WO2015007804A1 - Verfahren zur ermittlung einer schichtdicke - Google Patents

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WO2015007804A1
WO2015007804A1 PCT/EP2014/065316 EP2014065316W WO2015007804A1 WO 2015007804 A1 WO2015007804 A1 WO 2015007804A1 EP 2014065316 W EP2014065316 W EP 2014065316W WO 2015007804 A1 WO2015007804 A1 WO 2015007804A1
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layer
layer thickness
intensity
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measured
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PCT/EP2014/065316
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English (en)
French (fr)
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Edgar Dörsam
Nils BORNEMANN
Philipp URBAN
Hans Martin Sauer
Peter NEUROTH
Robert TONE
Dominik DAUME
Robert THIEME
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Technische Universitaet Darmstadt
Original Assignee
Technische Universitaet Darmstadt
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    • 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
    • G01B11/0625—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 absorption or reflection
    • G01B11/0633—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 absorption or reflection using one or more discrete wavelengths

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a layer thickness of a thin layer applied flat to a substrate by measuring optical
  • Thin-film interference wherein the layer is illuminated, the light reflected from boundary surfaces of the layer measured and based on the measured values of the reflected light, the layer thickness is determined.
  • Electroplating can be produced.
  • the application of thin functional layers by means of suitable printing processes is the subject of current research.
  • Optical measurement methods such as ellipsometry or interference measurements, enable non-destructive measurement of the
  • the layer thickness of the thin film it would be desirable if the layer thickness of the thin film to be measured for a large area in the shortest possible time can be determined. Only with suitable methods for determining the layer thickness can be carried out in the laboratory or in practice proven manufacturing processes for thin films on an industrial scale and with sufficient accuracy. It is therefore considered to be an object of the present invention to provide a method for determining a layer thickness by measuring optical thin-film interference in such a way that in as short a time as possible
  • Layer thickness can be determined in the largest possible area of a layer.
  • This object is achieved in that with an optical image capture device a
  • Interfaces of the thin layer reflected light from an initial value with increasing
  • Layer thickness initially changes only slightly and by comparing a measured intensity value with a theoretically calculated intensity reference value
  • measured layer thickness can be determined comparatively precise.
  • the theoretically determined intensity reference value can vary greatly with increasing layer thickness and become ambiguous.
  • the inventive method is therefore particularly well suited for low layer thicknesses.
  • the thin layer to be measured should be translucent, or
  • Interfaces reflected intensities as well as filters or other optical components are taken into account.
  • the measured intensity value can be over a
  • Wavelength range are integrated so that even a very short exposure time is sufficient to with a
  • optical image capture device to record a sufficient for the subsequent evaluation and layer thickness determination areal faithful imaging of the thin layer.
  • a spectral or wavelength-dependent detection of the reflected light is not necessary, so that it is possible to dispense with spectral measuring devices or spectral decompositions of the reflected light. It is
  • the layer thickness of a sheet applied layer can be determined.
  • the method can be used to continuously determine the layer thickness of a surface-applied layer in a spatially resolved manner within the scope of a production process in order to control the coating processes during the process
  • the illumination intensity value can be before each
  • Measurement or for a given and subsequently no longer changeable structure of a measuring apparatus are determined and stored. It is also conceivable that before or in the course of each measurement of an integrated measuring apparatus
  • an illumination intensity value is measured and stored. By normalizing the measured intensity value with the illumination intensity value, it is achieved that the actual illumination as well
  • Layer thickness can have no or at least only a secondary importance.
  • the illumination intensity value used for the normalization can also have a
  • the intensity reference value can for example be measured at the same time on a spatially adjacent thin layer with a known layer thickness.
  • Contrast values are expediently normalized to the measured intensities, or related, for example, by the quotient of the difference of the measured
  • Intensity reference value on the one hand and the sum of the measured intensity value and intensity reference value on the other hand is calculated.
  • normalized contrast formation for example, time-dependent
  • the known or predetermined layer thickness can be used to match the theoretically determined
  • Layer thickness the measured intensity value as well as the theoretically determined intensity reference value may differ significantly from the initial value.
  • Area around the known or predetermined layer thickness around the deviation of the measured intensity value is initially linear and then increasingly non-linear, but still one-way. Only with big ones
  • Deviations of the unknown layer thickness from the known layer thickness can cause ambiguities in the measured intensity value, or in the case of the theoretically determined
  • Intensity reference value occur that make a reliable determination of the layer thickness difficult or impossible.
  • the known layer thickness of the reference layer can be any known layer thickness of the reference layer.
  • the respective previously determined layer thickness of the respectively last-produced layer as the reference layer For example, be determined spatially spaced to the unknown layer thickness. It is also possible that during the production of a multi-layered structure, the respective previously determined layer thickness of the respectively last-produced layer as the reference layer and
  • the predetermined or previously determined layer thickness of the reference layer represents a reference zero value.
  • Layer thickness for example, a portion of the substrate which is not covered by the thin layer whose layer thickness is to be measured. It is also possible with complex layer sequences or unknown
  • Substrate selectively or at selected positions with other methods to determine the layer structure and the respective layer thicknesses, which are then assumed to be known, or as given. Subsequent thereto, for example, a spatial variation of the layer thickness to be measured around the known layer thickness or the application of a thin layer during a production process can be carried out with the method according to the invention described above.
  • the determination of the layer thickness can be significantly improved and the layer thickness range in which a reliable determination of the layer thickness is possible can be significantly extended by determining several intensity values integrated over different wavelength ranges and with respectively assigned theoretically calculated values
  • Intensity reference values are compared.
  • the layer is illuminated with light from a source of illumination, which
  • Image information separated into red, blue and green Capture wavelength ranges. For each of these
  • Wavelength ranges an intensity value can be measured and an assigned intensity reference value theoretically calculated. Depending on the layer thickness, the respective intensity values change and, with increasing layer thickness, produce a spatial curve in a three-dimensional coordinate system generated by the three wavelength ranges red, green and blue. In an environment around a known layer thickness, the smallest distance to the theoretically determined intensity reference value can be determined on the basis of the measured three intensity values for the red, the green and the blue wavelength range.
  • Wavelength range can, by comparing the measured for a layer thickness to be determined
  • Wavelength ranges of the maximum range of the uniquely determined layer thickness significantly increased before at the same time for all wavelength ranges ambiguities in the comparison between the theoretically determined
  • Intensity reference values and the actually measured intensity values occur. It is also possible to specify only two or significantly more than three wavelength ranges and to use them for determining the layer thickness. In many cases, for the determination of the layer thickness, a distance between the at least one measured
  • Intensity reference value can be determined. The one
  • Layer thickness value for which the theoretically determined intensity reference value has the smallest distance to the measured intensity value corresponds to the layer thickness determined by this method. If a plurality of intensity values are measured for different wavelength ranges, the measured intensity values as well as the theoretically determined intensity reference values can be combined into n-tuples or vectors in a multi-dimensional space and a suitable calculation routine for distance determination, for example a determination of the Euclidean distance, be carried out.
  • Illumination source radiated light through a
  • the optical image capturing device can detect the entire reflected light because of the
  • the filter device can, for example, a
  • Layer thickness determination can use that of the Lighting source radiated light can be filtered sequentially with different filtering devices. For everyone with a filter device specified
  • Wavelength range an integrated intensity value is determined and the plurality of integrated intensity values, each associated with theoretically calculated
  • the various filter devices may be different edge filters or interference filters or other already known optical filter devices or combinations thereof
  • the layer is illuminated with light from a plurality of illumination sources, each emitting light from different wavelength ranges. With the help of several different ones
  • Illumination sources can be emitted at the same time light simultaneously with wavelengths from the different wavelength ranges, with a possibly desired distinction of the
  • Image capture device can be done. At a
  • the layer thickness of a layer applied to the substrate Due to the low design requirements for the measuring device required for the method, it is cost-effective to determine the layer thickness for a plurality of spatially-spaced regions of the layer. In this way, for a large surface area the Layer thickness of a layer applied to the substrate simultaneously, or be determined within a very short time.
  • large-area substrates can be coated very quickly and at a very low cost with a layer whose layer thickness during or immediately after its production is precisely known or can be controlled to a to supply such coating process of an economically useful use.
  • the optical image capture device at least one cell-shaped or planar
  • a cell-shaped detection element for example, suitable components of a commercial
  • Scanner device or a fax machine or similar optical components are used. As areal
  • Detection element can be used, for example, CCD chips or CMOS chips of commercially available digital cameras. It is also conceivable other matrix-shaped
  • Detection element can cover a large area of the layer and optionally the complete layer with a single shot and the layer thickness of the layer
  • Layer thickness range of the layer is determined and that over a wavelength range integrated intensity value of the reflected light is compared only with theoretically determined intensity reference values that were determined for a layer thickness in the layer thickness range.
  • a transmission light measurement can be performed.
  • the intensity of the light emitted by a lighting device and transmitted through the layer can be measured and compared with reference values for known layer thicknesses of a same layer material in order to increase a layer thickness range
  • Layer thickness determination method possible and suitable to determine additional information about the layer thickness and to specify a layer thickness range.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an optical
  • Measuring device for determining the layer thickness of a thin layer of a coating coated with two thin layers
  • FIG. 2 is a schematic view of an area-like image of the light reflected from the substrate shown in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a schematic view of an area-like image of the light reflected from the substrate shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of theoretically determined intensity reference values C R , C G and C B for a red wavelength range, a green wavelength range and for a blue wavelength range of the light reflected at the thin layer as a function of a layer thickness of the thin layer
  • FIG. 4 3 shows a schematic representation of the course of the theoretically determined intensity reference values shown in FIG. 3 as well as superposed averaged intensity values for a plurality of intensity values measured in each case with the optical measuring device
  • Fig. 5 is a schematic representation of a deviating from Fig. 1 designed optical measuring device for Schichtdickenbeées, wherein the layer with a planar detection element of the optical
  • FIG. 6 is a schematic representation of a again
  • a measuring device 1 shown by way of example and schematically in FIG. 1 has a light source 2 whose light falls through a diaphragm 3 onto a partially transparent mirror 4. The light reflected by the partially reflecting mirror 4 is directed by a collimator device 5 onto a thin layer 6, which is supported on a carrier substrate 7 and directly on the carrier substrate 7
  • Boundary surface 10 of the thin layer 6 reflected light is through the collimator 5 and through the
  • various filters 13 can optionally be arranged, with which a respective assigned wavelength range can be transmitted and reflected light with a wavelength outside the permitted wavelength range can be filtered out of the beam path.
  • the diaphragm 3 can produce a substantially strip-shaped light curtain.
  • the intensity of the at the Interfaces 9 and 10 of the thin layer 6 of reflected light can also be strip-shaped
  • Intensity sensor 12 are measured. As an intensity sensor
  • a cellular CCD sensor or CMOS sensor as used in commercially available scanner devices or fax machines known in the art, may be used.
  • the light source 2 the aperture 3
  • the partially transparent light source 2 the aperture 3
  • Filters 13 form the optical components of
  • All of these optical components 2, 3, 4, 5, 11, 12 and 13 can be arranged together in a housing 14 and displaced substantially parallel to the lower boundary surface 10 of the thin layer 6. It is also possible, for example, to position the light source 2, the diaphragm 3, the filters 13 and the intensity sensor 12 in a stationary manner and to displace only the collimator device 5, the partially transmissive mirror 4 and the mirror arrangement 11 relative to the thin layer 6.
  • 5 and 11 can be displaced either one-dimensionally along a spatial direction or two-dimensionally in two spatial directions in each case parallel to the thin layer 6.
  • FIG. 2 shows, by way of example, a true-to-area depiction of the intensity of the reflected light measured by the measuring device 1, that of the boundary surfaces 9 and 10 of the thin layer 6 and of further
  • Boundary surfaces of the reference layer 8 and the carrier substrate 7 has been reflected.
  • a layer thickness of the thin layer 6 or of the reference layer 8 can be determined for which
  • a measured contrast value can be determined as the difference between the measured light intensity and the light intensity
  • Intensity value at the thin layer 6 minus a measured intensity reference value can be determined, which was measured at the reference layer 8.
  • Contrast value is then compared with a theoretically determined contrast reference value, which is also referred to as
  • Reference layer 8 is determined.
  • the theoretically determined contrast reference values are respectively for a red wavelength range predetermined with suitable filters 13, for a green wavelength range and for a blue wavelength range C R , C g and C B of the light reflected on the thin layer 6 as a function of a layer thickness ⁇ of the thin layer 6.
  • the contrast reference values were determined as the difference between the theoretically determined intensity value and the
  • Contrast reference values C R , C G and C B are one-to-one
  • the individual contrast reference values C R , C g and C B can be ambiguous for larger layer thicknesses ⁇ > 100 nm and are no longer uniquely associated with a single layer thickness ⁇ .
  • the contrast reference values C R , C G and C B are jointly supplied to a uniform evaluation, even for slice thicknesses ⁇ in a range up to ⁇ > 600 nm, each value triple of the contrast reference values C R , C g and C B can clearly have a single slice thickness ⁇
  • the measured contrast value triple # 0 to # 6 agree within the scope of the measurement accuracy with the theoretically determined contrast reference values. Even at low
  • Contrast reference values C R , C G and C B would be for each
  • Contrast reference values C R , C G and C B can be assigned, which has the smallest distance to the actually measured contrast value triple. The this one
  • the value of the layer thickness ⁇ assigned theoretically to the contrast reference values C R , C G and C B then corresponds to the layer thickness of the thin layer 6 responsible for the measured contrast values.
  • the value of the layer thickness ⁇ assigned theoretically to the contrast reference values C R , C G and C B then corresponds to the layer thickness of the thin layer 6 responsible for the measured contrast values.
  • Illumination sources 14, 15 and 16 are respectively
  • the individual illumination sources 14, 15 and 16 can also be monochromatic or coherent illumination sources such as, for example, suitable
  • Image capture device is detected, which has a flat detection element. In this way, a precise and spatially resolved determination of the layer thickness of the thin layer 6 can be carried out with a single image of the optical intensity sensor 18 of the optical image capture device and thus very quickly.
  • the optical image acquisition device can be arranged directly or vertically above the thin layer 6 and, depending on the lens system 17 used, at a large or small distance from the thin layer 6.
  • a transmission measurement can be carried out with a further illumination source 21 and that of this illumination source 21 can be performed by means of the illumination source 21
  • Transparent carrier substrate 22 applied thin layer 6 transmitted transmission intensity can be detected time-displaced with the optical image capture device.
  • Layer thickness determined transmission intensities can be determined with the transmission measurement, a layer thickness range within which the actual
  • Layer thickness of the thin layer 6 must be.
  • the measuring range for the method according to the invention can be extended by an additional consideration of the slice thickness range determined in this way, and a reliable and precise determination of the slice thickness can also be carried out for layer thicknesses that can no longer be determined unambiguously.
  • an optical sensor which transmits the transmission intensity transmitted by the illumination sources 14, 15 and 16
  • the optical image capture device can detect and perform an evaluation.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdicke einer flächig auf einem Substrat (7) aufgetragenen dünnen Schicht (6), wobei die Schicht (6) beleuchtet wird, das von Grenzflächen (9, 10) der Schicht (6) reflektierte Licht gemessen und anhand der Messwerte des reflektierten Lichts die Schichtdicke ermittelt wird, wird mit einer optischen Bilderfassungseinrichtung eine flächengetreue Abbildung des reflektierten Lichts aufgenommen und ein über einen Wellenlängenbereich integrierter Intensitätswert des reflektierten Lichts mit einem theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwert verglichen, um die Schichtdicke der Schicht (6) zu ermitteln. Ein gemessener Kontrastwert wird als Differenz des gemessenen Intensitätswertes abzüglich eines gemessenen Intensitätsreferenzwertes ermittelt und mit einem theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwert verglichen, der ebenfalls als Differenz des theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwertes abzüglich eines theoretisch ermittelten Referenzwertes ermittelt wird. Mehrere jeweils über verschiedene Wellenlängenbereiche integrierte Intensitätswerte können ermittelt und mit jeweils zugeordneten theoretisch berechneten Intensitätsreferenzwerten verglichen werden. Für mehrere räumlich beabstandete Bereiche der Schicht (6) wird die jeweilige Schichtdicke bestimmt.

Description

Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdicke
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdicke einer flächig auf ein Substrat aufgetragenen dünnen Schicht durch Messung von optischen
DünnschichtInterferenzen, wobei die Schicht beleuchtet wird, das von Grenzflächen der Schicht reflektierte Licht gemessen und anhand der Messwerte des reflektierten Lichtes die Schichtdicke ermittelt wird. Es sind verschiedene im Labor erprobte sowie industriell nutzbare Verfahren zum Auftragen einer dünnen Schicht aus einem vorgegebenen Schichtmaterial auf einem Substrat bekannt, das seinerseits aus einem nahezu beliebigen
Material bestehen kann. Bereits seit vielen Jahren können dünne Schichten beispielsweise durch Bedampfen oder
Galvanisieren hergestellt werden. Das Auftragen dünner funktionaler Schichten mittels geeigneter Druckverfahren ist Gegenstand der aktuellen Forschung. In der industriellen Herstellung dünner Schichten oder
Beschichtungen ist es oftmals notwendig, die Dicke der mit einem geeigneten Fertigungsverfahren hergestellten Schicht möglichst präzise zu messen. Die aus der Praxis bekannten Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdicke, wie beispielsweise die Schichtdicken¬ bestimmung mit einem Elektronenmikroskop oder mit Hilfe von hoch energetischen Strahlen erfordern oftmals eine
vorausgehende Präparation der Messproben und benötigen üblicherweise eine lange Messdauer. Optische Messverfahren, wie beispielsweise die Ellipsometrie oder Interferenz- messungen, ermöglichen eine zerstörungsfreie Messung der
Schichtdicke einer dünnen Schicht, benötigen jedoch oftmals lange Messdauern sowie komplexe und kostspielige
Messvorrichtungen . In vielen Anwendungsbereichen und insbesondere bei der
Herstellung dünner Schichten wäre es wünschenswert, wenn die Schichtdicke der zu messenden dünnen Schicht für einen großen Flächenbereich in einer möglichst kurzen Zeit ermittelt werden kann. Erst mit geeigneten Verfahren zur Ermittlung der Schichtdicke können die im Labor oder in der Praxis erprobten Herstellungsverfahren für dünne Schichten in einem industriellen Maßstab und mit einer ausreichenden Genauigkeit durchgeführt werden. Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdicke durch Messung von optischen DünnschichtInterferenzen so auszugestalten, dass in möglichst kurzer Zeit die
Schichtdicke in einem möglichst großen Flächenbereich einer Schicht ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mit einer optischen Bilderfassungseinrichtung eine
flächengetreue Abbildung des an zwei gegenüberliegenden Grenzflächen der dünnen Schicht reflektierten Lichts aufgenommen wird, und dass ein über einen Wellenlängenbereich integrierter Intensitätswert des reflektierten Lichts mit einem theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwert verglichen wird, um die Schichtdicke der zu messenden Schicht zu ermitteln. Es hat sich gezeigt, dass sich die Intensität des an zwei gegenüberliegenden
Grenzflächen der dünnen Schicht reflektierten Lichts ausgehend von einem Ausgangswert mit zunehmender
Schichtdicke zunächst nur geringfügig ändert und durch einen Vergleich eines gemessenen Intensitätswerts mit einem theoretisch berechneten Intensitätsreferenzwert die
gemessene Schichtdicke vergleichsweise präzise ermitteln lässt .
Der theoretisch ermittelte Intensitätsreferenzwert kann mit zunehmender Schichtdicke stark schwanken und mehrdeutig werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb für geringe Schichtdicken besonders gut geeignet. Weiterhin sollte die zu messende dünne Schicht transluzent, bzw.
semi-transparent sein, um eine ausreichende Reflexion des einfallenden Lichts an den beiden gegenüberliegenden
Grenzflächen und insbesondere an der der Lichtquelle abgewandten Grenzfläche der dünnen Schicht zu ermöglichen, damit Interferenzen zwischen dem an beiden Grenzflächen reflektierten Licht auftreten und Intensitätswerte des reflektierten Lichts zuverlässig gemessen werden können.
Um den als Vergleichswert herangezogenen
Intensitätsreferenzwert theoretisch berechnen zu können sind zweckmäßigerweise die hierfür erforderlichen
Eigenschaften und Parameter des Schichtaufbaus mit der zu bestimmenden dünnen Schicht bekannt oder durch
vorausgehende Messungen ermittelt worden. Die als bekannt vorausgesetzten und für die Berechnung des theoretischen Intensitätsreferenzwertes verwendeten Eigenschaften und Parameter umfassen beispielsweise die relevanten
Brechungsindizes in dem Wellenlängenbereich der zur
Beleuchtung verwendeten Lichtquelle, und die spektralen Übertragungsfunktionen des Messsystems, mit denen die
Lichtquelle, der optische Weg der an verschiedenen
Grenzflächen reflektierten Intensitäten sowie Filter oder andere optische Komponenten berücksichtigt werden. Der gemessene Intensitätswert kann dabei über einen
Wellenlängenbereich integriert werden, so dass bereits eine sehr kurze Belichtungszeit ausreicht, um mit einer
handelsüblichen optischen Bilderfassungseinrichtung eine für die nachfolgende Auswertung und Schichtdickenbestimmung ausreichende flächengetreue Abbildung der dünnen Schicht aufzunehmen. Eine spektrale, bzw. wellenlängenabhängige Erfassung des reflektierten Lichts ist nicht notwendig, so dass auf spektrale Messgeräte oder Spektralzerlegungen des reflektierten Lichts verzichtet werden kann. Es ist
ebenfalls nicht notwendig, eine Lichtquelle mit
monochromatischem oder kohärentem Licht zu verwenden, wodurch die apparativen Anforderungen erheblich gesenkt und Kosten reduziert werden können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann innerhalb kurzer
Zeit von vergleichsweise großen Flächen eines Substrats die Schichtdicke einer flächig aufgetragenen Schicht ermittelt werden. Das Verfahren kann dazu verwendet werden, im Rahmen eines Herstellungsprozesses kontinuierlich die Schichtdicke einer flächig aufgetragenen Schicht ortsaufgelöst zu ermitteln, um die Beschichtungsprozesse während des
Auftragens der Schicht zu kontrollieren. Damit ist es unter anderem möglich, das bislang lediglich unter experimentellen Laborbedingungen mögliche Aufdrucken dünner Schichten auf ein Substrat industriell nutzbar und
wirtschaftlich durchführbar werden zu lassen.
Einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass der gemessene Intensitätswert mit einem Beleuchtungs¬ intensitätswert normiert und mit einem theoretisch
ermittelten normierten Intensitätsreferenzwert verglichen wird. Der Beleuchtungsintensitätswert kann vor jeder
Messung oder für einen vorgegebenen und im Nachhinein nicht mehr veränderbaren Aufbau einer Messapparatur ermittelt und abgespeichert werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass vor oder im Verlauf jeder Messung eines integrierten
Intensitätswertes ein Beleuchtungsintensitätswert gemessen und abgespeichert wird. Durch die Normierung des gemessenen Intensitätswert mit dem Beleuchtungsintensitätswert wird erreicht, dass die tatsächliche Beleuchtung sowie
Eigenschaften der für die Messung verwendeten Leuchtquelle und der Umgebungsbedingungen für die Ermittlung der
Schichtdicke keine oder jedenfalls nur eine nachrangige Bedeutung haben können. Der für die Normierung verwendete Beleuchtungsintensitätswert kann ebenfalls über einen
Wellenlängenbereich integriert sein. Die experimentelle Ermittlung des Beleuchtungsintensitätswerts , der für die Normierung verwendet wird, muss bei der rechnerischen
Ermittlung des normierten Intensitätsreferenzwertes berücksichtigt werden, der für die Normierung des
theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwertes verwendet wird . In besonders vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass ein gemessener Kontrastwert als Differenz des gemessenen
Intensitätswertes abzüglich eines gemessenen
Intensitätsreferenzwertes ermittelt und mit einem
theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwert verglichen wird, der ebenfalls als Differenz des theoretisch
ermittelten Intensitätsreferenzwertes abzüglich eines theoretisch ermittelten Referenzwertes ermittelt wird. Der Intensitätsreferenzwert kann beispielsweise zeitgleich an einer räumlich benachbart angeordneten dünnen Schicht mit einer bekannten Schichtdicke gemessen werden. Die
Kontrastwerte werden zweckmäßigerweise auf die gemessenen Intensitäten normiert, bzw. bezogen, indem beispielsweise der Quotient aus der Differenz des gemessenen
Intensitätswertes und des gemessenen
Intensitätsreferenzwertes einerseits und der Summe des gemessenen Intensitätswertes und Intensitätsreferenzwertes andererseits berechnet wird. Durch eine derartig normierte Kontrastbildung können beispielsweise zeitabhängige
Intensitätsschwankungen der verwendeten Lichtquelle oder der Umgebungsbedingungen reduziert bzw. vollständig eliminiert werden.
Um die Genauigkeit des Verfahrens, bzw. der mit dem
Verfahren ermittelten Schichtdicke zu verbessern, ist vorgesehen, dass in einem weiteren Verfahrensschritt eine bekannte oder vorgegebene Schichtdicke einer
Referenzschicht gemessen wird, um anschließend die
unbekannte Schichtdicke zu ermitteln. Die bekannte oder vorgegebene Schichtdicke kann dazu verwendet werden, eine Übereinstimmung zwischen dem theoretisch ermittelten
Intensitätsreferenzwert und dem über einen Wellenlängenbereich integrierten Intensitätswert
vorzugeben, bzw. zu bestätigen. Mit einer zunehmend von der bekannten Schichtdicke abweichenden unbekannten
Schichtdicke kann sich der gemessene Intensitätswert ebenso wie der theoretisch ermittelte Intensitätsreferenzwert deutlich von dem Ausgangswert unterscheiden. In einem
Bereich um die bekannte, bzw. vorgegebene Schichtdicke herum ist die Abweichung des gemessenen Intensitätswertes zunächst linear und im Anschluss daran zunehmend nicht linear, jedoch noch eineindeutig. Erst bei großen
Abweichungen der unbekannten Schichtdicke von der bekannten Schichtdicke können Mehrdeutigkeiten bei dem gemessenen Intensitätswert, bzw. bei dem theoretisch ermittelten
Intensitätsreferenzwert auftreten, die eine zuverlässige Bestimmung der Schichtdicke erschweren oder unmöglich werden lassen.
Die bekannte Schichtdicke der Referenzschicht kann
beispielsweise räumlich beabstandet zu der unbekannten Schichtdicke ermittelt werden. Es ist ebenfalls möglich, dass während der Herstellung eines mehrschichtigen Aufbaus die jeweils vorangehend ermittelte Schichtdicke der jeweils zuletzt hergestellten Schicht als Referenzschicht und
Ausgangswert für die im Anschluss daran zu ermittelnde Schichtdicke einer neu aufgebrachten Schicht zu verwenden, die auf der dann bereits fertiggestellten Schicht
aufgebracht wird.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die vorgegebene oder vorangehend ermittelte Schichtdicke der Referenzschicht einen Referenz-Nullwert darstellt. Die vorgegebene
Schichtdicke kann beispielsweise ein Bereich des Substrats sein, der nicht von der dünnen Schicht bedeckt wird, deren Schichtdicke gemessen werden soll. Es ist ebenfalls möglich, bei komplexen Schichtfolgen oder unbekannten
Beschichtungen eines ebenfalls nicht näher bekannten
Substrats punktuell oder an ausgewählten Positionen mit anderen Verfahren den Schichtaufbau und die jeweiligen Schichtdicken zu ermitteln, die dann als bekannt, bzw. als vorgegeben vorausgesetzt werden. Im Anschluss daran können beispielsweise eine räumliche Variation der zu messenden Schichtdicke um die bekannte Schichtdicke herum oder der während eines Herstellungsprozesses erfolgende Auftrag einer dünnen Schicht mit dem vorangehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden.
Die Bestimmung der Schichtdicke kann deutlich verbessert und der Schichtdickenbereich, in dem eine zuverlässige Bestimmung der Schichtdicke möglich ist, kann deutlich erweitert werden, indem mehrere, jeweils über verschiedene Wellenlängenbereiche integrierte Intensitätswerte ermittelt und mit jeweils zugeordneten theoretisch berechneten
Intensitätsreferenzwerten verglichen werden.
Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die Schicht mit Licht einer Beleuchtungsquelle beleuchtet wird, die
gleichzeitig Licht mit Wellenlängen aus den verschiedenen Wellenlängenbereichen abstrahlt. Die Unterteilung der für die Auswertung verwendeten Wellenlängenbereiche findet dann im Bereich der optischen Bilderfassungseinrichtung statt. Es können handelsübliche optoelektronische Sensoren
eingesetzt werden, die beispielsweise auch bei Fotokameras oder Videokameras verwendet werden, und farbige
Bildinformationen getrennt nach roten, blauen und grünen Wellenlängenbereichen erfassen. Für jeden dieser
Wellenlängenbereiche kann ein Intensitätswert gemessen und ein zugeordneter Intensitätsreferenzwert theoretisch berechnet werden. In Abhängigkeit von der Schichtdicke verändern sich die jeweiligen Intensitätswerte und ergeben bei zunehmender Schichtdicke eine räumliche Kurve in einem von den drei Wellenlängenbereichen rot, grün und blau erzeugten dreidimensionalen Koordinatensystem. In einer Umgebung um eine bekannte Schichtdicke kann anhand der gemessenen drei Intensitätswerte für den roten, den grünen und den blauen Wellenlängenbereich der kleinste Abstand zu dem theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwert bestimmt werden.
Da die gemessenen Intensitäten für einen beispielsweise roten Wellenlängenbereich eine deutlich abweichende
Abhängigkeit von der Schichtdicke als die gemessenen
Intensitäten eines beispielsweise blauen
Wellenlängenbereichs aufweisen, kann durch einen Vergleich der für eine zu ermittelnde Schichtdicke gemessenen
Intensitäten verschiedener Wellenlängenbereiche eine deutlich genauere Aussage getroffen werden. Zudem wird durch eine Messung der Intensitäten in verschiedenen
Wellenlängenbereichen der maximale Bereich der eindeutig ermittelbaren Schichtdicke erheblich vergrößert, bevor für alle Wellenlängenbereiche gleichzeitig Mehrdeutigkeiten bei dem Vergleich zwischen den theoretisch ermittelten
Intensitätsreferenzwerten und den tatsächlich gemessenen Intensitätswerten auftreten. Es können auch lediglich zwei oder deutlich mehr als drei Wellenlängenbereiche vorgegeben und für die Bestimmung der Schichtdicke verwendet werden. In vielen Fällen kann für die Ermittlung der Schichtdicke ein Abstand zwischen der mindestens einen gemessenen
Intensität und dem mindestens einen für verschiedene
Schichtdickenwerte theoretisch ermittelten
Intensitätsreferenzwert bestimmt werden. Derjenige
Schichtdickenwert, für welchen der theoretisch ermittelte Intensitätsreferenzwert den geringsten Abstand zu dem gemessenen Intensitätswert aufweist, entspricht der mit diesem Verfahren ermittelten Schichtdicke. Falls mehrere Intensitätswerte für verschiedene Wellenlängenbereiche gemessen werden, können die gemessenen Intensitätswerte wie auch die theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwerte zu n-Tupeln bzw. Vektoren in einem mehrdimensionalen Raum zusammengefasst und eine geeignete Berechnungsroutine zur Abstandsbestimmung, beispielsweise eine Bestimmung des euklidischen Abstands, durchgeführt werden.
Es ist grundsätzlich möglich, dass das von der
Beleuchtungsquelle abgestrahlte Licht durch eine
Filtereinrichtung geführt wird, sodass die Schicht nur mit Licht aus einem Wellenlängenbereich beleuchtet wird. In diesem Fall kann die optische Bilderfassungseinrichtung das gesamte reflektierte Licht erfassen, da der
Wellenlängenbereich auf der Beleuchtungsseite vorgegeben wird. Die Filtereinrichtung kann beispielsweise ein
Kantenfilter oder ein Interferenzfilter sein.
Um mehrere verschiedene Wellenlängenbereiche für die
Schichtdickenbestimmung zu verwenden kann das von der Beleuchtungsquelle abgestrahlte Licht nacheinander mit verschiedenen Filtereinrichtungen gefiltert werden. Für jeden mit einer Filtereinrichtung vorgegebenen
Wellenlängenbereich wird ein integrierter Intensitätswert ermittelt und die mehreren integrierten Intensitätswerte mit jeweils zugeordneten theoretisch berechneten
Intensitätsreferenzwerten verglichen. Die verschiedenen Filtereinrichtungen können verschiedene Kantenfilter oder Interferenzfilter oder andere bereits bekannte optische Filtereinrichtungen bzw. Kombinationen derartiger
Filtereinrichtungen sein.
Es ist ebenfalls möglich und für verschiedene
Anwendungsbereiche vorteilhaft, dass die Schicht mit Licht aus mehreren Beleuchtungsquellen beleuchtet wird, die jeweils Licht aus unterschiedlichen Wellenlängenbereichen abstrahlen. Mit Hilfe von mehreren verschiedenen
Beleuchtungsquellen kann bei einem gleichzeitigen Betrieb gleichzeitig Licht mit Wellenlängen aus den verschiedenen Wellenlängenbereichen abgestrahlt werden, wobei eine gegebenenfalls gewünschte Unterscheidung der
Wellenlängenbereiche im Bereich der optischen
Bilderfassungseinrichtung erfolgen kann. Bei einem
wechselnden Betrieb der einzelnen Beleuchtungsquellen erfolgt die Unterscheidung von Wellenlängenbereichen auf der Beleuchtungsseite.
Aufgrund der geringen konstruktiven Anforderungen an die für das Verfahren erforderliche Messvorrichtung ist es kostengünstig möglich, für mehrere, räumlich beabstandete Bereiche der Schicht die Schichtdicke zu bestimmen. Auf diese Weise kann für einen großen Flächenbereich die Schichtdicke einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht gleichzeitig, bzw. innerhalb kürzester Zeit ermittelt werden. In Verbindung mit Druckverfahren, mit denen dünne Schichten auf das Substrat aufgedruckt werden, können großflächige Substrate sehr rasch und äußerst kostengünstig mit einer Schicht beschichtet werden, deren Schichtdicke während oder unmittelbar im Anschluss an deren Herstellung präzise bekannt ist bzw. kontrolliert werden kann, um einen derartigen Beschichtungsprozess einer wirtschaftlich sinnvollen Nutzung zuzuführen.
Im Hinblick auf eine möglichst rasche Bestimmung der
Schichtdicke für einen großen Bereich der Schicht ist es vorteilhaft, dass die optische Bilderfassungseinrichtung mindestens ein zellenförmiges oder flächiges
Erfassungselement aufweist, um einen möglichst großen
Bereich der Schicht gleichzeitig erfassen zu können. Als zellenförmiges Erfassungselement können beispielsweise geeignete Komponenten einer handelsüblichen
Scannereinrichtung oder eines Faxgerätes bzw. vergleichbare optische Komponenten verwendet werden. Als flächiges
Erfassungselement können beispielsweise CCD-Chips oder CMOS-Chips von handelsüblichen digitalen Kameras verwendet werden. Es ist ebenso denkbar, andere matrixförmige
optische Flächensensoren einzusetzen. Mit einem flächigen
Erfassungselement können ein großer Bereich der Schicht und gegebenenfalls die vollständige Schicht mit einer einzigen Aufnahme erfasst und die Schichtdicke der Schicht
ortsaufgelöst bestimmt werden. Im Vergleich zu den bereits bekannten punktförmigen Schichtdickenbestimmungsmethoden kann die Verfahrensdauer erheblich reduziert werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass mit einem
alternativen Schichtdickenbestimmungsverfahren ein
Schichtdickenbereich der Schicht bestimmt wird und dass der über einen Wellenlängenbereich integrierter Intensitätswert des reflektierten Lichts nur mit theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwerten verglichen wird, die für eine Schichtdicke in dem Schichtdickenbereich ermittelt wurden. Als alternatives Schichtdickenbestimmungsverfahren kann beispielsweise eine Transmissionslichtmessung durchgeführt werden. Zu diesem Zweck kann die Intensität des von einer Beleuchtungseinrichtung abgestrahlten und durch die Schicht transmittierten Lichts gemessen und mit Referenzwerten bei bekannten Schichtdicken eines gleichen Schichtmaterials verglichen werden, um einen Schichtdickenbereich zu
ermitteln, in welchem sich die tatsächliche Schichtdicke befindet. Es sind natürlich auch andere alternative
Schichtdickenbestimmungsverfahren möglich und geeignet, um zusätzliche Informationen zur Schichtdicke zu ermitteln und einen Schichtdickenbereich vorzugeben.
Zur Bestimmung der Schichtdicke werden die tatsächlich gemessenen Intensitätswerte nur mit theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwerten verglichen, die sich für
Schichtdickenwerte innerhalb des auswertbaren
Schichtdickenbereichs ergeben. Auf diese Weise können
Mehrdeutigkeiten vermieden werden, die sich bei einem
Vergleich der gemessenen Intensitätswerte mit theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwerten ergeben können, die außerhalb des vorab durch das alternative
Schichtdickenbestimmungsverfahren vorgegebenen
Schichtdickenbereichs liegen. Dies kann zu einer erheblichen Erweiterung des Messbereichs führen, innerhalb dessen eine zuverlässige Schichtdickenbestimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist. Nachfolgend werden verschiedene Aspekte und
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher
erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer optischen
Messvorrichtung zur Schichtdickenbestimmung einer dünnen Schicht eines mit zwei dünnen Schichten beschichteten
Substrats ,
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer flächengetreuen Abbildung des von dem in Fig. 1 dargestellten Substrat reflektierten Lichts,
Fig. 3 eine schematische Darstellung von theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwerten CR, CG und CB für einen roten Wellenlängenbereich, einen grünen Wellenlängenbereich und für einen blauen Wellenlängenbereich des an der dünnen Schicht reflektierten Lichts in Abhängigkeit von einer Schichtdicke der dünnen Schicht, Fig. 4 eine schematische Darstellung des Verlaufs der in Fig. 3 gezeigten theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwerte sowie überlagert dargestellte gemittelte Intensitätswerte für jeweils mehrere mit der optischen Messvorrichtung gemessene Intensitätswerte,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer abweichend zu Fig. 1 ausgestalteten optischen Messvorrichtung zur Schichtdickenbestimmung, wobei die Schicht mit einem flächigen Erfassungselement der optischen
Bilderfassungseinrichtung vollständig erfasst wird, und Fig. 6 eine schematische Darstellung einer erneut
abweichend ausgestalteten optischen Messvorrichtung zur Schichtdickenbestimmung, wobei die Beleuchtung und die optische Bilderfassungseinrichtung jeweils telezentrisch ausgestaltet sind.
Eine in Figur 1 exemplarisch und schematisch dargestellte Messvorrichtung 1 weist eine Lichtquelle 2 auf, deren Licht durch eine Blende 3 auf einen teildurchlässigen Spiegel 4 fällt. Das von dem teildurchlässigen Spiegel 4 reflektierte Licht wird durch eine Kollimatoreinrichtung 5 auf eine dünne Schicht 6 gerichtet, die auf einem Trägersubstrat 7 und auf einer unmittelbar auf dem Trägersubstrat 7
angeordneten Referenzschicht 8 aufgebracht ist. Das von einer oberen Grenzfläche 9 und von einer unteren
Grenzfläche 10 der dünnen Schicht 6 reflektierte Licht wird durch die Kollimatoreinrichtung 5 und durch den
teildurchlässigen Spiegel 4 mit Hilfe einer Sensor- Spiegelanordnung 11 auf einen optischen Intensitätssensor 12 gerichtet. Unmittelbar vor dem Intensitätssensor 12 können wahlweise verschiedene Filter 13 angeordnet werden, mit denen ein jeweils zugeordneter Wellenlängenbereich durchgelassen und reflektiertes Licht mit einer Wellenlänge außerhalb des zugelassenen Wellenlängenbereichs aus dem Strahlengang herausgefiltert werden kann.
Die Blende 3 kann einen im Wesentlichen streifenförmigen Lichtvorhang erzeugen. Die Intensität des an den Grenzflächen 9 und 10 der dünnen Schicht 6 reflektierten Lichts kann mit einem ebenfalls streifenförmigen
Intensitätssensor 12 gemessen werden. Als Intensitätssensor
12 kann beispielsweise eine zellenförmiger CCD-Sensor oder CMOS-Sensor verwendet werden, wie er in aus der Praxis bekannten handelsüblichen Scanner-Einrichtungen oder Fax- Geräten eingesetzt wird.
Die Lichtquelle 2, die Blende 3, der teildurchlässige
Spiegel 4, die Kollimatoreinrichtung 5, die
Spiegelanordnung 11, der Intensitätssensor 12 und die
Filter 13 bilden die optischen Komponenten der
Messvorrichtung 1. Alle diese optischen Komponenten 2, 3, 4, 5, 11, 12 und 13 können gemeinsam in einem Gehäuse 14 angeordnet und im Wesentlichen parallel zu der unteren Grenzfläche 10 der dünnen Schicht 6 verlagert werden. Es ist ebenfalls möglich, beispielsweise die Lichtquelle 2, die Blende 3, die Filter 13 und den Intensitätssensor 12 ortsfest anzuordnen und lediglich die Kollimatoreinrichtung 5, den teildurchlässigen Spiegel 4 und die Spiegelanordnung 11 relativ zu der dünnen Schicht 6 zu verlagern. Die verlagerbaren optischen Komponenten 2, 3, 4, 5, 11, 12 und
13 bzw. 4, 5 und 11 können dabei entweder eindimensional längs einer Raumrichtung oder zweidimensional in zwei Raumrichtungen jeweils parallel zu der dünnen Schicht 6 verlagert werden.
Mit der Messvorrichtung 1 kann innerhalb kürzester Zeit eine flächengetreue Abbildung der von den Grenzflächen 9 und 10 der dünnen Schicht 6 reflektierten LichtIntensität erzeugt und gemessen werden. In Figur 2 ist exemplarisch eine flächengetreue Abbildung der mit der Messvorrichtung 1 gemessenen Intensität des reflektierten Lichts dargestellt, das von den Grenzflächen 9 und 10 der dünnen Schicht 6 sowie von weiteren
Grenzflächen der Referenzschicht 8 und des Trägersubstrats 7 reflektiert wurde. Anhand eines Vergleichs der gemessenen Intensitätswerte mit in Abhängigkeit von einer angenommenen Schichtdicke theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwerten kann eine Schichtdicke der dünnen Schicht 6 oder der Referenzschicht 8 ermittelt werden, für welche der
tatsächlich gemessene Intensitätswert bestmöglich mit dem theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwert
übereinstimmt . Um die Auswirkungen von zeitlich veränderlichen Größen wie beispielsweise Intensitätsschwankungen der Lichtquelle 2 möglichst zu reduzieren oder zu eliminieren kann ein gemessener Kontrastwert als Differenz des gemessenen
Intensitätswertes an der dünnen Schicht 6 abzüglich eines gemessenen Intensitätsreferenzwertes ermittelt werden, der an der Referenzschicht 8 gemessen wurde. Dieser
Kontrastwert wird dann mit einem theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwert verglichen, der ebenfalls als
Differenz des theoretisch ermittelten
Intensitätsreferenzwertes für die dünne Schicht 6 abzüglich eines theoretisch ermittelten Referenzwertes der
Referenzschicht 8 ermittelt wird.
In Figur 3 sind jeweils für einen mit geeigneten Filtern 13 vorgegebenen roten Wellenlängenbereich, für einen grünen Wellenlängenbereich und für einen blauen Wellenlängenbereich die theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwerte CR, Cg und CB des an der dünnen Schicht 6 reflektierten Lichts in Abhängigkeit von einer Schichtdicke λ der dünnen Schicht 6 dargestellt. Die Kontrastreferenzwerte wurden in Abhängigkeit von der Schichtdicke als Differenz des theoretisch ermittelten Intensitätswerts und des
theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwerts bei einer Referenzschichtdicke bestimmt und auf eine GesamtIntensität normiert. Während für kleine Schichtdicken λ < 100 nm für alle Wellenlängenbereiche die theoretisch ermittelten
Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB eine eineindeutige
Funktion der Schichtdicke λ darstellen, können für größere Schichtdicken λ > 100 nm die einzelnen Kontrastreferenzwerte CR, Cg und CB für sich betrachtet mehrdeutig werden und nicht mehr eindeutig einer einzigen Schichtdicke λ zugeordnet werden. Werden die Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB jedoch gemeinsam einer einheitlichen Auswertung zugeführt, kann auch für Schichtdicken λ in einem Bereich bis λ > 600 nm jedem Wertetriple der Kontrastreferenzwerte CR, Cg und CB eindeutig eine einzige Schichtdicke λ
zugeordnet werden.
In Figur 4 ist für einen Bereich der Schichtdicke λ von 0 nm < λ < 600 nm ein Vergleich zwischen der theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwerte CR, Cg und CB und den gemittelten Kontrastwert-Triplen für jeweils mehrere mit der optischen Messvorrichtung gemessene Intensitätswerte bzw. für die Kontrastwerte eines Referenz-Schichtaufbaus mit vorgegebenen Schichtdicken von 0 nm (gemittelter gemessener Kontrastwert #0) bis 500 nm (gemittelter
gemessener Kontrastwert #6) in Schritten von 100 nm. Für die Darstellung wurden die theoretisch ermittelten
Kontrastreferenzwerte CR, Cg und CB in ein durch die drei Kontrastreferenzwerte CR, Cg und CB aufgespanntes
dreidimensionales Koordinatensystem eingetragen.
Die gemessenen Kontrastwert-Triple #0 bis #6 stimmen im Rahmen der Messgenauigkeit mit den theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwerten überein. Selbst bei geringen
Abweichungen der im Einzelfall tatsächlich gemessenen
Kontrastwerte von den theoretisch ermittelten
Kontrastreferenzwerten CR, CG und CB würde für jeden
tatsächlich gemessenen Kontrastwert-Triple eindeutig ein zugeordnetes Werte-Triple der theoretisch ermittelten
Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB zugeordnet werden können, welches den geringsten Abstand zu dem tatsächlich gemessenen Kontrastwert-Triple aufweist. Der diesem
theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB zugeordnete Wert der Schichtdicke λ entspricht dann der für die gemessenen Kontrastwerte verantwortlichen Schichtdicke der dünnen Schicht 6. Bei einer in Figur 5 exemplarisch und schematisch
dargestellten Messvorrichtung 1 ' werden die dünne Schicht 6 und die Referenzschicht 8 mit Licht aus mehreren
verschiedenen Beleuchtungsquellen 14, 15, 16 beleuchtet, die jeweils Licht aus unterschiedlichen
Wellenlängenbereichen abstrahlen. Die einzelnen
Beleuchtungsquellen 14, 15 und 16 sind jeweils
verschiedenfarbige LEDs. Die einzelnen Beleuchtungsquellen 14, 15 und 16 können auch monochromatische oder kohärente Beleuchtungsquellen wie beispielsweise geeignete
Lasereinrichtungen sein. Es ist jedoch auch möglich, an
Stelle der einzelnen Beleuchtungsquellen 14, 15 und 16 eine einzelne Beleuchtungsquelle zu verwenden, die Licht in einem großen Wellenlängenbereich emittiert, und das emittierte Licht durch geeignete Filtereinrichtungen nacheinander auf jeweils verschiedene Wellenlängenbereiche zu beschränken.
Durch geeignete Blenden 3 und optische Linsensysteme 17 kann erreicht werden, dass die dünne Schicht 6 gleichzeitig vollständig ausgeleuchtet wird und das von der dünnen
Schicht 6 reflektierte Licht von einem optischen
Intensitätssensor 18 der optischen
Bilderfassungseinrichtung erfasst wird, der ein flächiges Erfassungselement aufweist. Auf diese Weise kann mit einer einzigen Aufnahme des optischen Intensitätssensors 18 der optischen Bilderfassungseinrichtung und damit sehr rasch eine präzise und ortsaufgelöste Ermittlung der Schichtdicke der dünnen Schicht 6 durchgeführt werden. Die optische Bilderfassungseinrichtung kann unmittelbar bzw. senkrecht oberhalb der dünnen Schicht 6 und in Abhängigkeit von dem verwendeten Linsensystem 17 in einem großen oder geringen Abstand zu der dünnen Schicht 6 angeordnet sein.
Bei dem in Fig. 6 exemplarisch dargestellten
Ausführungsbeispiel weist die Messvorrichtung 1 ' ' zwischen den Beleuchtungsquellen 14, 15 und 16 und der dünnen
Schicht 6, bzw. dem teildurchlässigen Spiegel 4 und
zwischen der dünnen Schicht 6, bzw. dem teildurchlässigen Spiegel 4 und dem optischen Intensitätssensor 18 jeweils ein optisches Linsensystem 19, 20 zur Erzeugung eines telezentrischen Strahlengangs auf. Auf diese Weise kann die Präzision der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
durchgeführten Ermittlung der Schichtdicke verbessert werden . Mit einer weiteren Beleuchtungsquelle 21 kann zusätzlich eine Transmissionsmessung durchgeführt werden und die von dieser Beleuchtungsquelle 21 durch die auf einem
transparenten Trägersubstrat 22 aufgebrachte dünne Schicht 6 transmittierte Transmissionsintensität zeitversetzt mit der optischen Bilderfassungseinrichtung erfasst werden. Durch einen Vergleich mit vorab für vorgegebene
Schichtdicken ermittelten Transmissionsintensitäten kann mit der Transmissionsmessung ein Schichtdickenbereich ermittelt werden, innerhalb dessen die tatsächliche
Schichtdicke der dünnen Schicht 6 liegen muss. Auf diese Weise kann durch eine zusätzliche Berücksichtigung des derart ermittelten Schichtdickenbereichs der Messbereich für das erfindungsgemäße Verfahren erweitert und auch für ansonsten nicht mehr eindeutig bestimmbare Schichtdicken eine zuverlässige und präzise Ermittlung der Schichtdicke durchgeführt werden. Es ist ebenfalls möglich, an der Stelle der weiteren Beleuchtungsquelle 21 einen optischen Sensor anzuordnen, der die von den Beleuchtungsquellen 14, 15 und 16 transmittierte Transmissionsintensität
gleichzeitig zu der Messung der Reflexionsintensitäten mit der optischen Bilderfassungseinrichtung erfassen und einer Auswertung zuführen kann.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdicke einer flächig auf einem Substrat (7) aufgetragenen dünnen Schicht (6) durch Messung von optischen DünnschichtInterferenzen, wobei die Schicht (6) beleuchtet wird, das von Grenzflächen (9, 10) der Schicht (6) reflektierte Licht gemessen und anhand der Messwerte des reflektierten Lichts die
Schichtdicke ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer optischen Bilderfassungseinrichtung eine
flächengetreue Abbildung des an zwei gegenüberliegenden Grenzflächen der dünnen Schicht (6) reflektierten Lichts aufgenommen wird, und dass ein über einen
Wellenlängenbereich integrierter Intensitätswert des reflektierten Lichts mit einem theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwert verglichen wird, um die
Schichtdicke der Schicht (6) zu ermitteln.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Intensitätswert mit einem
Beleuchtungsintensitätswert normiert und mit einem
theoretisch ermittelten normierten Intensitätsreferenzwert verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein normierter gemessener Kontrastwert als normierte Differenz des gemessenen Intensitätswertes abzüglich eines gemessenen Intensitätsreferenzwertes ermittelt und mit einem normierten theoretisch ermittelten
Kontrastreferenzwert verglichen wird, der ebenfalls als Differenz des theoretisch ermittelten
Intensitätsreferenzwertes abzüglich eines theoretisch ermittelten Referenzwertes ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren
Verfahrensschritt eine bekannte oder vorgegebene
Schichtdicke einer Referenzschicht (8) gemessen wird, um anschließend die unbekannte Schichtdicke zu ermitteln.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bekannte oder vorgegebene Schichtdicke der
Referenzschicht (8) beabstandet zu der Schicht (6) mit der zu ermittelnden Schichtdicke gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Schichtdicke einen Referenz-Nullwert darstellt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere jeweils über
verschiedene Wellenlängenbereiche integrierte
Intensitätswerte ermittelt und mit jeweils zugeordneten theoretisch berechneten Intensitätsreferenzwerten
verglichen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (6) mit Licht einer Beleuchtungsquelle (2) beleuchtet wird, die gleichzeitig Licht mit Wellenlängen aus den verschiedenen Wellenlängenbereichen abstrahlt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Beleuchtungsquelle (2) abgestrahlte Licht durch eine Filtereinrichtung geführt wird, sodass die Schicht (6) nur mit Licht aus einem Wellenlängenbereich beleuchtet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Beleuchtungsquelle (2) abgestrahlte Licht nacheinander mit verschiedenen Filtereinrichtungen
gefiltert wird.
11. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (6) mit Licht aus mehreren Beleuchtungsquellen (14, 15, 16) beleuchtet wird, die jeweils Licht aus unterschiedlichen
Wellenlängenbereichen abstrahlen .
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere räumlich
beabstandete Bereiche der Schicht (6) die jeweilige
Schichtdicke bestimmt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische
Bilderfassungseinrichtung mindestens ein zellenförmiges oder flächiges Erfassungselement aufweist, um einen möglichst großen Bereich der Schicht (6) gleichzeitig erfassen zu können.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem alternativen
Schichtdickenbestimmungsverfahren ein Schichtdickenbereich der Schicht (6) bestimmt wird und dass der über einen Wellenlängenbereich integrierter Intensitätswert des reflektierten Lichts nur mit theoretisch ermittelten
Intensitätsreferenzwerten verglichen wird, die für eine Schichtdicke in dem Schichtdickenbereich ermittelt wurden.
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