DE202022001557U1

DE202022001557U1 - Messkopf zur Messung der spektralen Reflexivität

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Publication number: DE202022001557U1
Application number: DE202022001557.7U
Authority: DE
Original assignee: Plasus GmbH
Current assignee: Plasus GmbH
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2032-07-12

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Reflexivität einer Probe während eines die Reflexivität der Probe verändernden Prozesses, bei der das Licht einer Lichtquelle durch mindestens ein optisches Elemente auf die Probe, und das von der Probe reflektierte Licht durch dieselben oder weitere optische Elemente in ein Spektrometer geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein strahlführendes Volumen vom Volumen der Prozesskammer (25) durch für Beschichtungspartikeln im Wesentlichen undurchdringliche Abtrennungen separiert ist und dass eine Öffnung des strahlführenden Volumens zur Prozesskammer (25) hin durch die zu messende Probe (5) gegenüber eindringenden Beschichtungspartikeln verschlossen ist.

Description

Aufgabenstellung
Im Bereich der Dünnschichttechnologie ist es bekannt, die Schichtdicke und andere Eigenschaften einer aufgebrachten Schicht mit Hilfe der Reflexionseigenschaften der beschichteten Oberfläche zu bestimmen. Eine Methode besteht darin, die Reflexivität in einem Wellenlängenbereich zu bestimmen und aus diesem Reflexivitätsspektrum durch geeignete mathematische Modelle die Schichtdicke zu bestimmen. Für diese Methode werden Spektralbereiche im ultravioletten, sichtbaren und nahen infraroten Wellenlängenbereich verwendet, d.h. zum Beispiel im Bereich von 200nm - 2500nm. Der verwendete Wellenlängenbereich richtet sich dabei nach den spektralen Eigenschaften der eingesetzten Optiken, Lichtquellen und Detektoren. So ist das Spektrum der häufig eingesetzten Halogenlichtquelle erst ab einer Wellenlänge von ca. 350nm intensiv genug, um ein ausreichendes Messsignal zu erhalten. Weiterhin ist die Empfindlichkeit von siliziumbasierten Detektoren bei Wellenlängen oberhalb von 1000nm zu gering. Daher ist ein besonders bevorzugter Wellenlängenbereich für derartige Messungen 350nm -1000nm. Um den Wellenlängenbereich zu größeren Wellenlängen auszudehnen, werden im Stand der Technik zusätzlich GaAs-basierte Detektoren eingesetzt, die eine Messung bis 1700nm bzw. 2500nm erlauben. Um den messbaren Wellenlängenbereich zu kürzeren Wellenlängen auszudehnen kann die Halogenlichtquelle mit einer Deuteriumlampe kombiniert werden, die eine ausreichende Intensität bis ca. 200nm bereitstellt. Daneben gibt es auch lasergetriebene Gasentladungslampen, die im Wellenlängenbereich von 200nm bis 2500nm ausreichende Intensität liefern. Ähnliches gilt für Xenon-Lampen.
Ein typischer Messaufbau ist in 1 dargestellt. Das Licht einer breitbandigen Lichtquelle (1) wird mit einer geeigneten Optik (4) auf die zu messende Oberfläche (5a) der Probe (5) geführt, wobei bei größeren Distanzen zwischen Lichtquelle und Probenort das Licht üblicherweise zunächst durch eine fokussierende Optik (2) in einen Lichtleiter (3) eingekoppelt wird. Das von der Probe (5) reflektierte Licht wird mit einer weiteren geeigneten Optik (6) aufgenommen und zu einem Spektrometer (8) geführt, welches die Intensität des reflektierten Lichts in Abhängigkeit der Wellenlänge misst. Auch hier kann gegebenenfalls ein Lichtwellenleiter (7) zwischengeschaltet werden.
Um mit einer solchen Messanordnung das Reflexionsspektrum - d.h. die reflektierte Intensität I bei verschiedenen Wellenlängen λ - einer unbekannten Probe zu bestimmen, werden üblicherweise drei Messungen durchgeführt. Zum einen wird das Spektrum I_Refr(λ) einer Referenzprobe mit bekannter Reflexivität r_Refr(λ) gemessen. Zum anderen wird das Spektrum der unbekannten Probe I_Probe(λ) gemessen. Schließlich wird ein sogenanntes Dunkelspektrum I_Dunkel(λ) gemessen. Für letzteres wird bei der Messung die Intensität der Lampe unterdrückt, etwa durch Abschalten der Lampe oder durch einen geeigneten Shutter im beleuchtenden Strahlengang. Die Reflexivität der Probe berechnet sich dann nach folgender Formel: $r_{P r o b e} (λ) = \frac{I_{P r o b e} (λ) - I_{D u n k e l} (λ)}{I_{R e f r} (λ) - I_{D u n k e l} (λ)} r_{R e f r} (λ)$
Für die Gültigkeit dieser Formel ist entscheidend, dass - abgesehen von den unterschiedlichen Reflexivitäten der verwendeten Proben - alle anderen Einflussfaktoren für die optische Intensität über die Messstrecke für alle verwendeten Messungen identisch sind, bzw. sich die Intensitäten nur so geringfügig ändern, dass die dadurch verursachten Messfehler für r_Probe toleriert werden kann. Dies gilt insbesondere für die spektrale Transmission oder Reflexion der optischen Elemente im Strahlengang.
Für die in-situ Anwendung dieser Methode zur fortlaufenden Messung der Schichtdicke oder anderer Schichteigenschaften beispielsweise während eines Beschichtungsprozess wird eine Probe mit bekannter Reflexivität vor dem Start des Beschichtungsprozesses gemessen. Dieses Spektrum dient als Referenzspektrum I_Refr(λ). Während der Beschichtung wird dann dieselbe Oberfläche fortlaufend gemessen. Diese Messungen bilden die Probenspektren in der obigen Formel zur Bestimmung der sich mit zunehmender Beschichtung verändernde Reflexivität. In diesem Anwendungsfall dürfen sich also im Zuge des Beschichtungsprozesses die optischen Eigenschaften der optischen Elemente im Strahlengang nicht ändern, um ein vertrauenswürdiges Messergebnis zu erhalten.
Für Beschichtungsprozesse, die eine hermetisch abgeschlossene Prozessumgebung voraussetzen, z.B. Prozesse, die in einer Vakuumkammer ablaufen, stellt dies eine besondere Herausforderung dar. Werden die beleuchtende und/oder die aufnehmende Optik in der Prozesskammer platziert, so muss dafür Sorge getragen werden, dass die optisch wirksamen Oberflächen, also z.B. die Oberflächen der strahlführenden Linsen oder Spiegel vor der Beschichtung geschützt werden, da sich ansonsten ihre optischen Eigenschaften mit fortlaufender Prozessdauer verändern würden, was zu einem fehlerhaften Ergebnis in der Auswertung führt.
Es ist im Stand der Technik bekannt, die strahlführenden optischen Elemente außerhalb der Prozesskammer zu platzieren und den Messstrahl durch ein oder zwei Fenster in die Kammer einzustrahlen bzw. auszukoppeln. Auch hier besteht das Problem, dass die Fensterinnenseite ausreichend vor Beschichtung geschützt werden muss, um die Voraussetzungen für die Gültigkeit der Formel (F1) zu garantieren.
Insofern besteht im Stand der Technik die Aufgabe in beschichtenden oder anderen die Reflexivität verändernden Prozessen eine optische Anordnung zu finden, die eine prozessbegleitende Bestimmung der spektralen Reflexion einer Oberfläche zu ermöglichen.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird im Kern dadurch gelöst, dass die zu messende Oberfläche gleichzeitig als Beschichtungsschutz für die beleuchtenden und aufnehmenden optischen Elemente des Strahlengangs verwendet wird. Alle optischen Elemente werden in einem Volumen angeordnet, welches durch Abgrenzungen von der Prozesskammer abgetrennt ist, die für die Beschichtungspartikel im Wesentlichen undurchdringbar sind. Eine dieser Abgrenzungen wird durch die zu messende Probe gebildet. Durch diese Anordnung sind alle optischen Flächen des Strahlengangs vor der Beschichtung aus der Prozesskammer geschützt. Eine Ausnahme bildet die zu messende Probe, deren eine Oberfläche der Prozesskammer zugewandt ist und beschichtet wird. Der Einfachheit halber wird diese Oberfläche im Weiteren auch als Vorderseite bezeichnet. Der Messstrahl trifft auf die dem strahlführenden Volumen zugewandte Oberfläche der zu messenden Probe, die im Folgenden auch als Rückseite bezeichnet wird. Im Wortlaut der vorliegenden Anmeldung bedeutet „im Wesentlichen undurchdringbar“, dass sich die Intensität der Referenzmessung I_Refr(λ) durch etwaiges aus der Prozesskammer in das strahlführende Volumen eindringende Material um weniger als fünf Prozent verändert, wobei auch die Veränderung der Rückseite der zu messenden Probe eingeschlossen ist. Durch Verwendung einer im für die Messung verwendeten Wellenlängenbereich ausreichend transparenten Probe tritt ein Teil des Messstrahls durch die Probe durch und wird teilweise von der Vorderseite reflektiert. Die Intensität dieses reflektierten Anteils ist von der Reflexivität der beschichteten Oberfläche abhängig und kann daher zur Bestimmung der Reflexivität herangezogen werden.
Eine erfindungsgemäße Ausführung ist in 2 gezeigt. Das Licht von der Lampe (1) wird mit Hilfe einer Optik (2) in einen Lichtleiter (3) eingekoppelt, der über eine geeignete Durchführung (23) mit einem weiteren Lichtleiter (11) innerhalb einer Prozesskammer (25) verbunden ist. Innerhalb der Prozesskammer (25) wird der Lichtleiter (11) mit einem geeigneten Verbindungsstecker (21) an einen Tubus (12) angeschlossen. Das Licht, welches aus dem Faserende des Lichtleiter (11) im Verbindungssteckers (21) austritt, wird durch eine Linse (13) in einen kollimierten Strahl geformt. Der Strahl wird durch den Tubus (12) geführt, dessen der Prozesskammer (25) zugewandte Öffnung durch eine transparente Scheibe (5) verschlossen wird. Der Innenraum des Tubus (12) bildet hier das erfindungsgemäße, strahlführende Volumen, welches durch die Tubuswände bzw. die daran anschließende Innenseite der Halterung (14), die Endflächen des Verbindungsstecker (21) sowie die innere Oberfläche (5a) der Scheibe (5) begrenzt wird. Die Scheibe kann durch eine geeignete Fassung (14) gehaltert werden, die lösbar mit dem Tubus (12) verbunden ist, und so einen einfachen Wechsel der Halterung (14) samt Scheibe (5) erlaubt. Der kollimierte Strahl tritt durch die dem Tubus zugewandten Oberfläche (5a) der Scheibe und trifft dann auf die der Prozesskammer (25) zugewandten Oberfläche (5b) der Scheibe. Hier wird ein Anteil der einfallenden Intensität zurückreflektiert und gelangt in umgekehrter Richtung wieder zu der kollimierenden Linse (13), die das Licht auf die Endfläche des Verbindungsstecker (21) fokussiert. Dieses Licht wird dann durch einen weiteren darin durchgeführten Lichtleiter (26) aufgesammelt, der über eine weitere Durchführung (24) mit einem Lichtleiter (7) verbunden ist. Dieser leitet das reflektierte Licht zum Spektrometer (8).
Die Verbindung zwischen der Halterung (14) für die Scheibe und dem Tubus (12) der Optik kann als eine Art Labyrinth ausgeführt werden, so dass der Durchfluss (22) der Beschichtungsteilchen beliebig reduziert werden kann. Als Labyrinth wird hier eine Ausführung der begrenzenden Flächen bezeichnet, die sicherstellt, dass es keine geradlinige Verbindung zwischen dem strahlführenden Volumen und der Prozesskammer gibt. Die 2 zeigt eine beispielhafte Ausführung der lösbaren Verbindung zwischen der Halterung (14) und dem Tubus (12), bei der mehrere Federstifte (18) in der Halterung (14) befestigt sind und mit ihrem Ende in korrespondierende Vertiefungen (20) im Tubus (12) eingreifen. Damit ist eine definierte und reproduzierbare Positionierung der Halterung (14) und der zu messenden Probe (5) gewährleistet.
Die Verbindung zwischen der Scheibe (5) und der Halterung (14) ist ebenfalls lösbar gestaltet, so dass die Scheibe (5) nach der Beschichtung außerhalb der Anlage gegen eine Scheibe mit bekannter Reflexivität ausgewechselt werden kann und für einen weiteren Einsatz in der Prozesskammer verwendet werden kann. In der 2 ist diese Verbindung durch ein Federblech (19) ausgeführt, welches im Bereich des einfallenden Lichtes eine entsprechende Aussparung aufweist.
Zwischen der Linse (13) und der prozesskammerseitigen Öffnung des Tubus (12) kann eine weitere transparente Scheibe (16) eingebaut werden. Diese dient dazu, die Kollimatorlinse vor Beschichtung zu schützen, falls der Einbau der Scheibe versehentlich unterbleibt. Diese zusätzliche Scheibe muss unter einem geeigneten Winkel gegenüber der optischen Achse gehaltert werden, um Mehrfachreflexionen zu verhindern. Ein geeigneter Winkel liegt dabei zwischen 1° und 15°, vorzugsweise zwischen 3° und 10° und besonders bevorzugt zwischen 5° und 8°, weil dabei auch bei Verwendung einer kreisförmigen Scheibe die Abschattung des Strahlengangs durch die Halterung der Scheibe vernachlässigbar ist.
Für die Berechnung der Reflexivität einer planparallelen Messscheibe (5) muss sowohl die an der Rückseite (5a) als auch die an der Vorderseite (5b) reflektierte Intensität sowie deren Mehrfachreflexionen berücksichtigt werden. Die entsprechende Formel lautet: $R = \frac{R_{a}^{+} + R_{b}^{+} (T_{a}^{2} - R_{a}^{-} R_{b}^{+})}{1 - R_{a}^{-} R_{b}^{+}}$
Hier bezeichnen T_a den Transmissionskoeffizienten bei Durchgang durch die Vorderseite (5a). Die Größen R_a bzw R_b bezeichnen die Reflexionskoeffizienten bei der Reflexion an der Vorderseite (5a) bzw. Rückseite (5b), wobei durch die hochgestellten Plus- oder Minuszeichen die unterschiedlichen Einfallsrichtungen kennzeichnen, wie sie in 3 definiert sind.
Vorteilhafterweise erfüllt die hier beschriebene Messanordnung die Voraussetzungen für diese Formel in besonders ausgeprägter Weise, da der Strahl kollimiert ist und senkrecht einfällt.
Es ist auch möglich die Messscheibe (5) als Keil auszuführen, so dass die an der Rückseite (5a) reflektierte Intensität nicht die aufsammelnden Faserenden erreicht.
Für die Strahlkollimierung, die bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel durch die Linse 13 bewirkt wird, können auch reflektierende optische Komponenten oder eine Kombination aus mehreren reflektiven und/oder mehreren refraktiven Elementen verwendet werden. Insbesondere kann durch die Verwendung von sogenannten Achromaten, also mehreren Linsen aus unterschiedlichen Materialien um die achromatischen Aberrationen zu verringern, die Kollimierung über einen weiten Spektralbereich optimiert werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Abwandlung besteht darin, den Tubus (12) aus zwei im 90° zueinander angeordneten Teilstücken zusammenzusetzen, wobei der kollimierte Strahl über einen geeigneten Spiegel umgelenkt wird, der zwischen der Linse (13) und dem der Probenhalterung zugewandten Ende des Tubus (12) angeordnet ist.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht auf Beschichtungsprozesse beschränkt, sondern kann vorteilhafterweise in jeglichen Prozessen eingesetzt werden, in denen die optischen Elemente des Strahlengangs zur Messung der Reflexivität einer Probe vor der Abscheidung von Materialien aus der Prozesskammer geschützt werden müssen, beispielsweise bei Ätzprozessen, bei denen die Ätzprodukte in die Gasphase übergehen.

Claims

Vorrichtung zur Messung der Reflexivität einer Probe während eines die Reflexivität der Probe verändernden Prozesses, bei der das Licht einer Lichtquelle durch mindestens ein optisches Elemente auf die Probe, und das von der Probe reflektierte Licht durch dieselben oder weitere optische Elemente in ein Spektrometer geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein strahlführendes Volumen vom Volumen der Prozesskammer (25) durch für Beschichtungspartikeln im Wesentlichen undurchdringliche Abtrennungen separiert ist und dass eine Öffnung des strahlführenden Volumens zur Prozesskammer (25) hin durch die zu messende Probe (5) gegenüber eindringenden Beschichtungspartikeln verschlossen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die zu messende Probe (5) lösbar mit einer Halterung (14) verbunden ist, die ihrerseits lösbar mit der Einhausung (12) des strahlführenden Volumen der Vorrichtung verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die lösbare Verbindung zwischen der Halterung (14) und der Einhausung (2) des strahlführenden Volumens als Labyrinth ausgeführt ist, welches für die beschichtenden Teilchen im Wesentlichen undurchdringbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1,2 oder 3, bei der der auf der Probe einfallende Strahl kollimiert ist.
Vorrichtung gemäß eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens ein optisches Element als Achromat ausgeführt ist.
Vorrichtung gemäß eines der vorhergehenden Ansprüche bei der - abgesehen von der zu messenden Probe (5) - mindestens ein weiteres optisches Element als reflektierende Fläche ausgeführt ist.