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Messung dünner Schichten

Schichtdickenmessung - Mit Hilfe der Interferometrie lässt sich auch die Stärke (semi-) transparenter Schichten bestimmen. Allerdings verursachen Schichten unterschiedlicher Stärke Probleme während der optischen Messung. Eine Überlagerung der reflektierten Signale unterschiedlicher Schichten kann zu einem Mischsignal mit zweifelhafter und ungenauer Aussagekraft führen.

Heutzutage wird dieses Phänomen immer mehr verstanden und der Bedarf nach neuartigen Analysentechniken wächst immens. So stossen dann neue Denkansätze zur Messung von dünnen Schichten auf immer grösseres Interesse. Für Stärken von > 1 bis 2 µm einer beschichteten Probe ist die etablierte VSI (Vertical Scanning Interferometry) eine brauchbare Methode die Einhüllenden der Interferogramme zu trennen und bei bekanntem Brechungsindex die entsprechenden Schichtdicken zu bestimmen.

Für geringere Dicken einer beschichteten Probe liefert die Messung lediglich nur noch ein Interferenzmaximum ohne Aussagekraft. Neue mathematische Ansätze jedoch ermöglichen es, die bisherigen messtechnischen Grenzen zu unterschreiten.

Mit Hilfe der von Taylor Hobson entwickelten, sogenannten "Helical Conjugate Field"-Funktion lassen sich aus diesen Rohdaten so Informationen dünner Schichten extrahieren.

Bestimmung "dicker" Schichten

Die Messung der obersten Schicht einer semi-transparenten Probe kann Probleme verursachen. Die Bestimmung der Rauheit dieser Schicht wird durch Signale aus den anderen Schichten überlagert. Durch entsprechendes Einstellen des Z-Verfahrwegs kann dieses Problem umgangen werden, so dass lediglich das Interferogramm der obersten Schicht detektiert wird und nicht zusätzlich noch das des Substrats. Bei Schichtdicken < 4 µm oder während der Automatisierung kann dies zu Problemen führen.

Um dieses Problem zu umgehen, wird die Software so initialisiert, dass unter Berücksichtigung von möglichen Schichtinhomogenitäten lediglich das Signal der interessierenden Schicht ausgewertet werden soll. Bei der Messung dünnerer Schichten beginnen sich die Einhüllenden der Interferogramme zu überlagern.

In diesem Fall können mit Hilfe des Intensitätsschwellwerts diese noch getrennt werden. Somit schichtdickenmessung unterhalb 2 µm mit derselben Genauigkeit bestimmen wie "dicke" Schichten. Allerdings wird beim "Zusammenlaufen" der Einhüllenden die Wellenform mehr und mehr "deformiert", was auf die Genauigkeit bei der Bestimmung dünnerer Schichten Einfluss nimmt.

Die Messung der obersten Schicht einer semi-transparenten Probe kann Probleme verursachen. Die Bestimmung der Rauheit dieser Schicht wird durch Signale aus den anderen Schichten überlagert. Durch entsprechendes Einstellen des Z-Verfahrwegs kann dieses Problem umgangen werden, so dass lediglich das Interferogramm der obersten Schicht detektiert wird und nicht zusätzlich noch das des Substrats. Bei Schichtdicken < 4 µm oder während der Automatisierung kann dies zu Problemen führen. Um dieses Problem zu umgehen, wird die Software so initialisiert, dass unter Berücksichtigung von möglichen Schichtinhomogenitäten lediglich das Signal der interessierenden Schicht ausgewertet werden soll. Bei der Messung dünnerer Schichten beginnen sich die Einhüllenden der Interferogramme zu überlagern.

In diesem Fall können mit Hilfe des Intensitätsschwellwerts diese noch getrennt werden. Somit lassen sich Schichtendicken unterhalb 2 µm mit derselben Genauigkeit bestimmen wie "dicke" Schichten. Allerdings wird beim "Zusammenlaufen" der Einhüllenden die Wellenform mehr und mehr "deformiert", was auf die Genauigkeit bei der Bestimmung dünnerer Schichten Einfluss nimmt.

Schichtdickenmessung: Bestimmung "dünner" Schichten

Für grossflächige, z.B. vakuumabgeschiedene Schichten werden deren Strukturen gewöhnlicherweise mit Hilfe von Spektrophotometern oder Ellipsometern bestimmt. Jedoch wachsen die Anforderungen zunehmend, Strukturen kleinskaliger, dünner Schichten zu erfassen. Aufgrund des Überlappens der Interferogramme, ist es nicht möglich, Schicht"dicken" < 1.5 µm von ihrem Substrat zu unterscheiden. Erst durch die Einführung der sogenannten "Helical Conjugate Field"-Funktion (HCF-Funktion) ist es gelungen, die Möglichkeiten der Coherence Correlation Interferometry zu erweitern und in diese Messbereiche vorzustossen. Aufgrund der Kenntnisse über die Dünnschichtstruktur lässt sich des weiteren eine reflektionsbedingte Phasenänderung kompensieren, so dass "wahre" Stufenhöhen gemessen werden können. Anhand von CCI Untersuchungen eines beschichteten Substrats und unter Berücksichtigung einer Referenz ähnlicher Reflektivität (BK 7 Glas) hat Taylor Hobson's Entwicklungsabteilung gezeigt, dass es möglich ist, diese HCF-Funktion zu konstruieren. Und sich daraus dann Schicht"dicken" von lediglich 20 nm berechnen lassen.

Bestimmung der Rauheit an Zwischenschichten

Eine der grössten Herausforderungen in der Interferometrie ist die Messung der Rauheit einer beschichteten Oberfläche. Oft setzt sich die gemessene Rauheit aus Anteilen der Oberfläche und des Substrats zusammen. Dies kann zu grossen Fehlern bei der Bestimmung der Rauheit der Oberfläche führen. Die Anwendung der HCF-Funktion auf die Ergebnisse der interferometrischen Auswertung liefert eine scharfe Trennung der Oberflächenrauheit sowohl an der Grenze Luft/Beschichtung als auch an den Zwischenschichten. Das heisst, dass es nun erstmalig möglich ist, neben der Oberflächenrauheit einer dünnen Schicht im Bereich 20 bis 30 nm auch die Rauheit der Zwischenschicht interferometrisch zu messen.

Schichtdickenmessung