DE10361792B4

DE10361792B4 - Device for measuring the layer thickness and the curvature of at least partially reflective surfaces of layers and their use

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Publication number: DE10361792B4
Application number: DE10361792A
Authority: DE
Inventors: Gunther Dr.rer.nat. Straßburger; Armin Dr.rer.nat. Dadgar; Alois Prof. Dr.rer.nat. habil. Krost
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2003-12-31
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2024-01-01
Also published as: DE10361792A1; DE20306904U1

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke und der Krümmung von mindestens teilweise reflektierenden Oberflächen von Schichten in einer Beschichtungsapparatur, insbesondere während der Schichtherstellung,
gekennzeichnet durch
a. Mittel zum Beleuchten der Schichtoberfläche mit mindestens zwei nahezu parallelen Lichtstrahlen,
b. die nahezu parallele Führung der einfallenden und der an der Schichtoberfläche reflektierten Lichtstrahlen in der Beschichtungsapparatur,
c. einen Strahlteiler zur Trennung der einfallenden und der an der Schichtoberfläche reflektierten Lichtstrahlen voneinander,
d. einen Zeilen- oder Flächendetektor, aus dessen Signalen sowohl der Abstand von mindestens zwei an der Schichtoberfläche reflektierten und auf den Detektor auftreffenden Lichtstrahlen als Maß für die Krümmung als auch die Intensität der an der Schicht reflektierten Lichtstrahlen oder deren Gesamtintensität als Maß für die Schichtdicke abgeleitet wird.Device for measuring the layer thickness and the curvature of at least partially reflecting surfaces of layers in a coating apparatus, in particular during the layer production,
marked by
a. Means for illuminating the layer surface with at least two nearly parallel light beams,
b. the nearly parallel guidance of the incident and reflected light rays on the layer surface in the coating apparatus,
c. a beam splitter for separating the incident and the light beams reflected at the layer surface from each other,
d. a line or area detector, from whose signals both the distance of at least two reflected at the surface of the layer and incident on the detector light rays as a measure of the curvature as well as the intensity of the light rays reflected at the layer or the total intensity is derived as a measure of the layer thickness ,

Description

Die Messung der Krümmung von Oberflächen kann bei Hetero- oder Mehrschichtsystemen zur Bestimmung der Schichtverspannung genutzt werden. Dies ist z. B. von besonderem Interesse bei der Abscheidung von stark gitter- oder thermisch fehlangepassten Halbleitermaterialien auf Heterosubstraten. Dabei kann z. B. die thermische Fehlanpassung solcher Schichten im Falle einer Zugverspannung zu einem Reißen der aufgebrachten Schicht führen, womit sie unbrauchbar wird. Möglichkeiten zur Rissreduktion beruhen meist auf der Kompensation der Zugverspannung durch das Einfügen kompressiv vorspannender Schichten. Dabei ist schon während des Wachstumsvorgangs die Kenntnis über die Spannungsverhältnisse wichtig, um am Ende möglichst unverspannte Schichten zu erhalten. Ohne eine in-situ Messung sind aufwendige Messreihen notwendig, die bei Änderung des Schichtaufbaus wiederholt werden müssen.The Measurement of curvature of surfaces can be used in hetero or multilayer systems for determining the layer strain be used. This is z. B. of particular interest in the Deposition of heavily lattice- or thermally mismatched semiconductor materials on heterosubstrate. It can be z. B. the thermal mismatch such layers in the case of tensile stress to tearing the lead coated layer, which makes them useless. options for crack reduction are mostly based on the compensation of the tensile stress by inserting it compressively biasing layers. It is already during the growth process the knowledge about the tension conditions important to end up as possible to obtain unstrained layers. Without an in-situ measurement Complex measurement series necessary, which repeats when changing the layer structure Need to become.

Durch die Messung der Probenkrümmung kann bei einer Schichtdicke, die deutlich geringer als das darunterliegende Substrat ist, aus der Stoney Gleichung [G.G. Stoney, Proc. Roy. Soc. London A 82, 172 (1909)] die Gesamtverspannung bestimmt werden, bei bekannter Schichtdicke auch die Verspannungsenergie z.B. pro Mikrometer. Dies gilt auch für Mehrschichtsysteme, wenn während des Abscheidungsvorgangs die Krümmung gemessen wird, woraus iterativ die Verspannung für jede einzelne Schicht bestimmt werden kann. Das Hauptproblem der Messung der Krümmung in Beschichtungsanlagen, wie z. B. der metallorganischen Gasphasenepitaxie, ist häufig die Zugänglichkeit. So kann nur optisch eine Messung ohne Beeinflussung des Wachstumsvorgangs erfolgen. Dabei bietet sich die Messung der Ablenkung eines Lichtstrahls an. Jedoch ist das häufig verwendete Abrastern der Probenoberfläche und das Messen der Ablenkung in der Regel nicht praktikabel, da dies zu lange dauert und die Geometrie solcher Aufbauten ein großes Fenster als optischen Zugang verlangen. In der US 005912738A wird ein Aufbau beschrieben, mit dem die Krümmung einer Probenoberfläche während der Schichtabscheidung gemessen werden kann. Dort wird mit einer Strahlgeometrie gearbeitet, die zwei Fenster oder ein sehr breites für den Strahlengang benötigt, da die ein- und ausfallenden Strahlen in einem Winkel zur Probenoberfläche stehen. Dies macht dieses System für eine Vielzahl von Beschichtungsanlagen unbrauchbar.By measuring the sample curvature at a layer thickness that is significantly lower than the underlying substrate, from the Stoney equation [GG Stoney, Proc. Roy. Soc. London A 82, 172 (1909)] the total tension are determined, with known layer thickness and the strain energy, for example, per micrometer. This also applies to multi-layer systems when the curvature is measured during the deposition process, from which iteratively the strain can be determined for each individual layer. The main problem of measuring the curvature in coating equipment, such. As the organometallic gas phase epitaxy, is often the accessibility. Thus, only a visual measurement without influencing the growth process can take place. This offers the measurement of the deflection of a light beam. However, frequently used sample surface scanning and deflection measurement is generally impractical because it takes too long and the geometry of such structures requires a large window for optical access. In the US 005912738A For example, a construction is described that can measure the curvature of a sample surface during film deposition. There, work is done with a beam geometry that requires two windows or a very wide one for the beam path, since the incoming and outgoing beams are at an angle to the sample surface. This makes this system unusable for a variety of coating equipment.

Ähnlich arbeiten auch die in der US 5 067 817 und der DE 696 22 896 T2 beschriebenen Verfahren zur Krümmungsmessung. Bei diesen wird die Winkeländerung zweier eng benachbarter Lichtstrahlen vor und nach der Reflexion an der Probenoberfläche mit positionsempfindlichen Lichtdetektoren bestimmt und daraus die Krümmung der Probenoberfläche ermittelt. Eine Möglichkeit zur gleichzeitigen Bestimmung der Schichtdicke ist jedoch nicht offenbart.Similar work in the US 5 067 817 and the DE 696 22 896 T2 described method for curvature measurement. In these, the angle change of two closely adjacent light beams is determined before and after the reflection at the sample surface with position-sensitive light detectors and determines the curvature of the sample surface. However, a possibility for the simultaneous determination of the layer thickness is not disclosed.

In der US 5 232 547 ist eine kombinierte Krümmungs- und Schichtdickenmessung beschrieben, wobei jedoch die Schichtdickenmessung mittels der relativ aufwendigen Ellipsometrie erfolgt. Ähnlich oder noch aufwändiger ist auch das in der US 5 648 849 beschriebene Verfahren, bei dem Morphologie und Dicke einer dünnen Schicht mittels interferometrischer Verfahren bestimmbar ist, was jedoch die Verwendung einer polychromatischen Lichtquelle und eines Monochromators voraussetzt.In the US 5,232,547 a combined curvature and layer thickness measurement is described, but the layer thickness measurement is carried out by means of the relatively complex ellipsometry. Similar or more elaborate is also in the US 5 648 849 described method in which the morphology and thickness of a thin layer can be determined by means of interferometric methods, but which requires the use of a polychromatic light source and a monochromator.

Die vorliegende Erfindung löst nun nach Anspruch 1 das Problem der Zugänglichkeit durch eine nahezu parallele Strahlführung der zur Beleuchtung der Schichtoberfläche verwendeten und der an der Schichtoberfläche reflektierten Lichtstrahlen, wozu zur Trennung der ein- und ausfallenden Strahlen ein Strahlteiler eingesetzt wird.The present invention solves Now according to claim 1, the problem of accessibility by a near parallel beam guidance the one used to illuminate the layer surface and the the layer surface reflected light rays, including the separation of the incoming and outgoing Beams a beam splitter is used.

Die Schichtdicke der wachsenden Schicht wird aus dem zeitlichen Verhalten der an der Schichtoberfläche reflektierten Intensität der Lichtpunkte oder der Gesamtintensität ermittelt, wobei diese Intensitätsmessung bei einer Wellenlänge bzw. in einem kleinen Wellenlängenintervall erfolgt. Diese Schichtdickenmessung nutzt den Effekt, dass es durch die Reflektion des Strahls an der Schichtober- und Unterseite, bzw. an inneren Grenzflächen der Schichtstruktur, zur teilweisen Auslöschung des reflektierten Lichtes infolge von Interferenz kommt. Daraus kann bei bekannter Wellenlänge und Dispersion die Schichtdicke während des Schichtwachstums bestimmt werden.The Layer thickness of the growing layer is determined by the temporal behavior the at the layer surface reflected intensity the light spots or the total intensity, this intensity measurement at one wavelength or in a small wavelength interval he follows. This coating thickness measurement uses the effect that it passes through the reflection of the beam at the top and bottom of the layer, or at internal interfaces the layer structure, for the partial extinction of the reflected light as a result of interference. This can be at known wavelength and Dispersion the layer thickness during the layer growth are determined.

Die Krümmungsmessung erfolgt dabei durch die Messung des Abstands mindestens zweier Lichtpunkte, die z. B. durch die Aufteilung an einem zur Strahlrichtung gekippten Etalon nach Anspruch 2 entstehen können. Es ist aber auch die Verwendung mehrerer Lichtquellen, vorzugsweise Laser, nach Anspruch 3 oder von holographischen Gittern in Verbindung mit einem Laser nach Anspruch 4 denkbar. Wichtig ist dabei zur Bestimmung der Probenkrümmung die genaue Kenntnis der Geometrie des Strahlenverlaufs und der Divergenz der primär erzeugten Strahlen zueinander, die Idealerweise gleich oder nahe Null ist, um in engen Geometrien, also z. B. durch kleine Fenster hindurch die Messung durchführen zu können. Ansprüche 5 und 6 sind speziell bei der Verwendung eines zur Strahlrichtung gekippten Etalons hilfreich, eine hohe Signalintensität für die höheren Lichtpunktordnungen zu erzielen. Da für das Erzeugen einer Lichtpunktreihe oder eines Lichtpunktgitters viele Teilreflektionen notwendig sind, wird ein hochverspiegeltes Etalon verwendet. Dadurch werden aber über 95% des Lichts bei der ersten Reflektion auf der Etalonoberfläche reflektiert und stehen dann nicht mehr zur Verfügung. Um hohe Lichtintensitäten zu erzielen, wird nun dieses Licht mittels eine Spiegels wieder in das Etalon zurückreflektiert, womit entweder eine weitere intensive Lichtpunktreihe oder weitere Lichtpunkte erzeugt werden können. Bei geschickter Justage kann auch direkt die Intensität der sekundären und weiteren Lichtpunkte stark erhöht werden.The curvature measurement is carried out by measuring the distance of at least two points of light, the z. B. can arise from the division of a tilted to the beam direction etalon according to claim 2. However, it is also conceivable to use a plurality of light sources, preferably lasers, according to claim 3 or holographic gratings in conjunction with a laser according to claim 4. It is important to determine the sample curvature, the exact knowledge of the geometry of the beam path and the divergence of the primary generated beams to each other, which is ideally equal to or near zero to close in tight geometries, ie z. B. through small windows to be able to perform the measurement. Claims 5 and 6 are helpful, especially when using a tilted to the beam direction etalon, to achieve a high signal intensity for the higher light spot orders. As for the Generating a row of light points or a light point grid many partial reflections are necessary, a high-mirrored etalon is used. However, more than 95% of the light is reflected on the etalon surface during the first reflection and is then no longer available. In order to achieve high light intensities, this light is now reflected back into the etalon by means of a mirror, whereby either a further intense row of light points or other points of light can be generated. With skillful adjustment, the intensity of the secondary and further points of light can be greatly increased directly.

Die zur Bestimmung der Krümmung notwendige Kenntnis der Ablenkung der Lichtpunkte auf der Probenoberfläche wird durch das Messen der Lichtpunkte mit einem Zeilen- oder Flächendetektor vorgenommen. Bei rotierenden Proben ist ein Flächendetektor vorteilhaft, da sich hier die Lichtstrahlen durch Torkeln oder eine sehr starke Probenkrümmung in zwei Dimensionen verschieben können. Besonders geeignet ist hierbei ein CMOS Sensor, der die Aufnahme der Intensität logarithmisch vornehmen kann, wodurch die Hintergrundstrahlung, hervorgerufen von der Wärmestrahlung oder durch Raumlicht, durch die logarithmische Bewertung als schwächeres Signal ausgegeben und somit das Signal zu Rausch Verhältnis verbessert wird.The for determining the curvature necessary knowledge of the deflection of the light spots on the sample surface becomes by measuring the points of light with a line or area detector performed. For rotating samples, an area detector is advantageous since here the light rays by stumble or a very strong samples curvature can move in two dimensions. Particularly suitable Here, a CMOS sensor, recording the intensity logarithmic which causes background radiation from the heat radiation or by room light, by logarithmic evaluation as a weaker signal output and thus the signal to noise ratio is improved.

Anspruch 7 löst auch das Problem der thermischen Hintergrundstrahlung oder von Hintergrundlicht weitgehend. Um die unerwünschte Strahlung zu reduzieren, wird ein optischer Bandpass wie ein Kantenfilter oder ein dielektrischer Spiegel vor dem Detektor, wie z. B. Bauteil 7 in Zeichnung I, verwendet, der nur die Wellenlänge bzw. Wellenlängenbereiche der zur Messung dienenden Lichtstrahlen durchlässt. Hierbei sind auch Filter eingeschlossen, die als Tiefpass arbeiten, also nur langwellige Anteile abschneiden.claim 7 triggers also the problem of thermal background radiation or of background light largely. To the unwanted Reducing radiation becomes an optical bandpass like an edge filter or a dielectric mirror in front of the detector, such as. B. component 7 in drawing I, which uses only the wavelength or wavelength ranges of lets through for measuring light rays. Here are also filters included, which work as a low pass, so only long-wave Cut off shares.

Durch das Messen der Hintergrundstrahlung nach Anspruch 8 bei Verwendung des Aufbaus mit oder ohne optischen Bandfilter oder, bei Verwendung eines optischen Bandfilters, vor bzw. neben dem Detektor kann die Oberflächentemperatur der Probe ermittelt werden, indem dazu entweder die gesamte Intensität herangezogen wird oder die Intensität bei einer oder mehreren Wellenlängen.By measuring the background radiation of claim 8 in use of the construction with or without optical band filter or, when using a optical bandpass filter, in front of or next to the detector, the surface temperature be determined by using either the total intensity will or the intensity at one or more wavelengths.

Die Auswertung erschwerende Einfach- oder Vielfachreflektionen treten häufig am Eintrittsfenster zur Apparatur auf, welches entweder nach Anspruch 9 bei der entsprechenden Wellenlänge entspiegelt sein kann oder nach Anspruch 10 leicht verkippt d.h. im Winkel von wenigen Grad z.B. 3° angebracht wird und so keine Rückreflektion in die Messapparatur mehr ermöglicht.The Evaluation aggravating single or multiple reflections occur often at the entrance window to the apparatus, which either according to claim 9 at the appropriate wavelength can be antireflective or slightly tilted according to claim 10. in the Angles of a few degrees, e.g. 3 ° attached and so no reflection allows more in the measuring apparatus.

1 zeigt die mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der aus der Lichtquelle 1 austretende üblicherweise schwach divergente Laserstrahl wird hier durch eine Linse 2 möglichst auf den Detektor 8 fokussiert, um scharte Lichtpunkte zu erhalten. Die Strahlaufteilung erfolgt durch ein Etalon 3. Dabei kann durch einen zusätzlichen Spiegel 4 nach Anspruch 5 eine Verstärkung der Signalintensität der höheren Strahlordnungen erzielt oder es können nach Anspruch 6 zusätzliche Lichtpunkte auf der Probe erzeugt werden. In der Zeichnung I werden nach dem Etalon nur 2 Strahlen weiterverfolgt, die hinter dem Strahlteiler 5 auf die Probe 6 treffen. Ist die Probe, wie in der Zeichnung gezeigt, gekrümmt, so wird der nun divergente Strahl vom Strahlteiler Richtung Detektor 8 geleitet, wobei in diesem Fall noch durch einen Kantenfilter 7 die störende Hintergrundstrahlung ausgefiltert wird. 1 shows the possible embodiment of the device according to the invention. The from the light source 1 Exiting usually weakly divergent laser beam is here through a lens 2 if possible on the detector 8th focused to get sharp points of light. The beam splitting is done by an etalon 3 , It can by an additional mirror 4 obtained according to claim 5, an amplification of the signal intensity of the higher beam orders or it can be generated according to claim 6 additional light spots on the sample. In drawing I, only 2 beams are traced after the etalon, behind the beam splitter 5 to the test 6 to meet. If the sample is curved as shown in the drawing, the now divergent beam from the beam splitter becomes the detector 8th passed, in which case still by an edge filter 7 the disturbing background radiation is filtered out.

Durch die Führung der ein- und ausfallenden Strahlen können mit dieser Apparatur auch Krümmungsmessungen bei engen Geometrien durchgeführt werden, da Messöffnungen von 3–5 mm in den meisten Fällen ausreichen, damit auch die nach der Probe divergenten Strahlen auf den Detektor treffen.By the leadership The incoming and outgoing beams can also be used with this apparatus curvature measurements performed in tight geometries be there meter holes from 3-5 mm in most cases sufficient, so that also after the sample divergent rays hit the detector.

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform stellt neben vielen anderen Ausführungsmöglichkeiten nur eine mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.The embodiment described above provides many other design options only one possible execution the device according to the invention represents.

Claims

Device for measuring the layer thickness and the curvature of at least partially reflective surfaces of layers in one Coating apparatus, in particular during the production of coatings, marked by a. Means for illuminating the layer surface with at least two nearly parallel light rays, b. the almost parallel guide the incident and reflected at the layer surface light rays in the coating apparatus, c. a beam splitter for separation the incident and reflected at the layer surface light rays from each other, d. a line or area detector, from its signals both the distance of at least two reflected on the layer surface and incident on the detector light rays as a measure of the curvature as also the intensity the light rays reflected at the layer or their total intensity as a measure of the layer thickness is derived.

Apparatus according to claim 1, characterized by using an etalon to split and thus create several beams of light.

Apparatus according to claim 1, characterized by using multiple light sources to generate multiple beams of light.

Apparatus according to claim 1, characterized by using a diffraction arrangement or a holographic one Grid generating a dot or line pattern for generation several beams of light.

Apparatus according to claim 2, characterized by the use of a mirror to increase the light intensity through back reflection of the first beam reflected at the etalon.

Apparatus according to claim 1, 2 and / or 5, characterized by using a mirror to produce one or more staggered light spot lines analogous to the primary generated light spots.

Device according to one of the preceding claims, characterized through the use of an optical bandpass in the reflected Beam path.

Device according to one of the preceding claims, characterized by means for determining the surface temperature of the to be measured Layer by measuring the background radiation.

Use of a device according to one of the preceding claims on a coating apparatus over an anti-reflective entrance window.

Use of a device according to one of the preceding claims on a coating apparatus over an entrance window that is a few degrees off the surface of the tilted to be measured layer.