend: a) Bestrahlen der Schicht zum Erzeugen von Röntgenstrahlung, b) Aufnehmen mindestens eines WDX- und/oder EDX-Spektrums der beim Bestrahlen der Schicht erzeugten Röntgenstrahlung, c) Ermitteln einer Konzentration von Fremdatomen im Bereich einer Grenzfläche zwischen der Schicht und dem unter der Schicht befindlichen Material anhand des mindestens einen aufgenommenen Spektrums, sowie d) Bestimmen der Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht anhand der ermittelten Konzentration von Fremdatomen.
Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren zum Bestimmen der Ablösewahrscheinlichkeit einer Schicht wird eine Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) durchgeführt. Bei einer Röntgenfluoreszenzanalyse wird die Schicht bestrahlt und dabei kernnahe Elektronen aus den inneren Schalen der Atome herausgeschlagen, wodurch Elektronen aus höheren Energieniveaus zurückfallen und Röntgenstrahlung bzw. Röntgenquanten erzeugen. Für die Bestrahlung der Schicht kann z.B. elektromagnetische Strahlung, insbesondere polychromatische Röntgenstrahlung, Gamma-Strahlung oder ein Elektronenstrahl verwendet werden. Für die Detektion der Röntgenstrahlung kann die so genannte energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und/oder die so genannte wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie (WDX) verwendet werden.
Beim EDX-Spektroskopieverfahren wird die Energie von Röntgenphotonen, die durch die Anregung des Materials der Schicht erzeugt werden, mit Hilfe eines Detektors, typischerweise eines Halbleiterdetektors, gemessen. Im EDX-Spektrum ist die Signalintensität bzw. der Signalpegel in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenphotonen bzw. der Röntgenquanten aufgetragen. Das EDX-Spektrum besteht daher aus für ein jeweiliges chemisches Element charakteristischen Peaks sowie aus einem breiten Untergrund (Rauschen), der durch Bremsstrahlung erzeugt wird. Die Bestimmung der Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht mit Hilfe der energiedispersiven Röntgenspektroskopie kann auch bei vergleichsweise dicken, amorphen und/oder nicht-transparenten Schichten verwendet werden, bei denen die meisten der weiter oben beschriebenen Verfahren nicht eingesetzt werden können.
Bei der wellenlängendispersiven Röntgenspektroskopie wird die detektierte Röntgenstrahlung in einem Detektor bzw. in einem Spektrometer durch Beugung in ihre spektralen Bestandteile zerlegt. Das WDX-Spektrometer wird typischerweise auf eine Wellenlänge eingestellt und die charakteristische Röntgenstrahlung eines chemischen Elements detektiert. Für die Aufnahme eines vollständigen Spektrums müssen nacheinander mehrere Wellenlängen abgefahren werden. Die WDX-Spektroskopie weist gegenüber der EDX-Spektroskopie den Vorteil einer höheren Auflösung auf, sodass auch chemische Elemente mit kleiner Ordnungszahl, z.B. Wasserstoff, nachgewiesen werden können. Es versteht sich, dass ggf. auch andere Röntgenspektroskopiemethoden, die eine quantitative chemische Strukturanalyse ermöglichen, bei dem weiter oben beschriebenen Verfahren eingesetzt werden können.
Das unter der Schicht befindliche Material grenzt an der Grenzfläche an diejenige Oberfläche der Schicht an, die der Oberfläche gegenüber liegt, an der die Bestrahlung z.B. mittels eines Elektronenstrahls erfolgt. Bei dem unter der Schicht befindlichen Material kann es sich beispielsweise um eine weitere Schicht oder um ein (Träger-)Substrat handeln, auf das die Schicht aufgebracht ist. Im Sinne dieser Anmeldung wird unter einer Schicht auch ein Schichtsystem verstanden, welches mehrere Schichten aufweist, beispielsweise eine Beschichtung, die alternierende Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex aufweist. Das hier beschriebene Verfahren kann grundsätzlich an einer Schicht aus einem beliebigen Material durchgeführt werden, z.B. an Al₂O₃, SiO₂, ... und auch das unter der Schicht befindliche Material ist grundsätzlich beliebig wählbar, z.B. MgF₂, SiO₂, ... In der Regel weist das Material der Schicht und das unter der Schicht befindliche Material nicht die gleiche Atomkomposition auf.
Bei der Bearbeitung des unter der Schicht befindlichen Materials und/oder bei der Bearbeitung der Schicht können Fremdatome in das Material der Schicht und/oder in das unter der Schicht befindliche Material bzw. in die Substratoberfläche eingearbeitet werden. Unter Fremdatomen werden chemische Elemente verstanden, die nicht mit den vorgegebenen chemischen Elementen des Materials der Schicht bzw. mit den vorgegebenen chemischen Elementen des unter der Schicht befindlichen Materials übereinstimmen. Bei den Fremdatomen kann es sich beispielsweise um Kontaminationen in Form von Resten eines Poliermittels handeln, vgl. die Artikel „Polishing-induced contamination of fused silica optics and laser induced damage density at 351 nm", J. Neauport et al., Optics Express 2005, Vol. 13, No. 25, 10153–10171 sowie „Subsurface defects of fused silica optics and laser induced damage at 351 nm", Liu Hongjie et al., Optics Express 2013, Vol. 21, No. 10, 12204–12217. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht die Qualitätssicherung in der gesamten Polierprozesskette.
Aufgrund der Bestrahlung mit hochenergetischer Strahlung, beispielsweise mit hochenergetischer Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von 351 nm beim Betrieb des optischen Elements in einer optischen Anordnung oder durch Wärmebehandlung können die Fremdatome in dem unter der Schicht befindlichen Material in Schwingungen versetzt werden. Sind die Schwingungen ausreichend groß, so können die eingelagerten Fremdatome in die nächsten freien Zwischengitterplätze oder in die Grenzschicht bzw. an die Grenzfläche zwischen der Schicht und dem unter der Schicht befindlichen Material diffundieren. Abhängig vom Material der Schicht können die Fremdatome nicht über die Grenzfläche hinaus in die Schicht eindringen, so dass diese sich als Zwischenschicht an der Grenzfläche anlagern.
Je mehr Fremdatome in das unter der Schicht befindliche Material eingearbeitet werden, desto größer ist typischerweise die Anzahl der Fremdatome im Bereich der Grenzfläche und damit der Druck auf die Schicht. Irgendwann kann der mechanische Druck der Fremdatome auf die Schicht so groß werden, dass die Schicht abplatzt und die Fremdatome entweichen. Die Konzentration der Fremdatome im Bereich der Grenzfläche stellt somit ein Maß für die Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht dar. Bei der Analyse der EDX- und/oder der WDX-Spektren kann die Konzentration der Fremdatome ermittelt und somit die Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht bestimmt werden.
Die Bestimmung der Ablösewahrscheinlichkeit kann an mehreren Orten der Oberfläche der Schicht erfolgen, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Auch die Bestimmung der Ablösewahrscheinlichkeit in einem vergleichsweise großen Bereich an der Oberfläche der Schicht ist vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich. Bei der Ermittlung der Konzentration der Fremdatome ist es zwar günstig, die Integrale der charakteristischen Röntgenspitzen in den jeweiligen WDX- und/oder EDX-Spektren zu bestimmen, dies ist aber ebenfalls nicht zwingend erforderlich.
Bei einer Variante des Verfahrens wird die Konzentration von Fremdatomen ermittelt, die in einem vorausgehenden Bearbeitungsschritt in die Schicht, an der Grenzfläche zwischen der Schicht und dem unter der Schicht befindlichen Material und/oder in das unter der Schicht befindliche Material eingearbeitet wurden. Die Fremdatome können anhand ihres chemischen „Fingerabdrucks“ in den WDX- bzw. EDX-Spektren identifiziert werden, wobei die Identifikation vereinfacht wird, wenn bereits bekannt ist, um welche chemischen Elemente es sich bei den Fremdatomen handelt. Die Auflösungsgrenze für die Atomkonzentrationen der Fremdatome kann hierbei beispielsweise in der Größenordnung von weniger als 1%, beispielsweise von ca. 0,1%, d.h. in der Größenordnung der Konzentration einer monoatomaren Lage liegen. Atomkonzentrationen von deutlich unter 1% liegen in der Nähe der Nachweisgrenze der EDX-Spektroskopie. Aufgrund der höheren spektralen Auflösung sind mit Hilfe der WDX-Spektroskopie typischerweise geringere Konzentrationen nachweisbar als mit der EDX-Spektroskopie.
Bei einer Weiterbildung umfasst der vorausgehende Bearbeitungsschritt ein Polieren des unter der Schicht befindlichen Materials unter Verwendung der Fremdatome. Die Fremdatome können beispielsweise in einem Poliermittel zur Glättung bzw. zur Politur der Oberfläche der Schicht und/oder des unter der Schicht befindlichen Materials enthalten sein, d.h. Bestandteile eines Poliermittels bilden.
Bei einer weiteren Variante wird das Bestimmen der Ablösewahrscheinlichkeit an einem Mitläufer-Element durchgeführt, das demselben vorausgehenden Bearbeitungsschritt wie ein optisches Element (oder wie ein anderes beschichtetes bzw. zu beschichtendes Bauteil) unterworfen wird, und zwar bevorzugt gemeinsam mit dem optischen Element (bzw. mit dem Bauteil). In diesem Fall wird das Mitläufer-Element, beispielsweise in Form eines Mitläufer-Plättchens, analysiert, um die Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht zu bestimmen lange bevor das optische Element selbst in einer optischen Anordnung verwendet wird.
Aufgrund von Reihenuntersuchungen kann empirisch festgelegt werden, ab welcher Konzentration von Fremdatomen Schäden an der Schicht zu erwarten sind. Gegebenenfalls kann vor der Bestimmung der Ablösewahrscheinlichkeit das Mitnehmer-Element mit Strahlung bestrahlt werden, deren Dosis der zu erwartenden Dosis über die Lebensdauer des optischen Elements entspricht, damit die Fremdatome sich an der Grenzfläche konzentrieren und dort ggf. eine Zwischenschicht ausbilden.
Die Fremdatome werden in das Mitläufer-Element in demselben Bearbeitungsschritt eingearbeitet wie in das optische Element. Bei dem Bearbeitungsschritt kann es sich beispielsweise um eine Politur des unter der Schicht befindlichen Materials bzw. Substrats handeln, bevor das Aufbringen der Schicht erfolgt. Die Politur wird an dem Mitläufer-Element und an dem optischen Element mit denselben Parametern vorgenommen. Auch eine ggf. erfolgende chemische Reinigung des Substrats sollte sowohl bei dem Mitläufer-Element als auch bei dem optischen Element erfolgen. Die parallele Durchführung des Bearbeitungsschritts für das Mitläufer-Element und das optische Element ist günstig, aber nicht zwingend erforderlich, sofern bei einer zeitlich aufeinander folgenden Durchführung die gleichen Parameter verwendet werden.
Bei einer Weiterbildung bildet das unter der Schicht befindliche Material ein Substrat des Mitläufer-Elements und das Substrat des Mitläufer-Elements und ein Substrat des optischen Elements werden in einem gemeinsamen Beschichtungsprozess beschichtet. Es ist günstig, aber nicht zwingend erforderlich, dass die Schicht auf das Substrat des Mitläufer-Elements und die Schicht auf das Substrat des optischen Elements mit demselben Beschichtungsprozess (ortsnah und zeitparallel) aufgebracht wird. Das Substrat des Mitläufer-Elements hat hierbei typischerweise den gleichen Reinigungs- und Polierprozess durchlaufen wie das zu beschichtende Substrat des optischen Elements.
Bei einer weiteren Variante wird zum Bestimmen der Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht die ermittelte Konzentration der Fremdatome mit einem Konzentrations-Schwellwert verglichen. Wie weiter oben beschrieben wurde, stellt die Konzentration der Fremdatome ein Maß für die Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht dar. Mit Hilfe der energiedispersiven und/oder wellenlängendispersiven Röntgenspektroskopie kann festgestellt werden, ob die Konzentration der Fremdatome einen kritischen Konzentrations-Schwellwert erreicht hat oder nicht. Liegt der ermittelte Wert der Konzentration unter einem empirisch ermittelten Konzentrations-Schwellwert, kann das beschichtete optische Element in die optische Anordnung eingebaut werden. Liegt die ermittelte Konzentration über dem Konzentrations-Schwellwert, ist es typischerweise erforderlich, die Schicht wieder abzulösen und erneut aufzubringen. Der Konzentrations-Schwellwert kann beispielsweise derart festgelegt werden, dass die eingelagerten Fremdatome bzw. deren Konzentration so festgelegt wird, dass diese weniger als eine monatomare Lage bilden.
Bei einer weiteren Variante wird zum Ermitteln der Konzentration der Fremdatome anhand des mindestens einen aufgenommenen Spektrums ein ZAF-Korrekturverfahren angewendet. Für die Ermittlung der Konzentration aus den EDX- bzw. WDX-Spektren werden vorgegebene, elementspezifische Impulshöhenfaktoren verwendet. Bei der so genannten ZAF-Korrektur werden die so erhaltenen Werte korrigiert, indem die Ordnungszahl Z, die Absorption A und die Röntgen-Fluoreszenz F der jeweiligen chemischen Elemente berücksichtigt werden. Es können auch andere Korrekturverfahren als die ZAF-Korrektur verwendet werden, um die quantitative Ermittlung der Konzentration der Fremdatome zu verbessern. Auch ist die Verwendung eines Korrekturverfahrens nicht zwingend erforderlich, aber typischerweise vorteilhaft, um die Genauigkeit bei der Ermittlung der Konzentration zu erhöhen.
Bei einer weiteren Variante wird die Schicht mit einem Elektronenstrahl in einem Rasterelektronenmikroskop bestrahlt und zum Variieren einer Eindringtiefe des Elektronenstrahls wird eine Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls insbesondere schrittweise verändert. Bei dieser Variante ist die Schicht, genauer gesagt eine Probe bzw. ein Mitläufer-Element/Plättchen mit der Schicht, in einem Rasterelektronenmikroskop angeordnet. Für die Variation der Eindringtiefe wird in diesem Fall typischerweise die Beschleunigungsspannung der Elektronen bzw. des Elektronenstrahls in variablen Schritten durchgefahren, beispielsweise über einen Energiebereich von ca. 5 keV bis ca. 30 keV, und bei jeder Beschleunigungsspannung wird ein EDX- bzw. WDX-Spektrum aufgenommen.
Die niedrigste Beschleunigungsspannung wird typischerweise derart gewählt, dass die Eindringtiefe des Elektronenstrahls geringfügig unterhalb der Dicke der Schicht liegt, so dass ggf. bereits Fremdatome detektiert werden können. Bei dünnen Schichten kann dies dazu führen, dass die niedrigste Beschleunigungsspannung unter den oben angegebenen Wert abgesenkt werden muss. Gegebenenfalls kann die Dicke der Schicht vorab bestimmt werden, um geeignete Eindringtiefen für die Ermittlung der Konzentration der Fremdatome in der Nähe der Grenzfläche zu wählen.
An der Grenzfläche zwischen der Schicht und dem darunter befindlichen Material (Substrat) verändert sich die Zusammensetzung des EDX- und/oder des WDX-Spektrums durch das Vorhandensein der Fremdatome bzw. es kommt zu einer Schwankung des Signalpegels.
Der Zusammenhang zwischen der Elektronenenergie EB bzw. der Beschleunigungsspannung UB des Elektronenstrahls und der Eindringtiefe kann durch vorab durchgeführte Experimente oder durch Monte-Carlo-Simulationen ermittelt werden. Für die Ermittlung des Zusammenhangs zwischen der Elektronenenergie und der Eindringtiefe kann auch die Bethe-Formel verwendet werden. Letztere ermöglicht es beispielsweise, für ein gewünschtes Intervall der Eindringtiefe einen minimalen Wert und einen maximalen Wert der Elektronenenergie EB bzw. der Beschleunigungsspannung UB zu bestimmen. Der Zusammenhang zwischen der Eindringtiefe und der Elektronenenergie bzw. der Beschleunigungsspannung kann beispielsweise in Form einer Tabelle oder dergleichen in einer Speichereinrichtung hinterlegt sein.
Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Beschleunigungsspannung von kleineren zu größeren Werten durchgefahren wird, vielmehr können sowohl große Werte der Beschleunigungsspannung, bei denen das unter der Schicht befindliche Material bereits detektiert wird, als auch kleine Werte der Beschleunigungsspannung, bei denen das unter der Schicht befindliche Material noch nicht detektiert wird, abwechselnd eingestellt werden, um die Konzentration der Fremdatome im Bereich der Grenzschicht zu ermitteln.
Typischerweise bildet das unter der Schicht befindliche Material ein Substrat, auf das die Schicht aufgebracht ist. Bei der Schicht kann es sich um eine Funktionsschicht handeln, beispielsweise um eine Antireflex-Schicht oder um eine reflektierende Schicht. Die Schicht ist bevorzugt auf einem Substrat einer Probe bzw. eines Mitläufer-Elements aufgebracht, das aus demselben Material wie das Substrat eines optischen Elements (oder ggf. eines anderen Bauteils) gebildet ist. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird die Schicht bevorzugt in demselben Beschichtungsprozess auf das Substrat des Mitläufer-Elements bzw. der Probe aufgebracht wie die Schicht, die auf das optische Element aufgebracht wird.
Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Schicht an Stelle eines Substrats auch auf eine weitere Schicht aus einem anderen Material aufgebracht sein. Auch in diesem Fall ist es typischerweise möglich, die Konzentration von Fremdatomen im Bereich der Grenzfläche zu ermitteln und somit die Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht von der darunter liegenden Schicht zu bestimmen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
1a eine schematische Darstellung eines Substrats nach einer Polierbearbeitung, bei der Fremdatome in Form von Bestandteilen eines Poliermittels in das Substrat eingearbeitet werden,
1b eine schematische Darstellung des Substrats von 1a, bei dem die ieingearbeiteten Fremdatome aufgrund der Bestrahlung mit hochenergetischer Strahlung zu einer Grenzfläche zwischen dem Substrat und einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht diffundieren,
1c eine schematische Darstellung analog zu 1b, bei dem die Fremdatome an der Grenzfläche eine Zwischenschicht ausbilden, sowie
1d eine schematische Darstellung analog zu 1c, bei der die Schicht aufgrund eines mechanischen Drucks der Fremdatome an der Grenzfläche vom Substrat abgelöst wird, und
2a–c schematische Darstellungen einer Schicht, die mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, sowie eines jeweiligen EDX-Spektrums von beim Bestrahlen der Schicht erzeugter Röntgenstrahlung mit wachsender Elektronenenergie E bzw. mit wachsender Beschleunigungsspannung UB.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Nachfolgend wird anhand von 1a–d die Ablösung einer Schicht 1 von einem Substrat 2 beschrieben, die durch die Einlagerung von Fremdatomen 3 in Form von Rückständen eines Poliermittels, beispielsweise in Form von Ceroxid, in den Bereich einer Grenzfläche 5 zwischen der Schicht 1 und dem Substrat 2 hervorgerufen wird.
1a zeigt stark schematisch das Atomgitter des Substrats 2, welches mit dem Poliermittel behandelt wurde, um das Substrat 2 an seiner Oberfläche zu glätten bzw. zu polieren. Ein Teil des beim Polieren verwendeten Poliermittels 3 bildet Fremdatome, die in Zwischengitterplätze des Atomgitters des Substrats 2 eingearbeitet werden, wie dies in 1b zu erkennen ist. Nach dem Polieren und einer sich anschließenden chemischen Reinigung der Oberfläche wird das Substrat 2 mit einer in 1b dargestellten Schicht 1 beschichtet.
Wie in 1b ebenfalls zu erkennen ist, werden durch elektromagnetische Strahlung 4, im gezeigten Beispiel Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich, beispielsweise bei 351 nm, die Fremdatome 3 in Schwingung versetzt und diffundieren in den Bereich der Grenzfläche 5 zwischen dem Substrat 2 und der Schicht 1 ein. Bei einem unbeschichteten Substrat 2 würden die Fremdatome 3 in die Umgebung entweichen. Im gezeigten Beispiel können die Fremdatome 3 jedoch nicht in das Material der Schicht 1 eindringen und sammeln sich im Bereich der Grenzfläche 5, wo sie eine Zwischenschicht ausbilden, wie dies in 1c angedeutet ist. Hat sich aufgrund der Bestrahlung mit der elektromagnetischen Strahlung 4 eine zu große Anzahl von Fremdatomen 3 im Bereich der Grenzfläche 5 angesammelt, wird der mechanische Druck so groß, dass es zu einer in 1d dargestellten lokalen Ablösung der Schicht 1 kommt und die Fremdatome 3 in die Umgebung entweichen (vgl. 1d).
Die Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht 1 oder von Teilen der Schicht 1 durch die in den Bereich der Grenzfläche 5 eingelagerten Fremdatome 3 nimmt mit zunehmender Konzentration der Fremdatome 3 im Bereich der Grenzfläche 5 zu. Die Konzentration der eingelagerten Fremdatome 3 im Bereich der Grenzfläche 5 stellt daher ein Maß für die Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht 1 dar.
Nachfolgend wird anhand von 2a–c ein Verfahren beschrieben, das es ermöglicht, die Konzentration der Fremdatome bzw. der eingelagerten Fremdatome 3 im Bereich der Grenzfläche 5 zu bestimmen. Obwohl das weiter unten beschriebene Verfahren zum Bestimmen der Konzentration der Fremdatome 3 eine zerstörungsfreie Analyse ermöglicht, hat es sich insbesondere für den Fall, dass es sich bei dem Substrat 2, auf das die Schicht 1 bzw. die Beschichtung aufgebracht ist, um ein optisches Element, beispielsweise um eine Linse, handelt, als günstig erwiesen, das Verfahren nicht an dem optischen Element selbst sondern an einer Probe in Form eines so genannten Mitläufer-Elements, z.B. in Form eines Mitläufer-Plättchens, durchzuführen, dessen Substrat 2 denselben Bearbeitungsschritt der Polierbearbeitung durchläuft wie das Substrat des optischen Elements selbst.
Idealer Weise werden das optische Element und das Mitläufer-Element gemeinsam, d.h. (annähernd) gleichzeitig, einer Polierbearbeitung unterzogen. Es hat sich auch als günstig erwiesen, wenn das Mitläufer-Element gemeinsam mit dem optischen Element weiteren Prozessschritten unterworfen wird, beispielsweise einer chemischen Reinigung der Oberfläche des Substrats 2 vor dem Aufbringen der Schicht 1. Idealer Weise werden das Mitläufer-Element und das optische Element in einem gemeinsamen Beschichtungsprozess (d.h. in derselben Kammer und (annähernd) gleichzeitig) mit der jeweiligen Schicht 1 (mit typischerweise identischer Dicke) beschichtet, damit das Mitläufer-Element idealer Weise dieselbe Anzahl an eingelagerten Fremdatomen aufweist wie das optische Element selbst.
2a–c zeigen jeweils eine Probe in Form eines so genannten Mitläufer-Elements, bei dem die Schicht 1 von 1b–d aus einem ersten Material Mat1, im gezeigten Beispiel MgF₂, auf das Substrat 2 aus einem zweiten Material Mat2, im gezeigten Beispiel SiO₂, aufgebracht ist. Die Schicht 1 aus MgF₂ kann als Entspiegelungsschicht auf dem Substrat 2 aus SiO₂ dienen. Es versteht sich, dass an Stelle einer einzelnen Schicht 1 auch eine Mehrlagen-Beschichtung mit alternierenden Schichten aus unterschiedlichen Materialien als Entspiegelungs-Beschichtung verwendet werden kann. Die Schicht 1 bzw. die Beschichtung kann auch als hochreflektierende Beschichtung ausgebildet sein oder eine andere Funktion erfüllen. Beispielsweise kann es sich bei der Schicht 1 um eine Hartschicht zur Erhöhung der chemischen Resistenz des Substrats 2 handeln.
Im gezeigten Beispiel ist die Probe in Form des Mitläufer-Elements in einem nicht bildlich dargestellten Rasterelektronenmikroskop angeordnet. Das Rasterelektronenmikroskop erzeugt einen Elektronenstrahl 6, der in einem Anregungsbereich 7 („Anregungsbirne“) innerhalb der Schicht 1 mit dem MgF₂-Material der Schicht 1 wechselwirkt.
Der Elektronenstrahl 6 weist bei den in 2a–c gezeigten Beispielen drei unterschiedliche Elektronenenergien auf, die jeweils durch eine unterschiedliche Beschleunigungsspannung U_B1, U_B2, U_B3 bei der Erzeugung des Elektronenstrahls 6 in dem Rasterelektronenmikroskop zu Stande kommen. Aufgrund der unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen U_B1, U_B2, U_B3 erstreckt sich der Anregungsbereich 7 unterschiedlich weit in die Schicht 1 hinein, d.h. der Elektronenstrahl 6 weist eine jeweils unterschiedliche Eindringtiefe T₁, T₂, T₃ auf. Bei dem in 2a gezeigten Beispiel ist die Eindringtiefe T₁ kleiner als die Dicke D der Schicht 1, bei dem in 2c gezeigten Beispiel ist die Eindringtiefe T₃ größer als die Dicke D der Schicht, während bei dem in 2b gezeigten Beispiel die Eindringtiefe T₂ genau der Dicke D der Schicht 1, d.h. dem Abstand zwischen der Oberseite 1a der Schicht 1 und der Grenzfläche 5 zu dem Substrat 2 entspricht.
Zur Bestimmung der Konzentration der im Bereich der Grenzfläche 5 eingelagerten Fremdatome 3 wird bei dem in 2a–c gezeigten Beispiel bei einer jeweiligen Beschleunigungsspannung U_B1, U_B2, U_B3 jeweils ein EDX-Spektrum 8a–c von beim Bestrahlen der Schicht 1 erzeugter Röntgenstrahlung 9 in einem nicht bildlich dargestellten Detektor aufgenommen. Bei dem in 2a gezeigten EDX-Spektrum 8a, bei dem der Signalpegel (Count C) in Abhängigkeit von der Energie E aufgetragen ist, sind zwei Peaks erkennbar, die den jeweiligen chemischen Elementen Mg bzw. F₂ zugeordnet sind. Bei dem in 2b gezeigten Beispiel, bei dem die Eindringtiefe T₂ genau der Dicke D der Schicht 1 entspricht, sind im EDX-Spektrum 8b ebenfalls die Peaks von Mg bzw. von F₂ (mit größerem Signalpegel) sowie ein (gestrichelter) Peak von Fremdatomen 3, in Form von CrF₂, genauer gesagt des Cr-Bestandteils von CrF-, zu erkennen, die bei der in 1a Polierbehandlung in das Substrat 2 eingearbeitet wurden. In 2c, in welcher die Eindringtiefe T₃ größer ist als die Dicke D der Schicht 1, sind zusätzlich auch zwei Peaks der Elemente Si und O₂ des SiO₂-Materials des Substrats 2 zu erkennen.
Insbesondere anhand des zweiten EDX-Spektrums 8b bei der Eindringtiefe T₂, die der Dicke D der Schicht 1 entspricht, kann die Konzentration der Fremdatome 3 an der Grenzfläche 5 ermittelt werden. Es ist aber auch möglich, die Konzentration der Fremdatome 3 an der Grenzfläche 5 anhand des dritten EDX-Spektrums 8c zu ermitteln bzw. abzuschätzen, das bei einer größeren Eindringtiefe T₃ bestimmt wurde. Gleiches ist ggf. auch bei dem bei der ersten Eindringtiefe T₁ aufgenommenen EDX-Spektrum 8a möglich, sofern die Fremdatome 3 zumindest teilweise in die Schicht 1 eindiffundiert sind. Falls die Dicke D der Schicht 1 nicht genau bekannt ist, kann die Eindringtiefe typischerweise schrittweise erhöht werden, bis in dem jeweiligen EDX-Spektrum 8a–c die Fremdatome 3 und/oder das Material des Substrats 2 detektiert werden.
Diejenige Eindringtiefe T₂, bei welcher zum ersten Mal das Material des Substrats 2 detektiert wird, kann typischerweise mit der Dicke D der Schicht 1 identifiziert werden. Hierbei wird in dem jeweiligen EDX-Spektrum 8a–c das Material des Substrats 2 erkannt, wenn zumindest der Signalpegel eines der Elemente Si, O₂ des Substrats 2 einen Rauschpegel des Schrotrauschens in dem EDX-Spektrum 8a–c überschreitet. Der Zusammenhang zwischen der Eindringtiefe T₁, T₂, T₃ und der Beschleunigungsspannung U_B1, U_B2, U_B3 ist typischerweise aufgrund von vorher durchgeführten Experimenten, von Monte-Carlo-Simulationen oder aufgrund der Bethe-Formel bekannt, so dass die Dicke D und somit der Abstand zwischen der Grenzfläche 5 und der Oberseite 1a der Schicht 1 anhand des Werts für die Beschleunigungsspannung U_B1, U_B2, U_B3 bestimmt werden kann.
Für die Bestimmung der Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht 1 kann die Konzentration der Fremdatome 3 anhand eines einzigen Spektrums 8b, 8c ermittelt werden. Für die Verbesserung der Ermittlung der Konzentration aus dem jeweiligen Spektrum 8b, 8c kann ein an sich bekanntes Korrekturverfahren durchgeführt werden, beispielsweise das so genannte ZAF-Korrekturverfahren.
Die Konzentration der Fremdatome 3 kann auch bei mehreren verschiedenen Beschleunigungsspannungen U_B2, U_B3, ..., entsprechend mehreren Eindringtiefen T₂, T₃, ..., ermittelt werden. Für die Bestimmung der Ablösewahrscheinlichkeit kann eine (ggf. gewichtete) Mittelwertbildung aus den bei unterschiedlichen Eindringtiefen T₂, T₃, ... ermittelten Konzentrationen der Fremdatome 3 erfolgen. Insbesondere kann beim Bestimmen der Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht 1 die ermittelte (ggf. über mehrere Eindringtiefen T₂, T₃, ... gemittelte) Konzentration der Fremdatome 3 mit einem Konzentrations-Schwellwert verglichen werden. Liegt die ermittelte Konzentration über dem Konzentrations-Schwellwert, ist es typischerweise erforderlich, die Schicht 1 von dem optischen Element oder einem anderen Bauteil, bei dem die Ablösewahrscheinlichkeit bestimmt wird, wieder abzulösen und erneut aufzubringen. Liegt der ermittelte Wert der Konzentration unter dem typischerweise empirisch ermittelten Konzentrations-Schwellwert, kann das beschichtete optische Element in die optische Anordnung eingebaut werden. Der Konzentrations-Schwellwert kann beispielsweise so festgelegt werden, dass die eingelagerten Fremdatome 3 weniger als eine monatomare Lage im Bereich der Grenzfläche 5 bilden.
Es versteht sich, dass das weiter oben beschriebene Verfahren zur Bestimmung der Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht 1 nicht auf die hier beschriebenen Materialien der Schicht 1 bzw. des Substrats 2 beschränkt ist, sondern vielmehr auch bei anderen Materialien oder Materialkombinationen angewendet werden kann. Auch kann das weiter oben beschriebene Verfahren nicht nur anhand von bei der Bestrahlung der Schicht 1 aufgenommenen EDX-Spektren, sondern auch anhand von bei der Bestrahlung der Schicht 1 aufgenommenen WDX-Spektren oder ggf. bei mit Hilfe von anderen röntgenspektroskopischen Methoden aufgenommenen Spektren durchgeführt werden.
Durch das weiter oben beschriebene Verfahren wird die Vorhersage einer Schichtablösung bereits während des Produktionsprozesses eines optischen Elements oder eines anderen beschichteten Bauteils ermöglicht. Durch das hier beschriebene Verfahren kann somit die gleichbleibende Qualität von Schichten wesentlich besser evaluiert und überwacht werden als dies mit herkömmlichen Verfahren möglich ist. Für den Fall, dass die im Bereich der Grenzfläche 5 eingelagerten Fremdatome 3 die auftreffende elektromagnetische Strahlung 4, genauer gesagt die Reflektivität oder die Transmission des optischen Elements, beispielsweise eines Spiegels oder einer Linse, für die auftreffende Strahlung 4 beeinflussen, stellt die auf die weiter oben beschriebene Weise ermittelte Konzentration der Fremdatome 3 ein Maß für eine solche Beeinflussung dar.
Mit dem weiter oben beschriebenen Verfahren kann auch eine maximale Dauer für den in 1a gezeigten Bearbeitungsschritt der Politur festgelegt werden, da die Anzahl der eingelagerten Fremdatome in der Regel mit zunehmender Bearbeitungsdauer zunimmt. Durch die Festlegung einer maximalen Dauer können ggf. optische Eigenschaften des optischen Elements verbessert und Wellenfrontfehler und/oder Streulichtbildung verringert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1962359 A1 [0003]
DE 3926184 A1 [0004]
US 5486701 [0005]
DE 10021379 A1 [0006]
DE 4408057 A1 [0007]
EP 1192416 B1 [0008]
US 7120228 B2 [0009, 0010]
US 6810106 B2 [0011]
DE 10242962 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel „Polishing-induced contamination of fused silica optics and laser induced damage density at 351 nm“, J. Neauport et al., Optics Express 2005, Vol. 13, No. 25, 10153–10171 [0019]
„Subsurface defects of fused silica optics and laser induced damage at 351 nm“, Liu Hongjie et al., Optics Express 2013, Vol. 21, No. 10, 12204–12217 [0019]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Ablösewahrscheinlichkeit einer Schicht (1) von einem unter der Schicht (1) befindlichen Material (Mat2), umfassend: a) Bestrahlen der Schicht (1) zum Erzeugen von Röntgenstrahlung (9), b) Aufnehmen mindestens eines WDX- und/oder EDX-Spektrums (8a–c) der beim Bestrahlen der Schicht (1) erzeugten Röntgenstrahlung (9), c) Ermitteln einer Konzentration von Fremdatomen (3) im Bereich einer Grenzfläche (5) zwischen der Schicht (1) und dem unter der Schicht (1) befindlichen Material (Mat2) anhand des mindestens einen aufgenommenen Spektrums (8b, 8c), sowie d) Bestimmen der Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht (1) anhand der ermittelten Konzentration von Fremdatomen (3).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Konzentration von Fremdatomen (3) ermittelt wird, die in einem vorausgehenden Bearbeitungsschritt in die Schicht (1), an der Grenzfläche (5) zwischen der Schicht (1) und dem unter der Schicht (1) befindlichen Material (Mat2) und/oder in das unter der Schicht (1) befindliche Material (Mat2) eingearbeitet wurden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der vorausgehende Bearbeitungsschritt eine Polieren des unter der Schicht (1) befindlichen Materials (Mat2) unter Verwendung der Fremdatome (3) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Fremdatome (3) Bestandteile eines Poliermittels bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Bestimmen der Ablösewahrscheinlichkeit an einem Mitläufer-Element durchgeführt wird, das demselben vorausgehenden Bearbeitungsschritt wie ein optisches Element unterworfen wird, und zwar bevorzugt gemeinsam mit dem optischen Element.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das unter der Schicht (1) befindliche Material ein Substrat (2) des Mitläufer-Elements bildet und bei dem das Substrat des Mitläufer-Elements und ein Substrat des optischen Elements in einem gemeinsamen Beschichtungsprozess beschichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Bestimmen der Ablösewahrscheinlichkeit der Schicht (1) die ermittelte Konzentration der Fremdatome (3) mit einem Konzentrations-Schwellwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Ermitteln der Konzentration der Fremdatome (3) anhand des mindestens einen aufgenommenen Spektrums (8b, 8c) ein ZAF-Korrekturverfahren angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (1) mit einem Elektronenstrahl (6) in einem Rasterelektronenmikroskop bestrahlt wird, und bei dem zum Variieren einer Eindringtiefe (T₁, T₂, T₃) des Elektronenstrahls (6) eine Beschleunigungsspannung (U_B1, U_B2, U_B3) des Elektronenstrahls (6) insbesondere schrittweise verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das unter der Schicht (1) befindliche Material (Mat2) ein Substrat (2) bildet, auf das die Schicht (1) aufgebracht ist.