DE19830794B4

DE19830794B4 - Schichtdickenmeßsystem und -verfahren

Info

Publication number: DE19830794B4
Application number: DE1998130794
Authority: DE
Inventors: Edgar RÜTH; Eggo Sichmann; Peter Wohlfart
Original assignee: Singulus Technologies AG
Current assignee: Singulus Technologies AG
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: DE19830794A1

Abstract

Meß- und Transportsystem (2) zum Bestimmen der Schichtdickenverteilung auf Substraten (4) mit einem Schichtdicken-Meßkopf (20, 24) mit punktförmigem Meßfeld, einer Transporteinrichtung, die das Substrat kontinuierlich am Meßkopf (20, 24) vorbeiführt, und mit einer Einrichtung zum Erfassen des Eintritts (32) und des Austritts (34) des Substrats (4) im Meßfeld des Meßkopfes und zur Bestimmung von Meßorten daraus.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schichtdickenmeßsystem und -verfahren zur Bestimmung von Schichtdicken auf Substraten. Insbesondere soll ein schnelles Inline-Schichtdickenmeßsystem für beschichtete optische Datenträger, wie CDs (Compakt Disks) oder DVDs (Digital Versatile Disks = digitales, vielseitig verwendbares Speichermedium) bereitgestellt werden.
Bei der Herstellung von CDs und DVDs werden die Substrate üblicherweise mit einer reflektierenden und/oder teilreflektierenden Beschichtung versehen.

Dazu ist z.B. in der DE 196 54 000 C1 eine Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung für die Herstellung von Schichten auf einem Substrat mittels einer in einer Vakuumkammer vorgesehenen Zerstäubungskathode bekannt, die mindestens einen konzentrisch bzw. ringförmig zur Mittelachse der Zerstäubungskathode Polschuhe, ein Target und Magnete aufweist. Insbesondere für teilreflektierende Schichten ist eine genaue Schichtdickenbestimmung vorteilhaft.

Die WO 96/33387 A1 beschreibt ein System zum Messen der Dichte dünner farbiger Schichten auf transparenten Meßobjekten, bei der ein von einer monochromatischen Lichtquelle ausgesandter Lichtstrahl auf das Meßobjekt gerichtet wird. Der durch das Meßobjekt transmittierte Lichtstrahl wird von einem Empfänger erfasst, und das Empfängersignal wird einer Auswerteeinrichtung zugeführt, die aus dem Signal die Dicke der Schicht bestimmt, wobei mehrere auf dem Umfang und dem Radius des rotationssymmetrischen Meßobjekts verteilte Meßpunkte mittels Schrittmotorsteuerung angefahren werden können.

Die DE 43 25 590 A1 beschreibt ein System zur Qualitätskontrolle von mit einer dünnen Schicht versehenen Trägerfolie mittels optischer Abtastung. Dazu werden die örtlichen Schichtdicken durch Absorptionsmessungen bestimmt. Die Abtastvorrichtung ist dabei eine CCD-Zeilenkamera 16, die senkrecht zur Längsrichtung einer bandartigen Trägerfolie angeordnet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßsystem und Verfahren zur Bestimmung von Schichtdicken auf Substraten bereitzustellen, das in der Lage ist, die Messung Inline, d.h. während des Produktionsablaufs durchzuführen. Diese Aufgabe wird durch ein Meßsystem mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 13 gelöst.

Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, daß das Meßsystem einen Meßkopf aufweist, der die Transmission oder Reflexion einer Strahlung durch das Substrat mißt und dadurch auf die Schichtdicke des Beschichtungsmaterials schließt. Diese Messung erfolgt erfindungsgemäß während des Produktionsablaufs (Inline). Zur Meßwertermittlung wird das Substrat durch das Meßsystem entlang eines auf einem Transportweg liegenden Meßwegs zwischen einem Eintritts- und Austrittspunkt bewegt. Der Transportweg ist durch eine in der Fertigungseinrichtung bereits vorhandene Transporteinrichtung festgelegt. Die ermittelten Schichtdickeninformationen bezüglich einzelner Meßpunkte, vorzugsweise aber bezüglich eines kontinuierlichen Meßwegs können angezeigt, gespeichert oder zur weiteren Verarbeitung einer Datenverarbeitungsanlage und/oder Regeleinrichtung zugeführt werden.

Durch die Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, daß durch die Messung von Schichtdicken auf dem Substrat an verschiedenen Punkten entlang des Meßweges bzw. Transportweges eine Schichtdickenverteilung oder ein Schichtdickenprofil während des Transports des Substrats bereitgestellt wird. In vorteilhafter Weise ist neben dem ohnehin erforderlichen Transport des Substrats keine zusätzliche Bewegung zum Durchführen der Schichtdickenmessung erforderlich. Aufgrund der exakten Ermittlung der Schichtdickenverteilung kann eine Qualitätskontrolle mit maximaler Sicherheit durchgeführt werden. Die gewonnenen Meßwerte können als Eingangsgröße für die Parameter einer Schichtdickenregelung, wie z.B. der Nachregelung der Kathode und/oder der Steuerung der Magneten einer Zerstäubungseinrichtung verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Schichtdickenmeßsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht des Schichtdickenmeßsystems von 1; und
3 ein Diagramm zur Darstellung des Ergebnisses der Schichtdickenmessung.
Das in den 1 und 2 dargestellte Meßsystem 2 dient zur Bestimmung von Schichtdicken auf einem Substrat 4. Das Substrat 4 wird von einem Substratträger 6 getragen, der mit einem Schwenkarm 8 einer Transportvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist. Die Transportvorrichtung ist vorzugsweise eine Schwenkvorrichtung, die vorzugsweise mehrere Schwenkarme 8 und Substratträger 6 aufweist, um Substrate 4 zwischen verschiedenen Stationen zu transportieren. Das Substrat 4 beschreibt einen bogenförmigen Transportweg 10, um den Drehpunkt der Schwenkvorrichtung.
Geradlinige Transportwege oder Transportwege mit anderer Geometrie sind im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglich, wobei nur sichergestellt werden muß, daß beim Durchlauf des Substrats durch den Meßkopf ein wesentlicher Teil der Beschichtungsfläche durch den Meßkopf überstrichen wird.
Das Meßsystem 2 ist vorzugsweise an mindestens einer Stelle zwischen zwei Stationen einer Fertigungseinrichtung zur Herstellung von CDs und/oder DVDs vorgesehen. Das Meßsystem 2 kann jedoch auch innerhalb einer oder mehrerer Bearbeitungsstationen vorgesehen sein.
Das Meßsystem 2 besteht vorzugsweise aus einem U-förmigen Träger 12, durch dessen Aussparung 14 das Substrat 4 auf dem z.B. bogenförmigen Transportweg 10 bewegt wird. Der Träger 12 ist mit einem Stützelement 16 versehen, der an der Fertigungseinrichtung montierbar ist. Ein Schenkel 18 des U-förmigen Trägers 12 weist eine Strahlungsquelle 20, vorzugsweise eine Lichtquelle auf. Der gegenüberliegende Schenkel 22 des U-förmigen Trägers 12 ist mit einem Empfänger 24 versehen. Der Empfänger 24 kann z.B. eine optoelektronische Photodiode, ein Phototransistor oder ähnliches sein. Die Strahlungsquelle 20 und/oder der Empfänger 24 sind über Signalleitungen 26 und 28 mit einer Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) verbunden.
Zur Ermittlung von Schichtdicken bzw. einer Schichtdickenverteilung auf dem Substrat 4 bewegt die Transporteinrichtung das Substrat 4 entlang des bogenförmigen Transportweges 10, wie vorstehend erläutert, durch die Aussparung 14 des U-förmigen Trägers 12 und beschreibt dabei einem Meßweg 30 zwischen einem Eintrittspunkt 32 und einem Austrittspunkt 34. Entlang des Meßwegs 30 kann die Schichtdicke auf dem Substrat 4 vorzugsweise kontinuierlich bestimmt werden. Es ist jedoch auch möglich, die Schichtdicken nur an bestimmten Punkten zu ermitteln.
Die Meßwertaufnahme erfolgt vorzugsweise durch Ermittlung der Strahlungstransmission durch das Substrat 4 zwischen der Lichtquelle 20 und dem Empfänger 24 des Meßkopfes, kann jedoch auch durch Reflexionsmessung erfolgen. Die Transmission bzw. Reflexion der Strahlung ist mit der Schichtdicke des Substrats 4 bzw. mit der Gesamtdicke des Substrats 4 korrelierbar. Das Meßsystem 2 erfaßt die jeweilige Schichtdicke bzw. den Schichtdickenverlauf inline während des Substattransports entlang des Meßweges 30. Die während des Meßvorgangs aufgenommmenen Meßwerte können anhand der durch den Eintrittspunkt 32 und den Austrittspunkt 34 definierten Meßzeit (Meßweg) und der bekannten Transportbewegung eindeutig dem jeweiligen Ort der Messung auf dem Substrat 4 zuge ordnet werden. Hieraus ergibt sich ein eindeutiges Schichtdickenprofil mit bekannter Längenskalierung.
Der Meßweg 30 auf dem Substrat 4 beschreibt z.B. eine bogenförmige Bahn entlang des Transportweges 10, so daß im wesentlichen jede beschichtete radiale Position auf dem Substrat 4 abgetastet werden kann. Dadurch kann durch eine einzige punktförmige Sender-Empfänger-Anordnung 20 und 24 ein Schichtdickenprofil entlang des Radius bzw. Durchmessers des Substrats 4 erfaßt werden.
Zur Kalibrierung des Meßsystems 2 wird vorzugsweise vor dem Eintritt des Substrats 4 in den Meßweg 30 eine Referenzmessung durchgeführt. Das heißt, es erfolgt eine Transmissionsmessung zwischen der Lichtquelle 20 und dem Empfänger 24 ohne Substrat 4. Eine solche Referenzmessung kann in vorbestimmten Intervallen oder vorzugsweise zwischen jedem zu messenden Substrat 4 durchgeführt werden.
In der Auswerteeinrichtung wird die zunächst vorzugsweise kontinuierlich aufgenommene Meßwertverteilung (Schichtdickenprofil) zwischengespeichert. Anschließend werden aus diesem Schichtdickenprofil z.B. bestimmte diskrete Werte ausgewählt und über eine Rechnerschnittstelle an ein übergeordnetes Datenverarbeitungssystem und/oder eine Regeleinrichtung (nicht dargestellt) weitergegeben. Ein solches Schichtdickenprofil ist z.B. in 3 dargestellt. Das Diagramm zeigt das Meßsignal bzw. die Transmission über der Zeit. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß vor dem Eintritt des Substrats 4 in den Meßbereich des Meßsystems 2 die Referenzmessung mit einer Transmission von 100 % erfolgt. Beim Eintritt des Substrats 4 in den Meßbereich zwischen der Lichtquelle 20 und dem Empfänger 24 sinkt die Transmission sprunghaft auf einen der Dicke des unbeschichteten Substratrandes 36 entsprechenden Wert ab. Wird das Substrat weiter bewegt, sinkt die Transmission beim Eintritt in die beschichtete Substratfläche 38 erneut. Entlang des Meßweges 30 zwischen dem Eintrittspunkt 32 und dem Austrittspunkt 34 ist der Transmissionswert entsprechend der Schichtdickenverteilung auf dem Substrat 4 dargestellt. Am Austrittspunkt 34 springt die Transmission, ähnlich wie am Eintrittspunkt, auf einen Wert von 100 % zurück. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem weiteren Substrat.
Wird bei der Bestimmung der Schichtdickenverteilung auf dem Substrat 4 ein Fehler festgestellt, so kann dieses Substrat bzw. diese Substrate aus dem weiteren Fertigungsablauf ausgeschleust werden. Dadurch kann eine maximale Qualitätskontrolle hinsichtlich der Schichtdicken auf Substraten 4 durchgeführt werden. Ferner können die gewonnenen Meßwerte z.B. mittels der Auswerteeinrichtung und dem Datenverarbeitungssystem bzw. der Regeleinrichtung als Eingangsgröße für eine Schichtdickenregelung verwendet werden. Eine solche Regelung dient z.B. dem Nachregeln der Kathode bzw. der Magneten einer Kathodenzerstäubungsanlage (vgl. DE 196 54 000 C1 )
Als weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des Meßsystems der vorliegenden Erfindung kann anstelle des U-förmigen Meßkopfträgers 12 z.B. ein kammförmiger Träger verwendet werden, durch den gleichzeitig oder zeitversetzt mehrere Substrate 4 transportiert werden können. Das Meßprinzip der Transmission entsprechend den vorstehenden Ausführungen ist dann auf jede Aussparung des kammförmigen Trägers anzuwenden.
Anstelle des bogenförmigen Transportweges 10 kann die Transporteinrichtung das Substrat auch entlang jeder anderen denkbaren Bewegungsbahn transportieren, entlang der das Substrat 4 durch den Meßbereich eines erfindungsgemäßen Meßsystems geführt wird.
Die Anordnung der Strahlungsquelle 20 und des Empfängers 24 kann ebenso an einem bereits vorhandenen Teil der Fertigungseinrichtung angebracht werden, durch den das Substrat 4 mittels der Transporteinrichtung geführt wird; das erfindungsgemäße Meßsystem eignet sich daher besonders gut auch zum Nachrüsten vorhandener CD-/DVD-Fertigungsanlagen.

Claims

Meß- und Transportsystem (2) zum Bestimmen der Schichtdickenverteilung auf Substraten (4) mit einem Schichtdicken-Meßkopf (20, 24) mit punktförmigem Meßfeld, einer Transporteinrichtung, die das Substrat kontinuierlich am Meßkopf (20, 24) vorbeiführt, und mit einer Einrichtung zum Erfassen des Eintritts (32) und des Austritts (34) des Substrats (4) im Meßfeld des Meßkopfes und zur Bestimmung von Meßorten daraus.
System (2) nach Anspruch 1, wobei der Meßkopf eine Strahlungsquelle (20) und einen Empfänger (24) aufweist.
System (2) nach Anspruch 2, wobei die Strahlungsquelle (20) eine Lichtquelle und der Empfänger (24) eine Photodiode ist.
System (2) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Strahlungsquelle (20) und der Empfänger (24) auf einem U-förmigen Träger (12) auf sich gegenüberliegenden Schenkeln (18, 22) angeordnet sind und das Substrat (4) durch eine Aussparung (14) des U-förmigen Trägers (12) bewegbar ist.
System (2) nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Strahlungsquelle (20) und der Empfänger (24) im Meßkopf zum Bestimmen der Transmission oder Reflexion der Strahlung durch das beschichtete Substrat angeordnet sind.
System (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Meßweg (30) durch den Transportweg (10) der Transporteinrichtung, mit der das Substrat (4) befördert wird, definiert ist.
System (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Einrichtung zum Kalibrieren des Meßsystems (2) durch eine Referenzmessung vor dem Eintritt des Substrats (4) in den Meßweg (30).
System (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Auswerteeinrichtung, die mit dem Meßkopf (20, 24) in Verbindung steht.
System (2) nach Anspruch 8, wobei die Auswerteeinrichtung mit einem Speicher und über eine Rechnerschnittstelle mit einem Datenverarbeitungssystem und/oder einer Regeleinrichtung zur Nachregelung einer Beschichtungseinrichtung in Verbindung steht.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Einrichtung zum kontinuierlichen oder punktweisen Abtasten und Messen der Schichtdickenverteilung der Beschichtung auf dem Substrat (4) entlang des Meßwegs (30).
System (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Schichtdickenverteilung auf dem Substrat (4) rotationssymmetrisch ist.
System (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Substrat (4) ein Rohling zur Herstellung einer CD (Compact Disk) oder einer DVD (Digital Versatile Disk) ist.
Verfahren zum Bestimmen der Schichtdickenverteilung auf Substraten (4) unter Verwendung eines Meß- und Transportsystems (2) mit einem Schichtdicken-Meßkopf mit punktförmigem Meßfeld zum Bestimmen der Transmission oder Reflexion und daraus der Schichtdicke, mit den Schritten: a) kontinuierliches Bewegen des Substrats (4) am Meßkopf (20, 24) vorbei entlang eines einem Transportweg (10) entsprechenden Meßwegs (30) zwischen einem Eintrittspunkt (32) und einem Austrittspunkt (34); b) Erfassen des Eintritts und des Austritts des Substrats im Meßfeld des Meßkopfes und Bestimmung von Meßorten daraus; c) Erfassen und Auswerten der durch den Meßkopf (20, 24) ermittelten Transmissions- oder Reflexionssignale zum Gewinnen von Schichtdickeninformationen der Meßpunkte auf dem Meßweg (30).
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Meßkopf zum Bestimmen der Transmission oder Reflexion durch das beschichtete Substrat (4) durch eine Strahlungsquelle (20) Strahlung aussendet, die von einem im Meßkopf ausgebildeten Empfänger (34) empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Substrat (4) durch eine Aussparung (14) in einem U-förmigen Träger (12) des Meßkopfes geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem das Substrat (4) von einer Transporteinrichtung bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem das Meßsystem (2) vor dem Eintritt des Substrats in das Meßfeld des Meßkopfes durch eine Referenzmessung kalibriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem die ausgewerteten Transmissions- oder Reflexionssignale gespeichert und einem Datenverarbeitungssystem und/oder einer Regeleinrichtung zum Nachregeln einer Beschichtungseinrichtung zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die Schichtdickenverteilung auf dem Substrat (4) rotationssymmetrisch ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei das Substrat (4) ein Rohling zur Herstellung einer CD (Compact Disk) oder einer DVD (Digital Versatile Disk) ist.