DE4400689A1 - Messonde, Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums und von Schichtdicken - Google Patents

Messonde, Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums und von Schichtdicken

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Description

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums, insbesondere der Elektronen- und Ionendichte, der Elektronenverteilungsfunktion und des Plasmapotentials sowie von optischen Parametern von mindestens einer aus dem Medium abgeschiedenen Beschichtung.
Bei verschiedenen Aufdampfverfahren und Sputterverfahren, insbesondere bei der Plasma-Aufdampfung ist es wichtig, mittels einer Meßvorrichtung die Zusammensetzung eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums, in dem die Aufdampfung stattfindet, und die Zusammensetzung der Schicht zu bestimmen. Wenn ein Substrat bedampft wird, ist es ferner wünschenswert, die Schichtdicke einzelner auf dem Substrat aufgebracht er Schichten mit hoher Genauigkeit zu messen. Für Messungen, insbesondere in Plasmen, wurden bisher elektrische Sonden eingesetzt. Diese Sonden messen eine Strom-Spannungs-Kennlinie in dem Plasma, die eine Aussage über Plasmaparameter, wie Elektronen- und Ionentemperatur sowie Elektronendichte gestatten.
Die DE 42 00 636 A1 beschreibt eine herkömmliche Langmuir- Meßsonde für Plasmen, die in einen Plasma-Reaktor eingefügt werden kann, um Plasmaparameter bei Hochfrequenzentladungen zu messen. Ein Prinzipblockschaltbild einer derartigen herkömmlichen Meßvorrichtung ist in Fig. 6 dargestellt. In Fig. 6 umfaßt eine Sonde 13 einen Sondenkopf 12 mit einem elektrischen Leiter E. Der Sondenkopf 12 ist in einen Behälter 15 eingefügt, in dem über die Elektroden 16₁, 16₂ eine elektrische Entladung in den teilweise ionisierten gasförmigen Medium M stattfindet, wobei in unerwünschter Weise auch eine Aufbringung einer Schicht S auf dem elektrischen Leiter auftreten kann. Eine HF-Filtereinrichtung 11 ist optional vorgesehen, um die Modulation des Potentials zwischen der Sonde 13 und dem in dem Behälter 15 erzeugten Plasma zu unterdrücken. Mittels eines Computers 7, einer Spannungs-Quelle 8 und einer Strommeßvorrichtung 9, 10 wird über die Strom-Spannungs- Kennlinie des Sondenkopfs 12 durch die Veränderung der elektrischen Potentiale in dem Behälter 15 eine Bestimmung der Plasmaparameter, wie beispielsweise der Elektronen- und Ionentemperatur sowie der Elektronendichte durchgeführt.
Die JP 11-86597 beschreibt eine weitere herkömmliche elektronische Temperaturmeßvorrichtung für Plasmen, die die Temperatur durch Messen der Spannungsänderung bestimmt, die durch Anlegung einer Wechselspannung zwischen zwei nicht­ symmetrischen Sonden erzeugt wird. Auch bei dieser Meßsonde wird im Prinzip lediglich eine Auswertung der elektrischen Potentiale durchgeführt. Ferner ist aus der JP 11 86596 eine herkömmliche Temperaturmeßvorrichtung für Plasmen bekannt, die die Temperatur über den differentiellen Koeffizienten der DC- Stromspannungskennlinien zwischen zwei Sonden in einem Plasma, d. h. durch eine elektrische Messung bestimmt.
Aus der SU 43 8920 ist außerdem eine herkömmliche optische Meßvorrichtung für Plasmacharakteristiken bekannt, die die räumliche Temperaturverteilung durch optische Spektroskopiemethoden mißt. Die Anwendung ist jedoch auf Hochdruckplasmen beschränkt.
Die herkömmlichen Meßsonden bzw. Meßverfahren besitzen jedoch den Nachteil, daß der in das Plasma eingebrachte Sondenkopf bei einer Plasmabeschichtung ebenfalls beschichtet wird und somit die Charakteristik des Sondenkopfes selbst bei der Messung verändert wird. Dies hat eine Störung der Messungen zur Folge, da Veränderungen des Sondenkopfes bei der Messung selbst auftreten.
Derartige Veränderungen können sich ferner beziehen auf:
  • - Beschichtung der Sonde in einem beschichtenden Medium, wie beispielsweise Methanplasmen;
  • - Ätzen der Sondenoberfläche, beispielsweise in Chlor­ plasmen; und
  • - Erhitzung der Sonde durch hochenergetischen Teilchen­ beschuß.
Der Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde,
  • - eine Meßsonde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums vorzusehen, durch die einerseits der Einfluß des teilweise ionisierten gasförmigen Mediums auf die Genauigkeit des Meßergebnisses vermieden werden kann und andererseits eine Veränderung der Kennlinie zur Charakterisierung von auf die Sonde aufwachsenden Schichten und eines Beschichtungsvorganges verwendet werden kann.
Dieses technische Problem wird durch eine Meßsonde gelöst, deren Sondenkopf die folgenden Merkmale umfaßt:
  • a) eine erste Meßeinrichtung zur Bestimmung von elektrischen Parametern des teilweise ionisierten gasförmigen Mediums und mindestens einer aufgebrachten Schicht im Wege einer elektrischen Messung; und
  • b) eine zweite Meßeinrichtung zur Bestimmung von optischen Parametern von mindestens einer auf der ersten Meßeinrichtung aufgebrachten Schicht im Wege einer optischen Messung.
Ferner wird dieses technische Problem durch eine Vorrichtung gelöst, welche die folgenden Merkmale umfaßt
  • a) einen Sondenkopf mit einer ersten Meßeinrichtung zur Bestimmung von elektrischen Parametern des teilweise ionisierten gasförmigen Mediums und mindestens einer aufgebrachten Schicht im Wege einer elektrischen Messung; und
    einer zweiten Meßeinrichtung zur Bestimmung von optischen Parametern von mindestens einer auf der ersten Meßeinrichtung aufgebrachten Schicht im Wege einer optischen Messung;
  • b) einen mit der zweiten Meßeinrichtung verbundenen optischen Sender zur Einstrahlung von Licht in den Sondenkopf; und
  • c) eine mit dem Sondenkopf verbundene Auserteeinrichtung zur Bestimmung der lokalen Eigenschaften durch Verarbeitung der elektrischen und optischen Parameter.
Das obige technische Problem wird außerdem durch ein Verfahren gelöst, bei dem
  • a) elektrische Parameter des teilweise ionisierten gasförmigen Mediums und mindestens einer Schicht im Wege einer elektrischen Messung; und
gleichzeitig
  • b) optische Parameter von mindestens einer auf der Messonde aufgebrachten Schicht im Wege einer optischen Messung bestimmt werden.
Die erfindungsgemäße Meßsonde, die Vorrichtung und das Verfahren weisen insbesondere den Vorteil auf, daß sie in beliebigen Plasmen verwendet werden können. In beschichtenden Plasmen wird neben dem zu beschichtenden Substrat nämlich auch die Sondenoberfläche mit einer im allgemeinen optisch transparenten Schicht beaufschlagt. Die erste Meßeinrichtung mißt dabei die elektrischen Parameter des teilweise ionisierten gasförmigen Mediums im Wege einer elektrischen Messung. Die zweite Meßeinrichtung ist vorgesehen, um gleichzeitig eine Bestimmung von optischen Parametern von mindestens einer auf der ersten Meßeinrichtung aufgebrachten Schicht vorzunehmen. Diese kombinierte Messung ermöglicht einerseits über elektrischen Parameter eine Bestimmung der Kennlinie des Sondenkopfes und andererseits eine Bestimmung der Schichtdicke auf dem Sondenkopf selbst, bzw. auf der ersten Meßeinrichtung.
Für die zweite Meßeinrichtung kann in vorteilhafter Weise ein optischer Lichtwellenleiter verwendet werden, wobei die erste Meßeinrichtung eine um den Lichtwellenleiter herum angeordnete Umkleidung aus einem chemisch inerten Material umfaßt. Vorzugsweise umfaßt das chemisch inerte Material als Bestandteil Iridium oder eine Iridiumlegierung, welches ein chemisch inertes und hochschmelzendes Material ist. Damit wird eine gute Reproduzierbarkeit der Strom-Spannungs-Kennlinien des Sondenkopfes gewährleistet.
In vorteilhafter Weise ist die erste Meßeinrichtung vorgesehen, um elektrische Potentiale und Ströme des teilweise ionisierten gasförmigen Mediums bei der Gasentladung aufzunehmen. Die Bestimmung der optischen Parameter wird von der zweiten Meßeinrichtung vorzugsweise im Wege einer optischen Messung durch die Bestimmung von optischen Wegunterschieden in der mindestens einen aufgebrachten Schicht durchgeführt.
Die erste und die zweite Meßeinrichtung umfassen eine in-situ Kalibriereinrichtung, um in vorteilhafter Weise der Vielzahl der üblichen Beschichtungsmedien, Schichtbedingungen und Sondenkopfeigenschaften Rechnung zu tragen. Mit der Kalibriereinrichtung können in vorteilhafter Weise die verschiedenen gemessenen Kennlinien des Sondenkopfes kalibriert werden, da der Einfluß einer Schicht auf der Sondenkopf­ oberfläche bzw. der Oberfläche der ersten Meßeinrichtung sich deutlich in der Sondenkopf-Kennlinie nachweisen läßt. Wenn die Kalibriereinrichtung vorgesehen ist, kann also mit einer Analyse der Sondenkennlinie neben den oben angegebenen lokalen Eigenschaften des teilweise ionisierten gasförmigen Mediums auch eine Bestimmung der Dicke der einzelnen Schichten in vorteilhafter Weise durchgeführt werden.
Ferner ist es vorteilhaft, eine Aufwärmeinrichtung in den Sondenkopf zu integrieren, die eine Entfernung mindestens einer Schicht von der ersten Meßeinrichtung ermöglicht.
Da bei der Meßsonde, der Vorrichtung und dem Verfahren gleichzeitig elektrische sowie optische Parameter bestimmt werden, kann der Einfluß der Beschichtung des Sondenkopfes, beispielsweise in einem Plasma, kompensiert werden. Die mit dem Sondenkopf verbundene Auswerteeinrichtung empfängt die elektrischen und optischen Parameter vom Sondenkopf und ermöglicht somit in vorteilhafter Weise eine Korrektur der elektrischen Parameter mittels der gleichzeitig gemessenen optischen Parameter der auf der ersten Meßeinrichtung bzw. der auf dem Sondenkopf aufgebrachten Schicht.
In vorteilhafter Weise umfaßt die Auswerteeinrichtung eine elektrische Auswerteeinheit, die die von der ersten Meßeinrichtung bestimmten elektrischen Parameter zur Bestimmung von elektrischen Potentialen und Strömen und zur Bestimmung der Strom-Spannungs-Kennlinie des Sondenkopfes verarbeitet. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Auswerteeinrichtung eine optische Auswerteeinheit mit einem optischen Empfänger umfaßt, der vorzugsweise eine Bestimmung der optischen Parameter durch Auswertung von optischen Wegunterschieden in einer oder mehreren Schichten vornimmt.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn bei der Bestimmung der Sondenkennlinie auch die ersten und zweiten Ableitungen der Kennlinie bestimmt werden. Aus der Differenz von Kennlinien mit und ohne Schicht läßt sich damit auch die Kennlinie der Schicht selbst bestimmen.
Wenn über die Auswertung der elektrischen Parameter eine Strom- Spannungs-Kennlinie des Meßkopfes bestimmt wird, ist es ferner vorteilhaft, einen Kalibrierschritt durchzuführen, bei dem die elektrische Kennlinie unter Zuhilfenahme der mittels der optischen Differenzsignale bestimmten Schichtdicke auf dem Sondenkopf in-situ kalibriert wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Unteransprüchen. Im folgenden wird die Erfindung anhand ihrer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßsonde mit einem Sondenkopf SK;
Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums M;
Fig. 3 das Prinzip der Bestimmung von optischen Parametern der mindestens einen Schicht, die auf dem Sondenkopf SK bzw. auf der ersten Meßeinrichtung U in Fig. 1, 2 gezeigten Sondenkopfs SK aufgebracht ist;
Fig. 4, 5 jeweils Strom-Spannungs-Kennlinien 6 des Sondenkopfes mit der Schichtdicke t als Parameter; und
Fig. 6 einen herkömmlichen elektrischer Sondenkopf 12 bzw. eine herkömmliche Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums M.
Im folgenden bezeichnen die Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben.
Fig. 1 zeigt zunächst eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßsonde, die einen Sondenkopf SK umfaßt. Der Sondenkopf SK weist als erste Meßeinrichtung für elektrische Parameter (einen elektrischen Teil) in Form einer Umkleidung U auf, die eine zweite Meßeinrichtung in Form eines optischen Teils umgibt. Die erste Meßeinrichtung U ist so ausgeführt, daß sie elektrische Parameter, wie beispielsweise Potentiale, Ströme und Spannungen in dem teilweise ionisierten gasförmigen Medium M messen kann. Über die Ausgangsanschlüsse , können die elektrischen bzw. optischen Parameter weitergeleitet werden. Der in Fig. 1 gezeigte Sondenkopf SK beruht also auf einer Kombination der Bestimmung der elektrischen Strom- Spannungs-Kennlinie mit der Umkleidung U und der optischen Interferometrie mit der als (monomode oder multimode) Lichtwellenleiter LWL (mit einem Mantel Ma und einem Kern K) ausgeführten zweiten Meßeinrichtung. Der optische und der elektrische Teil sind in der Sonde miteinander verkoppelt und in einem einzigen Sondenkopf SK integriert. Die erste Meßeinrichtung enthält als Bestandteil ein chemisch inertes Material, welches eine gute Reproduzierbarkeit von Sondenkennlinien gewährleistet. Vorzugsweise wird Iridium oder eine Iridiumlegierung für das chemisch inerte Material verwendet.
Über die erste Meßeinrichtung mit dem chemisch inerten Material kann über die Ausgangsleitung also die Kennlinie bzw. die Strom-Spannungsverhältnisse in dem Medium bestimmt werden, während gleichzeitig mittels der zweiten Meßeinrichtung über den Ausgangs-Eingangs-Anschluß eine optische Messung durchgeführt wird. Wenn also ein derartiger Sondenkopf SK in ein gasförmiges Medium M, beispielsweise ein Plasma eingebracht wird, bildet sich mindestens eine Schicht S mindestens auf der ersten Meßeinrichtung U aus, wie dies in Fig. 1, 2 schematisch angedeutet ist. Die Umkleidung U, d. h. die leitende Ringstruktur, ermöglicht also die Strom-Spannungs- Kennlinienbestimmung, während gleichzeitig über den Lichtwellenleiter LWL innerhalb der kreisförmigen, elektrischen Ringstruktur eine Interferenz mit einer Schicht S bewirkt und ausgewertet werden kann. Über die Auswertung der Interferenzen, so wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, können die optischen Wegunterschiede in den einzelnen Schichten S, bzw. der Schichtdicke der mindestens einen Schicht S bestimmt werden.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums M, bei dem ein Sondenkopf SK gemäß Fig. 1 verwendet wird. Die Vorrichtung umfaßt eine Auswerteeinrichtung A mit einer elektrischen Auswerteeinheit 3 und einem optischen Empfänger 1 und einen optischen Sender 2. Die elektrische Auswerteeinheit 3 führt eine Erfassung der Kennlinie des Sondenkopfs SK durch Bestimmung der Potentiale in dem teilweise ionisierten gasförmigen Medium M durch, welches in einem Behälter 5 enthalten ist. Die Bestimmung der Strom-Spannungs- Kennlinie kann beispielsweise wie in Fig. 6 gezeigt, durchgeführt werden.
Über den Lichtwellenleiter LWL des Sondenkopfes SK innerhalb der kreisförmigen, elektrischen Ringstruktur der Umkleidung U wird von dem optischen Sender 2 optisch kohärente Strahlung in den Sondenkopf SK eingekoppelt, während die elektrische Auswerteeinheit gleichzeitig eine Auswertung der Potentiale vornimmt. Wenn ein Aufdampfvorgang bzw. eine Beschichtung der Sondenkopfoberfläche mittels einer Schicht S erfolgt, bewirkt dies Interferenzsignale in dem optischen Empfänger 1, die eine Aussage über die Schichtdicke t auf dem Sondenkopf SK oder insbesondere auf der ersten Meßeinrichtung U erlaubt.
Fig. 3 zeigt die Bestimmung der optischen Parameter im Wege einer Auswertung der Interferenzsignale an dem optischen Empfänger 1, die von der Einstrahlung von Licht und die in der Schicht S erzeugten Interferenzen herrührt. Derartige Interferenzmeßverfahren zur optischen Schichtdickenbestimmung sind beispielsweise aus "D. Herrmann, Schichtdickenmessung, Oldenbourg-Verlag München Wien 1993, ISBN 3-486-22203-1" bekannt. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird eine einfallende Laserstrahlung von dem optischen Sensor 2 an einer Schicht (1) reflektiert, die auf einem Grundmaterial (2) aufgebracht ist. Der Sondenkörper SK stellt das Grundmaterial (2) dar. An dem optischen Empfänger 1 ergibt sich ein in Fig. 3(b) gezeigter Interferenzverlauf, aus dem die Schichtdicke bestimmt werden kann. Selbst wenn mehrere Schichten S auf den Sondenkörper SK bzw. der ersten Meßeinrichtung U aufgebracht werden, kann durch eine Auswertung der Interferenzsignale in der optischen Auswerteeinheit 1 eine Bestimmung der Schichtdicken durchgeführt werden.
Die Fig. 4, 5 zeigen Strom-Spannungs-Kennlinien 6 des in das Medium M eingebrachten Sondenkopfes SK, die durch die erste elektrische Meßeinrichtung durch die Bestimmung von elektrischen Potentialen in dem teilweise ionisierten gasförmigen Medium M ermittelt wurden. Als Parameter ist die Schichtdicke t einer auf der Meßeinrichtung U aufgebrachten Schicht S dargestellt. Die Fig. 4, 5 zeigen jeweils zwei verschiedene Beispiele der Kennlinien bei positiven und negativen Strömen bzw. verschiedenen Spannungsbereichen. Die Schichtdicke t wird also mittels der zweiten Meßeinrichtung über die optischen Parameter bestimmt und zur Kalibrierung der Kennlinien verwendet, die durch die erste Meßeinrichtung bestimmt werden. Wenn derartige Kennlinien 6 zur Messung von Strömungen und Spannungen in dem teilweise ionisierten gasförmigen Medium M verwendet werden, kann eine Beschichtung des Sondenkopfes keine Meßungenauigkeit der elektrischen Messung verursachen, da ein definierter Zusammenhang zwischen der aufgebrachten Schichtdicke und der elektrischen Parameter hergestellt ist. Außer der Kalibrierung der Kennlinien über die Schichtdicke läßt sich damit natürlich gleichzeitig die Schichtdicke und oder der Brechungsindex einer Schicht bestimmen, die gleichzeitig auf ein Substrat in dem Behälter 15 aufgedampft wird.
Wenn also eine Kalibriereinrichtung in die Sonde integriert wird, liefert die Kalibriereinrichtung während der gleichzeitigen Bestimmung der elektrischen Parameter (Potentiale) und optischen Parameter (optische Wegunterschiede) ein fortwährendes in-situ Monitorsignal der Schichtdicke, die zur Kalibrierung der Kennlinien 6 verwendet wird. Zu diesem Zweck wird die erste Meßeinrichtung mit der zweiten Meßeinrichtung gekoppelt. Durch die Kombination der Schichtdickenmessung und der gleichzeitigen elektrischen Sondenkennlinienmessung ergeben sich folgende Vorteile:
  • - eine hohe lokale Auflösung, d. h. kleine Sondenkopf­ dimensionen;
  • - hohe Schichtdickenauflösung, d. h. kalibrierte Sonden­ kennlinien; und
  • - Einflüsse des beschichtenden oder ätzenden Mediums auf das elektrische Verhalten der Sonde können erkannt und somit kompensiert werden.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Sondenkopf eine Aufwärmeinrichtung H in Form einer Heizung aufweist, die für Entfernung der mindestens einen Schicht der ersten Meßeinrichtung dient. Somit kann eine Neukalibrierung, bzw. eine erneute Messung von Schichtdicken von erneut aufgebrachten Schichten S durchgeführt werden.
Beispielsweise kann die oben beschriebene Meßsonde in ein kohlenwasserstoffhaltiges Plasma eingefügt werden, in dem isolierende, optisch transparente Schichten abgeschieden werden. Mit einer mittels der Aufwärmeinrichtung aufheizbaren Sonde kann dort reproduzierbar gemessen werden, da sich auf die heiße Sonde keine Schicht abscheidet. Mit kalter Sonde wächst demgegenüber eine Schicht auf. Mit zunehmender Schichtdicke (siehe Fig. 4, 5) werden die Kennlinien 6 immer flacher, d. h. die reziproke Steigung wächst mit der Schichtdicke. Aus der Differenz von Kennlinien mit und ohne Schicht kann auch die Kennlinie der Schicht selbst bestimmt werden. Dabei zeigt sich, daß mit zunehmender Schichtdicke die Kennlinie der Schicht flacher wird (da der elektrische Widerstand steigt), d. h. mit zunehmender Expositionsdauer steigt die Schichtdicke an. Die Kennliniencharakteristik spricht dabei schon auf Bruchteile einer Monoschicht an.
Bei unterschiedlichen Plasmabedingungen ergeben sich aber unterschiedliche Beziehungen zwischen Schichtdicke und Widerstand (allgemein: Kennlinie). Schichten, die bei höheren Entladungsleistungen abgeschieden werden besitzen bei gleicher Schichtdicke einen steileren Verlauf (erste Ableitung größer). Deshalb ist die absolute Kalibrierung der Beziehung zwischen Kennlinie und Schichtdicke für das jeweilige Plasma mittels optischer Messung erforderlich. Die Sonde mißt also Schichtdicken relativ sehr empfindlich aber nicht absolut, das optische Verfahren mißt absolut aber nicht so empfindlich. Das Meßverfahren funktioniert nur dann, wenn man die Kennlinie der unbeschichteten Sonde als Vergleich vorliegen hat. Daher ist die Aufwärmeinrichtung erforderlich.
Selbst für die Abscheidung von leitenden Schichten kann aus Kennlinien beispielsweise für siliziumhaltige Schichten, die aus der Literatur entnehmbar sind, geschlossen werden, daß selbst bei höherer Leitfähigkeit charakteristische Strukturen bzw. Veränderungen der Kennlinie auftreten, aus denen auf die Schichtdicke geschlossen werden kann. In diesem Fall kann das Abt ragen der Schicht anstelle mittels der Aufwärmeinrichtung (Heizung) auch durch Absputtern (Sonde sehr negativ vorgespannt) durchgeführt werden.
Für leitende und nichtleitende Schichten können die Eigenschaften von Schicht und Plasma nicht nur aus der Kennlinie selbst, sondern aus deren Änderungen, d. h. aus deren ersten und zweiten Ableitungen (d. h. aus I(U), dI/dU und d²I/dU²) bestimmt werden.
Das Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Meßsonde, der Vorrichtung und des Verfahrens bezieht sich auf die Dünnschichttechnologie, einer Schlüsseltechnologie, bei der Aussagen über den Beschichtungs- bzw. Ätzprozeß gemacht werden müssen. Insbesondere kann die Meßsonde bei Meßerfordernissen angewendet werden, die konventionellen Sonden-Meßverfahren bisher nicht zugänglich waren. Beispielsweise kann die Meßsonde bei folgenden Meßverfahren verwendet werden:
  • - Isolierte und vom Substrat getrennte Schichtdickenmessung über das elektrische Sondensignal der elektrischen Meß­ einrichtung;
  • - Überwachung und Endpunktkontrolle von Niedertemperatur- Ätzprozeß;
  • - Steuerung und Regelung von großflächigen Beschichtungs­ anlagen.
Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen der Verdeutlichung und engen den Schutzumfang nicht ein.

Claims (27)

1. Meßsonde zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums (M), insbesondere der Elektronen- und Ionendichte, der Elektronenverteilungsfunktion und des Plasmapotentials sowie von elektrischen Parametern von mindestens einer aus dem Medium (M) abgeschiedenen Beschichtung (S), mit einem Sondenkopf (SK), der folgende Merkmale umfaßt:
  • a) eine erste Meßeinrichtung (U) zur Bestimmung von elektrischen Parametern (i, U) des teilweise ionisierten gasförmigen Mediums (M) und mindestens einer aufgebrachten Schicht (S) im Wege einer elektrischen Messung; und
  • b) eine zweite Meßeinrichtung (LWL) zur Bestimmung von optischen Parametern (OW) von mindestens einer auf der ersten Meßeinrichtung (U) aufgebrachten Schicht (S) im Wege einer optischen Messung.
2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (LWL) einen optischen Lichtwellenleiter (LWL) und die erste Meßeinrichtung (U) eine um den Lichtwellenleiter (LWL) herum angeordnete Umkleidung (U) aus einem chemisch inerten Material umfaßt.
3. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das chemisch inerte Material Iridium oder eine inerte Iridiumlegierung ist.
4. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der ersten Meßeinrichtung (U) im Wege einer elektrischen Messung bestimmbaren elektrischen Parameter (i, U) elektrische Potentiale und Ströme umfassen.
5. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der zweiten Meßeinrichtung (LWL) im Wege einer optischen Messung bestimmbaren optischen Parameter optische Wegunterschiede (OW) in der mindestens einen Schicht (S) umfassen.
6. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkopf (SK) zur gleichzeitigen Bestimmung von optischen Wegunterschieden (OW) in einer oder mehreren Schichten (S) und elektrischen Potentialen und Strömen des teilweise ionisierten gasförmigen Mediums (M) ausgelegt ist.
7. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Meßeinrichtung (U; LWL) des Sondenkopfes (SK) eine in-situ Kalibriereinrichtung umfassen.
8. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkopf (SK) eine Einrichtung (H) zur Entfernung der mindestens einen Schicht (S) von der ersten Meßeinrichtung (U) umfaßt.
9. Meßsonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungseinrichtung (H) eine in dem Sondenkopf (SK) vorgesehene Heizung (H) ist.
10. Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums (M), insbesondere der Elektronen- und Ionendichte, der Elektronenverteilungsfunktion und des Plasmapotentials sowie von elektrischen Parametern mindestens einer aus dem Medium (M) abgeschiedenen Beschichtung (S), umfassend:
  • a) einen Sondenkopf (SK) mit einer ersten Meßeinrichtung (U) zur Bestimmung von elektrischen Parametern (i, U) des teilweise ionisierten gasförmigen Mediums (M) und mindestens einer aufgebrachten Schicht (S) im Wege einer elektrischen Messung; und
    einer zweiten Meßeinrichtung (LWL) zur Bestimmung von optischen Parametern (OW) von mindestens einer auf der ersten Meßeinrichtung (U) aufgebrachten Schicht (S) im Wege einer optischen Messung.
  • b) einen mit der zweiten Meßeinrichtung (U) verbundenen optischen Sender (2) zur Einstrahlung von Licht in den Sondenkopf (SK); und
  • c) eine mit dem Sondenkopf (SK) verbundene Auserteeinrichtung (A) zur Bestimmung der lokalen Eigenschaften durch Verarbeitung der elektrischen und optischen Parameter (i, U; OW).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (LWL) einen optischen Lichtwellenleiter (LWL) und die erste Meßeinrichtung (U) eine um den Lichtwellenleiter (LWL) herum angeordnete Umkleidung (U) aus einem chemisch inerten Material umfaßt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das chemisch inerte Material Iridium oder eine Iridiumlegierung ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (A) eine optische Auswerteeinheit mit einem optischen Empfänger (1) und eine elektrische Auswerteeinheit (3) umfaßt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Auswerteeinheit (3) die von der ersten Meßeinrichtung (U) bestimmten elektrischen Parameter (i, U) des teilweise ionisierten, gasförmigen Mediums, insbesondere der Elektronen- und Ionendichten, der Elektronenverteilungsfunktion und des Plasmapotentials sowie von elektrischen Parametern von aus dem gasförmigen Medium (M) abgeschiedenen Schichten (S), insbesondere der Strom-Spannungskennlinien verarbeitet.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Auswerteeinheit (1) die von der zweiten Meßeinrichtung (U) bestimmten optischen Parameter zur Auswertung von optischen Wegunterschieden (OW) in einer oder mehreren Schichten (S) verarbeitet.
16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (A) gleichzeitig eine Bestimmung von optischen Wegunterschieden (OW) und elektrischen Potentialen und Strömen ausführt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Meßeinrichtung (U, LWL) des Sondenkopfes (SK) eine in-situ Kalibriereinrichtung umfassen.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkopf (SK) eine Einrichtung (H) zur Entfernung der mindestens einen Schicht (S) von der ersten Meßeinrichtung (U) umfaßt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungseinrichtung (H) eine in dem Sondenkopf (SK) vorgesehene Heizung (H) ist.
20. Verfahren zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums (M), insbesondere der Elektronen- und Ionendichte, der Elektronenverteilungsfunktion und des Plasmapotentials sowie von elektrischen Parametern von mindestens einer aus dem Medium (M) abgeschiedenen Beschichtung (S) mittels einer in das gasförmige Medium (M) eingebrachten Meßsonde (13), wobei
  • a) elektrische Parameter (i, U) des teilweise ionisierten gasförmigen Mediums (M) und mindestens einer Schicht (S) im Wege einer elektrischen Messung; und gleichzeitig
  • b) optische Parameter (OW) von mindestens einer auf der Messonde aufgebrachten Schicht (S) im Wege einer optischen Messung bestimmt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der optischen und elektrischen Parameter (OW; i, U) eine Messonde nach Anspruch 1 verwendet wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Parameter (i, U) elektrische Potentiale und Ströme und als optische Parameter über Interferenzsignale optische Wegunterschiede (OW) bestimmt werden.
23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß durch Auswerten der elektrischen Parameter (i, U) eine Strom-Spannungs-Kennlinie (6) für mindestens eine Schicht (S) auf der Meßsonde und daraus deren Dicke bestimmt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibrierschritt durchgeführt wird, bei dem die elektrische Kennlinie (6) unter Zuhilfenahme der mittels der optischen Interferenzsignale bestimmten Schichtdicke (t) auf dem Sondenkopf (SK) in-situ kalibriert wird.
25. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Schicht (S) mittels einer in dem Sondenkopf (SK) vorgesehenen Entfernungseinrichtung entfernt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkopf (SK) zur Entfernung mit einer in dem Sondenkopf (SK) vorgesehenen Heizung (H) erwärmt wird.
27. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Ableitungen der Strom-Spannungs- Sondenkennlinie bestimmt werden.
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