DE20306904U1

DE20306904U1 - Device for measuring the layer thickness and the curvature of at least partially reflecting surfaces of layers

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Publication number: DE20306904U1
Application number: DE20306904U
Authority: DE
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2003-09-04
Anticipated expiration: 2013-05-03
Also published as: DE10361792B4; DE10361792A1

Description

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BeschreibungDescription

Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke und der Krümmung von mindestens teilweise reflektierenden Oberflächen von SchichtenDevice for measuring the layer thickness and the curvature of at least partially reflecting surfaces of layers

Die Messung der Krümmung von Oberflächen kann bei Hetero- oder Mehrschichtsystemen zur Bestimmung der Schichtverspannung genutzt werden. Dies ist z. B. von besonderem Interesse bei der Abscheidung von stark gitter- oder thermisch fehlangepassten Halbleitermaterialien auf Heterosubstraten. Dabei kann z. B. die thermische Fehlanpassung solcher Schichten im Falle einer Zugverspannung zu einem Reißen der aufgebrachten Schicht fijhren, womit sie unbrauchbar wird. Möglichkeiten zur Rissreduktion beruhen meist auf der Kompensation der Zugverspannung durch das Einfügen kompressiv vorspannender Schichten. Dabei ist schon während des Wachstumsvorgangs die Kenntnis über die Spannungsverhältnisse wichtig, um am Ende möglichst unverspannte Schichten zu erhalten. Ohne eine in-situ Messung sind aufwendige Messreihen notwendig, die bei Änderung des Schichtaufbaus wiederholt werden müssen.The measurement of the curvature of surfaces can be used in hetero- or multi-layer systems to determine the layer stress. This is of particular interest, for example, in the deposition of semiconductor materials with a strong lattice or thermal mismatch on hetero-substrates. In the case of tensile stress, the thermal mismatch of such layers can, for example, lead to the applied layer cracking, making it unusable. Options for reducing cracks are usually based on compensating for tensile stress by inserting compressively prestressed layers. Knowledge of the stress conditions is important even during the growth process in order to obtain layers that are as unstrained as possible at the end. Without an in-situ measurement, complex series of measurements are necessary, which must be repeated if the layer structure is changed.

Durch die Messung der Probenkrümmung kann bei einer Schichtdicke, die deutlich geringer als das darunterliegende Substrat ist, aus der Stoney Gleichung [G.G. Stoney, Proc. Roy. Soc. London A 82, 172 (1909)] die Gesamtverspannung bestimmt werden, bei bekannter Schichtdicke nach Anspruch 1d auch die Verspannungsenergie z.B. pro Mikrometer. Dies gilt auch für Mehrschichtsysteme, wenn während des Abscheidungsvorgangs die Krümmung gemessen wird, woraus iterativ die Verspannung für jede einzelne Schicht bestimmt werden kann. Das Hauptproblem der Messung der Krümmung in Beschichtungsanlagen, wie z. B. der metallorganischen Gasphasenepitaxie, ist häufig die Zugänglichkeit. So kann nur optisch eine Messung ohne Beeinflussung des Wachstumsvorgangs erfolgen. Dabei bietet sich die Messung der Ablenkung eines Lichtstrahls an. Jedoch ist das häufig verwendete Abrastern der Probenoberfläche und das Messen der Ablenkung in der Regel nicht praktikabel, da dies zu lange dauert und die Geometrie solcher Aufbauten ein großes Fenster als optischen Zugang verlangen. In der US 005912738A wird ein Aufbau beschrieben, mit dem die Krümmung einer Probenoberfläche während der Schichtabscheidung gemessen werden kann. Dort wird mit einer Strahlgeometrie gearbeitet, die zwei Fenster oder ein sehr breites für den Strahlengang benötigt, da die ein- und ausfallenden Strahlen in einem Winkel zur Proben oberfläche stehen. Dies macht dieses System für eine Vielzahl von Beschichtungsanlagen unbrauchbar.By measuring the curvature of the sample, the total strain can be determined from the Stoney equation [G.G. Stoney, Proc. Roy. Soc. London A 82, 172 (1909)] for a layer thickness that is significantly less than the substrate underneath. If the layer thickness is known, the strain energy can also be determined, e.g. per micrometer, according to claim 1d. This also applies to multilayer systems if the curvature is measured during the deposition process, from which the strain can be determined iteratively for each individual layer. The main problem with measuring the curvature in coating systems, such as metal-organic vapor phase epitaxy, is often accessibility. For example, a measurement can only be made optically without influencing the growth process. Measuring the deflection of a light beam is a good option for this. However, the frequently used scanning of the sample surface and measuring the deflection is generally not practical, as this takes too long and the geometry of such setups requires a large window as optical access. US 005912738A describes a setup with which the curvature of a sample surface can be measured during layer deposition. It uses a beam geometry that requires two windows or a very wide one for the beam path, as the incoming and outgoing beams are at an angle to the sample surface. This makes this system unusable for a large number of coating systems.

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Die vorliegende Erfindung löst nun nach Anspruch 1 das Problem der Zugänglichkeit durch eine nahezu parallele Strahlführung der zur Beleuchtung der Schichtoberfläche verwendeten und der an der Schichtoberfläche reflektierten Lichtstrahlen, wozu zur Trennung der ein- und ausfallenden Strahlen ein Strahlteiler eingesetzt wird.The present invention now solves the problem of accessibility according to claim 1 by an almost parallel beam guidance of the light rays used to illuminate the layer surface and the light rays reflected at the layer surface, for which purpose a beam splitter is used to separate the incoming and outgoing rays.

Die Schichtdicke der wachsenden Schicht wird aus dem zeitlichen Verhalten der an der Schichtoberfläche reflektierten Intensität der Lichtpunkte oder der Gesamtintensität ermittelt, wobei diese Intensitätsmessung bei einer Wellenlänge bzw. in einem kleinen Wellenlängenintervall erfolgt. Diese Schichtdickenmessung nutzt den Effekt, dass es durch die Reflektion des Strahls an der Schichtober- und Unterseite, bzw. an inneren Grenzflächen der Schichtstruktur, zur teilweisen Auslöschung des reflektierten Lichtes infolge von Interferenz kommt. Daraus kann bei bekannter Wellenlänge und Dispersion die Schichtdicke während des Schichtwachstums bestimmt werden.The layer thickness of the growing layer is determined from the temporal behavior of the intensity of the light points reflected on the layer surface or the total intensity, whereby this intensity measurement is carried out at one wavelength or in a small wavelength interval. This layer thickness measurement uses the effect that the reflection of the beam on the top and bottom of the layer, or on the inner interfaces of the layer structure, leads to the partial extinction of the reflected light as a result of interference. From this, the layer thickness during layer growth can be determined if the wavelength and dispersion are known.

Die Krümmungsmessung erfolgt dabei durch die Messung des Abstands mindestens zweier Lichtpunkte, die z. B. durch die Aufteilung an einem zur Strahlrichtung gekippten Etalon nach Anspruch 2 entstehen können. Es ist aber auch die Verwendung mehrerer Lichtquellen, vorzugsweise Laser, nach Anspruch 3 oder von holographischen Gittern in Verbindung mit einem Laser nach Anspruch 4 denkbar. Wichtig ist dabei zur Bestimmung der Probenkrümmung die genaue Kenntnis der Geometrie des Strahlenverlaufs und der Divergenz der primär erzeugten Strahlen zueinander, die idealerweise gleich oder nahe Null ist, um in engen Geometrien, also z. B. durch kleine Fenster hindurch die Messung durchführen zu können. Ansprüche 5 und 6 sind speziell bei der Verwendung eines zur Strahlrichtung gekippten Etalons hilfreich eine hohe Signalintensität für die höheren Lichtpunktordnungen zu erzielen. Da für das Erzeugen einer Lichtpunktreihe oder eines Lichtpunktgitters viele Teilreflektionen notwendig sind, wird ein hochverspiegeltes Etalon verwendet. Dadurch werden aber über 95% des Lichts bei der ersten Reflektion auf der Etalonoberfläche reflektiert und stehen dann nicht mehr zur Verfügung. Um hohe Lichtintensitäten zu erzielen, wird nun dieses Licht mittels eine Spiegels wieder in das Etalon zurückreflektiert, womit entweder eine weitere intensive Lichtpunktreihe oder weitere Lichtpunkte erzeugt werden können. Bei geschickter Justage, kann auch direkt die Intensität der sekundären und weiteren Lichtpunkte stark erhöht werden.The curvature is measured by measuring the distance between at least two light points, which can be created, for example, by dividing them up on an etalon tilted to the beam direction according to claim 2. However, the use of several light sources, preferably lasers, according to claim 3 or holographic gratings in conjunction with a laser according to claim 4 is also conceivable. In order to determine the sample curvature, it is important to know the exact geometry of the beam path and the divergence of the primary beams from one another, which is ideally equal to or close to zero, in order to be able to carry out the measurement in narrow geometries, e.g. through small windows. Claims 5 and 6 are particularly helpful when using an etalon tilted to the beam direction to achieve a high signal intensity for the higher light point orders. Since many partial reflections are necessary to generate a row of light points or a light point grating, a highly mirrored etalon is used. As a result, over 95% of the light is reflected on the etalon surface during the first reflection and is then no longer available. In order to achieve high light intensities, this light is reflected back into the etalon using a mirror, which can create either another intense row of light points or further light points. With skillful adjustment, the intensity of the secondary and further light points can also be increased significantly.

Die zur Bestimmung der Krümmung notwendige Kenntnis der Ablenkung der Lichtpunkte auf der Probenoberfläche wird durch das Messen der Lichtpunkte mit einem Zeilen- oder Flächendetektor vorgenommen. Bei rotierenden Proben ist ein Flächendetektor vorteilhaft, da sich hier die Lichtstrahlen durch Torkeln oder eine sehr starke Probenkrümmung in zweiThe knowledge of the deflection of the light points on the sample surface required to determine the curvature is obtained by measuring the light points with a line or area detector. For rotating samples, an area detector is advantageous, since the light rays are divided into two parts by wobbling or a very strong sample curvature.

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Dimensionen verschieben können. Besonders geeignet ist hierbei ein CMOS Sensor, der die Aufnahme der Intensität logarithmisch vornehmen kann, wodurch die Hintergrundstrahlung, hervorgerufen von der Wärmestrahlung oder durch Raumlicht, durch die logarithmische Bewertung als schwächeres Signal ausgegeben und somit das Signal zu Rausch Verhältnis verbessert wird.dimensions. A CMOS sensor that can record the intensity logarithmically is particularly suitable for this purpose, whereby the background radiation caused by thermal radiation or room light is output as a weaker signal through the logarithmic evaluation and thus the signal-to-noise ratio is improved.

Anspruch 7 löst auch das Problem der thermischen Hintergrundstrahlung oder von Hintergrundlicht weitgehend. Um die unerwünschte Strahlung zu reduzieren, wird ein optischer Bandpass wie ein Kantenfilter oder ein dielektrischer Spiegel vor dem Detektor, wie z. B. Bauteil 7 in Zeichnung I, verwendet, der nur die Wellenlänge bzw. Wellenlängenbereiche der zur Messung dienenden Lichtstrahlen durchlässt. Hierbei sind auch Filter eingeschlossen die als Tiefpass arbeiten, also nur langwellige Anteile abschneiden.Claim 7 also largely solves the problem of thermal background radiation or background light. In order to reduce the unwanted radiation, an optical bandpass filter such as an edge filter or a dielectric mirror is used in front of the detector, such as component 7 in drawing I, which only allows the wavelength or wavelength ranges of the light rays used for measurement to pass through. This also includes filters that work as low-pass filters, i.e. only cut off long-wave components.

Durch das Messen der Hintergrundstrahlung nach Anspruch 8 bei Verwendung des Aufbaus mit oder ohne optischen Bandfilter oder, bei Verwendung eines optischen Bandfilters, vor bzw. neben dem Detektor kann die Oberflächentemperatur der Probe ermittelt werden, indem dazu entweder die gesamte Intensität herangezogen wird oder die Intensität bei einer oder mehreren Wellenlängen.By measuring the background radiation according to claim 8 when using the setup with or without an optical band filter or, when using an optical band filter, in front of or next to the detector, the surface temperature of the sample can be determined by using either the total intensity or the intensity at one or more wavelengths.

Die Auswertung erschwerende Einfach oder Vielfachreflektionen treten häufig am Eintrittsfenster zur Apparatur auf welches entweder nach Anspruch 9 bei der entsprechenden Wellenlänge entspiegelt sein kann oder nach Anspruch 10 leicht verkippt d.h. im Winkel von wenigen Grad z.B. 3° angebracht wird und so keine Rückreflektion in die Messapparatur mehr ermöglicht.Single or multiple reflections which make the evaluation more difficult often occur at the entrance window to the apparatus, which can either be anti-reflective at the corresponding wavelength according to claim 9 or can be slightly tilted according to claim 10, i.e. mounted at an angle of a few degrees, e.g. 3°, thus no longer allowing any reflection back into the measuring apparatus.

Fig. 1 zeigt die mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der aus der Lichtquelle 1 austretende üblicherweise schwach divergente Laserstrahl, wird hier durch eine Linse 2 möglichst auf den Detektor 8 fokussiert, um scharfe Lichtpunkte zu erhalten. Die Strahlaufteilung erfolgt durch ein Etalon 3. Dabei kann durch einen zusätzlichen Spiegel 4 nach Anspruch 5 eine Verstärkung der Signalintensität der höheren Strahlordnungen erzielt oder es können nach Anspruch 6 zusätzliche Lichtpunkte auf der Probe erzeugt werden. In der Zeichnung I werden nach dem Etalon nur 2 Strahlen weiterverfolgt, die hinter dem Strahlteiler 5 auf die Probe 6 treffen. Ist die Probe, wie in der Zeichnung gezeigt, gekrümmt, so wird der nun divergente Strahl vom Strahlteiler Richtung Detektor 8 geleitet, wobei in diesem Fall noch durch einen Kantenfilter 7 die störende Hintergrundstrahlung ausgefiltert wird.Fig. 1 shows the possible embodiment of the device according to the invention. The usually slightly divergent laser beam emerging from the light source 1 is here focused as far as possible onto the detector 8 by a lens 2 in order to obtain sharp light points. The beam is split by an etalon 3. An additional mirror 4 according to claim 5 can be used to amplify the signal intensity of the higher beam orders or additional light points can be generated on the sample according to claim 6. In drawing I, only 2 beams are followed after the etalon, which strike the sample 6 behind the beam splitter 5. If the sample is curved, as shown in the drawing, the now divergent beam is guided by the beam splitter towards the detector 8, in which case the disturbing background radiation is also filtered out by an edge filter 7.

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Durch die Führung der ein- und ausfallenden Strahlen können mit dieser Apparatur auch Krümmungsmessungen bei engen Geometrien durchgeführt werden, da Messöffnungen von 3-5 mm in den meisten Fällen ausreichen, um auch die nach der Probe divergenten Strahlen auf den Detektor.By guiding the incoming and outgoing beams, this apparatus can also be used to perform curvature measurements in narrow geometries, since measuring apertures of 3-5 mm are sufficient in most cases to direct the beams that diverge after the sample onto the detector.

Die vorstehend beschriebene Ausführunsform stellt neben vielen anderen Ausführungsmöglichkeiten nur eine mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.The embodiment described above represents, among many other possible embodiments, only one possible embodiment of the device according to the invention.

Claims

1. Device for measuring the layer thickness and the curvature of at least partially reflecting surfaces of layers, in particular during layer production in a coating apparatus, characterized by

a) means for illuminating the layer surface with at least two nearly parallel light beams,

b) the almost parallel guidance of the incident light rays and those reflected from the coating surface in the coating apparatus,

c) a beam splitter for separating the incident light beams from those reflected at the layer surface,

d) a line or area detector for measuring the distance between at least two light beams reflected from the layer surface and incident on the detector,

(e) means for measuring the intensity of the light rays reflected from the layer or the total intensity as a measure of the layer thickness.

2. Device according to claim 1, characterized by the use of an etalon for splitting and thus for generating several light beams.

3. Device according to claim 1, characterized by using several light sources to generate several light beams.

4. Device according to claim 1, characterized by using a diffraction arrangement or a holographic grating producing a dot or line pattern to generate a plurality of light beams.

5. Device according to claim 2, characterized by the use of a mirror for increasing the light intensity by reflecting back the first beam reflected at the etalon.

6. Device according to claim 1, 2 and/or 5, characterized by the use of a mirror for generating one or more offset light point lines analogous to the primarily generated light points.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized by the use of an optical bandpass in the reflected beam path.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized by determining the surface temperature of the layer to be measured by measuring the background radiation.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized by the use of an anti-reflective entrance window in the coating apparatus.

10. Device according to one of the preceding claims, characterized by the use of an entrance window in the coating apparatus which is tilted by a few degrees relative to the surface of the layer to be measured.