DE19814056A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung optischer Parameter von optischen Schichten - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung optischer Parameter von optischen SchichtenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von optischen Parametern, insbesondere der absoluten Schichtdicke, mindestens einer transparenten Schicht. Eine Lichtaussendeeinrichtung (1, 2) sendet einen zumindest teilweise kohärenten Lichtstrahl aus, und eine Winkelspektrum-Erzeugungseinrichtung (3) erzeugt ein Bündel (W) von Strahlen, die jeweils unter einem unterschiedlichen Winkel (THETA¶0¶ + DELTATHETA) auf mindestens einen Meßpunkt (A) auf der Oberfläche einer Schichtanordnung (4) auftreffen. Eine Auswerteeinrichtung (7) wertet ein Interferenzspektrum (I) der von der Schichtanordnung (4) reflektierten und/oder transmittierten Strahlen aus. Mittels der Erzeugung eines Interferenzmusters (I) durch ein Winkelspektrum von Strahlen lassen sich Schichtdicken im Mikrometerbereich bis hin zu einigen Zentimetern lediglich durch die Kohärenzlänge des Lichtstrahls (6) begrenzt messen. Die Erfindung kann für transparente und nicht-transparente Schichten als auch absorbierende Schichten verwendet werden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Bestimmung von optischen Parametern, insbesondere der absoluten
Schichtdicke, mindestens einer optischen Schicht. Die Erfindung
betrifft insbesondere die Bestimmung von optischen Parametern
von einer oder mehreren optischen Schichten in einer
berührungslosen Weise, nämlich durch Einstrahlung von Licht auf
die Oberfläche der mindestens einen optischen Schicht, wobei
die optischen Parameter für beliebige Schichtdicken bestimmt
werden, insbesondere auch für Fälle, bei denen die
Schichtdicken Werte annehmen, die weit über der verwendeten
Lichtwellenlänge liegen.
Das Problem der Bestimmung von optischen Parametern von
einzelnen optischen Schichten stellt sich in vielerlei
Bereichen. Beim Sputtern oder Aufdampfen von Schichten für
optische Komponenten wie Wellenlängen-Multiplexfilter ist
beispielsweise die Dicke und der Brechungsindex der einzelnen
Schichten von Interesse. Bei der Plasmabeschichtung ist es
erforderlich, genaue Kenntnis über die Dicke der Beschichtung
zu erhalten. In der biochemischen Sensorik ist insbesondere die
Kenntnis über Brechungsindexänderungen an einer Grenzschicht
zwischen zwei optischen Schichten der ausschlaggebende
Parameter. Ferner ist der komplexe Brechungsindex, der die
Absorption des verwendeten Materials charakterisiert, sowie die
Dispersion des Materials, d. h. die Wellenlängenabhängigkeit des
Brechungsindex des Materials, ein wichtiger optischer
Parameter, der durch die Vorrichtung und/oder das Verfahren
bestimmt werden sollen.
Da insbesondere die Schichtdickenmessung eine zentrale
Bedeutung bei vielerlei Herstellungstechnologien darstellt,
sind bislang schon verschiedene Techniken zum Bestimmen der
Schichtdicke entwickelt worden, die zum Teil von H. Hermann in
"Schichtdickenmessung", Oldenburg-Verlag, 1993 zusammengefaßt
worden sind. Abgesehen von berührend messenden Verfahren sind
hier Verfahren offenbart, die auf der Verwendung von
Röntgenstrahlen oder radioaktiven Strahlen beruhen. Der mit
derartigen Verfahren verbundene Aufwand hinsichtlich der
Schutzvorkehrungen schließt eine breitere Anwendung aus.
Die DE 31 13 025.9 offenbart ein berührungslos arbeitendes
Verfahren unter Verwendung von Ultraschall. Das
Anwendungsgebiet ist jedoch auf dickere Schichten mit
bestimmten Materialeigenschaften beschränkt, bei denen die
Ultraschallauswertung verwendet werden kann.
Für die Bestimmung von Schichtdicken sehr dünner Schichten im
µm-Bereich und darunter wird das bekannte Verfahren der
Ellipsometrie verwendet, das ein relativ genaues und weit
entwickeltes Verfahren für die Dickenmessung ist. Die
Ellipsometrie beruht auf der Bestrahlung der Schichten mit
Strahlen unterschiedlicher (TE/TM) Polarisation, wobei die
Schichtdicken aufgrund der unterschiedlichen Reflexion
verschiedener Wellenlängen und Polarisationen ausgewertet wird.
Bei dicken Schichten ist eine zuverlässige Auswertung der
Meßsignale wegen deren Mehrdeutigkeit schwierig. Zudem ist der
apparative Aufwand für die Ellipsometrie sehr hoch, so daß ein
wirtschaftlicher Einsatz oft nicht möglich ist.
Ferner ist bekannt, die Dicke transparenter Medien, deren
Absorption in einem bestimmten Bereich liegt, über
Transmissionsmessungen zu bestimmen. Der Anteil einer bekannten
eingestrahlten Intensität, der die Schicht durchdringt, liefert
über einen exponentiellen Zusammenhang die Schichtdicke.
Andere bekannte Verfahren basieren auf der Verwendung des
Interferenzeffekts von elektromagnetischen Wellen. Die DE 44 25 178.5
beschreibt ein spektrales Intensitätsmeßverfahren, das
auf der Interferenz einer eingestrahlten Lichtquelle an der
Oberfläche einer Meßschicht beruht. Hier wird die optische
Schicht mit Weißlicht (d. h. mit Licht, welches sämtliche
Wellenlängen umfaßt) bestrahlt. Durch die Interferenz treten
bei der spektalen Zerlegung des reflektierten Lichts
Intensitätsmaxima bei einzelnen Wellenlängen auf. Aus der
Anzahl der Lage dieser Maxima wird die Schichtdicke bestimmt.
Zwar ist hier der apparative Aufwand auf der Senderseite gering
(es kann eine einfache Weißlichtlampe verwendet werden), jedoch
ist die Kohärenzlänge auf etwa die Lichtwellenlänge beschränkt,
so daß nur sehr dünne Schichten im Mikrometerbereich vermessen
werden können. Da sämtliche Wellenlängen gleichzeitig
eingestrahlt werden, um über die Interferenz Intensitätsmaxima
bei einzelnen Wellenlängen zu erhalten, berücksichtigt dieses
Verfahren vom Prinzip her die Dispersion (d. h. die
Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex) des Materials der
zu vermessenden optischen Schicht nicht. Somit können
insbesondere Änderungen im Brechungsindex mit diesen bekannten
Verfahren nicht festgestellt werden. Aufgrund der geringen
Kohärenzlänge ist es insbesondere schwierig, Vielfachschichten
zu vermessen, deren Gesamtdicke weit über den Mikrometerbereich
hinausgeht.
Ferner wurden interferometrische Verfahren zur Kontrolle der
Gleichmäßigkeit einer Schichtdicke verwendet, wie die DE 35 09 512.1
und die DE 33 45 89.9 offenbaren.
Wie voranstehend erläutert sind bekannte Verfahren zur
Vermessung von Schichtdicken vorgeschlagen worden, wobei selbst
die bekannten interferometrischen Verfahren einige
Grundeigenschaften der Schichtmaterialien nicht bestimmen
können. Die Verfahren sind hinsichtlich der Schichtdicke als
auch der bestimmbaren Parameter beschränkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
- - eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die kostengünstig und in einfacher Weise hochgenau Parameter von transparenten Schichten vermessen können, insbesondere die absolute Schichtdicke von Schichten, deren Dicke weit über dem Mikrometerbereich hinausgeht.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1
gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß
Anspruch 13 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine optische Schicht oder eine Vielzahl
von optischen Schichten mit einem Strahlenbündel kohärenter
Lichtstrahlen bestrahlt. Das heißt, ein Punkt auf der
Oberfläche der transparenten Schicht wird gleichzeitig oder
zeitlich versetzt mit Lichtstrahlen bestrahlt, die unter einem
jeweils anderen Einfallswinkel auf die Oberfläche eintreffen.
Die reflektierte Intensität wird dann lokal aufgelöst
detektiert. Durch die unterschiedlichen Strahlenwege der
einzelnen Bereiche des Strahls wird über die Phasendifferenzen
eine räumliche Modulation des reflektierten Lichts bewirkt. Da
die Bestrahlung der optischen Schicht nur mit einer Wellenlänge
ausreicht, um die Schichtdicke zu bestimmen, ist die
Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung unabhängig
von der Dispersion des für die Schichten verwendeten Materials.
Da kohärentes Licht verwendet werden kann, können nicht nur
sehr dünne Schichten im Mikrometerbereich, sondern auch dicke
transparente Platten im Zentimeterbereich und darüber vermessen
werden. Die Vorrichtung und das Verfahren stellen eine on-Line-
fähige Messwerterfassung bei einer Meßauflösung im
Mikrometerbereich bereit.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Lichtaussendeeinrichtung umfaßt vorzugsweise einen Laser
und die Winkelspektrum-Erzeugungseinrichtung umfaßt
vorzugsweise eine Abbildungsoptik wie z. B. eine einzelne
Kollimationslinse, die den Laserstrahl auf den Punkt auf der
Oberfläche fokussiert. In vorteilhafter Weise kann zusätzlich
eine Strahldurchmesser-Änderungseinrichtung vorgesehen sein,
die den Durchmesser des Strahls vor Auftreffen auf die
Kollimationslinse ändert. Damit kann eine zusätzliche
Modulation bereitgestellt werden, aufgrund dessen weitere
Information über die Parameter der Schichten durch die
Auswertung des dann auf der Auswerteeinrichtung auftretenden
Interferenzmusters ermittelt werden kann.
Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und zur Herabsetzung der
Störempfindlichkeit der Messungen kann die
Lichtaussendeeinrichtung einen Polarisationsfilter umfassen.
Damit können auch polarisationsabhängige Effekte in den
Schichten untersucht werden.
Anstelle der Verwendung einer Kollimationslinse kann die
Winkelspektrum-Erzeugungseinrichtung auch eine Einrichtung
umfassen, die bewirkt, daß der Einfallswinkel des von einem
Laser ausgesendeten Lichtstrahls kontinuierlich über der Zeit
verändert wird, wodurch der mindestens eine Punkt auf der
Oberfläche der optischen Schicht wiederum mit dem
Winkelspektrum bestrahlt wird.
Wenn nur eine Wellenlänge verwendet wird, so ist das Verfahren
und die Vorrichtung unabhängig von der Dispersion der
verwendeten Materialien. Jedoch kann die erfindungsgemäße
Einstrahlung des Winkelspektrums auch mit der eingangs
beschriebenen Weißlicht-Technologie kombiniert werden. Es
können nämlich mehrere, z. B. auch kohärente, aber in sich
monochromatische Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge,
gleichzeitig als Winkelspektrum auf den Punkt auf der
Oberfläche der Schicht eingestrahlt werden, wobei bei der
Auswertung des Interferenzmusters die Dispersion des Materials
ermittelt werden kann.
Bestimmte optische Parameter wie Brechungsindexänderungen,
Schichtdicken und die Dispersion können durch Einstrahlen des
Winkelspektrums auf einen einzelnen Punkt auf der Oberfläche
der optischen Schicht ermittelt werden. Vorzugsweise kann
jedoch ein Zeilen- oder Flächenarray von Meßpunkten vorgesehen
werden, wobei die Zeile oder die Fläche gleichzeitig an
mehreren Punkten mit dem Winkelspektrum bestrahlt wird. Damit
ist es möglich, Inhomogenitäten der zu messenden Schichtdicke
und/oder des Brechungsindex und/oder des Absorptionsindex über
eine Linie bzw. eine Fläche exakt zu erfassen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand ihrer Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1a eine Prinzipskizze der Erfindung zur Bestimmung von
Parametern von transparenten Schichten;
Fig. 1b eine Schichtanordnung bestehend aus mehreren
Schichten, die mit der Anordnung aus Fig. 1a
vermessen werden können;
Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung der Entstehung von
Interferenzmustern gemäß der Erfindung;
Fig. 3 ein Interferenzmuster, das mit der in den Fig. 1, 2
gezeigten Vorrichtung auf der Auswerteeinrichtung
entsteht;
Fig. 4 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur
Bestimmung von optischen Parametern gemäß der
Erfindung; und
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum
Bestimmen von optischen Parametern von Schichten
gemäß der Erfindung.
Überall in der Zeichnung bezeichnen gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile oder Schritte.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1a, 1b, 2 wird zunächst das der
Erfindung zugrunde liegende Prinzip erläutert.
Eine Lichtaussendeeinrichtung 1, 2 in Fig. 1a sendet einen
zumindest teilweise kohärenten Lichtstrahl 6 mit einer
vorgegebenen oder variierbaren Wellenlänge λ und einem
vorgegebenen Strahldurchmesser D aus. Die Winkelspektrum-
Erzeugungseinrichtung 3 erzeugt aus dem ausgesendeten
Lichtstrahl 6 ein Strahlenbündel bestehend aus einem
Winkelspektrum W von Lichtstrahlen, die die Oberfläche der
optischen Schicht 4 an einem Punkt A bestrahlen. Jeder Strahl
des Winkelspektrums hat einen unterschiedlichen Einfallswinkel
θ0 ± Δθ. Die Schicht 4 kann freitragend sein oder sich auf
einem Substrat 5 befinden, wie in Fig. 1a, 1b gezeigt. Ferner
kann die optische Schicht 4 eine Vielzahl von optischen
Schichten 4 1, 4 2, 4 3 . . . 4 n mit jeweils unterschiedlicher Dicke
und Brechungsindex umfassen.
Eine Auswerteeinrichtung 1 empfängt die von der Oberfläche der
mindestens einen optischen Schicht 4 reflektierten
Lichtstrahlen und bestimmt die optischen Parameter der
einzelnen Schicht oder der mehreren Schichten durch Auswerten
eines Interferenzmusters der reflektierten Lichtstrahlen.
Fig. 2 zeigt die Entstehung von reflektierten Strahlen R1, R2,
R3, R4 . . . Rn bzw. transmittierten Strahlen T1, T2, T3, T4,
. . .. Tn für einen beispielhaften einfallenden Strahl E0, 6 des
Winkelspektrums, der auf eine optische Schicht 4 mit der Dicke
d und dem Brechungsindex n2 einfällt. In Fig. 2 wird eine frei
tragende Schicht 4 angenommen, wobei der Brechungsindex des
umgebenden Mediums n1 ist. Jedoch, wie in Fig. 2 auch
angedeutet, kann die Schicht 4 auf einem Substrat 5 vorgesehen
ein. Obwohl Fig. 1a, 1b die erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Auswertung eines Interferenzmusters I auf Grundlage der
reflektierten Teilstrahlen zeigt, ist es ebenfalls möglich, ein
Interferenzmuster von transmittierten Strahlen auszuwerten. Die
Verwendung der reflektierten Strahlen wird bevorzugt, wenn
Messungen von Schichten auf nicht transparenten Substraten
erforderlich sind. Dämpfungen des Lichts in der Schicht stören
die Auswertungen des Meßsignals bis zu einer gewissen Grenze
nicht. Die Grenze ist gegeben durch die Modulationshöhe des
periodischen Signals auf einem konstanten Untergrund. Das
Verhältnis bei der Modulationshöhe wird bestimmt durch das
Amplitudenverhältnis der Strahlen R1/R2 und durch
Fremdlichteinflüsse.
Während Fig. 2 lediglich die Reflektion und Transmission für
einen einzelnen Lichtstrahl E0, 6 des Strahlbündels des
Winkelspektrums darstellt, werden erfindungsgemäß jedoch
mehrere Strahlen E0 unter verschiedenen Winkeln gleichzeitig
auf den Punkt A eingestrahlt. Durch die unterschiedlichen
Strahlwege der einzelnen Bereiche der Strahlen kommt es über
Phasendifferenzen zu einer räumlichen Modulation des
reflektierten Lichts. Die Modulationsfrequenz hängt von der
Schichtdicke und den geometrischen Dimensionen des Meßaufbaus
ab. Durch eine Anpassung dieser Dimension kann die Vorrichtung
einfach auf den geforderten Meßbereich abgestimmt werden. Der
Zusammenhang zwischen der räumlichen Modulationsfrequenz und
der Schichtdicke kann vorab über die Fresnel'schen Gleichungen
erhalten werden. Eine quantitative Messung wird über die
Eingabe der geometrischen Dimensionen der Meßvorrichtung oder
über eine einmalige Kalibrierung realisiert. Der Meßbereich für
die Dicke d liegt zwischen einigen Mikrometern bis zu vielen cm
und ist lediglich durch die Kohärenzlänge des von der
Lichtaussendeeinrichtung 1, 2 ausgesendeten Lichtstrahls 6
begrenzt.
Die Auswerteeinrichtung 7 wertet ein Interferenzmuster I auf
Grundlage der reflektierten und/oder transmittierten Strahlen
aus. Fig. 3 zeigt ein derartiges Interferenzmuster I, so wie es
auf der Auswerteeinrichtung auftritt. Da die Beleuchtung der
Oberfläche unter einem definierten Einfallswinkelbereich θ0 ± Δθ
erfolgt, wird auch der entsprechende Winkelbereich in dem
reflektierten bzw. transmittierten Strahl ausgeleuchtet, so daß
ein Interferenzmuster I im Bereich x auf der
Auswerteeinrichtung 7 auftritt (siehe Fig. 3).
Wie voranstehend erwähnt, bilden die reflektierten Strahlen und
auch die transmittierten Strahlen jeweils ein Interferenzmuster
I, welches zur Auswertung von der Auswerteeinrichtung 7
herangezogen werden kann. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann die
Auswerteeinrichtung 7 jedoch die Interferenzmuster auf
Grundlage der reflektierten Strahlen als auch der
transmittierten Strahlen verwenden (sofern die Schichtanordnung
4 freitragend ist oder das Substrat 5, auf dem die
Schichtanordnung 4 vorgesehen ist, transparent ist). Deshalb
sollte die Erfindung nicht auf die in Fig. 1a dargestellte
Anordnung beschränkt angesehen werden, d. h. die
Auswerteeinrichtung 7 kann auch an einer Stelle vorgesehen
werden, an der sie die transmittierten Strahlen und/oder die
reflektierten Strahlen bzw. deren Interferenzmuster auswertet.
Die Auswerteeinrichtung 7 zur Aufnahme des räumlichen
Interferenzmusters I kann vorzugsweise einen ortsauflösenden
Detektor wie beispielsweise ein Dioden- oder CCD (Charge
Coupled Device) -Array (ladungsgekoppelte Einrichtung)
umfassen. Die Bestimmung der Parameter, z. B. der Schichtdicke
oder des Brechungsindex, wird auf Grundlage des Zusammenhangs
zwischen dem Abstand der Auswerteeinrichtung 7 von dem
Reflektionspunkt A bzw. dem Abstand x der Einzelmaxima bzw. der
Frequenz des Signals über bekannte Algorithmen (z. B. Wavelet-
Transformationen) bestimmt. Die absoluten Intensitäten sind bei
dem Interferenzmuster I in Fig. 3 für die Auswertung von
keinerlei Bedeutung, da nur die Phase des Signals ausgewertet
wird. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung und das
erfindungsgemäße Verfahren stabil in Bezug auf
Intensitätsschwankungen und Fremdlichteinflüsse. Durch die
Interferenz an dem Schichtsystem ist das erfindungsgemäße
Verfahren im Gegensatz zu vielen anderen interferometrischen
Verfahren unempfindlich gegenüber Erschütterungen. Die
Meßauflösung kann einfach über eine geometrische Skalierung der
Meßanordnung, der Meßaufgabe angepaßt werden.
Während sich die Schichtdicke aufgrund der Auswertung der Lage
der Maxima in dem Interferenzmuster I errechnen läßt, erfolgt
die Bestimmung des Brechungsindex n durch den Vergleich einer
simulierten Intensitätskurve mit dem aufgenommenen
Interferenzmuster I. Durch diese zusätzliche Information kann
das erfindungsgemäße Verfahren auch bei unbekannten oder sich
ändernden optischen Eigenschaften des Schichtmaterials
eingesetzt werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß das sinusförmige
Interferenzmuster I in Fig. 3 lediglich ein Beispiel darstellt
und im allgemeineren Fall keine Sinusfunktion aufweist. Die
Form des Interferenzmusters I hängt von der Wellenlänge, dem
Einstrahlungswinkelbereich θ0 ± Δθ und dem Verhältnis der
einzelnen beteiligten Brechunsindices der Medien des
Schichtsystems ab. Die Auswertung des Interferenzmusters I wird
vorzugsweise über Wavelet- bzw. Fourier-Transformationen
ausgeführt, um zusätzliche Information über die einzelnen
Schichten 4 zu erhalten. Die Auswertung des Interferenz- bzw.
Reflexionsmusters I über die Fresnel'schen Gleichungen und die
geometrischen Zusammenhänge der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind einem Durchschnittsfachmann bekannt und werden hier zur
Übersichtlichkeit nicht weiter ausgeführt.
Wie voranstehend erwähnt, wird bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Lichtstrahl
6 ausgesendet, der kohärentes Licht einer Wellenlänge umfaßt.
Der Vorteil gegenüber einer breitbandigen Einstrahlung (wie bei
dem Weißlicht-Verfahren) besteht darin, daß die Vorrichtung
unabhängig von der Dispersion des Mediums wird. In
vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung und
das Verfahren jedoch aktiv verwendet werden, um die Dispersion
der Schichtmaterialien zu ermitteln, indem die
Einstrahlungswellenlänge des Lichtstrahls 6 verändert wird.
Wenn dabei die Änderung des Interferenzmusters I ausgewertet
wird, so lassen sich Rückschlüsse auf die Dispersion des
Materials ziehen. Da jedoch die Kohärenzlänge des Laserstrahls
groß ist, gestattet das erfindungsgemäße Verfahren und die
Vorrichtung die Messung von dicken transparenten Platten.
In vorteilhafter Weise ist es ferner möglich, gleichzeitig mit
mehreren Wellenlängen ein Winkelspektrum auf den Punkt A
einzustrahlen, wobei dann die Auswerteeinrichtung 7 eine
wellenselektive Auswertung von Interferenzmustern I vornimmt.
Obwohl die Bestrahlung eines Punkts A auf der Oberfläche der
Schicht 4 oder der Schichten ausreicht, um die optischen
Parameter zu ermitteln, kann in vorteilhafter Weise bei
bestimmten Ausführungen der Winkelspektrum-
Erzeugungseinrichtung eine zeilen- oder flächenartige
Bestrahlung an einer Vielzahl von Punkten vorgenommen werden.
Damit können auch Inhomogenitäten der zu messenden Schichtdicke
(z. B. Oberflächenvariationen), des Brechungsindex oder des
Absorptionsindex über eine Fläche bzw. eine Linie exakt erfaßt
werden.
Während auf der Einfallsseite zusätzlich die Winkelspektrum-
Erzeugungseinrichtung 3 vorgesehen werden muß, um das
Winkelspektrum W zu erzeugen, ist die Auswertung mit der
Auswerteeinrichtung 7 einfach, z. B. mittels CCD- (charge
coupled device) Diodenzeile und erlaubt kurze Meßzeiten. Durch
die einfache Auswertung, die on-line vor sich gehen kann, ist
die Vorrichtung und das Verfahren kostengünstig und einfach
anwendbar.
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Fig. 4, 5 erläutert.
In Fig. 4 umfaßt die Lichtaussendeeinrichtung 1 typischerweise
eine kohärente monochromatische Lichtquelle, vorzugsweise einen
Laser, der einen Lichtstrahl 6 mit vorgegebenem Durchmesser D
und vorgegebener Wellenlänge λ ausstrahlt. Ein typischer
Strahldurchmesser D des ausgesendeten kohärenten Lichtstrahls 6
liegt im Bereich zwischen 1 mm < D < 10 mm. Die Wellenlänge λ
des Laserlichts kann vorzugsweise λ = 0,63 µm sein (HeNe-
Laser), wobei auch andere Wellenlängen möglich sind. Wie in
Fig. 4 gezeigt, wird die Winkelspektrum-Erzeugungseinrichtung 3
durch eine Abbildungsoptik 3 gebildet, die auf den Punkt A auf
der Oberfläche der optischen Schicht 4 den Laserstrahl
fokussiert. Vorzugsweise handelt es sich bei der
Abbildungsoptik um eine Kollimationslinse 3. Die
Haupteinfallsrichtung des Mittenstrahls ist mit θ0
gekennzeichnet, wobei sich das Winkelspektrum in Abhängigkeit
vom Durchmesser und/oder der Brennweite der Linse 3 und der
Größe des Strahldurchmessers D im Bereich zwischen θ0 - Δθ und
θ0 + Δθ (typische bevorzugte Winkel sind θ0 = 45° und Δθ = 15°)
bewegt. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit und für eine
Vereinfachung der Auswertung kann ein Polarisationsfilter 2 in
dem Lichtstrahl 6 angeordnet sein, wie schematisch in Fig. 1a
angedeutet. Die Auswerteeinrichtung 7 in Fig. 4 kann ein
Dioden- oder CCD-Array sein, das das Interferenzmuster I der
reflektierten Strahlen, wie in Fig. 3 gezeigt, aufnimmt.
Die in Fig. 4 schematisch dargestellte Strahldurchmesser-
Änderungseinrichtung 8 kann zusätzlich zur Änderung des
Strahldurchmessers D des ausgesendeten Laserstrahls 6 verwendet
werden. Da die Änderung des Durchmessers D des Laserstrahls 6
die Form des Interferenzmusters I beeinflußt - der
Winkelbereich des Winkelspektrums W wird größer oder kleiner
kann durch die Strahldurchmesser-Änderungseinrichtung 8 eine
zusätzliche Information über die optische Schicht 4 erzeugt
werden. Die Strahldurchmesser-Änderungseinrichtung 8 kann in
vorteilhafter Weise den Strahldurchmesser D periodisch ändern,
so daß eine bestimmte Modulation in dem. Interferenzmuster I
auftritt. Eine Ausführungsform der Strahldurchmesser-
Änderungseinrichtung 8 ist eine Lochblende mit veränderbarem
Durchmesser.
Obwohl in Fig. 4 nur ein Strahl 6 mit einer vorgegebenen
Wellenlänge λ dargestellt ist, kann die
Lichtaussendeeinrichtung 1 gleichzeitig mehrere Strahlen
unterschiedlicher Wellenlänge aus senden und über die
Kollimationslinse 3 auf den Messpunkt A fokussieren. Die
Strahldurchmesser-Änderungseinrichtung 8 kann dabei getrennt
für jede Wellenlänge eine Strahldurchmesseränderung vornehmen.
Gleichzeitig kann die Intensität der einzelnen Wellenlängen
geändert werden. Derartige Intensitäts- und
Durchmessermodulationen können in dem Interferenzmuster I
weitere Information über die Schichten 4 bereitstellen.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung. Hier wird wiederum eine Lichtquelle 1 verwendet,
die einen kohärenten Lichtstrahl 6 vorgegebenen Durchmessers D
erzeugt. Die Winkelspektrum-Erzeugungseinrichtung 3 ändert den
Einfallswinkel des ausgesendeten Lichtstrahls 6, was in Fig. 5
mit den verschiedenen Positionen a, b, c der Lichtquelle 1
angedeutet ist. Natürlich ist hier der Strahldurchmesser D der
Lichtquelle 1 kleiner als der Strahldurchmesser D in Fig. 4.
Die Winkelspektrum-Erzeugungseinrichtung 3 kann jedoch auch
eine Anordnung von Umlenkspiegeln umfassen, die den einzelnen
Laserstrahl 6 unter verschiedenen Winkeln über der Zeit auf den
Punkt A fokussiert aufstrahlen. Bei der in Fig. 5 gezeigten
Vorrichtung kann eine zeitliche Modulation der räumlichen
Modulation hinzugefügt werden, um über die Auswertung des
Interferenzmusters I weitere Informationen über die Parameter
der Schichtanordnung 4 zu erhalten.
Ferner können in Fig. 5 mehrere Lichtquellen 1 mit
unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, wobei jeder
ausgesendete Lichtstrahl eine Winkeländerung durch die
Winkelspektrum-Erzeugungseinrichtung 3 erfährt.
Die Vorrichtung und das Verfahren zur Messung von
Schichtdicken, insbesondere transparenter Medien, läßt sich in
sämtlichen Technologien anwenden, bei denen die Bestimmung von
optischen Parametern von Schichten erforderlich ist,
beispielsweise im Flugzeugbau bei der Beschichtung von Turbinen
oder in der optischen Nachrichtentechnik bei der Herstellung
von optischen Schichten, Wellenleitern oder optischen
Komponenten sowie in der Plasmatechnologie, wo es um
Oberflächenbeschichtungen bzw. Oberflächenveredelungen geht.
Der Anwendungsbereich der Erfindung ist lediglich durch die
Kohärenzlänge des Lichts begrenzt. Somit lassen sich Schichten
in einem breiten Bereich messen, vom Mikrometerbereich bis hin
zu mehreren Zentimetern in Abhängigkeit von der Wellenlänge des
verwendeten Lichts und der Kohärenzlänge der verwendeten
Lichtquelle. Somit kann die Erfindung in sehr viel breiteren
Anwendungsgebieten wie an das eingangs beschriebene Weißlicht-
Verfahren angewendet werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auf keine der hier
beschriebenen Ausführungsformen beschränkt wird und daß dem
Durchschnittsfachmann weitere Änderungen und Modifikationen der
Erfindung auf Grundlage der hier dargelegten Lehren
offensichtlich sein werden. Deshalb ist nicht beabsichtigt, die
Erfindung auf die speziell hier offenbarten Ausführungsformen
zu beschränken, sondern der Umfang der Erfindung wird durch den
Schutzbereich der hier angefügten Patentansprüche bestimmt.
Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der Klarheit
und schränken den Umfang der Erfindung nicht ein.
Claims (21)
1. Vorrichtung zur Bestimmung von optischen Parametern (d, n),
insbesondere der absoluten Schichtdicke (d) und der
komplexe Brechungsindex n = n - jα, mindestens einer
transparenten Schicht (4 1, 4 2, 4 3. . .4 n), umfassend:
- a) eine Lichtaussendeeinrichtung (1, 2, 8; 1a, 1b, 1c) zur Aussendung mindestens eines zumindest teilweise kohärenten Lichtstrahls (6) mit vorgegebener Wellenlänge (λ) und vorgegebenem Strahldurchmesser (D);
- b) eine Winkelspektrum-Erzeugungseinrichtung (8) zur Erzeugung eines Winkelspektrum-Lichtstrahlbündels (6 1, 6 2, 6 3) auf Grundlage des mindestens einen Lichtstrahls (6) zur Bestrahlung mindestens eines Punkts (A) auf der Oberfläche der mindestens einen transparenten Schicht (4) mit einem Winkelspektrum (W) von Lichtstrahlen (6 1, 6 2, 6 3) unter verschiedenen Winkeln (θ0 ± Δθ) bei variabel einstellbaren Mittenwinkel (θ0); und
- c) eine Auswerteeinrichtung (7) zum Empfang der von der Oberfläche der mindestens einen optischen Schicht (4) reflektierten und/oder transmittierten Lichtstrahlen (R1, R2, R3, R4, . . ., Rn) und zur Bestimmung der optischen Paramter (d, n) durch Auswerten des Interferenzmusters (I) der reflektierten und/oder transmittierten Lichtstrahlen (R1, R2, R3, R4, . . ., Rn).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtaussendeeinrichtung (1) einen Laser (1) umfasst
und die Winkelspektrum-Erzeugungseinrichtung (3) eine
Abbildungsoptik (3) umfasst, die den vom Laser (1)
ausgesendeten Laserstrahl (6) auf den Punkt (A) auf der
Oberfläche fokussiert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtaussendeeinrichtung (1) einen Laser (1) umfasst
und die Winkelspektrum-Erzeugungseinrichtung (3) eine
Winkeländerungs-Einrichtung (3) umfasst, die den vom Laser
(1) ausgesendeten Lichtstrahl (6) unter verschiedenen
Winkeln (θ0 ± Δθ) auf den Punkt (A) aus der Oberfläche
einstrahlt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtaussendeeinrichtung (1) ein Polarisationsfilter
(2) umfasst.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtaussendeeinrichtung (1, 8) eine
Strahldurchmesser-Änderungseinrichtung (8) zur Änderung
des Strahldurchmessers (D) des ausgesendeten Laserstrahls
(6) umfasst.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtaussendeeinrichtung (1) ein Vielzahl von Lasern
(1a, 1b, 1c) umfasst und das Winkelspektrum-Strahlbündel
(6 1, 6 2, 6 3) erzeugt wird, indem die von der Vielzahl von
Lasern (1) ausgesendeten Lichtstrahlen unter verschiedenen
Winkeln und bei verschiedenen Wellenlängen λ1 . . . λi . . .
λn auf den Punkt (A) eingestrahlt werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswerte-Einrichtung (7) ein Dioden- oder CCD-Array
umfasst.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtaussendeeinrichtung (1) mehrere Lichtstrahlen
gleicher Wellenlänge (λ) aussendet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtaussendeeinrichtung (1) mehrere Lichtstrahlen
unterschiedlicher Wellenlänge (λ) aussendet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Winkelspektrum-Erzeugungseinrichtung (3) ein
Zeilenarray von Punkten (A) auf der Oberfläche mit dem
Winkelspektrum-Lichtstrahlbündel (W) bestrahlt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Winkelspektrum-Erzeugungseinrichtung (3) ein
Flächenarray von Punkten (A) auf der Oberfläche mit dem
Winkelspektrum-Lichtstrahlbündel (W) bestrahlt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die mindestens eine optische Schicht (4) auf einem
Substrat (5) angeordnet ist.
13. Verfahren zur Bestimmung von optischen Paramtern (d, n),
insbesondere der absoluten Schichtdicke (d), mindestens
einer optischen Schicht (4 1, 4 2, 4 3. . .4 n), umfassend die
folgenden Schritte:
- a) Aussenden mindestens eines zumindest teilweise kohärenten Lichtstrahls (6) mit vorgegebener Wellenlänge (λ) und vorgegebenem Strahldurchmesser (D);
- b) Erzeugen eines Winkelspektrum-Lichtstrahlbündels (6 1, 6 2, 6 3) auf Grundlage des mindestens einen Lichtstrahls (6) und Bestrahlen mindestens eines Punkts (A) auf der Oberfläche der mindestens einen optischen Schicht (4) mit einem Winkelspektrum (W) von Lichtstrahlen (6 1, 6 2, 6 3) unter verschiedenen Winkeln (θ0 + Δθ); und
- c) Empfangen der von der Oberfläche der mindestens einen optischen Schicht (4) reflektierten und/oder transmittierten Lichtstrahlen (R1, R2, R3, R4, . . ., Rn) und Bestimmen der optischen Paramter (d, n) durch Auswerten des Interferenzmusters (I) der reflektierten und/oder transmittierten Lichtstrahlen (R1, R2, R3, R4, . . ., Rn)
14. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Lichtstrahl (6) von einen Laser (1) ausgesendet wird
und der Einfallswinkel (θ0) über der Zeit verändert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strahldurchmesser (D) des ausgesendeten Lichtstrahls
(6) verändert wird (8)
16. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Lichtstrahlen gleicher Wellenlänge (λ) aussendet
werden.
17. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge (λ)
ausgesendet werden.
18. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Lichtstrahlbündel ein Zeilenarray von Punkten (A) auf
der Oberfläche bestrahlt.
19. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Lichtstrahlbündel ein Flächenarray von Punkten (A) auf
der Oberfläche bestrahlt.
20. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die optischen Parameter (d, n) über Wavelet- oder Fourier-
Transformationen bestimmt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Wellenlänge (λ) des Lichtstrahls (6) verändert wird.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19814056A DE19814056A1 (de) | 1998-03-30 | 1998-03-30 | Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung optischer Parameter von optischen Schichten |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19814056A DE19814056A1 (de) | 1998-03-30 | 1998-03-30 | Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung optischer Parameter von optischen Schichten |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19814056A1 true DE19814056A1 (de) | 1999-11-04 |
Family
ID=7862882
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19814056A Withdrawn DE19814056A1 (de) | 1998-03-30 | 1998-03-30 | Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung optischer Parameter von optischen Schichten |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19814056A1 (de) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP1178281A1 (de) * | 1999-06-19 | 2002-02-06 | Balzers Leybold Optics GmbH | Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der optischen Schichtdicke von Beschichtungen |
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| DE102006030260B4 (de) | 2005-06-30 | 2018-03-29 | Logitech Europe S.A. | Optische Verlagerungsdetektion über verschiedenen Flächen |
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- 1998-03-30 DE DE19814056A patent/DE19814056A1/de not_active Withdrawn
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