DE102019114167A1

DE102019114167A1 - Optische Messvorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE102019114167A1
Application number: DE102019114167.2A
Authority: DE
Inventors: Philipp Nimtsch; Simon Mieth
Original assignee: Precitec Optronik GmbH
Current assignee: Precitec Optronik GmbH
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2020-12-03
Also published as: CN111998782A; US10571249B1; CN111998782B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Messung einer Dicke einer intransparenten Schicht auf einem Substrat, umfassend ein erstes Mittel zur optischen Distanzmessung (1), eingerichtet zur Messung eines ersten Abstands (a1) zwischen einer ersten Referenzebene und einer ersten Oberfläche der intransparenten Schicht (s1) und ein zweites Mittel zur optischen Distanzmessung (2), eingerichtet zur Messung eines zweiten Abstands (a2) zwischen einer zweiten Referenzebene und einer zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht (s2),dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel zur optischen Distanzmessung (2) ebenfalls dazu eingerichtet ist, einen dritten Abstand (a3) zwischen der zweiten Referenzebene (E2) und einer Oberfläche (s3) des Substrats zu messen und dass die Dicke der intransparenten Schicht aus dem ersten Abstand (a1) und dem zweiten Abstand (a2) berechnet wird, wobei die Messung des dritten Abstands (a3) dazu verwendet wird, den Einfluss der optischen Wirkung des Substrats auf die Abstandsmessung des zweiten Abstands (a2) einzuberechnen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur optischen Messung einer Dicke einer intransparenten Schicht auf einem Substrat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Messung einer Dicke einer intransparenten Schicht auf einem Substrat.
Als Stand der Technik ist für intransparente Schichten eine Dickenmessung mittels beidseitiger Abstandsmessung bekannt, beispielsweise mit einem chromatisch-konfokalen oder einem interferometrischen Messverfahren. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der WO 2012/139571A1 bekannt. Bei der beidseitigen Messung wird mittels zweier Messköpfe jeweils ein Abstandswert einer Oberfläche der Schicht in Bezug auf eine Referenzeben ermittelt und aus den beiden Abstandswerten die Dicke der Schicht berechnet.
Wenn die intransparente Schicht auf einem Substrat aufliegt, so beeinflussen die Brechungseigenschaften des Substrats den Messwert der durch das Substrat durchgeführten Abstandsmessung. Dies kann zu einer Verfälschung der Dickenmessung führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine optische Schichtdickenmessung einer intransparenten Schicht, die auf einem transparenten Substrat aufliegt, mit hinreichender Genauigkeit zu ermöglichen.
Unter einer intransparenten Schicht wird dabei eine Materialschicht verstanden, welche es nicht ermöglicht, mit der zur optischen Messung eingesetzten Strahlung (vorzugsweise Licht im sichtbaren oder infraroten Spektrum) einen (Abstands-)Messwert von der der Einfallsrichtung der Strahlung abgewandten Grenzfläche zu erhalten. Die Messung der abgewandten Grenzfläche kann dabei wegen unzureichender Transmission der Strahlung nicht möglich sein, oder es tritt beispielsweise im Material Diffusion auf, welche die Messung verfälscht. Das transparente Substrat ist entsprechend als für die eingesetzte Strahlung weitgehend transparentes Material zu verstehen.
Hinsichtlich der Messvorrichtung wird die vorstehend genannte Aufgabe durch ein erstes Mittel zur optischen Distanzmessung gelöst, das zur Messung eines ersten Abstands zwischen einer ersten Referenzebene und einer ersten Oberfläche der intransparenten Schicht eingerichtet ist. Zusätzlich umfasst die Messvorrichtung ein zweites Mittel zur Distanzmessung, das zur Messung eines zweiten Abstands zwischen einer zweiten Referenzebene und einer zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht eingerichtet ist.
Erfindungsgemäß ist das zweite Mittel zur optischen Distanzmessung ebenfalls dazu eingerichtet, einen dritten Abstand zwischen der zweiten Referenzebene und einer Oberfläche des Substrats zu messen. Die Messvorrichtung ist dazu eingerichtet, die Dicke der intransparenten Schicht aus dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand unter Berücksichtigung des (bekannten) Abstands zwischen den Referenzebenen zu berechnen, wobei die Messung des dritten Abstands dazu verwendet wird, um die optische Wirkung des Substrats auf die Abstandsmessung des zweiten Abstands einzuberechnen.
Die optische Wirkung des Substrats rührt daher, dass das Substrat eine Brechzahl n>1 aufweist. Die Propagation des Lichts im Substrat unterscheidet sich somit von der Propagation in Luft bzw. Vakuum. Die veränderten Eigenschaften des Lichts im Medium (Änderung der Strahlwinkel, Diskrepanz zwischen optischer und geometrischer Weglänge, veränderte Lichtgeschwindigkeit) wirken sich bei der optischen Distanzmessung auf das Messergebnis aus und müssen berücksichtigt werden, um eine Verfälschung des Messergebnisses zu bereinigen.
Deshalb muss, wenn die intransparente Schicht auf einem Substrat aufliegt, die Dicke des Substrats genau bekannt sein bzw. herauskalibriert werden. Bei unbekannter Dicke des Substrats oder einer Variation der Dicke des Substrats entsteht daher Ungenauigkeit bei der Schichtdickenmessung der intransparenten Schicht.
Insbesondere ist dies der Fall, wenn die Variation der Dicke des Substrats gegenüber einem Sollwert bzw. Mittelwert größer ist als die gewünschte Genauigkeit bei Bestimmung der Dicke der intransparenten Schicht. Beispielsweise führt eine Änderung der Dicke des Substrats um 50µm bei einer Brechzahl von n= 1,5 zu einer Änderung der optischen Weglänge eines Lichtstrahls auf einem Pfad von einer Seite des Substrats zur gegenüberliegenden Seite des Substrats um 25 µm.
Wenn die Abstandsmessung zwischen einer Referenzebene und einer Oberfläche der intransparenten Schicht beispielsweise mit Hilfe einer interferometrischen Abstandsmessung durchgeführt wird und das Messlicht dabei vor und nach der Reflexion an der Oberfläche der intransparenten Schicht durch das Substrat transmittiert wird, führt die Änderung der optischen Weglänge von 25µm zu einer scheinbaren Abstandsänderung, ohne dass sich der tatsächliche Abstand ändert.
Wenn dieser Effekt nicht korrigiert wird, führt die Dickenänderung des Substrats somit insgesamt zu einer scheinbaren Änderung der Dicke der intransparenten Schicht von 25µm. Diese Ungenauigkeit ist für die Messung unzureichend, wenn beispielweise eine Genauigkeit von 10µm bei der Bestimmung der Dicke der intransparenten Schicht erforderlich ist.
Die Merkmale der Erfindung haben den Vorteil, dass die Dicke des Substrats bestimmt werden kann, so dass die von den optischen Eigenschaften des Substrats herrührende Ungenauigkeit deutlich reduziert wird. Es ist mit den Merkmalen der Erfindung sogar möglich, die Dicke des Substrats genau an der Stelle der Dickenmessung der intransparenten Schicht zu bestimmen, so dass auch Variationen der Dicke des Substrats berücksichtigt werden.
Bevorzugt basiert das erste optische Mittel zur Distanzmessung auf dem chromatisch-konfokalen Messprinzip. Bei der chromatisch-konfokalen Abstandsmessung wird ein Messkopf verwendet, der eine chromatisch unkorrigierte Optik enthält, die das Messlicht auf die Oberfläche des Messobjekts fokussiert. Infolge der chromatischen Längsaberration der Optik werden die spektralen Anteile des Lichts in unterschiedlichen Brennebenen fokussiert. Eine konfokale Blende gewährleistet, dass nur derjenige spektrale Anteil des Messlichts, dessen Brennebene sich exakt auf der Oberfläche befindet, zu einem Spektrographen gelangt und dort spektral analysiert werden kann. Durch Analyse des spektralen Signals nach an sich bekannten Verfahren kann der erste Abstand zwischen der ersten Referenzebene und der ersten Oberfläche der intransparenten Schicht ermittelt werden. Die Verwendung des chromatisch-konfokalen Messprinzips hat den Vorteil, dass der erste Abstand mit hinreichend guter Genauigkeit bestimmt werden kann, dass sie ein robustes Verfahren bereitstellt und dass sie beispielsweise gegenüber der interferometrischen Abstandsmessung eine kostengünstigere Lösung darstellt.
Bevorzugt emittiert die erste Lichtquelle, die Messlicht für das erste optische Mittel zur Distanzmessung bereitstellt, dabei ein kontinuierliches Spektrum. Besonders bevorzugt ist das emittierte Spektrum im Bereich des sichtbaren Lichts oder im Infra rotbereich.
Bevorzugt basiert das zweite optische Mittel zur Distanzmessung auf dem interferometrischen Messverfahren. Bei der Abstandsmessung mit dem interferometrischen Messverfahren interferiert Messlicht, das von einem Messobjekt reflektiert wird, mit Messlicht, das in einem Referenzarm von mindestens einem ersten Referenzspiegel reflektiert wurde. Durch die Interferenz wird das reflektierte Messlicht spektral moduliert, wobei der gesuchte Abstandswert aus der Modulationsfrequenz ableitbar ist. Die Lage des ersten Referenzspiegels definiert dabei vorteilhafterweise eine Referenzebene, auf die sich die Abstandsmessung bezieht. Die Verwendung eines interferometrischen Messverfahrens für das zweite optische Mittel zur Distanzmessung hat den Vorteil, dass die Messung an der Grenzfläche zwischen Substrat und intransparenter Schicht durch die Eigenschaften der intransparenten Schicht (bspw. Streuung, Farbe) weniger verfälscht wird als bei einer chromatisch-konfokalen Messung.
Bevorzugt emittiert die zweite Lichtquelle, die Messlicht für das zweite optische Mittel zur Distanzmessung bereitstellt, dabei ein kontinuierliches Spektrum. Besonders bevorzugt ist das emittierte Spektrum im Bereich des sichtbaren Lichts oder im Infrarotbereich. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Referenzarm lediglich einen ersten Referenzspiegel. Für die Messung des dritten Abstands wird dann das Modulationssignal aus der Interferenz von Licht, das von der dem zweiten optischen Mittel zur Distanzmessung zugewandten Oberfläche des Substrats reflektiert wurde und Licht, das vom ersten Referenzspiegel reflektiert wurde, ausgewertet. Für die Messung des zweiten Abstands wird dann das Modulationssignal aus der Interferenz von Licht, das von der zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht (Grenzfläche zwischen intransparenter Schicht und Substrat) reflektiert wurde und Licht, das vom ersten Referenzspiegel reflektiert wurde, ausgewertet. Vorteilhafterweise werden dabei der Brechungsindex des Substrats und die Dicke des Substrats berücksichtigt, wie weiter unten erläutert. Optional wird eine direkte Messung der Substratdicke durchgeführt, indem ein Modulationssignal aus der Interferenz von Licht, welches von der dem zweiten optischen Mittel zur Distanzmessung zugewandten Oberfläche des Substrats reflektiert wurde und Licht, das von der zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht reflektiert wurde, ausgewertet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Licht im Referenzarm aufgespalten, so dass ein erster Teil des Lichts auf einen ersten Referenzspiegel und ein zweiter Teil des Lichts auf einen zweiten Referenzspiegel geleitet wird, wobei sich die optischen Weglängen des vom ersten Referenzspiegel und des vom zweiten Referenzspiegel reflektierten Lichts unterscheiden.
Die Verwendung von zwei Referenzspiegeln ist besonders dann sinnvoll, wenn der Messbereich der interferometrischen Abstandsmessung so klein ist, dass die optische Weglängendifferenz zwischen dem von der zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht reflektierten Licht und dem vom ersten Referenzspiegel reflektierten Licht größer ist als die maximal messbare optische Weglängendifferenz.
Mit dieser Anordnung mit zwei Referenzspiegeln ist es möglich, den zweiten und dritten Abstand gleichzeitig mit besserer Präzision zu bestimmen. Üblicherweise ist die Präzision besser, je kleiner der Messbereich ist (Messfehler annähernd proportional zur maximal messbaren optischen Weglängendifferenz). Ist die intransparente Schicht beispielsweise ein bis zwei Größenordnungen dünner als das Substrat, so kann es sein, dass ein Mittel zur optischen Distanzmessung, dessen Messbereich das gesamte Substrat umfasst, einen Messfehler aufweist, welcher von der gleichen Größenordnung ist wie die intransparente Schicht. In diesem Fall ist es vorteilhaft, ein zweites Mittel zur optischen Distanzmessung einzusetzen, welches wie beschrieben einen kleineren Messbereich hat und zwei Referenzspiegel umfasst.
Für die Aufspaltung des Lichts im Referenzarm gibt es mehrere vorteilhafte Möglichkeiten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Licht über einen Strahlteiler (bspw. Strahlteilerwürfel) geleitet, welcher je einen Teil des Lichtes in verschiedene Richtungen auf den ersten bzw. zweiten Spiegel leitet. In einer alternativen besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erste Referenzspiegel teilweise durchlässig, wodurch ein erster Teil des Lichtes direkt vom ersten Referenzspiegel reflektiert wird und ein zweiter Teil des Lichtes durch den ersten Referenzspiegel hindurch auf den zweiten Referenzspiegel fällt und von diesem reflektiert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Referenzarm eine Glasscheibe, wobei ein erster Teil des Lichts an einer ersten Oberfläche der Glasscheibe reflektiert wird und ein zweiter Teil des Lichts durch die Glasscheibe transmittiert und von einer zweiten Oberfläche der Glasscheibe reflektiert wird. Die erste und zweite Oberfläche der Glasscheibe wirken somit als erster und zweiter Referenzspiegel. Die optische Weglängendifferenz zwischen dem von der ersten Oberfläche reflektierten Licht und dem von der zweiten Oberfläche reflektierten Licht ist dabei durch die Dicke der Glasscheibe, d.h. den Abstand zwischen der ersten und zweiten Oberfläche der Glasscheibe, sowie durch die Brechzahl des Glases festgelegt.
Vorteilhafterweise lassen sich die Reflexion, d.h. der Anteil des an der ersten und zweiten Oberfläche reflektierten Lichts, durch Beschichtungen einer der Oberflächen bzw. beider Oberflächen jeweils verändern. Durch spiegelnde Schichten lässt sich die Reflexion beispielsweise erhöhen (gegenüber einer unbeschichteten Oberfläche), während sich durch Antireflex-Beschichtungen die Reflexion senken lässt. Insbesondere lassen sich die Intensitäten des von der ersten Oberfläche Lichts und des von der zweiten Oberfläche reflektierten Lichts so anpassen, dass sich die für die Messung optimalen Verhältnisse ergeben. Das kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn sich die Intensitäten des von der zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht und des von der Oberfläche des Substrats reflektierten Lichts unterscheiden.
Besonders bevorzugt werden die Reflexion des ersten Referenzspiegels (insb. erste Oberfläche der Glasscheibe) und des zweiten Referenzspiegels (insb. zweite Oberfläche der Glasscheibe) durch Beschichtung so eingestellt, dass die Stärken der Interferenzsignale sich unterscheiden, was vorteilhaft zur Zuordnung der Referenzsignale genutzt werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besitzt die Glasscheibe eine ähnliche Dicke und ähnliche Dispersionseigenschaften wie das Substrat. In diesem Fall ist die optische Weglängendifferenz zwischen von der ersten Oberfläche der Glasscheibe reflektiertem Licht und von der zweiten Oberfläche der Glasscheibe reflektiertem Licht ähnlich zur optischen Weglängendifferenz zwischen von der zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht reflektiertem Licht und von der Oberfläche des Substrats reflektiertem Licht. Vorteilhafterweise ist die Dicke der Glasscheibe von der gleichen Größenordnung wie die Dicke eines typischen zu messenden Substrats, insbesondere ist die Dicke der Glasscheibe zwischen 0,5 mal und 2 mal so dick wie ein durchschnittliches zu vermessendes Substrat.
Eine eventuelle Abhängigkeit der optischen Weglänge des Lichts bei der Transmission durch das Substrat, die zu Messungenauigkeiten führen kann, wird dabei durch eine ähnliche Abhängigkeit der optischen Weglänge des Lichts bei der Transmission durch die Glasscheibe im Referenzarm weitestgehend ausgeglichen.
Für die Messung des dritten Abstandswerts wird dabei das Modulationssignal aus der Interferenz von Licht, das von der Oberfläche des Substrats reflektiert wurde und Licht, das vom ersten Referenzspiegel reflektiert wurde, ausgewertet. In gleicher Weise wird für die Messung des zweiten Abstandswerts das Modulationssignal aus der Interferenz von Licht, das von der zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht (Grenzfläche zwischen intransparenter Schicht und Substrat) reflektiert wurde, und Licht, das vom zweiten Referenzspiegel reflektiert wurde, ausgewertet. Vorteilhafterweise wird dabei der Brechungsindex des Substrats und die Dicke des Substrats berücksichtigt, wie weiter unten erläutert.
Für eine genaue Bestimmung der Dicke der intransparenten Schicht muss neben den Abständen zwischen der ersten Referenzebene und der ersten Oberfläche der intransparenten Schicht sowie zwischen der zweiten Referenzebene und der zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht auch der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Referenzebene genau bekannt sein.
Vorteilhafterweise wird ein Mittel zur Kalibrierung des Abstands zwischen der ersten und der zweiten Referenzebene eingesetzt, um die Vorrichtung zu kalibrieren. Die Kalibrierung kann insbesondere dazu eingesetzt werden, um Änderungen des Abstands zwischen der ersten und der zweiten Referenzebene, die beispielsweise durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden, in regelmäßigen Abständen zu detektieren und somit eine Korrektur der Messwerte zu ermöglichen.
Bevorzugt handelt es sich um einen Kalibrierkörper bekannter Dicke. Als Kalibrierkörper kann dabei ein Objekt dienen, dessen Dicke sehr genau bekannt ist und das beispielsweise in Form einer Glasscheibe oder eines Metallkörpers vorliegen kann. Der Kalibrierkörper wird anstelle des Messobjektes in die Messvorrichtung eingebracht und eine Messung durchgeführt. Aus der bekannten Dicke des Kalibrierkörpers und den gemessenen Abständen zwischen der ersten Referenzeben und einer ersten Oberfläche des Kalibrierkörpers sowie des Abstand zwischen der zweiten Referenzebene und einer zweiten Oberfläche des Kalibrierkörpers kann dabei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Referenzeben ermittelt werden.
Bevorzugt ist die Dicke des Kalibrierkörpers ähnlich wie die Dicke der zu messenden intransparenten Schicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt der Kalibrierkörper auf einem Substrat auf, das eine ähnliche Dicke und ähnliche Dispersionseigenschaften wie das Substrat besitzt, auf dem die zu messende intransparente Schicht aufliegt.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Kalibrierkörper lediglich aus einem transparenten Material, beispielsweise dem Substrat ohne die intransparente Schicht. In dieser Ausführungsform wird mit dem ersten Mittel zur optischen Distanzmessung ein Abstand zwischen einer ersten, dem ersten Mittel zur optischen Distanzmessung zugewandten, Oberfläche des Kalibrierkörpers und der ersten Referenzebene bestimmt und mit dem zweiten Mittel zur optischen Distanzmessung ein Abstand zwischen derselben ersten Oberfläche des Kalibrierkörpers und der zweiten Referenzebene bestimmt. Aus der Summe der beiden Abstände ergibt sich der Abstand zwischen der ersten und zweiten Referenzebene.
Die Abstandsmessung mit Hilfe des ersten und des zweiten optischen Mittels zur Distanzmessung basiert auf Messlicht, das jeweils von einer zu messenden Oberfläche reflektiert wird, wobei der Ursprung des reflektierten Lichts in einem bestimmten Messpunkt bzw. in einem Gebiet um einen bestimmten Messpunkt auf der zu messenden Oberfläche liegt.
Vorteilhafterweise liegen die Messpunkte auf der ersten und zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht sowie auf der Oberfläche des Substrats auf einer Linie, die annähernd senkrecht zu den drei genannten Oberflächen steht. Die optischen Mittel zur Distanzmessung messen an sich gegenüberliegenden Seiten der intransparenten Schicht bzw. des Substrats.
Die Lage der Messpunkte hängt dabei von der Position der Messköpfe ab. Vorteilhafterweise lässt sich einer der beiden Messköpfe in mindestens einer Richtung verschieben, die orthogonal zur ersten und zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht bzw. zur Oberfläche des Substrats ist.
Zur Ausrichtung der Messköpfe kann in Abwesenheit eines Messobjekts die Lichtmenge gemessen werden, die von einer ersten Lichtquelle erzeugt und von einem ersten Messkopf ausgesendet wird und von einem zweiten Messkopf empfangen und auf einen zweiten Detektor geleitet wird. Die Lichtmenge wird maximal, wenn die Messpunkte wie oben beschrieben auf einer Linie liegen.
Bevorzugt ist es mit dem erfindungsgemäßen Aufbau ebenso möglich, Messungen an anders gearteten Proben vorzunehmen. Beispielsweise kann bei Proben, bei denen die Schicht auf dem Substrat für die Strahlung des ersten oder zweiten Mittels zur optischen Distanzmessung zumindest teilweise transparent ist, eine direkte Messung der Schichtdicke entweder durch das erste oder zweite Mittel zur optischen Distanzmessung erfolgen. Ebenso können klassische zweiseitige Messungen an intransparenten Proben ohne Substrat durchgeführt werden, ohne die Vorrichtung anpassen zu müssen. Dies hat den Vorteil, dass eine Vielzahl verschiedener Proben mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermessen werden können.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur optischen Messung einer Dicke einer intransparenten Schicht auf einem Substrat. Dazu wird zunächst ein erster Abstand zwischen einer ersten Referenzebene und einer ersten Oberfläche der intransparenten Schicht gemessen sowie ein Messwert, welcher einem optischen Abstandswert zwischen einer zweiten Referenzebene und einer zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht entspricht. Außerdem wird ein dritter Abstand zwischen einer zweiten Referenzebene und einer Oberfläche des Substrats gemessen. Die gemessenen Werte werden verwendet zum Berechnen eines geometrischen zweiten Abstands zwischen einer zweiten Referenzebene und der zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht, unter Berücksichtigung des Messwerts, des dritten Abstands und einer Brechzahl des Substrats. Anschließend wird eine Schichtdicke der intransparenten Schicht aus dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand und einer Kalibriergröße bestimmt.
Bevorzugt erfolgt eine Kalibrierung, indem ein Kalibrierkörper bekannter Dicke mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermessen wird. Auf diese Weise lässt sich die Kalibriergröße bestimmen und für Messungen von Messobjekten verwenden. Besonders bevorzugt wird eine Kalibrierung wiederholt durchgeführt, beispielsweise in regelmäßigen Zeitabständen oder wenn Grund zur Annahme besteht, dass die Kalibrierung sich geändert hat (Verschiebung einzelner Komponenten des Systems, Temperaturänderung, etc.).
In den Figuren zeigen:

1 eine beispielhafte Messvorrichtung;
2 eine zweite beispielhafte Messvorrichtung;
3 eine dritte beispielhafte Messvorrichtung.

Gleiche Bezugszeichen werden jeweils für gleiche Teile verwendet.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung gemäß der hier beschriebenen Erfindung. Ein erstes optisches Mittel zur Distanzmessung umfasst eine erste Lichtquelle 11 und einen ersten Messkopf 1, der von der ersten Lichtquelle erzeugtes Messlicht auf eine erste Oberfläche s1 der intransparenten Schicht 3 leitet und von dieser Oberfläche s1 reflektiertes Licht empfängt und auf einen ersten Detektor 12 mit mindestens einem lichtempfindlichen Element leitet.
Bevorzugt emittiert die erste Lichtquelle ein kontinuierliches Spektrum. Besonders bevorzugt ist das emittierte Spektrum im Bereich des sichtbaren Lichts oder im Infra rotbereich.
Der erste Detektor erzeugt ein elektrisches Signal, das von einer ersten Auswerteeinheit 15 verwendet wird, um einen ersten Abstand a1 zwischen einer ersten Referenzebene E1 und der ersten Oberfläche der intransparenten Schicht 3 zu bestimmen.
Die Messvorrichtung umfasst des Weiteren ein zweites optisches Mittel zur Distanzmessung mit einer zweiten Lichtquelle 21 und einem zweiten Messkopf 2, der von der zweiten Lichtquelle 21 erzeugtes Messlicht auf eine zweite Oberfläche s2 der intransparenten Schicht 3 (Grenzfläche zwischen intransparenter Schicht 3 und Substrat 4) sowie auf eine Oberfläche s3 des Substrats 4 leitet. Der Messkopf empfängt von der zweiten Oberfläche s2 der intransparenten Schicht 3 reflektiertes Licht sowie von der Oberfläche s3 des Substrats 4 reflektiertes Licht und leitet dieses auf einen zweiten Detektor 22 mit mindestens einem lichtempfindlichen Element. Der zweite Messkopf 2 ist auf der dem ersten Messkopf 1 gegenüberliegenden Seite des Messobjekts (intransparente Schicht 3 und Substrat 4) angeordnet.
Bevorzugt emittiert die zweite Lichtquelle ein kontinuierliches Spektrum. Besonders bevorzugt ist das emittierte Spektrum im Bereich des sichtbaren Lichts oder im Infrarotbereich.
Der zweite Detektor 22 erzeugt ein elektrisches Signal, das von einer zweiten Auswerteeinheit 25 verwendet wird, um einen zweiten Abstand a2 zwischen einer zweiten Referenzebene E2 und der zweiten Oberfläche s2 der intransparenten Schicht 3 sowie einen dritten Abstand a3 zwischen der zweiten Referenzebene E2 und der Oberfläche des Substrats s3 zu bestimmen.
Vorteilhafterweise liegen die Punkte auf den Oberflächen s1, s2 und s3, von denen Licht reflektiert wird, auf einer Linie, welche annähernd senkrecht zu den Oberflächen s1, s2 und s3 steht. Die optischen Mittel zur Distanzmessung messen an sich gegenüberliegenden Punkten der intransparenten Schicht 3 bzw. des Substrats 4.
Das von der zweiten Oberfläche s2 der intransparenten Schicht 3 reflektierte Messlicht wird bei der Transmission durch das Substrat 4 aufgrund der optischen Wirkung (Brechzahl n> 1) des Substrats 4 beeinflusst, was sich auf das Messsignal auswirkt und die Messung des Abstands a2 verfälscht und somit zu Messungenauigkeiten führt. Um den geometrischen Abstand zu erhalten, müssen die Brechzahl und die Geometrie der einzelnen Materialabschnitte auf dem optischen Weg berücksichtigt werden.
Die Messung des Abstands a3 wird verwendet, um den Einfluss der optischen Wirkung des Substrats auf das Messsignal rechnerisch zu korrigieren. Da das von der Oberfläche s3 des Substrats 4 reflektierte Licht das Substrat nicht durchläuft, kann der Abstandswert a3 ohne rechnerische Korrekturen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Insbesondere kann die Messung des Abstands a3 verwendet werden, um die Dicke d2 des Substrats zu ermitteln.
Der gemessene Abstandswert mw2 zwischen der zweiten Referenzebene E2 und der zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht - der sich aufgrund der optischen Wirkung des Substrats vom tatsächlichen Abstandswert a2 unterscheidet - ist gegeben durch einen Messwert des zweiten Mittels zur optischen Abstandsmessung (mw2): $mw2 = a3 + f (d 2, n)$
wobei f eine bekannte, nach d2 umkehrbare Funktion in Abhängigkeit einer Dicke des Substrats d2 und der Brechzahl des Substrats n ist.
Der Messwert mw2 entspricht einem optischen Abstandswert zwischen einer zweiten Referenzebene E2 und einer zweiten Oberfläche s2 der intransparenten Schicht.
Aufgrund der optischen Wirkung des Substrats 4 wird der Messwert verfälscht. Der tatsächliche Abstandswert a2 ergibt sich als Summe aus dem gemessenen Abstandswert a3 und der unbekannten Dicke d2 des Substrats: $a2 = a3 + d2$
Um die optische Wirkung des Substrats auf die Distanzmessung des Abstands a2 rechnerisch zu korrigieren, wird der gemessene Abstandswert für den Abstand a3 verwendet: $a2 = a3 + f^{- 1} (mw2 - a3,n)$
wobei die Brechzahl n bekannt ist.
Die Dicke der intransparenten Schicht d1 ergibt sich aus den gemessenen Abständen a1 und a2 sowie aus dem Abstand a0 zwischen der ersten und zweiten Referenzebene: $d1 = a0 - a1 - a2$
Der Abstand zwischen den Referenzebenen ist entweder bekannt oder kann durch eine Kalibrationsmessung einer Schicht bekannter Dicke d_kali ermittelt werden: $a 0 = d_kali + a 1 (kali) + a 2 (kali)$
2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel basierend auf 1, bei dem das zweite Mittel zur optischen Distanzmessung auf dem Prinzip der interferometrischen Abstandsmessung basiert. Das von einer zweiten Lichtquelle 21 erzeugte polychromatische Messlicht wird dabei in Objektlicht und Referenzlicht aufgespalten. Die Aufspaltung erfolgt vorteilhafterweise mittels eines Strahlteilers. Ein zweiter Messkopf 2 leitet das Objektlicht auf eine zweite Oberfläche s2 der intransparenten Schicht 3 sowie auf eine Oberfläche s3 des Substrats 4 und empfängt das von der zweiten Oberfläche s2 der intransparenten Schicht 3 reflektierte Objektlicht sowie das von der Oberfläche s3 des Substrats reflektierte Objektlicht.
Das Objektlicht kann dabei auf die zweite Oberfläche der intransparenten Schicht s2 fokussiert werden. Damit kann dem geringen Reflexionsgrad bei der Reflexion des Objektlichts an der zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht entgegengewirkt werden, der auftritt, wenn sich die Brechungsindizes der intransparenten Schicht und des Substrats nur wenig unterscheiden.
Das Referenzlicht wird auf einen ersten Referenzspiegel 23 geleitet. Das von der zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht s2 reflektierte Objektlicht sowie das von der Oberfläche des Substrats s3 reflektierte Objektlicht wird mit dem von dem ersten Referenzspiegel 23 reflektierten Referenzlicht überlagert und auf einen Detektor 22 geleitet. Der Detektor 22 umfasst eine Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen, die das Interferenzsignal aus der Überlagerung von Objekt- und Referenzlicht spektral aufgelöst messen. Gemäß an sich bekannter Verfahren wird aus der Modulation der Intensität über das Spektrum auf die Messwerte (Wegdifferenzen zwischen Objektlicht und Referenzlicht) geschlossen.
Bezüglich der Abstandsmessung des Abstands a3 liefert die interferometrische Messung als Ergebnis eine optische Weglängendifferenz zwischen dem Objektlicht, das von der Oberfläche s3 des Substrats 4 reflektiert wird, und dem Referenzlicht, das von dem ersten Referenzspiegel 23 reflektiert wird. Die Position des ersten Referenzspiegels 23 definiert dabei vorteilhafterweise die Lage der zweiten Referenzebene E2: wenn sich die Oberfläche des Substrats s3 in der zweiten Referenzebene E2 befindet, ist die optische Weglängendifferenz zwischen Objektlicht und Referenzlicht genau null.
Der Abstand a3 zwischen der zweiten Referenzebene E2 und der Oberfläche des Substrats s3 ist in diesem Fall identisch zur optischen Weglängendifferenz zwischen der zweiten Referenzebene E2 und der Oberfläche des Substrats s3, da alle optischen Wegstrecken in Luft, d.h. in einem Medium mit einer Brechzahl von näherungsweise 1, verlaufen.
Die gemessene optische Weglängendifferenz zwischen der zweiten Referenzebene E2 und der zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht s2 ist gegeben durch den Messwert mw2: $mw2 = a3 + d 2 * n$
Aufgrund der Brechzahl n>1 des Substrats 4 ist der geometrische Abstandswert a2 nicht identisch mit der gemessenen optischen Weglängendifferenz mw2, d.h. aufgrund der optischen Wirkung des Substrats 4 wird der Messwert verfälscht. Um die optische Wirkung des Substrats 4 auf die Distanzmessung des Abstands a2 rechnerisch zu korrigieren, wird der gemessene Abstandswert für den Abstand a3 verwendet: $a2 = a3 + (mw2 - a 3) / n$
wobei die Brechzahl n bekannt ist.
Der Abstandswert a1 zwischen der ersten Referenzebene E1 und der ersten Oberfläche s1 der intransparenten Schicht 3 wird durch das erste Mittel zur optischen Abstandsmessung bestimmt, wie oben in Bezug auf 1 beschrieben.
Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Mittel zur optischen Abstandsmessung um ein chromatisch-konfokales Mittel zur Abstandsmessung oder um ein interferometrisches Mittel zur Abstandsmessung.
Die Dicke der intransparenten Schicht d1 lässt sich dann wiederum gemäß $d1 = a0 - a1 - a2$
berechnen.
3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei ein zweites optische Mittel zur Abstandmessung der Abstände zwischen einer zweiten Referenzebene E2 und einer zweiten Oberfläche s2 der intransparenten Schicht 3 sowie zwischen der zweiten Referenzebene E2 und einer Oberfläche s3 des Substrats 4 wie in 2 als interferometrische Abstandsmessung ausgeführt ist.
In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine interferometrische Abstandsmessung mit einem kleinen Messbereich verwendet, insbesondere mit einem Messbereich, für den die maximal messbare optische Weglängendifferenz kleiner ist als die zu bestimmende optische Weglängendifferenz zwischen der zweiten Referenzebene E2 und der zweiten Oberfläche s2 der intransparenten Schicht 3.
Insbesondere ist das der Fall, wenn die optische Dicke n*d2 des Substrats größer ist als die maximal messbare optische Weglängendifferenz der interferometrischen Abstandsmessung. Die Verwendung einer interferometrischen Abstandsmessung mit kleinerem Messbereich ist vorteilhaft, um die Genauigkeit der Abstandsmessung zu verbessern.
Zur Messung des Abstands d2 wird das Referenzlicht aufgespalten; ein Teil des Referenzlichts wird dabei auf einen ersten Referenzspiegel 23 geleitet und ein weiterer Teil auf einen zweiten Referenzspiegel 24 geleitet, wobei die optische Weglänge des vom zweiten Referenzspiegel 24 reflektierten Lichts um einen Wert r größer ist als die optische Weglängendifferenz des vom ersten Referenzspiegel 23 reflektierten Lichts.
Vorteilhafterweise sind der erste und zweite Referenzspiegel als Oberflächen einer Glasscheibe 5 ausgeführt. Ein Teil des Referenzlichts wird dabei von einer ersten Oberfläche der Glasscheibe reflektiert, die somit als erster - teildurchlässiger - Referenzspiegel wirkt. Ein zweiter Teil des Referenzlichts wird von der Glasscheibe transmittiert und von einer zweiten Oberfläche der Glasscheibe reflektiert, die als zweiter Referenzspiegel wirkt. In diesem Fall ist der optische Weglängendifferenz r gegeben durch die Dicke dr und die Brechzahl nr der Glasscheibe: $r = nr * dr$
Der Reflexionsgrad der beiden Oberflächen und somit der beiden Referenzspiegel lässt sich dabei mittels geeigneter Beschichtungen in einem weiten Bereich variieren. Damit lässt sich beispielsweise erreichen, dass das Abstandssignal zur Messung des Abstands a2 deutlich stärker ist als das Abstandssignal zur Messung des Abstands a3, was eine eindeutige Zuordnung der Abstandssignale erleichtert.
Wird keine Glasscheibe im Referenzarm eingesetzt, so ergibt sich die optische Weglängendifferenz r zwischen den Referenzspiegel direkt aus deren Abstand zueinander.
Die Messung des Abstands a3 geschieht analog zum in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Für die Messung des Abstandswertes a2 wird von der zweiten Oberfläche s2 der intransparenten Schicht 3 reflektiertes Objektlicht mit vom zweiten Referenzspiegel 24 reflektiertem Referenzlicht überlagert und auf den zweiten Detektor 22 geleitet.
Um aus der gemessenen optischen Weglängendifferenz mw2 zwischen dem von der zweiten Oberfläche s2 der intransparenten Schicht 3 reflektierten Objektlicht und dem vom zweiten Referenzspiegel 24 reflektiertem Referenzlicht die optische Weglängendifferenz zwischen der zweiten Oberfläche s2 der intransparenten Schicht 3 und der zweiten Referenzeben E2 zu ermitteln, muss die Weglängendifferenz r zwischen dem ersten Referenzspiegel 23 und dem zweiten Referenzspiegel 24 berücksichtigt werden: $a3 + d2*n = mw2 + r$
Aus den gemessenen optischen Weglängen a3 + d2*n und a3 lässt sich wiederum der Abstandswert a2 berechnen: $a2 = a3 + (mw2 + r - a3) / n$
und daraus die Dicke der intransparenten Schicht: $d1 = a0 - a1 - a2$
Der Abstandswert a1 zwischen der ersten Referenzebene E1 und der ersten Oberfläche s1 der intransparenten Schicht 3 wird durch das erste Mittel zur optischen Abstandsmessung bestimmt, wie oben in Bezug auf 1 beschrieben.
Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Mittel zur optischen Abstandsmessung um ein chromatisch-konfokales Mittel zur Abstandsmessung oder um ein interferometrisches Mittel zur Abstandsmessung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/139571 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur optischen Messung einer Dicke einer intransparenten Schicht auf einem Substrat, umfassend: ein erstes Mittel zur optischen Distanzmessung (1), eingerichtet zur Messung eines ersten Abstands (a1) zwischen einer ersten Referenzebene und einer ersten Oberfläche der intransparenten Schicht (s1) und ein zweites Mittel zur optischen Distanzmessung (2), eingerichtet zur Messung eines zweiten Abstands (a2) zwischen einer zweiten Referenzebene und einer zweiten Oberfläche der intransparenten Schicht (s2), dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel zur optischen Distanzmessung (2) ebenfalls dazu eingerichtet ist, einen dritten Abstand (a3) zwischen der zweiten Referenzebene (E2) und einer Oberfläche (s3) des Substrats zu messen, und dass die Dicke der intransparenten Schicht aus dem ersten Abstand (a1) und dem zweiten Abstand (a2) berechnet wird, wobei die Messung des dritten Abstands (a3) dazu verwendet wird, den Einfluss der optischen Wirkung des Substrats auf die Abstandsmessung des zweiten Abstands (a2) einzuberechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel zur optischen Distanzmessung ein chromatisch-konfokales Messgerät ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel zur optischen Distanzmessung ein interferometrisches Messgerät, insbesondere ein Fourier-Domain-Interferometer, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das interferometrische Messgerät zwei Referenzstrecken mit unterschiedlichen optischen Weglängen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das interferometrische Messgerät einen Referenzarm mit einer Glasscheibe umfasst, wobei die zwei Referenzstrecken mit unterschiedlichen optischen Weglängen dadurch entstehen, dass zwei Oberflächen der Glasscheibe als Referenzspiegel wirken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung kalibriert wird, insbesondere wiederholt kalibriert wird, wobei ein Abstand zwischen der ersten Referenzebene (E1) und der zweiten Referenzebene (E2) mittels einer Vermessung eines Kalibrierkörpers bekannter Dicke (d_kali) oder eines transparenten Kalibrierkörpers bestimmt wird.
Verfahren zur optischen Messung einer Dicke einer intransparenten Schicht auf einem Substrat, mit den Schritten: Messen eines ersten Abstands (a1) zwischen einer ersten Referenzebene (E1) und einer ersten Oberfläche (s1) der intransparenten Schicht; Messen eines Messwerts (mw2), welcher einem optischen Abstandswert zwischen einer zweiten Referenzebene (E2) und einer zweiten Oberfläche (s2) der intransparenten Schicht entspricht; Messen eines dritten Abstands (a3) zwischen einer zweiten Referenzebene (E2) und einer Oberfläche (s3) des Substrats; Berechnen eines geometrischen zweiten Abstands (a2) zwischen einer zweiten Referenzebene (E2) und einer zweiten Oberfläche (s2) der intransparenten Schicht, unter Berücksichtigung des Messwerts (mw2), des dritten Abstands (a3) und einer Brechzahl (n) des Substrats; Berechnen einer Schichtdicke (d1) der intransparenten Schicht aus dem ersten Abstand (a1) und dem zweiten Abstand (a2) und einer Kalibriergröße (a0), welche ein Maß für den Abstand zwischen der ersten Referenzebene (E1) und der zweiten Referenzebene (E2) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriergröße (a0) bestimmt wird, indem ein Kalibrierkörper bekannter Dicke oder ein transparenter Kalibrierkörper vermessen wird.