EP4558787A1 - Abbildendes ellipsometer zur flächigen schichtdickenmessung einer probe und verfahren mit einem abbildenden ellipsometer - Google Patents

Abbildendes ellipsometer zur flächigen schichtdickenmessung einer probe und verfahren mit einem abbildenden ellipsometer

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Publication number
EP4558787A1
EP4558787A1 EP23745159.6A EP23745159A EP4558787A1 EP 4558787 A1 EP4558787 A1 EP 4558787A1 EP 23745159 A EP23745159 A EP 23745159A EP 4558787 A1 EP4558787 A1 EP 4558787A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
polarization
sample
camera
intensity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23745159.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ferdinand Bammer
Florian Ferdinand HUEMER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Wien
Original Assignee
Technische Universitaet Wien
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Wien filed Critical Technische Universitaet Wien
Publication of EP4558787A1 publication Critical patent/EP4558787A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G01N21/211—Ellipsometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0641—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of polarization

Definitions

  • Imaging ellipsometer for surface layer thickness measurement of a sample and method with an imaging ellipsometer
  • the present invention relates to an imaging ellipsometer for surface layer thickness measurement of a sample according to the preamble of patent claim 1 and a method with such an imaging ellipsometer according to patent claim 5.
  • Imaging measuring systems are known from the prior art.
  • the documents US 5 963 326 A and US 2014 0 204 203 A1 describe imaging measurement processes on large samples using a collimated light beam. The light rays are detected using afocal optics and the actual polarization measurement is carried out by a polarizer, also called an analyzer in ellipsometry.
  • a polarizer also called an analyzer in ellipsometry.
  • the document US 4 516 855 A describes a method for determining a polarization state using a converted TV camera. The measuring system uses three different cameras, each with a polarizer arranged in front of it at angles of 0°, 60° and 120°.
  • US 7,768,660 B1 describes a system for measuring samples on the inside of the glass with separate detection of the external and internal reflection. The sample is measured pointwise.
  • the conventional measurement systems are limited to complex laboratory measurement technology (iB spectroscopy), which means that the components are expensive and complex, generate unnecessarily large amounts of data and require a long measurement time due to the time-consuming point-shaped measurement processes and usually do not offer a complete area measurement.
  • iB spectroscopy complex laboratory measurement technology
  • the components are expensive and complex, generate unnecessarily large amounts of data and require a long measurement time due to the time-consuming point-shaped measurement processes and usually do not offer a complete area measurement.
  • the differences in camera sensitivities and fluctuations lead to an inaccurate (measuring) system.
  • the present invention is based on the object of avoiding or at least mitigating the disadvantages of the prior art and, in particular, of further developing an imaging ellipsometer as a compact measuring system for measuring the surface layer thickness of a sample, in which, on the one hand, the measuring speed is to be improved and, on the other hand, the complexity is to be improved and the costs of the system should be kept low. Furthermore, a (measuring) method with such an imaging ellipsometer should be provided, which can be carried out without contact and in real time.
  • a generic ellipsometer as a measuring system for measuring the surface layer thickness of a sample, is equipped with a polarization camera, which in turn has polarization filters in 0°, 45°, 90° and 135° orientations This means that the polarization axes of these filters are rotated by the respective angles.
  • the invention therefore relates to an imaging ellipsometer for surface layer thickness measurement of a, preferably cylindrical, sample, with a monochromatic light source, which is designed to radiate / shine light onto the sample, and a polarizer, which is designed to detect the light emitted by the light source , especially linear, to polarize, an angle-selective lens and a polarization camera.
  • the polarization camera has polarization filters/polarization layers in 0°, 45°, 90° and 135° orientations/positions and is designed to polarize the light emitted by the light source into linear polarization orientations/polarization directions and to increase their light intensities capture and measure.
  • IR is an intensity of light in the right circular Polarization orientation
  • II is an intensity of light in the left circular polarization orientation
  • I45 is an intensity of light in the 45° linear polarization orientation
  • I-45 is an intensity of light in the 135° linear polarization orientation.
  • the polarization camera of the imaging ellipsometer has a large number of differently rotated linear polarization filters, which are integrated into the system at the sensor level of the polarization camera.
  • the polarization camera is designed as a polarization 2D camera, but can also be designed as a polarization 1D camera for special applications.
  • the ellipsometer has a light source that generates a light beam, which is converted by a polarizer into a linear/parallel polarized light, i.e. into a light with an electric field that is only in one plane, for example in a 45° orientation. to the direction of propagation of the light or at a 45° angle to the (light) plane spanned by the illumination and lens axes.
  • the polarized light whose light beam is rotated in a polarization direction by, for example, 45° to the light plane, strikes a, preferably cylindrical sample, the layer thickness of which is to be measured, and is reflected by it.
  • the reflected light then passes through an angle-selective lens and hits the polarization camera with the corresponding polarization filters.
  • the polarization filters of the polarization camera are arranged with or in rotational positions/alignments/arrangements of 0°, 45°, 90° and 135° or -45° in a defined pattern of the parallel filter structures, which polarize the polarized light into the respective polarization orientations . specifically block the polarized light components.
  • the pixel field of the polarization camera is divided into groups of 4, in particular in 2x2 arrangements, across the entire pixel array and the polarization camera carries out measurements of the intensities of the respective linear polarizations with the orientations 0°, 45° via the groups of 4 (pixels). , 90° and 135° through.
  • the sample to be measured or the object to be imaged is captured by the polarization camera without any perspective distortion.
  • the sample is imaged with an angle-selective lens, that is, with a small acceptance angle, so that of Only a very narrow cone of light is imaged at each object point.
  • angle selectivity in transparent cylindrical samples allows the inner and outer wall reflection to be imaged separately. Furthermore, angle selectivity also means a large depth of field, so that even very slanted long objects can be imaged sufficiently sharply over the entire length of the object. Angle selectivity is achieved primarily through the use of pinholes within the lens. Angle-selective lenses are often telecentric on the object side, meaning that only rays that enter the lens parallel to each other and parallel to the optical axis are imaged. In the present invention, this has the additional advantage that the angle of incidence of the detected reflected rays is constant over the entire length of the object.
  • a constant angle of entry and exit can also be achieved through good parallel collimation of the incident light.
  • the sample is also essentially specularly reflective, the well-defined angle of incidence resulting from the collimation also results in a well-defined fixed angle of reflection.
  • the lens can also be of a general nature and does not have to have telecentricity, and angle selectivity only if the other characteristics previously listed are advantageous.
  • the light source is configured in such a way, for example by appropriately positioning a focusing lens in front of a point source, that the light rays converge towards the sample or have at least a significant proportion of such convergent light. After reflection from the sample, the relevant light rays continue to converge and can be imaged onto the polarization camera by a relatively small, inexpensive lens.
  • the object can also be designed to be angle-selective. This is achieved, for example, by a suitably positioned pinhole lens within the lens.
  • convergent beam guidance means a variable incidence/exit angle over the cylinder length. This non-constant entry/exit angle must then be taken into account in the evaluation.
  • the entrance/exit angle is important for the evaluation and, according to the invention, is typically chosen so that it is equal to or in the range of the Brewster angle of the substrate.
  • the angle of incidence/exit is advantageously constant.
  • the illuminating light beam must have a much larger cross section, so that either correspondingly large exit apertures of the light source are required or the light source is composed of several emitters, which together produce convergent illumination on the sample in such a way that the reflected light passes through comparatively small lens can be imaged on the polarization camera.
  • a conversion to circular polarization orientations only occurs for light beams with linear polarization orientations whose orientation is aligned by +/- 45° to a main axis of the quarter-wave plate.
  • Light rays with a linear polarization orientation of 0° or 90° to the main axis of the quarter-wave plate are not changed, whereas the light rays with the remaining polarization orientations are converted into elliptical polarization orientations.
  • the light plane can be used, for example, which is defined by a centrally incident beam and a centrally emitted beam from the sample.
  • the measuring system is cost-effective due to the relatively small number of components can be produced and handled robustly, as different sensitivity fluctuations and incorrect polarization measurements are avoided when using several polarization cameras. Accordingly, the surface layer thickness measurements are also carried out at a high speed. Furthermore, the pixels are arranged on a common sensor or a common sensor plane, which means that the results of the measurements are additionally more robust.
  • the quarter-wave plate is arranged such that an optical main axis/crystal optical axis of the quarter-wave plate is rotated by 45° or 0° with respect to a light plane.
  • the ellipsometer has an additional quarter wave plate/delay plate/circular polarizer, in particular made of a birefringent material (e.g. a birefringent plastic), which is arranged in front of the sensor plane and the polarization filters of the polarization camera and after the sample with respect to the light beam direction.
  • a birefringent material e.g. a birefringent plastic
  • the light reflected from the sample in particular elliptically polarized, falls on the quarter-wave plate, the thickness of which is selected such that a phase shift of 1/4 wavelength results for the polarized light.
  • the light which is elliptically polarized by reflection from the sample, is correspondingly differently elliptically polarized after passing through the quarter-wave plate.
  • the main axis of the quarter wave plate is rotated by 0° or 45° with respect to a horizontal during operation of the ellipsometer.
  • the intensity of the originally contained right-to-left circularly polarized light can be measured. If the polarization filter is at 0°/90° to the main axis of the quarter-wave plate, the quarter-wave plate has no effect on a subsequent intensity measurement.
  • the intensity of the originally contained 0°/90° linearly polarized light and the right-left circularly polarized light can be measured.
  • a measurement of the 2nd and 4th Stokes components of the Stokes vector describing the polarization state is realized by calculating the corresponding intensity ratios.
  • the polarization camera of the ellipsometer is therefore designed and arranged in such a way that, in order to determine the polarization state of the detected light, it measures at least the second and third Stokes components, which are particularly meaningful in layer thickness measurements of samples with very different refractive indices between the coating and the substrate Z base body .
  • the polarization camera measures the third and fourth Stokes components of the captured (circularly polarized) light beam, thereby enabling a simple and robust layer thickness measurement in a sample Similar refractive indices between the coating and the base body are possible.
  • the ellipsometer has an additional collimation optics/collimator, for example consisting of a plurality of, for example, spherically shaped lenses and/or cylindrical lenses for samples with a particularly large aspect ratio or of Fresnel lenses for particularly large samples, which are relative to the beam direction the polarizer and/or between the light source and the sample and which directs the rays of (linearly) polarized light parallel to the sample.
  • the cylindrical lenses offer advantages in quick processing by generating a rectangular beam.
  • the light beams linearly polarized by the polarizer pass through an additional collimation optics, which collects the predominantly divergent beams emerging from the polarizer and aligns them with the sample in such a way that they strike the sample parallel and in a wide beam/beam. Accordingly, the light originally emitted by a point source is converted into a bundle of parallel rays, causing the light to be directed in a specific direction.
  • a sensor or the sensor plane of the polarization camera is arranged at an angle with respect to a light beam incident on the polarization camera.
  • the polarization camera or only its sensor plane is arranged relative to the sample to be measured in such a way that the light beam reflected by the sample falls on the sensor plane at an angle.
  • This inclination of the image/sensor plane of the polarization camera relative to the object plane must be designed in accordance with the Scheimpflug condition in such a way that these planes intersect and their intersection lines fall into the lens plane.
  • the object, lens and sensor planes intersect in a common straight line. This ensures that an inclined object plane can always be imaged sharply by the polarization camera.
  • the invention further relates to a method with an imaging ellipsometer, in particular according to the embodiments explained above, with a monochromatic light source, a polarizer, an angle-selective lens and a polarization camera for measuring the surface layer thickness of a, preferably cylindrical, sample.
  • the method includes the steps of illuminating the sample using light emitted by the light source and then polarized by the polarizer and detecting the light reflected from the sample and angle-selective imaging of the sample onto a sensor plane of the polarization camera through the lens.
  • the polarized light beam is collimated/collimated by collimation optics before it hits the sample.
  • the reflected light beam impinges on an obliquely arranged sensor plane of the polarization camera, which ensures a sharp representation of the object plane of the sample, which may be oriented obliquely/obliquely.
  • Any coating present on the sample affects the reflection properties of the light, creating a new polarization state of the reflected light, which in turn affects the intensity ratio measured by the polarization camera.
  • These calculated intensity ratios are correlated/compared with the desired layer thickness or with other layer properties of the measured sample using mathematical modeling.
  • the light polarized by the polarizer is converted using a quarter-wave plate whose main optical axis is rotated by 0° or 90° relative to the plane of light, whereby instead of the intensities of the light in the polarization orientations 45° and 135°, there is an intensity of a right circular one Polarization orientation and an intensity of a left circular polarization orientation are measured by the polarization camera.
  • further layer thickness-dependent intensity ratios can also be calculated depending on measured light intensities of the polarization orientations 0° or p-polarization and 90° or s-polarization.
  • the size l P is the measured/detected intensity of the p-polarization component of the light beam and the size Is is the measured/detected intensity of the s-polarization component of the light beam.
  • the p-polarization is polarized parallel to the light plane and the s-polarization perpendicular to it, whereby, if according to the invention the polarization camera is set up with its O ° filter direction parallel to the p- or s-polarization, the intensities l P and l s correspond to the intensities Io and I90 measured by the polarization camera.
  • the sample is as a cylinder with a layer thickness to be measured and a cylinder axis which is rotated by 0° or 90° with respect to the plane of light. Accordingly, the light emitted by the light source and then polarized by the polarizer radiates parallel or normal to the cylinder axis of the sample.
  • a corresponding line can be imaged along the cylinder parallel to the cylinder axis, preferably by means of angle-selective, possibly telecentric optics on the object side.
  • the measurement is carried out on a cylinder sample, which has a cylinder axis in the O° position with respect to the light plane, under the Scheimpflug condition.
  • the sample is a cylinder, or locally cylindrical in shape, with a layer thickness to be measured. Accordingly, the light emitted by the light source and then polarized by the polarizer and collimated by the collimator radiates over a large area onto the sample.
  • This makes it possible to image a corresponding line along the cylinder parallel to the cylinder axis, preferably by means of angle-selective telecentric optics on the object side, which ensures the definition and constantness of the viewing angle required in ellipsometry.
  • an angle of 90° between the light plane and the cylinder axis is advantageous, as a sharp image is then available over the entire length of the sample.
  • an angle of 0° between the light plane and the cylinder axis is advantageous.
  • the problem appears smaller and, despite its size, can be imaged in its entirety if the viewing angle is chosen appropriately.
  • the camera and/or the objective lenses can also be tilted so that the Scheimpflug condition is at least approximately fulfilled.
  • cylindrical samples allow the lines that make up the cylinder wall to be evaluated or mapped. By rotating the samples, the entire sample wall can be measured or imaged. The corresponding measurement along a respective line provides a qualitative agreement with conventional measuring methods. There are also missing parts can be clearly shown/imaged through the corresponding panoramic measurements along the sample walls. In addition, real-time measurements on rotating cylinder samples can be carried out easily and with good repeatability.
  • the sample is designed as a transparent, in particular coated, cylinder with a layer thickness to be measured and a light reflected from an inside wall of the sample and a light reflected from an outside wall of the sample are recorded separately by the polarization camera or, in the case of thin-walled transparent ones Cylinders recorded together.
  • This separate detection is made easier or possible by a small acceptance angle of the lens.
  • the use of an angle-selective lens is advantageous or necessary for the separate detection of internal and external wall reflections.
  • the light beam striking/directed onto a cylindrical (thick-walled) sample with an inside (cylinder) wall and an outside (cylinder) wall is reflected proportionally from the inside of the wall and at the same time proportionally from the outside of the wall.
  • a (sample wall) inside reflection can be separated from a (sample wall) outside reflection, whereby the polarization camera detects the reflected light beams separately and evaluates them separately from each other.
  • the reflected light rays are recorded with an angle-selective lens, which means that the internal and external reflection can be easily separated.
  • the thickness of an inner wall coating of the same sample can also be measured or evaluated with a single measuring process.
  • the distance between the inner wall reflection image and the outer wall reflection image is a measure of the wall thickness of the cylinder.
  • a wall thickness measurement can also be carried out.
  • the ellipsometer according to the invention can be used in a roll-to-roll / roll-to-roll / R2R process, in which a substrate that can be rolled off a roll, for example a flexible plastic or metal foil, is printed.
  • a substrate that can be rolled off a roll for example a flexible plastic or metal foil
  • the flexible films are printed with flexible electronics/flexible electronic components, for example with photovoltaic components.
  • a deflection roller on which the film/substrate with the additional printed layer is unrolled or deflected is directly illuminated with the 45° polarized and, preferably collimated, light beam.
  • the polarization camera is arranged in such a way, preferably obliquely with respect to the axis of the deflection roller, that a reflection of the light beam along a line on this film sample can be detected by the polarization camera.
  • Well-collimated illumination of the film and the angle-selective optics of the ellipsometer ensure clean detection of the reflected light rays.
  • R2R measurements are narrow-band (bandwidth smaller than the diameter of the lens aperture) on the deflection roller, in an orientation normal to the roller axis (90° angle between the light plane and the axis of the deflection roller), or broadband on the deflection roller, in an orientation parallel to the roller axis (O° angle between the light plane and the axis of the deflection roller).
  • This layer thickness measurement which is carried out directly on the deflection roller of the R2R process, enables high stability against film vibrations and also suppresses any rear reflections that may occur by using a suitable deflection roller. Furthermore, real-time measurements of the layer thicknesses are possible during the actual R2R process, i.e. immediately after the actual coating process.
  • the measurement is therefore advantageously carried out on a deflection roller on which the film is unrolled or deflected, thus on a cylindrical surface.
  • the polarization camera detects an additional reflection or several additional reflections of the light beam from a rear wall of the sample, which is arranged furthest away from the polarization camera, and evaluates them.
  • the light reflected from the sample is captured by the polarization camera during a rotational movement of the sample.
  • the cylindrical sample is illuminated with collimated light from several slightly different directions. This can be achieved using prisms and or mirrors in combination with the collimator, so that only one light source is still necessary. This means that more lines on the circumference can be imaged on the sensor at the same time and can therefore also be evaluated at the same time, which means that the area of the sensor is better utilized and more information is gained about the uniform distribution of the coating.
  • the cylindrical sample can also be illuminated with slightly convergent light, making the imaged line wider so that more information about the uniform distribution of the coating can be determined from one recording.
  • FIG. 1 shows a schematic representation in a top view of the ellipsometer according to the invention according to an advantageous embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through the axis of a cylindrical sample to be measured during a measuring process
  • FIG. 3 shows an exemplary diagram which shows the measured surface layer thickness curves of an internally coated cartridge with defects during a panoramic measurement
  • Fig. 4 is an exemplary diagram which shows the measured flat layer thickness curves of internally coated (PET) bottles during a panoramic measurement.
  • FIG. 1 shows a top view of the ellipsometer 1 according to the invention according to an advantageous embodiment.
  • the ellipsometer 1 has a light source 3, the emitted light rays of which pass through a polarizer 4 with a polarizer axis which forms a 45 ° angle with the plane of the drawing.
  • the light beams, linearly polarized using the polarizer 4 then pass through collimation optics 8, optionally made of cylindrical lenses, whereby the beams strike a cylindrical sample 2 to be measured in a parallel direction.
  • the incident rays are then reflected by the sample 2 and possibly also scattered, resulting in a strongly divergent reflection with a wide light beam diameter.
  • a portion of the wide light beam is captured by an angle-selective and possibly telecentric lens 5 on the object side and then passes through a quarter-wave plate 7, the main axis of which, in this illustrated embodiment, encloses a 45 ° angle with the plane of the drawing.
  • the reflected polarized light beams are then captured by a polarization camera 6 with polarization filters in 0°, 45°, 90° and 135° orientations.
  • the polarization filters polarize the captured light in the polarization directions 0°, 45°, 90° and 135° and the following sensor measures the respective intensities of these components. At least one layer thickness-dependent ratio is then calculated and evaluated from the measured intensities, resulting in a local layer thickness of sample 2.
  • Figure 2 shows a sectional view through the cylinder axis of a cylindrical sample 2 to be measured during a (layer thickness) measuring process.
  • the thick-walled sample 2 has an inside wall 9 and an outside wall 10. Furthermore, collimated, 45° linearly polarized light beams that hit sample 2 are shown. Only the rays are shown which, after being reflected by the sample 2, strike the (angle-selective) lens (not shown) in parallel.
  • the light beam 12 reflected from the outside of the wall 10 of the sample 2 and the light beam 11 reflected from the inside of the wall 9 of the sample 2 also run parallel to one another. The same entrance and exit angles of the light rays onto or from the sample 2 can be seen.
  • Figure 3 shows an exemplary diagram which shows the measured surface layer thickness curves of a cartridge coated on the inside with silicone oil with defects 15 during a panoramic measurement, for example 20 seconds.
  • the x-axis of the diagram shows the number of measurements between 0 and 200, whereas the y-axis represents a height section of the sample between 0 and 60 mm.
  • the measurements are carried out during a rotational movement of the carpule, with 100 measurements always being carried out per revolution.
  • the measured layer thicknesses of the carpule are shown using hatching of different densities. The layer thicknesses range from 0 pm (no hatching) to 0.4 pm (strong or dense hatching).
  • the diagram is divided along the x-axis into an area of the first revolution 13 of the carpule and an area of the second revolution 14 of the carpule, each of which shows 100 measurements by the ellipsometer according to the invention, which creates a flat layer thickness profile of the carpule.
  • An area of high layer thickness 16 can be seen, which occurs in the first half of the respective revolutions of the carpule.
  • a defect 15 is shown, approximately at measurements 40 to 60 and 140 to 160, which was created before these measurements by pushing a cotton swab through.
  • Figure 4 shows an exemplary diagram which shows the measured surface layer thickness curves of four different coated (PET) bottles, for example with a coating in the form of a Bamere layer SiÜ2 on the inside, during a panoramic measurement.
  • the x-axis of the graph shows the number of measurements between 0 and 255, whereas the y-axis represents a height section of the samples between 0 and approximately 35 mm. The measurements are only taken in one label area of the bottles.
  • Each of the four different coated bottles undergoes 50 measurements per revolution, which are shown in this diagram as (measuring) areas 17, 18, 19 and 20. Between each measurement of the coated bottles, a range of approximately 20 measurements on another uncoated bottle is shown.
  • the (measuring) areas 21 on the uncoated bottle are not shown hatched, whereas the hatching/hatching is shown more densely as the layer thickness of the labels on the coated bottles increases. Layer thicknesses between 0 and 0.07 pm are shown. The relatively high layer thicknesses of up to 0.07 pm of the second and third coated bottles can be seen in the (measuring) areas 18 and 19 shown.
  • Polarizer angle-selective lens possibly telecentric polarization camera on the object side

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein abbildendes Ellipsometer (1) zur flächigen Schichtdickenmessung einer, vorzugsweise zylinderförmigen, Probe (2), mit einer monochromatischen Lichtquelle (3), die derart ausgebildet ist, Licht auf die Probe (2) zu strahlen, einem Polarisator (4), welcher derart ausgebildet ist, das von der Lichtquelle (3) ausgestrahlte Licht zu polarisieren, einem winkelselektiven Objektiv (5) und einer Polarisationskamera (6). Die Polarisationskamera (6) weist dabei Polarisationsfilter in 0°-, 45°-, 90°- und 135°-Ausrichtungen auf und ist derart ausgebildet, das von der Lichtquelle (3) ausgestrahlte Licht in lineare Polarisationsorientierungen zu polarisieren und deren jeweiligen Lichtintensitäten zu erfassen und zu messen. Dabei ist eine Viertelwellenplatte (7) zwischen der Probe (2) und der Polarisationskamera (6) zur Änderung der Polarisation des Lichtes angeordnet, welche derart ausgebildet ist, dass sie bestimmte lineare Polarisationsorientierungen des Lichtes in zirkulare Polarisationsorientierungen umwandelt und das Ellipsometer (1) derart ausgebildet ist, ein schichtdickenabhängiges Verhältnis der erfassten Lichtintensitäten durch Gleichungen RZ = (IR-IL) / (IR+IL) und R45 = (I45-I-45) / (I45+I-45) berechnet. Dabei ist IR eine Intensität des Lichtes in der rechts zirkularen Polarisationsorientierung, IL eine Intensität des Lichtes in der links zirkularen Polarisationsorientierung, I45 eine Intensität des Lichtes in der linearen 45° Polarisationsorientierung und I-45 eine Intensität des Lichtes in der linearen 135° Polarisationsorientierung. Ferner, betrifft die Erfindung ein Verfahren mit einem abbildenden Ellipsometer (1).

Description

Abbildendes Ellipsometer zur flächigen Schichtdickenmessung einer Probe und Verfahren mit einem abbildenden Ellipsometer
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein abbildendes Ellipsometer zur flächigen Schichtdickenmessung einer Probe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit einem solchen abbildenden Ellipsometer gemäß dem Patentanspruch 5.
Aus dem Stand der Technik sind bildgebende Messsysteme, unter anderem zur Schichtdickenmessung von Proben, bekannt. Die Dokumente US 5 963 326 A und US 2014 0 204 203 A1 beschreiben bildgebende Messvorgänge auf großen Proben unter Verwendung eines kollimierten Lichtstrahls. Die Erfassung der Lichtstrahlen erfolgt dabei mit einer afokalen Optik und die eigentliche Polarisationsmessung erfolgt durch einen Polarisator, in der Ellipsometrie auch Analysator genannt. Ferner, beschreibt das Dokument US 4 516 855 A ein Verfahren zu Bestimmung eines Polarisationszustandes mithilfe einer umgebauten TV-Kamera. Das Messsystem nutzt hier drei unterschiedliche Kameras mit je einem davor in Winkeln 0°, 60°, 120° angeordneten Polarisator. Die US 7 768 660 B1 beschreibt ein System zur Messung von Proben an deren Glasinnenseite mit einer getrennten Erfassung von der Außen- sowie der Innenreflexion. Dabei erfolgt die Messung der Probe punktförmig. Die herkömmlichen Messsysteme sind auf komplexer Labormesstechnik (i.B. Spektroskopie) beschränkt, wodurch die Komponenten teuer und aufwendig sind, unnötig hohe Datenmengen erzeugt werden und erfordern aufgrund der zeitintensiven punktförmigen Messvorgänge eine hohe Messdauer und bieten i.d.R. keine vollständige flächige Messung. Zudem führen die Unterschiede in den Kamera- Empfindlichkeiten sowie in den -Schwankungen zu einem ungenauen (Mess-)System. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder zumindest zu mildern und insbesondere ein abbildendes Ellipsometer als kompaktes Messsystem zur flächigen Schichtdickenmessung einer Probe weiterzuentwickeln bei dem zum einen die Messgeschwindigkeit verbessert werden soll und zum anderen die Komplexität sowie die Kosten des Systems gering gehalten werden sollen. Des Weiteren soll ein (Mess-)Verfahren mit einem solchen abbildenden Ellipsometer bereitgestellt werden, welches berührungslos und in Echtzeit durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Ellipsometer dadurch gelöst, dass das Ellipsometer als Messsystem zur flächigen Schichtdickenmessung einer Probe mit einer Polarisationskamera ausgestattet ist, welche wiederum Polarisationsfilter in 0°-, 45°-, 90°- sowie in 135°-Ausrichtung aufweist, das heißt die Polarisationsachsen dieser Filter sind um die jeweiligen Winkel verdreht.
Die Erfindung betrifft demzufolge ein abbildendes Ellipsometer zur flächigen Schichtdickenmessung einer, vorzugsweise zylinderförmigen, Probe, mit einer monochromatischen Lichtquelle, die derart ausgebildet ist, Licht auf die Probe zu strahlen / zu leuchten, einem Polarisator, welcher ausgebildet ist, das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht, insbesondere linear, zu polarisieren, einem winkelselektiven Objektiv und einer Polarisationskamera. Die Polarisationskamera weist dabei Polarisationsfilter / Polarisationsschichten in 0°-, 45°-, 90°- und 135°- Ausrichtungen / -Lagen auf und ist derart ausgebildet, das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht in lineare Polarisationsorientierungen / Polarisationsrichtungen zu polarisieren und deren Lichtintensitäten zu erfassen und zu messen. Dabei ist eine Viertelwellenplatte zwischen der Probe und der Polarisationskamera zur Änderung der Polarisation des Lichtes, insbesondere mit der Hauptachse um 45° gedreht bezüglich der 0°-Polarisationsrichtung der Polarisationskamera, angeordnet, welche derart ausgebildet ist, dass sie bestimmte lineare Polarisationsorientierungen des Lichtes in zirkulare Polarisationsorientierungen umwandelt und das Ellipsometer derart ausgebildet ist, ein schichtdickenabhängiges Verhältnis der erfassten Lichtintensitäten durch Gleichungen RZ = (IR-IL) / (IR+IL) und R45 = (I45-I-45) / (I45+I-45) zu berechnen. IR ist eine Intensität des Lichtes in der rechts zirkularen Polarisationsorientierung, II ist eine Intensität des Lichtes in der links zirkularen Polarisationsorientierung, I45 ist eine Intensität des Lichtes in der linearen 45° Polarisationsorientierung und I-45 ist eine Intensität des Lichtes in der linearen 135° Polarisationsorientierung.
Anders ausgedrückt, weist die Polarisationskamera des abbildenden Ellipsometers eine Vielzahl verschieden gedrehter linearer Polarisationsfilter auf, welche auf Sensorebene der Polarisationskamera systemtechnisch integriert sind. Insbesondere ist die Polarisationskamera als eine Polarisations-2D-Kamera ausgeführt, kann jedoch für spezielle Anwendungen auch als Polarisations-1 D- Kamera ausgeführt sein. Das Ellipsometer weist eine Lichtquelle auf, die einen Lichtstrahl erzeugt, welcher durch einen Polarisator in ein linear / parallel polarisiertes Licht umgewandelt wird, also in ein Licht mit einem elektrischen Feld, welches nur in einer Ebene, bspw. in einer 45°-Ausrichtung, zu der Ausbreitungsrichtung des Lichtes bzw. in einem 45°-Winkel zu der von der Beleuchtungs- und der Objektivachse aufgespannten (Licht-)Ebene steht. Das polarisierte Licht, dessen Lichtstrahl in einer Polarisationsrichtung um bspw. 45° zur Lichtebene gedreht ist, trifft auf eine, vorzugsweise zylinderförmige Probe, deren Schichtdicke gemessen werden soll, und wird von dieser reflektiert. Das reflektierte Licht durchläuft dann ein winkelselektives Objektiv und trifft auf die Polarisationskamera mit den entsprechenden Polarisationsfiltern. Erfindungsgemäß sind die Polarisationsfilter der Polarisationskamera mit bzw. in Drehlagen / Ausrichtungen / Anordnungen von 0°, 45° 90° und 135° bzw. -45° in einem definierten Muster der parallelen Filterstrukturen angeordnet, welche das polarisierte Licht in die jeweiligen Polarisationsorientierungen polarisieren bzw. die polarisierten Lichtanteile gezielt sperren. Beispielsweise ist das Pixelfeld der Polarisationskamera in 4er-Gruppen, insbesondere in 2x2-Anordnungen, über das gesamte Pixelarray aufgeteilt und die Polarisationskamera führt über die 4er-(Pixel-)Gruppen Messungen der Intensitäten der jeweiligen linearen Polarisationen mit den Orientierungen 0°, 45°, 90°und 135° durch. Mithilfe des telezentrischen Objektivs wird die zu messende Probe bzw. das abzubildende Objekt ohne eine perspektivische Verzerrung durch die Polarisationskamera erfasst. Vorzugsweise erfolgt die Abbildung der Probe mit einem winkelselektiven Objektiv, das heißt mit einem kleinen Akzeptanzwinkel, sodass von jedem Objektpunkt nur ein sehr schlanker Lichtkegel abgebildet wird. Dadurch wird einerseits für jeden Objektpunkt ein definierter Ausfallswinkel festgelegt, was für eine exakte ellipsometrische Messung wichtig ist. Andererseits erlaubt die Winkelselektivität bei transparenten zylindrischen Proben die separate Abbildung der Innenwand- und Außenwandreflektion. Weiters bedeutet Winkelselektivität auch eine große Tiefenschärfe, sodass auch sehr schräg gestellte lange Objekte über die ganze Objektlänge ausreichend scharf abgebildet werden können. Winkelselektivität wird vor allem durch die Verwendung von Lochblenden innerhalb des Objektivs erzielt. Winkelselektive Objektive sind oft objektseitig telezentrisch das heißt, nur Strahlen, welche parallel zueinander und parallel zur optischen Achse in das Objektiv eintreten, werden abgebildet. Dies hat in der gegenständlichen Erfindung den zusätzlichen Vorteil, dass der Ausfallswinkel der erfassten reflektierten Strahlen über die ganze Objektlänge konstant ist.
Alternativ ist ein konstanter Ein- und Ausfallswinkel aber auch über eine gute parallele Kollimation des einfallenden Lichtes erreichbar. Ist die Probe zusätzlich im wesentlichen spekular reflektierend, ergibt sich aus dem durch die Kollimation wohl definierten Einfallswinkel auch ein wohl definierter fixer Ausfallswinkel. In diesem Fall kann das Objektiv auch allgemeiner Natur sein und muss keine Telezentrie aufweisen, und eine Winkelselektivät nur, wenn die anderen zuvor angeführten Eigenschaften von Vorteil sind.
Bei großen Proben ist bei paralleler Strahlführung eine entsprechend große Apertur der abbildenden Optik notwendig. Um die damit verbundenen hohen Kosten zu vermeiden, ist es vorteilhaft statt einer parallelen Strahlführung eine konvergente Strahlführung zu wählen. Dabei wird die Lichtquelle derart konfiguriert, z.B. durch entsprechende Positionierung einer fokussierenden Linse vor einer punktförmigen Quelle, dass die Lichtstrahlen konvergent auf die Probe zulaufen, bzw. zumindest einen signifikanten Anteil solch konvergenten Lichtes aufweisen. Nach der Reflektion von der Probe laufen die relevanten Lichtstrahlen weiter zusammen und können von einem relativ kleinen kostengünstigen Objektiv auf die Polarisationskamera abgebildet werden. Zur Einschränkung des von jedem Objektpunkt erfassten Lichtkegels kann das Objekt zusätzlich winkelselektiv ausgeführt sein. Dies wird beispielsweise durch eine geeignet positionierte Lochblende innerhalb des Objektivs erreicht.
Ist die Probe zylindrisch und die Zylinderachse in der Lichtebene, so bedeutet eine konvergente Strahlenführung einen variablen Ein-/Ausfallswinkel über die Zylinderlänge. Dieser nichtkonstante Ein-/Ausfallswinkel muss dann entsprechend in der Auswertung berücksichtigt werden. Der Ein-/Ausfallswinkel ist für die Auswertung bedeutend und wird erfindungsgemäß typischerweise so gewählt, dass dieser gleich oder im Bereich des Brewster-Winkels des Substrats ist.
Steht die Zylinderachse normal auf die Lichtebene, so ist vorteilhafterweise der Ein-/Ausfallswinkel konstant. Allerdings muss in diesem Fall der beleuchtende Lichtstrahl einen weit größeren Querschnitt aufweisen, sodass entweder entsprechend große Austrittsaperturen der Lichtquelle erforderlich sind oder die Lichtquelle sich aus mehreren Strahlern zusammen setzt, die zusammen auf der Probe eine konvergente Beleuchtung so erzeugen, dass das reflektierte Licht durch ein vergleichsweises kleines Objektiv auf die Polarisationskamera abgebildet werden kann.
Es erfolgt eine Umwandlung in zirkulare Polarisationsorientierungen nur für Lichtstrahlen mit linearen Polarisationsorientierungen, deren Ausrichtung um +/- 45° zu einer Hauptachse der Viertelwellenplatte ausgerichtet sind. Lichtstrahlen mit einer linearen Polarisationsorientierung von 0° bzw. 90° zur Hauptachse der Viertelwellenplatte werden dabei nicht verändert, wohingegen die Lichtstrahlen mit den restlichen Polarisationsorientierungen in elliptische Polarisationsorientierungen umgewandelt werden. Als Bezugsebene für die Definition des Polarisationszustands kann z.B. diejenige Lichtebene verwendet werden, welche durch einen zentralen einfallenden und einen zentral von der Probe ausfallenden Strahl definiert ist.
Durch die Verwendung eines Ellipsometers, welches nur eine Polarisationskamera zur Messung der Schichtdicke einer Probe aufweist, ist das Messsystem aufgrund der relativ geringen Komponentenanzahl kostengünstig herstellbar sowie robust handhabbar, da unterschiedliche Empfindlichkeitsschwankungen und fehlerhafte Polarisationsmessungen bei einer Verwendung von mehreren Polarisationskameras umgangen werden. Demnach, erfolgen die flächigen Schichtdickenmessungen auch mit einer hohen Geschwindigkeit. Ferner, sind die Pixel auf einem gemeinsamen Sensor bzw. einer gemeinsamen Sensorebene angeordnet, wodurch die Ergebnisse der Messungen zusätzlich robuster sind.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und werden nachfolgend näher erläutert.
In einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung, ist die Viertelwellenplatte derart angeordnet, dass eine optische Hauptachse / kristalloptische Achse der Viertelwellenplatte bezüglich einer Lichtebene um 45° oder 0° gedreht ist.
Anders ausgedrückt, weist das Ellipsometer eine zusätzliche Viertelwellenplatte / Verzögerungsplatte / Zirkularpolarisator auf, insbesondere aus einem doppelbrechenden Material (bspw. aus einem doppelbrechenden Kunststoff), welche bezüglich der Lichtstrahlrichtung vor der Sensorebene und den Polarisationsfiltern der Polarisationskamera und nach der Probe angeordnet ist. Somit fällt das von der Probe reflektierte, insbesondere elliptisch polarisierte Licht auf die Viertelwellenplatte, deren Dicke derart ausgewählt ist, sodass sich eine Phasenverschiebung um eine 1/4 Wellenlänge für das polarisierte Licht ergibt. Das durch die Reflexion von der Probe elliptisch polarisierte Licht ist nach dem Durchlaufen der Viertelwellenplatte entsprechend anders elliptisch polarisiert. Abhängig von der gewünschten Messung ist die Hauptachse der Viertelwellenplatte während des Betriebs des Ellipsometers um 0° oder 45° bezüglich einer Horizontalen gedreht.
In Kombination mit einem nachgeschalteten Polarisationsfilter, welcher +/-45° zur Hauptachse der Viertelwellenplatte verdreht ist, kann die Intensität des ursprünglich enthaltenen rechts-Zlinks-zirkular polarisiertem Licht gemessen werden. Ist der Polarisationsfilter in 0°-/90°-Lage zur Hauptachse der Viertelwellenplatte, so ergibt sich durch die Viertelwellenplatte kein Effekt auf eine nachfolgende Intensitätsmessung.
Daraus folgt bei Verwendung einer 07457907135°-Polarisationskamera: In Kombination mit nachgeschalteten, auf bzw. unmittelbar vor dem Sensor befindlichen 07457907135°-Polarisationsfiltern, können bei +/-45°-Lage der Viertelwellenplatte die vier Intensitäten des ursprünglich enthaltenen +/-45°-linear polarisierten Lichtes und des rechts-Zlinks-zirkular polarisierten Lichtes gemessen werden.
Damit wird durch Berechnung der entsprechenden Intensitätsverhältnisse eine Messung der 3. und 4. Stokes-Komponente des den ursprünglichen Polarisationszustand beschreibenden Stokes-Vektors realisiert. Dies ist für die Dickenmessung von Beschichtungen, deren Brechungsindex nur wenig vom Brechungsindex des Basismaterials abweicht, vorteilhaft.
Bei 0°- bzw. 90°-Lage der Viertelwellenplatte kann entsprechend die Intensität des ursprünglich enthaltenen 0°-/90°-linear polarisierten Lichtes und des rechts-Zlinks zirkular polarisierten Lichtes gemessen werden. Damit wird durch Berechnung der entsprechenden Intensitätsverhältnise eine Messung der 2. und 4. Stokes- Komponente des den Polarisationszustand beschreibenden Stokes-Vektors realisiert.
Somit ist die Polarisationskamera des Ellipsometers derart ausgebildet und angeordnet, dass sie zur Bestimmung des Polarisationszustandes des erfassten Lichtes zumindest die zweite und dritte Stokes-Komponente misst, welche insbesondere bei Schichtdickenmessungen von Proben mit stark unterschiedlichen Brechungsindizes zwischen der Beschichtung und des Substrats Z Grundkörpers aussagekräftig sind. Für den Fall, dass der Polarisationskamera eine zusätzliche Viertelwellenplatte, insbesondere in einer 45° Stellung, vorgeschalten ist, misst die Polarisationskamera die dritte und die vierte Stokes-Komponente des erfassten (zirkular polarisierten) Lichtstrahls, damit eine einfache und robuste Schichtdickenmessung bei einer Probe mit ähnlichen Brechungsindizes zwischen der Beschichtung und des Grundkörpers ermöglicht ist. In einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung, weist das Ellipsometer eine zusätzliche Kollimationsoptik / Kollimator auf, beispielsweise aus einer Mehrzahl von beispielsweise sphärisch ausgeformten Linsen und/oder Zylinderlinsen für Proben mit besonders großem Aspektverhältnis oder aus Fresnellinsen für besonders große Proben, die bezüglich der Strahlrichtung nach dem Polarisator und/oder zwischen der Lichtquelle und der Probe angeordnet ist und welche die Strahlen des (linear) polarisierten Lichtes auf die Probe parallel richtet. Die Zylinderlinsen bieten Vorteile bei einer schnellen Abarbeitung durch Erzeugung eines rechteckigen Strahls.
In anderen Worten, durchlaufen die durch den Polarisator linear polarisierten Lichtstrahlen eine zusätzliche Kollimationsoptik, welche die überwiegend divergent aus dem Polarisator austretenden Strahlen sammelt und auf die Probe derart ausrichtet, dass diese parallel und in einem breiten Strahl / Strahlenbündel auf die Probe auftreffen. Demnach wird das ursprünglich von einer punktförmigen Quelle ausgestrahlte Licht in ein Strahlenbündel aus parallelen Strahlen umgewandelt, wodurch das Licht in einer bestimmten Richtung ausgerichtet ist.
In einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung, ist ein Sensor bzw. die Sensorebene der Polarisationskamera in einem Winkel bezüglich eines in die Polarisationskamera einfallenden Lichtstrahls angeordnet.
Demnach ist die Polarisationskamera bzw. nur deren Sensorebene derart gegenüber der zu messenden Probe angeordnet, dass der von der Probe reflektierte Lichtstrahl in einem Winkel auf die Sensorebene fällt. Diese Schiefstellung der Bild- / Sensorebene der Polarisationskamera gegenüber der Objektebene ist gemäß der Scheimpflug-Bedingung derart zu gestalten, dass sich diese Ebenen schneiden und deren Schnittgeraden in die Objektivebene fallen. Anders ausgedrückt, schneiden sich durch die Schiefstellung der Sensorebene die Objekt-, Objektiv- und Sensorebene in einer gemeinsamen Geraden. Dadurch wird sichergestellt, dass eine schiefe Objektebene stets scharf durch die Polarisationskamera abbildbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren mit einem abbildenden Ellipsometer, insbesondere gemäß den vorstehend erläuterten Ausführungen, mit einer monochromatischen Lichtquelle, einem Polarisator, einem winkelselektiven Objektiv und einer Polarisationskamera zur flächigen Schichtdickenmessung einer, vorzugsweise zylinderförmigen, Probe. Das Verfahren beinhaltet die Schritte Beleuchten der Probe mithilfe eines von der Lichtquelle abgestrahlten und anschließend durch den Polarisator polarisierten Lichtes und Erfassen des von der Probe reflektierten Lichtes und winkelselektives Abbilden der Probe auf eine Sensorebene der Polarisationskamera durch das Objektiv. Vorzugsweise, wird der polarisierte Lichtstrahl durch eine Kollimationsoptik parallelgerichtet / kollimiert bevor dieser auf die Probe trifft. Erfindungsgemäß verwendet das Verfahren die Schritte Polarisieren des erfassten Lichtes in lineare Polarisationsorientierungen / Polarisationsrichtungen 0°, 45°, 90° und 135° bzw. -45° durch segmentierte Polarisationsfilter der Polarisationskamera, Umwandeln des durch den Polarisator und der Probe polarisierten Lichtes mithilfe einer Viertelwellenplatte, deren optische Hauptachse um +/-45° gegenüber einer Lichtebene gedreht ist, wodurch statt der Intensitäten des Lichtes in den Polarisationsorientierungen 0° und 90° eine Intensität einer rechts zirkularen Polarisationsorientierung und eine Intensität einer links zirkularen Polarisationsorientierung durch die Polarisationskamera gemessen werden, Messen der Intensitäten des Lichtes in den jeweiligen Polarisationsorientierungen durch die Polarisationskamera, Berechnen zumindest eines schichtdickenabhängigen Verhältnisses aus den gemessenen Intensitäten der verschiedenen Polarisationsorientierungen durch Gleichungen RZ = (IR-IL) / (IR+IL) als ein Zirkular-(Mess-)Signal und R45 = ( I45-I-45) / ( I45+I-45) als ein Linear-(Mess-)Signal, wobei IR eine Intensität des Lichtes in der rechts zirkularen Polarisationsorientierung, II eine Intensität des Lichtes in der links zirkularen Polarisationsorientierung, I45 eine Intensität des Lichtes in der linearen 45° Polarisationsorientierung und I-45 eine Intensität des Lichtes in der linearen 135° Polarisationsorientierung ist, sowie Evaluieren des zumindest einen Verhältnisses und Berechnen einer lokalen Schichtdicke der Probe. Optional trifft der reflektierte Lichtstrahl auf eine schief angeordnete Sensorebene der Polarisationskamera auf, wodurch eine scharfe Darstellung der möglicherweise schief / schräg ausgerichteten Objektebene der Probe sichergestellt wird. Eine eventuell vorhandene Beschichtung auf der Probe beeinflusst die Reflexionseigenschaften des Lichts, wodurch ein neuer Polarisationszustand des reflektierten Lichts entsteht, welcher wiederum das von der Polarisationskamera gemessene Intensitätsverhältnis beeinflusst. Diese berechneten Intensitätsverhältnisse werden mittels einer mathematischen Modellierung mit der gesuchten Schichtdicke oder mit sonstigen Schichteigenschaften der gemessenen Probe korreliert / gegenübergestellt.
Zusätzlich oder alternativ erfolgt ein Umwandeln des durch den Polarisator polarisierten Lichtes mithilfe einer Viertelwellenplatte, deren optische Hauptachse um 0° oder 90° gegenüber der Lichtebene gedreht ist, wodurch statt der Intensitäten des Lichtes in den Polarisationsorientierungen 45° und 135° eine Intensität einer rechts zirkularen Polarisationsorientierung und eine Intensität einer links zirkularen Polarisationsorientierung durch die Polarisationskamera gemessen werden.
Beispielsweise sind auch weitere schichtdickenabhängige Intensitätsverhältnisse in Abhängigkeit gemessener Lichtintensitäten der Polarisationsorientierungen 0° bzw. p-Polarisation und 90° bzw. s-Polarisation berechenbar. Zum Beispiel sind Messsignale durch die Intensitätsverhältnisse Rps = Ip / Is und / oder Rps2 = ( lP-ls) / (lP+ls) berechenbar. Dabei ist die Größe lP die gemessene / erfasste Intensität des p-Polarisations-Anteils des Lichtstrahls und die Größe Is die gemessene / erfasste Intensität des s-Polarisations-Anteils des Lichtstrahls. Die p-Polarisation ist parallel zur Lichtebene polarisiert und die s- Polarisation senkrecht dazu, wodurch, wenn erfindungsgemäß die Polarisationskamera mit ihrer O°-Filter-Richtung parallel auf die p- oder s-Polarisation eingerichtet ist, die Intensitäten lP und ls den von der Polarisationskamera gemessenen Intensitäten Io und I90 entsprechen.
Ein Kippen der Kamera ist grundsätzlich einfacher, verschlechtert aber die Wirkung der im Kamerasensor integrierten Pol. -filter, da das Licht dann schief auf den Sensor einfällt. Durch das alternative Kippen der Linsen des Objektivs kann dieses Problem umgangen werden. In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Probe als ein Zylinder mit einer zu messenden Schichtdicke und einer Zylinderachse, welche um 0° oder 90° gegenüber der Lichtebene gedreht ist. Demnach strahlt das durch die Lichtquelle abgestrahlte und anschließend durch den Polarisator polarisierte Licht parallel oder normal auf die Zylinderachse der Probe. Dadurch ist eine entsprechende Linie entlang des Zylinders parallel zu der Zylinderachse abbildbar, vorzugsweise mittels einer winkelselektiven, evtl, objektseitig telezentrischen Optik. Insbesondere erfolgt die Messung bei einer Zylinderprobe, welche eine Zylinderachse in O°-Lage bezüglich der Lichtebene aufweist, unter der Scheimpflug-Bedingung.
Mit anderen Worten ist die Probe ein Zylinder, bzw. lokal von zylindrischer Form, mit einer zu messenden Schichtdicke. Demnach strahlt das durch die Lichtquelle abgestrahlte und anschließend durch den Polarisator polarisierte und durch den Kollimator koll im ierte Licht großflächig auf die Probe. Dadurch ist eine entsprechende Linie entlang des Zylinders parallel zu der Zylinderachse abbildbar, vorzugsweise mittels einer winkelselektiven objektseitig telezentrischen Optik, wodurch die bei Ellipsometrie erforderliche Definiertheit und Konstantheit des Betrachtungswinkels sicher gestellt wird. Bei Proben, welche kleiner als die Ojektivapertur sind, ist ein Winkel von 90° zwischen Lichtebene und Zylinderachse vorteilhaft, da dann auf der ganzen Probenlänge eine scharfe Abbildung vorliegt. Bei Proben, welche größer als die Objektivapertur sind, ist ein Winkel von 0° zwischen Lichtebene und Zylinderachse vorteilhaft. Durch die schräge Betrachtung erscheint die Pröble kleiner und kann trotz ihrer Größe bei passend gewähltem Betrachtungswinkel in ihrer Gesamtheit abgebildet werden. Um eine scharfe Abbildung zu erzielen, kann zusätzlich die Kamera und/oder auch die Objektivlinsen so gekippt werden, sodass zumindest näherungsweise die Scheimpflug-Bedingung erfüllt wird.
Die Verwendung von zylinderförmigen Proben erlaubt eine Auswertung bzw. Abbildung von Linien, aus denen sich die Zylinderwand zusammensetzt. Durch eine Rotation der Proben ist somit die gesamte Probenwand messbar bzw. abbildbar. Die entsprechende Messung entlang einer jeweiligen Linie liefert dabei eine qualitative Übereinstimmung mit herkömmlichen Messmethoden. Des Weiteren sind Fehlstellen durch die entsprechend durchführbaren Panoramamessungen entlang der Probenwände eindeutig aufzeigbar / abbildbar. Außerdem sind dadurch Echtzeitmessungen an rotierenden Zylinderproben einfach und mit guter Wiederholgenauigkeit durchführbar.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Probe als ein transparenter, insbesondere beschichteter, Zylinder mit einer zu messenden Schichtdicke ausgebildet und ein von einer Wandinnenseite der Probe und ein von einer Wandaußenseite der Probe reflektiertes Licht werden separat von der Polarisationskamera erfasst oder werden bei dünnwandigen transparenten Zylindern zusammen erfasst. Diese separate Erfassung wird durch einen kleinen Akzeptanzwinkel des Objektivs erleichtert bzw. ermöglicht. In anderen Worten ist für die getrennte Erfassung von Innen- und Außenwandreflexion die Verwendung eines winkelselektiven Objektivs von Vorteil bzw. notwendig.
In anderen Worten, wird der auf eine zylinderförmige (dickwandige) Probe mit einer (Zylinder-)Wandinnenseite und einer (Zylinder-)Wandaußenseite auftreffende / gerichtete Lichtstrahl anteilig von der Wandinnenseite und zugleich anteilig von der Wandaußenseite reflektiert. Anhand einer ausreichend gut kollimierten Beleuchtung und einer winkelselektiven und evtl, auch objektseitig telezentrischen Optik ist eine (Probenwand-)lnnenseitenreflexion von einer (Probenwand-)Außenseitenreflexion separierbar, wodurch die Polarisationskamera die reflektierten Lichtstrahlen separat erfasst und getrennt voneinander auswertet. Insbesondere erfolgt die Aufnahme der reflektierten Lichtstrahlen mit einem winkel-selektiven Objektiv, wodurch die Innen- und Außenreflektion gut separierbar sind. Zur Dickwandigkeit sei zu ergänzen, dass sie Voraussetzung für die Separierbarkeit der beiden Reflexionen ist. Bei z.B. PET- Flaschen ist das nicht gegeben und das reflektierte Licht enthält beide Reflexionen zugleich. In diesem Fall erfolgt eine gemeinsame Erfassung und Auswertung der Außen- und Innenseitenreflexion.
Dadurch ist neben der Dicke einer Außenwandbeschichtung einer zylinderförmigen Probe, insbesondere eines Glasröhrchens / Karpule / Flasche, gleichzeitig auch die Dicke einer Innenwandbeschichtung derselben Probe mit einem einzigen Messablauf messbar bzw. auswertbar.
Außerdem ist der Abstand zwischen dem Bild der Innenwandreflexion vom Bild der Außenwandreflexion ein Maß für die Wanddicke des Zylinders. Somit kann zusätzlich zur Schichtdickenmessung auch eine Wandstärkenmessung realisiert werden.
Alternativ ist das erfindungsgemäße Ellipsometer bei einem Rolle-zu-Rolle- / roll-to-roll- / R2R-Verfahren einsetzbar, bei dem ein von einer Rolle abrollbares Substrat, bspw. eine flexible Kunststoff- oder Metallfolie, bedruckt wird. Insbesondere, werden die flexiblen Folien bei diesen Verfahren mit einer flexiblen Elektronik / flexible elektronische Bauteile, bspw. mit photovoltaischen Komponenten, bedruckt. Hierbei wird eine Umlenkrolle, auf welcher die Folie / das Substrat mit der zusätzlichen bedruckten Schicht abgerollt bzw. umgelenkt wird, direkt mit dem 45°- polarisierten und, vorzugsweise kollimierten, Lichtstrahl beleuchtet. Die Polarisationskamera ist derart angeordnet, vorzugsweise schräg bezüglich der Achse der Umlenkrolle, dass eine Reflexion des Lichtstrahls entlang einer Linie auf dieser Folienprobe von der Polarisationskamera erfassbar ist. Eine gut kollim ierte Beleuchtung der Folie sowie die winkelselektive Optik des Ellipsometers stellen dabei eine saubere Erfassung der reflektierten Lichtstrahlen sicher. Diese R2R-Messungen sind schmalbandig (Bandbreite kleiner als Durchmesser der Objektiv-Apertur) auf der Umlenkrolle, in einer Ausrichtung normal zur Rollenachse (90°-Winkel zwischen Lichtebene und Achse der Umlenkrolle), oder auch breitbandig auf der Umlenkrolle, in einer Ausrichtung parallel zur Rollenachse (O°-Winkel zwischen Lichtebene und Achse der Umlenkrolle), durchführbar. Diese Schichtdickenmessung, welche direkt auf der Umlenkrolle des R2R-Verfahrens erfolgt, ermöglicht eine hohe Stabilität gegen Folienvibrationen und auch eine Unterdrückung von eventuell auftretenden Rückseitenreflexionen durch den Einsatz einer passenden Umlenkrolle. Ferner, sind dadurch Echtzeitmessungen der Schichtdicken während dem eigentlichen R2R- Verfahren, das heißt unmittelbar nach dem eigentlichen Beschichtungsvorgang, möglich. Die Messung erfolgt also vorteilhaft auf einer Umlenkrolle, auf welcher die Folie abgerollt oder umgelenkt wird, somit auf einer zylinderförmigen Oberfläche. In einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung erfasst die Polarisationskamera eine zusätzliche Reflexion oder mehrere zusätzliche Reflexionen des Lichtstrahls von einer Hinterwand der Probe, welche bezüglich der Polarisationskamera am weitesten entfernt angeordnet ist, und wertet diese aus. Bei dickwandigen Proben gibt es solch auswertbare Reflexionen an der Vorderseite und Rückseite einer Hinterwand der Probe, die es wertvoll erscheinen lassen, hierauf eine Auswertung zu richten. Eine gewisse Analogie zur Vorderwand im Verhalten ist feststellbar.
Anders ausgedrückt, ist neben einer ersten Reflexion des Lichtstrahls von der Probe, welche von der Probenwand ausgeht, die der Polarisationskamera näher angeordnet ist, auch eine weitere Reflexion des Lichtstrahls von der Hinterwand der Probe, also der Probenwand, welcher von der Polarisationskamera weiter entfernt angeordnet ist, erfassbar und auswertbar. Dadurch liegt pro Probe / Gebinde eine Messung entlang zweier gegenüberliegender Linien der zylinderförmigen Probe vor, welche entlang der Probe parallel zu deren Zylinderachse verlaufen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt das Erfassen des von der Probe reflektierten Lichtes durch die Polarisationskamera während einer Rotationsbewegung der Probe.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die zylindrische Probe mit kollimiertem Licht aus verschiedenen leicht unterschiedlichen Richtungen beleuchtet. Dies kann durch Prismen und oder Spiegel in Kombination mit dem Kollimator erreicht werden, sodass weiterhin nur eine Lichtquelle notwendig ist. Damit können mehr Linien am Umfang gleichzeitig auf den Sensor abgebildet und damit auch gleichzeitig ausgewertet werden, womit die Fläche des Sensors besser ausgenutzt wird und damit auch mehr Information über die Gleichverteilung der Beschichtung gewonnen wird.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die zylindrische Probe auch mit leicht konvergentem Licht beleuchtet werden, womit die abgebildete Linie breiter wird, sodass aus einer Aufnahme mehr Infomation über die Gleichverteilung der Beschichtung ermittelt werden kann.
Somit ist eine Vielzahl an Messungen, die je nach Genauigkeitsanforderung bzw. Auflösungsanforderung unterschiedlich dicht bzw. mit unterschiedlichen Abständen nacheinander durchführbar, ohne dass die jeweiligen Komponenten des abbildenden Ellipsometers einer Bewegung ausgesetzt werden müssen. Lediglich die zu messende Probe wird während den Messvorgängen rotiert, wodurch die Komplexität sowie die Komponentenanzahl des Messsystems zusätzlich reduziert werden. Beispielsweise ist für den Fall, dass die Schichtdickenmessungen an einer einzelnen Flasche bzw. Karpule durchgeführt werden, diese während der Messungsvorgänge auf einer drehbaren Vorrichtung angeordnet oder für den Fall, dass diese Messungen an einer Vielzahl an Flaschen bzw. Karpulen in der Produktionslinie durchgeführt werden, diese Vielzahl an Flaschen bzw. Karpulen innerhalb eines Fördersystems angeordnet / an diesem befestigt, welches die mehreren Flaschen oder Karpulen an der statisch angeordneten Polarisationskamera vorbeibewegen / vorbeifahren. Somit sind Schichtdickenmessungen an einer Mehrzahl an Proben schnell und effizient, ohne zeitaufwändiges Auswechseln / Austauschen einzelner Proben, durchführbar. Diese Echtzeitmessung / Panoramamessung an der rotierenden Karussell-Vorrichtung, beispielsweise bei 10 Messungen pro Sekunde, zeigt fehlende Beschichtungen mit einer hohen Wiederholgenauigkeit eindeutig an.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Merkmale werden mit denselben Bezugszeichen referenziert. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen untereinander ausgetauscht werden sowie in einer bestimmten Kombination auftreten können.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung sowie eine der vorteilhaften Ausführungsformen anhand der Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung in einer Draufsicht des erfindungsgemäßen Ellipsometers gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch die Achse einer zu messenden zylinderförmigen Probe während eines Messvorgangs,
Fig. 3 ein beispielhaftes Diagramm, welches die gemessenen flächigen Schichtdickenverläufe einer innen-beschichteten Karpule mit Fehlstellen während einer Panoramamessung darstellt,
Fig. 4 ein beispielhaftes Diagramm, welches die gemessenen flächigen Schichtdickenverläufe innen-beschichteter (PET)-Flaschen während einer Panoramamessung darstellt.
Die gleichen Merkmale sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Ellipsometers 1 gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform. Eine andere Anordnung im Raum ist möglich und je nach Anwendungsfall zu bevorzugen. Das Ellipsometer 1 weist eine Lichtquelle 3 auf, deren abgegebene Lichtstrahlen einen Polarisator 4 mit einer Polarisatorachse, welche mit der Zeichenebene einen 45°-Winkel einschließt, passieren. Die mithilfe des Polarisators 4 linear polarisierten Lichtstrahlen durchlaufen anschließend eine Kollimationsoptik 8, optional aus Zylinderlinsen, wodurch die Strahlen parallelgerichtet auf eine zu messende zylinderförmige Probe 2 auftreffen. Die auftreffenden Strahlen werden anschließend von der Probe 2 reflektiert und eventuell auch gestreut, woraus sich eine stark divergente Reflexion mit einem breiten Lichtstrahldurchmesser ergibt. Ein Anteil des breiten Lichtstrahls wird von einem winkelselektiven und evtl, objektseitig telezentrischen Objektiv 5 erfasst und durchläuft anschließend eine Viertelwellenplatte 7, deren Hauptachse in dieser abgebildeten Ausführungsform einen 45°-Winkel mit der Zeichenebene einschließt. Die reflektierten polarisierten Lichtstrahlen werden anschließend von einer Polarisationskamera 6 mit Polarisationsfiltern in 0°, 45°, 90° und 135°- Ausrichtungen erfasst. Die Polarisationsfilter polarisieren das erfasste Licht in die Polarisationsrichtungen 0°, 45°, 90° und 135° auf und der folgende Sensor misst die jeweiligen Intensitäten dieser Anteile. Anschließend wird zumindest ein schichtdickenabhängiges Verhältnis aus den gemessenen Intensitäten berechnet und evaluiert, woraus sich eine lokale Schichtdicke der Probe 2 ergibt.
Figur 2 zeigt eine Schnittansicht durch die Zylinderachse einer zu messenden zylinderförmigen Probe 2 während eines (Schichtdicken-)Messvorgangs. Die dickwandige Probe 2 weist eine Wandinnenseite 9 und eine Wandaußenseite 10 auf. Ferner, sind kollimierte, 45° linear polarisierte Lichtstrahlen abgebildet, die auf die Probe 2 treffen. Hierbei sind nur die Strahlen dargestellt, welche nach einer Reflexion durch die Probe 2 parallel auf das nicht dargestellte (winkelselektive) Objektiv treffen. Der von der Wandaußenseite 10 der Probe 2 reflektierte Lichtstrahl 12 und der von der Wandinnenseite 9 der Probe 2 reflektierte Lichtstrahl 11 verlaufen ebenfalls parallel zueinander. Erkennbar sind die gleichen Eintritts- und Austrittswinkel der Lichtstrahlen auf bzw. von der Probe 2. Ferner, ist eine Brechung des Strahls innerhalb der Probenwand, welches durch die Wand der Probe 2 verläuft und von der Wandinnenseite 9 reflektiert wird, zu erkennen. Somit sind Lichtstrahlen der Innenreflexion sowie der Außenreflexion gut separiert erfassbar. Des Weiteren, sind bei einem ausreichend breiten Lichtstrahlbündel, welcher auf die Probe 2 trifft, auch zusätzliche Lichtstrahlen, die von der Wandinnenseite 9 und der Wandaußenseite 10 der Probe 2 an den Stellen (hier unten), welche den in dieser Abbildung dargestellten Reflexionspunkten (hier oben) gegenüberliegen, von dem Objektiv erfassbar.
Figur 3 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, welches die gemessenen flächigen Schichtdickenverläufe einer mit Silikonöl innen-beschichteten Karpule mit Fehlstellen 15 während einer, bspw. 20-sekündigen, Panoramamessung darstellt. Auf der x- Achse des Diagramms ist die Anzahl von Messungen zwischen 0 und 200 dargestellt, wohingegen die y-Achse einen Höhenabschnitt der Probe zwischen 0 und 60 mm darstellt. Hierbei erfolgen die Messungen während einer Rotationsbewegung der Karpule, wobei immer 100 Messungen pro Umdrehung durchgeführt sind. Die gemessenen Schichtdicken der Karpule sind mithilfe unterschiedlich dichter Schraffuren dargestellt. Die Schichtdicken reichen von 0 pm (keine Schraffierung) bis hin zu 0,4 pm (starke bzw. dichte Schraffierung). Das Diagramm ist entlang der x-Achse in einen Bereich der ersten Umdrehung 13 der Karpule und einen Bereich der zweiten Umdrehung 14 der Karpule unterteilt, die jeweils 100 Messungen durch das erfindungsgemäße Ellipsometer aufzeigen, wodurch sich ein flächiger Schichtdickenverlauf der Karpule zusammensetzt. Zu erkennen ist ein Bereich einer hohen Schichtdicke 16, welche in der ersten Hälfte der jeweiligen Umdrehungen der Karpule auftritt. Außerdem ist eine Fehlstelle 15, ungefähr bei den Messungen 40 bis 60 und 140 bis 160, abgebildet, welche vor diesen Messungen mittels einem Durchschieben eines Wattestäbchens erzeugt worden ist.
Figur 4 ein beispielhaftes Diagramm, welches die gemessenen flächigen Schichtdickenverläufe von vier unterschiedlichen beschichteten (PET)-Flaschen, bspw. mit einer Beschichtung in Form einer Bamereschicht SiÜ2 auf der Innenseite, während einer Panoramamessung darstellt. Auf der x-Achse des Diagramms ist die Anzahl von Messungen zwischen 0 und 255 dargestellt, wohingegen die y-Achse einen Höhenabschnitt der Proben zwischen 0 und etwa 35 mm darstellt. Hierbei erfolgen die Messungen nur in einem Etikettbereich der Flaschen. Jede der vier unterschiedlichen beschichteten Flaschen durchläuft 50 Messungen pro Umdrehung, welche in diesem Diagramm als (Mess-)Bereiche 17, 18, 19 und 20 dargestellt sind. Zwischen jeder Messung der beschichteten Flaschen ist ein Bereich von ca. 20 Messungen an einer weiteren unbeschichteten Flasche dargestellt. Die (Mess-) Bereiche 21 an der unbeschichteten Flasche sind hierbei nicht schraffiert dargestellt, wohingegen die Schraffierungen / Schraffur mit zunehmender Schichtdicke der Etiketten der beschichteten Flaschen dichter dargestellt sind. Dabei sind Schichtdicken zwischen 0 und 0,07 pm dargestellt. Erkennbar sind die relativ hohen Schichtdicken von bis zu 0,07 pm der zweiten und der dritten beschichteten Flaschen in den dargestellten (Mess-)Bereichen 18 und 19.
Bezuqszeichenliste
Ellipsometer
Probe
Lichtquelle
Polarisator winkelselektives Objektiv, evtl, objektseitig telezentrisch Polarisationskamera
Viertelwellenplatte
Kollimationsoptik
Wandinnenseite (der Probe)
Wandaußenseite (der Probe) , 12 reflektiertes Licht
Bereich der ersten Umdrehung
Bereich der zweiten Umdrehung
Fehlstelle
Bereich hoher Schichtdicke
(Mess-)Bereich der ersten beschichteten Flasche
(Mess-)Bereich der zweiten beschichteten Flasche
(Mess-)Bereich der dritten beschichteten Flasche
(Mess-)Bereich der vierten beschichteten Flasche
(Mess-)Bereich der unbeschichteten Flasche

Claims

Patentansprüche
1 . Abbildendes Ellipsometer (1 ) zur flächigen Schichtdickenmessung einer, vorzugsweise zylinderförmigen, Probe (2), mit einer monochromatischen Lichtquelle
(3), die derart ausgebildet ist, Licht auf die Probe (2) zu strahlen, einem Polarisator
(4), welcher derart ausgebildet ist, das von der Lichtquelle (3) ausgestrahlte Licht zu polarisieren, einem winkelselektiven Objektiv (5) und einer Polarisationskamera (6), die Polarisationskamera (6) Polarisationsfilter in 0°-, 45°-, 90°- und 135°- Ausrichtungen aufweist und derart ausgebildet ist, das von der Lichtquelle (3) ausgestrahlte Licht in lineare Polarisationsorientierungen zu polarisieren und deren Lichtintensitäten zu erfassen und zu messen dadurch gekennzeichnet, dass eine Viertelwellenplatte (7) zwischen der Probe (2) und der Polarisationskamera (6) zur Änderung der Polarisation des Lichtes angeordnet ist, welche derart ausgebildet ist, dass sie bestimmte lineare Polarisationsorientierungen des Lichtes in zirkulare Polarisationsorientierungen umwandelt und das Ellipsometer (1 ) derart ausgebildet ist, ein schichtdickenabhängiges Verhältnis der erfassten Lichtintensitäten durch Gleichungen
RZ = (IR-IL) / (IR+IL) und
R45 = ( I45-I-45) / ( I45+I-45) zu berechnen, wobei IR eine Intensität des Lichtes in der rechts zirkularen Polarisationsorientierung, II eine Intensität des Lichtes in der links zirkularen Polarisationsorientierung, I45 eine Intensität des Lichtes in der linearen 45° Polarisationsorientierung und I-45 eine Intensität des Lichtes in der linearen 135° Polarisationsorientierung ist.
2. Abbildendes Ellipsometer (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Viertelwellenplatte (7) derart angeordnet ist, dass eine optische Hauptachse der Viertelwellenplatte (7) um 45° oder 0° bezüglich einer Lichtebene gedreht ist.
3. Abbildendes Ellipsometer (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine nach dem Polarisator (4) und/oder zwischen der Lichtquelle (3) und der Probe (2) angeordnete Kollimationsoptik (8), optional aus Zylinderlinsen, die Strahlen des polarisierten Lichtes auf die Probe (2) parallelrichtet.
4. Abbildendes Ellipsometer (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor der Polarisationskamera (6) in einem Winkel bezüglich eines in die Polarisationskamera (6) einfallenden Lichtstrahls angeordnet ist.
5. Verfahren mit einem abbildenden Ellipsometer (1) mit einer monochromatischen Lichtquelle (3), einem Polarisator (4), einem winkelselektiven Objektiv (5) und einer Polarisationskamera (6) zur flächigen Schichtdickenmessung einer, vorzugsweise zylinderförmigen, Probe (2), mit den Schritten
- Beleuchten der Probe (2) mithilfe eines von der Lichtquelle (3) abgestrahlten und anschließend durch den Polarisator (4) polarisierten Lichtes;
- Erfassen des von der Probe (2) reflektierten Lichtes und Abbilden der Probe (2) auf eine Sensorebene der Polarisationskamera (6) durch das winkelselektive Objektiv (5);
- Lineares Polarisieren des erfassten Lichtes in lineare Polarisationsorientierungen 0°, 45°, 90° und 135° durch segmentierte Polarisationsfilter in der Polarisationskamera (6), gekennzeichnet durch Schritte
- Umwandeln des durch den Polarisator (4) und der Probe (2) polarisierten Lichtes mithilfe einer Viertelwellenplatte (7), deren optische Hauptachse um +/-45° gegenüber einer Lichtebene gedreht ist, wodurch statt der Intensitäten des Lichtes in den Polarisationsorientierungen 0° und 90° eine Intensität einer rechts zirkularen Polarisationsorientierung und eine Intensität einer links zirkularen Polarisationsorientierung durch die Polarisationskamera (6) gemessen werden;
- Messen der Intensitäten des linear polarisierten Lichtes in den jeweiligen Polarisationsorientierungen durch die Polarisationskamera (6);
- Berechnen zumindest eines schichtdickenabhängigen Verhältnisses aus den gemessenen Intensitäten der verschiedenen Polarisationsorientierungen durch Gleichungen
RZ = (IR-IL) / (IR+IL) und
R45 = ( I45-I-45) I ( I45+I-45)
, wobei IR eine Intensität des Lichtes in der rechts zirkularen Polarisationsorientierung, II eine Intensität des Lichtes in der links zirkularen Polarisationsorientierung, I45 eine Intensität des Lichtes in der linearen 45° Polarisationsorientierung und I-45 eine Intensität des Lichtes in der linearen 135° Polarisationsorientierung ist;
- Evaluieren des zumindest einen Verhältnisses und Berechnen einer lokalen Schichtdicke der Probe (2).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (2) ein Zylinder mit einer zu messenden Schichtdicke und einer Zylinderachse ist, welche um 0° oder 90° gegenüber der Lichtebene gedreht ist, wobei das durch die Lichtquelle (3) abgestrahlte und anschließend durch den Polarisator (4) polarisierte Licht parallel oder normal auf die Zylinderachse der Probe (2) strahlt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (2) ein transparenter Zylinder mit einer zu messenden Schichtdicke ist, wobei ein von einer Wandinnenseite (9) der Probe (2) und ein von einer Wandaußenseite (10) der Probe (2) reflektiertes Licht (11 , 12) separat von der Polarisationskamera (6) erfasst werden oder bei dünnwandigen transparenten Zylindern zusammen erfasst werden.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (2) eine flexible Folie ist, insbesondere eine Kunststoff- oder Metallfolie, wobei die Messung auf einer Umlenkrolle, auf welcher die Folie abgerollt oder umgelenkt ist, an einer zylinderförmigen Oberfläche erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationskamera (6) eine zusätzliche Reflexion oder mehrere zusätzliche Reflexionen des Lichtstrahls von einer Hinterwand der Probe (2), welche bezüglich der Polarisationskamera (6) am weitesten entfernt angeordnet ist, erfasst und auswertet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen des von der Probe (2) reflektierten Lichtes durch die Polarisationskamera (6) während einer Rotationsbewegung der Probe (2) erfolgt.
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