DE19520788A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Schichtdicke, der Leitfähigkeit und/oder der Schichtkontaktgüte von auf Substraten aufgetragenen Schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die erfindungsgemäße Lösung ist neben der punktuellen Messung auch für die Überprüfung der räumlichen Homogenität von aufgetra­ genen Schichten geeignet. So können die Parameter von Schichten aus festem, flüssigen oder pulverförmigen Materialien bestimmt werden. Außerdem ist es möglich, die Messung an bewegten Meßobjekten durchzuführen, ohne daß eine Nachführung der Meßvorrichtung erfor­ derlich ist. Letzteres bietet sich insbesondere bei der Anwendung direkt in der Produktion an.

Es ist bekannt, photothermische Meßverfahren zur Be­ urteilung von Schichten, insbesondere der Schichtdicken zu verwenden. Hierbei werden modulierte, kontinu­ ierlich emittierende Lichtquellen verwendet, die eine thermische Welle im Meßobjekt erzeugen. Die thermi­ sche Welle wird an der Schichtgrenze zumindest teil­ weise reflektiert, dabei kann die Schichtdicke mit­ tels der Phasenverschiebung zwischen der von der mo­ dulierten Lichtquelle ausgehenden Welle und der re­ flektierten thermischen Welle ermittelt werden. Die Amplitude der reflektierten thermischen Welle ist ein Maß für die erreichte Schichtkontaktgüte. Außerdem ist es bekannt, gepulste Lichtquellen, deren Impuls­ dauer und spektrale Lichtverteilung nicht auf die Schichtart und Schichtdicke der Probe optimiert sind, zu verwenden, um Schichten und oberflächennahe Berei­ che von Festkörpern zu untersuchen. Diese Verfahren sind nicht für eine genaue quantitative Auswertung zur Bestimmung von Schichtparametern geeignet.

Die bekannten Meßverfahren, die thermische Wellen verwenden, weisen eine relativ lange Meßzeit auf, da die Amplitude und Phase des eingeschwungenen Zustan­ des einer thermischen Welle als Meßsignale verwendet werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Parameter von auf Substraten aufgetragenen Schichten in kurzer Zeit mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe, durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 für das Verfah­ ren und die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 11 für die Vorrichtung genannten Merkmale, gelöst. Vor­ teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich bei Verwendung der in den untergeordneten An­ sprüchen enthaltenen Merkmale.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung können einzelne Schichten und Systeme solcher Schichten auf Festkör­ persubstraten berührungslos und zerstörungsfrei cha­ rakterisiert werden. Dabei kann auf einfache Weise die Schichtdicke, die thermische Leitfähigkeit der Schicht oder die Schichtkontaktgüte an Grenzflächen benachbarter Schichten oder zum Substrat hin gemessen und bewertet werden. Das Verfahren und die er­ findungsgemäße Vorrichtung können dabei direkt wäh­ rend des Beschichtungsprozesses von Substraten ein­ gesetzt und die Meßergebnisse zur Steuerung des Be­ schichtungsprozesses herangezogen werden. Es kann aber auch im nachhinein in Form einer Qualitätskon­ trolle Verwendung finden.

Weiter sind neben punktuellen Messungen auch die Überwachung der räumlichen Homogenität durch linien- oder rasterartige, flächige Vermessung der Beschich­ tung möglich. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Schichten aus festen, flüssigen oder pulverförmigen Stoffen gebildet sind.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Messung auch an bewegten Meß­ objekten durchgeführt werden kann, ohne daß eine par­ allele nachführende Bewegung des Meßsystems erforder­ lich ist. Dies führt zu einer wesentlichen Vereinfa­ chung des Meßaufbaus.

Wird die Meßkonfiguration mit einem Abstandsmeßgerät komplettiert, kann die Meßgenauigkeit wesentlich er­ höht werden, wenn der Abstand zwischen Meßobjekt, photothermischen Detektor und Lichtquelle mit einer geeigneten Vorrichtung in einem konstanten Abstand durch Regelung gehalten werden kann. Dabei wird der Abstand zum Meßobjekt permanent ermittelt und das Abstandssignal einer Regeleinheit zugeführt, die die Verschiebevorrichtung entsprechend aktiviert. Mit der Auswertung des zeitlichen Temperaturverhaltens in der Schicht ist eine wesentliche Verkürzung der erforder­ lichen Meßzeit, gegenüber den bekannten Lösungen ver­ bunden. Dabei wird die Wellenlänge, des auf die zu charakterisierende Schicht oder das Schichtsystem zu richtenden Lichtes so gewählt, daß die optische Ein­ dringtiefe D_E für möglichst viele Schichtmaterialien klein im Vergleich zur zu messenden Schichtdicke D_S ist. Dabei sollte das Verhältnis D_S/D_E 10 sein. Licht im Wellenlängenbereich von Ultraviolett oder Infrarot kann für sehr viele farbige und auch im sichtbaren Spektralbereich transparente Schichten eingesetzt werden. Als Lichtquelle kommt ein gepulst arbeitender Laser, der Licht der jeweiligen Wellen­ länge abstrahlt oder auch eine breitbandige Licht­ quelle, die geeignet spektral gefiltert wird, in Fra­ ge. Mit einem elektrooptischen Verschluß kann die Lichtimpulsdauer eingestellt und variiert werden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es günstig, wenn die Lichtabsorption in einem oberflächennahen Bereich der zu bewertenden Schicht erfolgt und eine entsprechend geeignete Wellenlänge verwendet wird. Durch thermi­ sche Diffusion gelangt ein gewisser Anteil der von der Schicht absorbierten Lichtenergie aus dem ober­ flächennahen Bereich der Schicht, der durch die opti­ sche Eindringtiefe D_E bestimmt ist, weiter in die Schicht hinein. Dieser Vorgang bestimmt im wesentli­ chen das Temperaturverhalten der Schicht. Für die Aufheizung der Schichtoberfläche ist entscheidend, wieviel von der absorbierten Lichtenergie durch ther­ mische Diffusion innerhalb der Dauer des Lichtimpul­ ses aus dem oberflächennahen Absorptionsbereich wei­ ter in die Schicht propagiert.

Ist die Schichtdicke D_S klein im Vergleich zum Be­ leuchtungsfleckdurchmesser D_L kann für eine theoreti­ sche Beschreibung, eine eindimensionale Wärmediffu­ sion angenommen werden. Bei im Verhältnis kleiner Lichtimpulsdauer t_L gegenüber der thermischen Diffu­ sonszeit t_D, kann die thermische Diffusion während der Lichtimpulsdauer, die zur Abkühlung an der Ober­ fläche führt, gegenüber der Aufheizung der Oberfläche durch Lichtabsorption vernachlässigt werden. Dabei wird die Diffusionszeit t_D als Zeit definiert, bei der die Schichtoberflächentemperatur auf den Wert 1/e des maximalen Temperaturwertes T_max abgefallen ist. Die Diffusionszeit t_D kann ebenfalls zur Bestimmung der Schichtcharakteristika herangezogen werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Lichtimpulsdauer variiert werden. So führt ein kurzer Lichtimpuls zu einem relativ steilen Temperaturan­ stieg im Vergleich zum Temperaturabfall an der Ober­ fläche, der durch die thermische Diffusion in der Schicht hervorgerufen wird. Liegen Lichtimpulsdauer und thermische Diffusionszeit in vergleichbarer Grö­ ßenordnung verhalten sich Temperaturanstieg und Tem­ peraturabfall entsprechend. Bei relativ kleiner ther­ mischer Diffusionszeit im Verhältnis zur Lichtimpuls­ dauer ist ein geringer Anstieg der Oberflächentempe­ ratur zu verzeichnen, und das Maximum der Temperatur wird zum Zeitpunkt des Maximum des Lichtimpulses er­ reicht. Demzufolge wird die Oberflächentemperatur der Schicht durch den Lichtimpuls in bezug auf dessen Zeitdauer bestimmt.

Bei Variation der Lichtimpulsdauer werden zeitliche Charakteristiken des Oberflächentemperaturverlaufes T(t) erreicht, die proportional zur thermischen Leit­ fähigkeit und zur Schichtdicke der jeweiligen Schicht sind. Bei bekannter thermischer Wärmeleitfähigkeit kann relativ einfach die Schichtdicke durch die Aus­ wertung des Temperaturverlaufes (Temperaturanstieg und/oder Temperaturabfall) oder gar der Maximaltempe­ ratur erfolgen. Es ist aber auch möglich, Leitfähig­ keit und Schichtdicke zu bewerten, wenn das Tempera­ turverhalten während der Aufheiz- und Abkühlphase theoretisch mit einem Modell beschrieben werden kön­ nen. Möglich ist dies, wenn der Schichtaufbau als sogenannter "thermischer Kondensator" betrachtet wird.

Bei einem kurzen Lichtimpuls im Vergleich zur Diffu­ sionszeit, ist der durch Strahlendurchmesser und op­ tischer Eindringtiefe bestimmte Wärmestrom innerhalb der Lichtimpulsdauer klein. Für eine solche Konstel­ lation wird das Abkühlverhalten ausgewertet. Liegen Lichtimpulsdauer und thermische Diffusionszeit in der gleichen Größenordnung, kann der gesamte Temperatur­ verlauf benutzt werden. Mit Variation der Lichtim­ pulsdauer kann das Temperaturverhalten zur Ermittlung der Schichtparameter ebenfalls ausgewertet werden.

Mittels Abstimmung von Strahldurchmesser (Beleuch­ tungsfleckgröße) und detektierten Bereich kann die Diffusion in normaler oder lateraler Richtung relativ zur Oberfläche der Schicht betrachtet werden. Die Beschreibung kann theoretisch, eindimensional mit Hilfe der Fick′schen Gleichungen erfolgen.

Neben dieser Möglichkeit kann jedoch auch eine rein empirische Auswertung erfolgen, wobei charakteristi­ sche Temperaturverläufe, bei Variation von Impulsdau­ er oder Wellenlänge für definierte, bekannte Schicht­ dicken gemessen worden sind und diese Meßwerte mit in nachfolgenden Messungen ermittelten, in einem Spei­ cher für einen Vergleich abgelegten Meßwerten (z. B. in Form von Temperaturverläufen) von unbekannten Schichten eines gleichartigen Schichtsystems vergli­ chen werden. Die empirische Auswertung ist für eine direkte Prozeßüberwachung im industriellen Einsatz geeignet.

Ist die thermische Leitfähigkeit des Materials der Schicht bekannt, kann die Schichtdicke allein mit einer einzigen konstanten Impulsdauer bestimmt wer­ den. Dabei kann die Impulsdauer an die gewünschte Meßgeschwindigkeit angepaßt sein. Bei Schichtsystemen hängt das Temperaturverhalten an der Oberfläche davon ab, wie die thermische Leitfähigkeit (thermischer Widerstand) des gesamten Schichtsystems ist und welche Wärmeleitfähigkeit das Substrat (Wär­ mesenke) hat. Benachbarte Schichten bzw. das benach­ bart angeordnete Substrat beeinflussen sich, in bezug auf das Abkühlverhalten. Befindet sich eine Schicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit auf einem Sub­ strat oder ist neben einer weiteren Schicht mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit angeordnet, kühlt sich die Oberfläche der ersten betrachteten Schicht lang­ samer ab, als wenn die benachbarte Schicht oder das Substrat gleichfalls eine gute thermische Leitfähig­ keit haben. Daher ist der Temperaturverlauf der Ober­ flächentemperatur vom gesamten Schichtsystem abhängig und Änderungen der Monotonie

des Temperaturverlaufes T(t) sind auf die Unter­ schiede in bezug auf die thermische Leitfähigkeit der einzelnen Schichten des Schichtsystem zurückzuführen. Infolge dessen kann durch empirischen Vergleich mit Modellschichtsystemen oder auch durch Vergleich mit der theoretischen Beschreibung im Modell des "thermi­ schen Kondensators" aus der Temperaturcharakteristik, des gesamten Schichtsystems thermische Leitfähigkeit und der Schichtdicke der einzelnen Schichten bestimmt werden.

Nachfolgend soll das theoretische Modell des "thermi­ schen Kondensators" weiter beschrieben werden:

Dabei ist die thermische Ladung Q des thermischen Kondensators nach der Aufladung durch den Licht­ impuls

Dabei sind:
c spezifische Wärme des Schichtmaterials;
ρ Dichte des Schichtmate­ rials;
π _* R_L² Fläche des Beleuch­ tungsfleckes auf der Schicht;
I_Labs absorbierte Lichtintensität;
E_Labs absorbierte Lichtenergie;
x_D (t) Wärmediffusionsstrecke zur Zeit t;
t_D = D_{S *} D_{E *} ρ _* c/ charakteristische Dif­ fusionszeit;
D_S Schichtdicke;
Wärmeleitfähigkeit der Schicht;
T₀ Umgebungstemperatur

Während der Impulsdauer wird die absorbierte Lichten­ ergie E_Labs in einem bestimmten Volumen aufgenommen, wobei das Volumen durch die Fläche des Beleuchtungs­ fleckes (π _* R_L²) und die optische Eindringtiefe D_E und der Tiefe der thermischen Diffusion x_D(t_L) bestimmt wird. Mit der Annahme, daß t_L sehr viel kleiner als die charakteristische Diffusionszeit t_D ist, kann mit Gleichung (2) die maximale Temperatur T_max = T(t_L) aus der thermischen Ladung Q bestimmt werden. Dies ist möglich, da die anderen Parameter bei gleichzeitiger Kenntnis des Schichtmaterials und der Lichtwellenlän­ ge (D_E = D_E(λ)) bekannt sind.

Für den Fall, daß der Beleuchtungsfleckdurchmesser 2 _* R_L groß gegenüber der Schichtdicke D_S ist, gilt die eindimensionale Näherung der thermischen Diffusion. Dadurch ergibt sich der räumliche Temperaturgradiend

grad_xT = (T(t_L)-T₀)/D_E= -j_x→/ (3)

Dabei ist j→ die Wärmestromdichte entsprechend dem ersten Fickschen Gesetz.

Nach dem zweiten Fickschen Gesetz gilt dann für t=t_L

(∂T(t_L)/∂t)=(/ρ _* c) _* (∂²T/∂x²) (4)

Mit dem Ansatz T(x,t′) = (T(t_L)-T₀) _* exp(α _* t+β _* x) und t′ = t_L+t wird die Differentialgleichung

∂T/∂t=α/β² _* ∂²T/∂x² (5)

gelöst. Es gilt dabei ∂T/∂t′ = ∂T/∂t.

Damit kann durch den Vergleich der Gleichungen (5) und (4)

α/β²=/ρ _* c

bestimmt werden.

Nach dem Ende des Lichtimpulses zur Zeit t′ = t_L+t ist entsprechend Gleichung (3) die für die Änderung des Temperaturgradienten bestimmende Größe nicht mehr die optische Eindringtiefe D_E(λ) des anregenden Lichtimpulses, sondern die Schichtdicke D_S.

Daher gilt für diese Änderung

(∂²T/∂x²)=(T(t_L)-T₀) _* exp(αt+βx)/(D_{E *} D_S) (6).

Dadurch ist nach den Gleichungen (4) und (5)

∂²T/∂x²=T/(D_{E *} D_S)=(ρ _* c/) _* ∂T/∂t=(ρ _* c/) _* α _* T (7).

Demzufolge ist

(ρ _* c _* α/) = 1/(D_{E *} D_S) und somit α = /(ρ _* c _* D_{E *} D_S) (8).

Der reziproke Wert α^-1 = t_D entspricht bereits der oben genannten charakteristischen Diffusionszeit. Damit ergibt sich der zeitabhängige Temperaturverlauf an der Oberfläche der Schicht nach

T(t) = (T(t_L)-T₀) _* exp((-/ρ _* c _* D_{S *} D_E) _* t) (9).

Analog dazu ist die Entladung eines elektrischen Kon­ densators mit

U(t) = Q_el/C_{el *} exp((-1/(R_{el *} C_el)) _* t) (10)

bestimmbar, wie die Entladung des thermischen Konden­ sators entsprechend Gleichung (8).

Vergleicht man die Gleichungen (9) und (10) können die äquivalenten Parameter bei der thermischen Kon­ densatorentladung gegenüber der elektrischen Konden­ satorentladung erkannt werden. Der thermische Wider­ stand R_th entspricht dem elektrischen Widerstand R_el und ist

R_th = D_S/( _* π _* R_L²) (11).

Die thermische Kapazität

C_th = c _* ρ _* D_{E *} π _* R_L² (12)

entspricht der elektrischen Kapazität C_el. Und die Temperatur T(t) ist äquivalent zur elektrischen Span­ nung U(t). Mit Hilfe dieser Übertragung kann jeder Schicht ein entsprechender Widerstand R_th und eine Ka­ pazität C_th zugeordnet und das thermische Kondensator­ modell angewendet werden. Der Gleichung (9) ist zu entnehmen, daß der Temperaturabfall exponentiel er­ folgt und der Exponent als unbekannte Größe lediglich die Schichtdicke D_S enthält.

Da der photothermische Detektor den oberflächennahen Bereich mit der zugehörigen thermischen Strahlung und nicht nur einen Ort x = 0 erfaßt, muß die optische Eindringtiefe, bei der benutzten infraroten Wellen­ länge des Detektors D_E(λ_Det) = D_Det berücksichtigt wer­ den. Dies ist durch die räumliche Mittelung der Glei­ chung (7) mit Hilfe eines Gewichtsfaktors g(x) = exp(-x/D_Det) für die gesamte zu betrachtende Schicht­ dicke möglich. Mit dem Separationsansatz T(x,t) = T(x) _* T(t) kann ein zusätzliches Integral für die ortsabhängige Funktion T(x), das einen weiteren Vor­ faktor für Gleichung (8) liefert, der für den Fall relevant wird, wenn D_Det annähernd D_S ist, erhalten werden. Für den Fall, daß D_Det sehr viel kleiner als D_S ist, kann dieser Faktor vernachlässigt werden.

Die räumliche Mittelung der Temperatur kann mit fol­ gender Gleichung vorgenommen werden:

mit T(x)=exp(-β).

Über den thermischen Widerstand des Substrates und den thermischen Widerstand der Schicht bzw. bei meh­ reren Schichten des gesamten Schichtsystems erfolgt die Entladung des thermischen Kondensators. Dabei bestimmt das Verhältnis des thermischen Widerstandes des Substrates R_A gegenüber dem thermischen Wider­ stand der zu bestimmenden Schicht R_S bzw. den ther­ mischen Widerstand des Schichtsystemes (für diesen Fall ist R_S der Gesamtwiderstand) die Dynamik der Temperaturcharakteristik bei der Variation von Schichtdicke und Leitfähigkeit einer einzelnen Schicht. Im Falle, daß ein Substrat mit hoher Wärme­ leitfähigkeit und demzufolge einem niedrigen thermi­ schen Widerstand R_A im Vergleich zum Widerstand R_S betrachtet wird, wird der Temperaturabfall durch den Schichtwiderstand R_S bestimmt. In diesem Fall sollte ein Lichtimpuls verwendet werden, dessen Impulsdauer t_L klein gegenüber der thermischen Diffusionszeit t_D klein ist. Ist dagegen der thermische Widerstand des Substrates R_A groß gegenüber dem Widerstand der zu bestimmenden Schicht R_S, wird der Temperaturabfall an der Oberfläche des Meßobjektes (Entladung des thermi­ schen Kondensators) durch den thermischen Widerstand des Substrates R_A im wesentlichen bestimmt. Daher ist in diesem Fall die Dynamik des Temperaturabfalls der Meßobjektoberfläche in bezug auf die erfaßbaren Un­ terschiede von Schichtdicke und Leitfähigkeit der Schicht, begrenzt. Bei solchen Verhältnissen ist da­ her bevorzugt die Aufheizung der Oberfläche des Meß­ objektes zu verwenden, die durch den thermischen Wi­ derstand des Substrates R_A nicht beeinflußt wird. Das Verhältnis von Impulsdauer des Lichtimpulses t_L in bezug auf die thermische Diffusionszeit t_D sollte daher zur Erreichung einer maximalen Meßgeschwindig­ keit und Meßdynamik optimiert werden. Die Impulsdauer ist aus diesem Grunde so einzustellen, daß die Diffe­ renz von zwei Temperaturverläufen mit jeweils unter­ schiedlichen Schichtdicken und Leitfähigkeiten maxi­ miert wird.

Bei Systemen mit mehreren Schichten kann die zeitli­ che Temperaturcharakteristik, wie die Entladezeit eines Kondensators, berechnet werden, der mit einem Netzwerk von verschiedenen Widerständen verbunden ist. Hierfür wird jeder Schicht ein ganz bestimmter Widerstand zugeordnet. Mit einem aus dem Netzwerk abgeleiteten Ersatzschaltbild kann der zeitabhängige Entladeverlauf des Kondensators berechnet werden, der der jeweiligen Schicht zuzuordnen ist, von der die thermische Strahlung mit dem photothermischen Detek­ tor erfaßt wird. Normalerweise wird dies die erste Schicht auf der Oberfläche des Meßobjektes sein.

Bei Schichtsystemen, bei denen die oberste Schicht transparent ist, beispielsweise eine Klarlackschicht, erfolgt die Lichtabsorption erst in der zweiten Schicht und die Berechnung muß für diese als zweiten Kondensator bewertete Schicht erfolgen. Sofern die erste Schicht für die Beobachtung der thermischen Strahlung nicht transparent ist, muß dann die Entla­ decharakteristik des thermischen Kondensators der zweiten Schicht entsprechend dem Spannungsabfall am thermischen Widerstand der ersten Schicht berechnet werden. Dazu muß ein Ersatzschaltbild bestimmt wer­ den, das alle thermischen Widerstände der vorkommen­ den Schichten und die thermische Kapazität der zwei­ ten Schicht berücksichtig. So kann für einen solchen Schichtaufbau der zeitabhängige Temperaturverlauf (Spannungsverlauf) bezüglich des thermischen Wider­ standes der ersten Schicht berechnet werden.

Für das Ersatzschaltbild können je nach Aufbau des Schichtsystems und der lokalen Lichtabsorption in diesem Schichtsystem eine Reihen- oder auch eine Par­ allelschaltung von Kondensatoren und Widerständen verwendet werden. Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben wer­ den.

Dabei zeigt

Fig. 1 prinzipiell eine bekannte photothermi­ sche Schichtdickenmessung mit thermi­ schen Wellen;

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild zur Ladung und Entladung eines Kondensators;

Fig. 3 die Entladecharakteristik eines Kon­ densators;

Fig. 4 einen schematischen Aufbau einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 5 schematisiert den Aufbau eines Zwei­ schichtsystems;

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild für den Mehr­ schichtaufbau nach Fig. 5;

Fig. 7 den zeitlichen Temperaturverlauf bei kleiner Lichtimpulsdauer;

Fig. 8 den Temperaturverlauf bei annähernd gleicher Lichtimpulsdauer und Diffu­ sionszeit;

Fig. 9 den Temperaturverlauf bei sehr großer Lichtimpulsdauer;

Fig. 10 den Temperaturverlauf bei einer Schichtkombination einer gut wärmelei­ tenden Schicht mit einer schlecht wär­ meleitenden Schicht;

Fig. 11 den Temperaturverlauf bei einer Kom­ bination von zwei gut wärmeleitenden Schichten und

Fig. 12 einen schematischen Aufbau einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung mit einem Abstandsmeßsystem.

Die Fig. 1 zeigt schematisch ein bekanntes photo­ thermisches Meßverfahren, bei dem moduliertes Licht auf eine auf einem Substrat aufgetragenen Schicht ge­ strahlt wird. Die Absorption der modulierten Licht­ welle erzeugt eine thermische Welle, die durch die Schicht propagiert und an der Grenzfläche Schicht/ Substrat teilweise reflektiert wird. Die reflektierte thermische Welle erzeugt eine zeitliche Modulation der Schichtoberflächentemperatur, die eine Phasenver­ schiebung zur modulierten Lichtwelle aufweist. Im eingeschwungenen Zustand liefert die Phasenverschie­ bung zwischen Lichtwelle und reflektierter thermi­ scher Welle, die gewünschte Schichtdicke. Die Ampli­ tude der reflektierten thermischen Welle ist umso größer je geringer die Kontaktgüte zwischen Schicht und Substrat ist. Zur Bestimmung dieser Parameter ist es jedoch erforderlich, daß ein eingeschwungener Zu­ stand erreicht wird und eine Meßzeit von 1 s erfor­ derlich ist, was für viele Einsatzzwecke zu langsam ist.

Die Fig. 2 ist ein Ersatzschaltbild, bei dem ein einschichtiger Aufbau auf einem Substrat, wie ein elektrischer Kondensator betrachtet wird, der über einen Widerstand entladen wird. Fig. 3 stellt die zeitabhängige Entladecharakteristik des elektrischen Kondensators dar, die dem zeitlichen Abklingen der Oberflächentemperatur der Schicht entspricht, die mit einem Lichtimpuls bestrahlt wurde.

Die Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Meßaufbau, bei dem ein Lichtimpuls von einer Lichtquelle auf die auf einem Substrat 2 aufgebrachte Schicht 3 gestrahlt und die so hervorgerufene Temperaturbeeinflussung mit Hilfe eines thermooptischen Detektors 4 erfaßt wird. Dabei ist der aufgeheizte Bereich 5 der Schicht ge­ strichelt dargestellt. Die Impulsdauer ist im darge­ stellten Fall sehr viel kleiner als die Diffusions­ zeit. Der Durchmesser der Laseranregung (Beleuch­ tungsfleckdurchmesser) ist für ein eindimensionales Diffusionsmodell angepaßt. In der Fig. 5 ist schema­ tisch ein zweischichtiges System dargestellt in dem auf ein Substrat 2 zwei Schichten 3 und 6 aufgetragen sind. Das entsprechende Ersatzschaltbild ist der Fig. 6 zu entnehmen. Dabei sind C₁ und R₁ thermischer Kondensator und Widerstand der Schicht 3 und R₂ ther­ mischer Widerstand der Schicht 6. Die Entladung des "thermischen Kondensators" C₁ erfolgt über die ther­ mischen Widerstände der Schichten 3 (Widerstand R₁), der Schicht 6 (Widerstand R₂) und den thermischen Widerstand des Substrates (Widerstand R_a).

Das in der Fig. 7 dargestellte Diagramm gibt den zeitlichen Temperaturverlauf für den Fall wieder, daß eine sehr kleine Lichtimpulsdauer t_L gegenüber der charakteristischen Diffusionszeit t_D durch kurzzeiti­ ges Ein- und Ausschalten der Lichtquelle oder mit Hilfe eines optoelektronischen Verschlusses einge­ stellt ist. In diesem Fall wird die maximale Tempera­ tur Tmax nach kurzer Zeit erreicht. Weiter ist dieser Darstellung der Zeitpunkt zu entnehmen, an der die maximale Temperatur T₀ auf den Wert T = T₀ _* e^-1 abge­ fallen ist, der zur Charakterisierung der Schicht als geeignete Größe verwendet werden kann.

Die Fig. 8 zeigt in einem Diagramm den Temperatur­ verlauf für den Fall, daß die Lichtimpulsdauer annä­ hernd der Diffusionszeit t_D entspricht.

Bei dem in Fig. 9 gezeigten Temperaturverlauf ist die Lichtimpulsdauer wesentlich größer als die Dif­ fusionszeit t_D.

Bei dem in der Fig. 10 dargestellten Diagramm ist der Temperaturverlauf, bei einem Zweischichtsystem, mit einer Schicht mit guten Wärmeleitwert und einer Schicht mit schlechtem Wärmeleitwert bei kurzer Lichtimpulsdauer, dargestellt. Während der Tempera­ turabfallphase ist eindeutig die Änderung des Krüm­ mungsverlaufes im Temperaturabfall wiedergegeben. Eine logarithmische Auswertung erhöht die Unter­ scheidbarkeit der einzelnen Komponenten des Schicht­ systems (Kurvenanpassung mit 2 Exponenten für die beiden Schichten und einem dritten Exponenten für das Substrat). In gleicher Weise kann eine Polynomanpas­ sung durchgeführt werden.

Die Fig. 11 gibt den Temperaturverlauf bei einem Zweischichtsystem, das aus zwei Schichten mit gutem Wärmeleitwert, mit gleichen Dicken, wie in Fig. 10 gebildet ist, wieder. In der Phase des Temperaturab­ falles ist, die Änderung der Krümmung deutlich gerin­ ger als im Falle der in Fig. 10 dargestellten Kurve und die Temperatur sinkt wesentlich schneller ab.

In der Fig. 12 ist ein schematischer Meßaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, an der das Meßobjekt 7 translatorisch entlang der gestrichelt gezeichneten Linie bewegbar ist. Das photothermische Meßgerät 4 ist in einer translatorisch entsprechend der mit dem Doppelpfeil gezeigten Richtung (senkrecht zur Bewegungsrichtung des Meßobjektes 7) bewegbaren Einrichtung 8 aufgenommen und kann mit deren Hilfe auf das Meßobjekt 7 zu oder von diesem weg bewegt werden, um einen konstanten Meßabstand zwischen pho­ tothermischen Meßgerät 4 und Meßobjekt 7 einhalten zu können. Die Regelung erfolgt mit einem Abstandsmeßge­ rät 9, das bevorzugt auf optischem Wege den Abstand erfaßt. Die Meßstrahlen von optischem Abstandsmeßge­ rät und photothermischen Meßgerät mit anregendem Lichtimpuls und registrierendem photothermischen De­ tektor sind mit einer Punkt-Strich-Linie gekennzeich­ net. Die Meßsignale (gepunktete Linien) des Abstands­ meßgerätes 9 werden über einen Controller 10 zur Re­ gelung des Antriebes 8 der Einrichtung gegeben wer­ den. Die gepunktete Linie vom photothermischen Meßge­ rät 4 zum Controller 10 gibt wieder, daß auch die momentane Position des photothermischen Meßgerätes 4 vom Controller 10 erfaßt und für die Regelung des Antriebes benutzt wird. Mit dieser Regelung des Ab­ standes von Meßobjekt 7 und photothermischen Meßgerät 4 kann die Meßgenauigkeit auch bei gekrümmten Meßob­ jekten 7 oder bei ansonsten hervorgerufenen Abstands­ änderungen auf einem hohen Niveau gehalten werden. Die Richtung der Datenübermittlung ist bei den ge­ punktet dargestellten Verbindungen mit Pfeilen ge­ kennzeichnet. Die vom Controller 10 ausgebbaren Daten können für eine Auswertung, beispielsweise in stati­ stischer Form und/oder direkt für die aktive Beein­ flussung des Beschichtungsverfahrens verwendet wer­ den, um auf Beschichtungsfehler zu reagieren und die Beschichtung optimal an den Sollwerten zu halten.

Claims (15)

1. Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke bzw. Schichtdicken, der thermischen Leitfä­ higkeit(en) und/oder der Schichtkontaktgüte von auf Substraten aufgetragenen Schichten bzw. Schicht-Systemen mit photothermischen Mitteln, bei dem Licht auf die zu bestim­ mende Schicht gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht gepulst auf die Schicht ge­ strahlt und der zeitabhängige Temperaturan­ stieg, Temperaturabfall und/oder die maxi­ male Amplitude photothermisch mit einem Detektor gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der gemessene zeitliche Tem­ peraturverlauf mit empirisch ermittelten Temperaturverläufen, die in einer Wissens­ basis gespeichert sind, einem Soll-/Ist­ wertvergleich unterzogen werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Lichtimpulses variiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand Meßobjekt, Lichtquelle und Detektor gemes­ sen und geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestim­ mung zweier Schichten mit unterschiedlicher Dicke und/oder Material oder einer Einzel­ schicht und dem Substrat, die Impulsdauer für die zwei Schichten oder der Einzel­ schicht und des Substrates verschieden ein­ gestellt wird, in der Weise, daß die Diffe­ renz der Temperaturverläufe maximal wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Licht mit einer Wellenlänge verwendet wird, bei der die op­ tische Eindringtiefe D_E gegenüber der zu messenden Schichtdicke D_S klein ist.

7. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur­ anstieg und/oder der Temperaturabfall loga­ rithmisch oder mit einer Polynomanpassung ausgewertet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen thermischen Werte, wie elektrische Parame­ ter bei der Ladung und Entladung eines elektrischen Kondensators ausgewertet wer­ den.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteri­ stische Größe die Zeit, bei der die maxima­ le Temperatur T₀ nach Ende des Lichtimpul­ ses auf eine Temperatur T = T₀ _* e^-1 abge­ fallen ist, für die Auswertung ausgewertet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl­ durchmesser und der Detektionsbereich, eine Auswertung mit Hilfe der Fickschen Gleichungen ermöglichend, aufeinander abge­ stimmt werden.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gepulste Lichtquelle (1), Licht bekannter Wellenlänge auf ein Meßobjekt (2) richtet und der bestrahlte Bereich des Meß­ objektes (2) mit einem photothermischen Detektor (3) z. B. einem thermischen Strah­ lungsdetektor erfaßbar ist, wobei die Meß­ werte einer Auswerteeinheit zur Durchfüh­ rung eines Vergleiches zuführbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Abstandsmeßsystem (4) mit dem photothermischen Detektor (3) so verbunden ist, daß der Abstand des photo­ thermischen Detektors (3) zum Meßobjekt (1) mit Hilfe einer Regelung konstant haltbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) breitbandig ist und eine spektrale Fil­ terung aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet daß, die Lichtquelle (1) ein ge­ pulster Laser ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Licht­ impulsdauer einstellender elektrooptischer Verschluß vorhanden ist.