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Title:
METHOD AND MEASURING ARRANGEMENT FOR DETERMINING THE REFRACTIVE INDEX OF A LAYER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/233648
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and a measuring arrangement for determining the refractive index of a layer. A method according to the invention comprises the following steps: providing a layer stack (100, 300, 400), comprising the layer that is to be examined with respect to its refractive index (n2) as a first layer (110, 310, 410) and at least one additional layer as a second layer (120, 320, 420); measuring a reflection spectrum generated by this layer stack when light emitted from a broadband light source (350, 450) is irradiated thereon; and determining the refractive index (n2) of the first layer based on this reflection spectrum and based on the refractive index (n1) of the second layer, wherein the second layer (420) is part of a measuring head (405) which is calibrated in advance for determining the refractive index (n1) of the second layer (420).

Inventors:
HEMBD CHRISTIAN (DE)
HAGG MICHAEL (DE)
KNECHTEL CHRISTINA (DE)
Application Number:
PCT/EP2022/061102
Publication Date:
November 10, 2022
Filing Date:
April 26, 2022
Export Citation:
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Assignee:
ZEISS CARL SMT GMBH (DE)
HEMBD CHRISTIAN (DE)
HAGG MICHAEL (DE)
KNECHTEL CHRISTINA (DE)
International Classes:
G01N21/45
Domestic Patent References:
WO2019031667A12019-02-14
Foreign References:
KR20140032682A2014-03-17
CN110793938A2020-02-14
DE102021204532A2021-05-05
US20100141948A12010-06-10
US20120182560A12012-07-19
US20170038201A12017-02-09
US20180061691A12018-03-01
Other References:
JI-HUAN CHEN ET AL: "Extrinsic fiber-optic Fabry-Perot interferometer sensor for refractive index measurement of optical glass", APPLIED OPTICS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, DC, US, vol. 49, no. 29, 10 October 2010 (2010-10-10), pages 5592 - 5596, XP001557733, ISSN: 0003-6935, DOI: 10.1364/AO.49.005592
JIA-RONG ZHAO ET AL: "High-Resolution and Temperature-Insensitive Fiber Optic Refractive Index Sensor Based on Fresnel Reflection Modulated by Fabry-Perot Interference", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, IEEE, USA, vol. 28, no. 19, 1 October 2010 (2010-10-01), pages 2799 - 2803, XP011316314, ISSN: 0733-8724
RODRIGUEZ-QUIROZ OSVALDO ET AL: "Hybrid Fiber Fabry-Perot Interferometer With Improved Refractometric Response", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, IEEE, USA, vol. 37, no. 17, 1 September 2019 (2019-09-01), pages 4268 - 4274, XP011741195, ISSN: 0733-8724, [retrieved on 20190819], DOI: 10.1109/JLT.2019.2922836
KYUNG-SU KIM ET AL: "Refractive Index Sensor for Liquids and Solids Using Dielectric Multilayer Films Deposited on Optical Fiber End Surface", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, IEEE, USA, vol. 23, no. 20, 1 October 2011 (2011-10-01), pages 1472 - 1474, XP011353555, ISSN: 1041-1135, DOI: 10.1109/LPT.2011.2163063
Attorney, Agent or Firm:
FRANK, Hartmut (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung der Brechzahl einer Schicht, wobei das Verfah ren folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines Schichtstapels (100, 300, 400), welcher die hin sichtlich ihrer Brechzahl (n2) zu untersuchende Schicht als eine erste Schicht (110, 310, 410) sowie wenigstens eine weitere Schicht als eine zweite Schicht (120, 320, 420) aufweist; b) Messen eines von diesem Schichtstapel (100, 300, 400) bei Bestrah len mit Licht einer breitbandigen Lichtquelle (350, 450) erzeugten Reflexionsspektrums; und c) Bestimmen der Brechzahl (n2) der ersten Schicht (110, 310, 410) anhand dieses Reflexionsspektrums und anhand der Brechzahl (n-i) der zweiten Schicht (120, 320, 420); wobei die zweite Schicht (420) Teil eines Messkopfs (405) ist, welcher zur

Ermittlung der Brechzahl (n-i) der zweiten Schicht (420) im Voraus kalibriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) des Bestimmens der Brechzahl (n2) der ersten Schicht (110, 310, 410) die Schritte umfasst:

- Durchführen einer Fouriertransformation für das Reflexionsspektrum zur Ermittlung eines Fourierspektrums; und

- Bestimmen der Brechzahl (n2) der ersten Schicht (110, 310, 410) aus dem Modulationskontrast in diesem Fourierspektrum.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (120) aus kristallinem Silizium (Si) hergestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl (n-i) der zweiten Schicht (120, 320, 420) von der Brechzahl (112) der ersten Schicht (110, 310, 410) um weniger als 20%, ins besondere um weniger als 10%, weiter insbesondere um weniger als 5%, jeweils bezogen auf den größeren Wert dieser beiden Brechzahlen, ab weicht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die zweite Schicht (120, 320, 420) eine Dicke von weniger als 50pm, insbesondere eine Dicke im Bereich von (10-20)pm, besitzt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass beim Bereitstellen des Schichtstapels (100, 300, 40) ein maximaler Abstand zwischen der zweiten Schicht (120, 320, 420) und der ersten Schicht (110, 310, 410) von weniger als 1% der mittleren Wellen länge der breitbandigen Lichtquelle (350, 450) eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass beim Bereitstellen des Schichtstapels (100, 300, 400) die zweite Schicht (120, 320, 420) mit der ersten Schicht (110, 310, 410) in Kontakt gebracht wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Schichtstapel (100, 300, 400) ferner eine Trägerschicht als dritte Schicht (130, 330, 430) aufweist.

9. Messanordnung zur Bestimmung der Brechzahl einer Schicht in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit:

- einer breitbandigen Lichtquelle (450);

- einem Messkopf (405), welcher an die Lichtquelle (450) optisch gekop pelt ist und wenigstens eine Schicht (420) mit bekannter Brechzahl (n-i) als Referenzschicht aufweist; und

- einem Spektrometer (460) zur Aufnahme eines Reflexionsspektrums, welches erzeugt wird, wenn die hinsichtlich ihrer Brechzahl (n2) zu untersuchende Schicht (410) mit Licht der breitbandigen Lichtquelle (450) durch die Referenzschicht des Messkopfs (405) hindurch bestrahlt wird.

Description:
Verfahren und Messanordnung zur Bestimmung der Brechzahl einer Schicht

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Deutschen Patent anmeldung DE 10 2021 204 532.4, angemeldet am 5. Mai 2021. Der Inhalt dieser DE-Anmeldung wird durch Bezugnahme („incorporation by reference“) mit in den vorliegenden Anmeldungstext aufgenommen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messanordnung zur Bestimmung der Brechzahl einer Schicht.

Stand der Technik

Im Stand der Technik ist zur Bestimmung optischer Konstanten (insbesondere der Brechzahl) von Schichtmaterialien der Einsatz ellipsometrischer Verfahren bekannt. Hierbei wird typischerweise anhand der Einstrahlung von polarisiertem Licht unter voneinander verschiedenen Einfallswinkeln in einem Messaufbau mit einem schwenkbar angeordneten, eine Lichtquelle aufweisenden ersten Mess arm und einem ebenfalls schwenkbar angeordneten und einen Analysator auf weisenden zweiten Messarm eine winkelaufgelöste Messung durchgeführt. Dabei können sich in der Praxis je nach Anwendung der erforderliche erhebliche Bauraum des Messaufbaus sowie die verhältnismäßig lange Messzeit der winkelaufgelösten Messung als nachteilig erweisen. Im Stand der Technik ist ferner der Einsatz spektraler Reflektometrie zur Schichtdickenmessung bekannt. Hierbei wird ein von einer breitbandigen Licht quelle erzeugter Lichtstrahl über eine geeignete Faser-Optik in die hinsichtlich ihrer Schichtdicke zu vermessende und auf einem Substrat befindliche Schicht bekannter Brechzahl eingestrahlt. Das an der Schicht bzw. dem Substrat reflek tierte Licht wird über die Optik in eine weitere Faser eingekoppelt und zu einem Spektrometer geleitet, wobei ein Detektor das resultierende Reflexionsspektrum (d.h. die Abhängigkeit der Reflektivität von der Wellenlänge des Lichts) auf nimmt. Das in die hinsichtlich ihrer Schichtdicke zu vermessende Schicht ein gestrahlte Licht erfährt eine von der Wellenlänge abhängige Phasendifferenz, welche wiederum über konstruktive bzw. destruktive Interferenz im Reflexions spektrum zu einer sinus- oder kosinusförmigen Modulation führt. Das gemes sene Reflexionsspektrum wird unter Durchführung einer Fouriertransformation ausgewertet, wobei aus der Lage des im Fourierspektrum erhaltenen Peaks auf die Schichtdicke geschlossen wird.

Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2010/0141948 A1 , US 2012/0182560 A1 , US 2017/0038201 A1 , US 2018/0061691 A1 und WO 2019/031667 A1 verwiesen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Messanord nung zur Bestimmung der Brechzahl einer Schicht bereitzustellen, welche eine möglichst schnelle und genaue Brechzahlbestimmung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhän gigen Patentanspruchs 1 sowie die Messanordnung gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 9 gelöst.

Ein Verfahren zur Bestimmung der Brechzahl einer Schicht weist folgende Schritte auf: - Bereitstellen eines Schichtstapels, welcher die hinsichtlich ihrer Brechzahl zu untersuchende Schicht als eine erste Schicht sowie wenigstens eine weitere Schicht als eine zweite Schicht aufweist;

- Messen eines von diesem Schichtstapel bei Bestrahlen mit Licht einer breit bandigen Lichtquelle erzeugten Reflexionsspektrums; und

- Bestimmen der Brechzahl der ersten Schicht anhand dieses Reflexions spektrums und anhand der Brechzahl der zweiten Schicht; wobei die zweite Schicht Teil eines Messkopfs ist, welcher zur Ermittlung der Brechzahl der zweiten Schicht im Voraus kalibriert wird.

Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, eine Brechzahlbestim mung basierend auf dem Prinzip spektraler Reflektometrie dadurch zu realisie ren, dass die hinsichtlich ihrer Brechzahl zu untersuchende Schicht in einem Schichtstapel mit wenigstens einer weiteren Schicht, deren Brechzahl von vor- neherein bekannt ist und die gewissermaßen als „Referenzschicht“ dient, ange ordnet wird. Dabei kann in diesem Schichtstapel zwischen der (hinsichtlich ihrer Brechzahl zu untersuchenden) ersten Schicht und der (als „Referenzschicht“ dienenden) zweiten Schicht ein direkter Kontakt oder auch ein (wie im Weiteren beschrieben bezogen auf die mittlere Wellenlänge der verwendeten breitbandi gen Lichtquelle relativ kleiner) Spaltabstand vorhanden sein.

Die im Wege der spektralen Reflektometrie erfolgende Messung des Reflexions spektrums dieses Schichtstapels und anschließende Durchführung einer Fourier-Transformation ergibt im hierbei erhaltenen Fourierspektrum dann zu sätzlich zum dem durch die gesamte Schichtdicke des Schichtstapels verur sachten Hauptmaximum (= „Hauptpeak“) wenigstens ein Nebenmaximum (= „Nebenpeak“), welches auf Rückreflexe an der Schichtgrenze zwischen der hin sichtlich ihrer Brechzahl zu untersuchenden Schicht und der Referenzschicht zurückzuführen ist.

Dabei macht sich die Erfindung den Umstand zunutze, dass die Amplitude dieses Nebenpeaks bzw. Nebenmaximums von der Brechzahldifferenz Dh zwischen den betreffenden Brechzahlen abhängig ist und somit bei bekannter Brechzahl der Referenzschicht unmittelbar die Bestimmung der unbekannten Brechzahl der zu untersuchenden Schicht ermöglicht.

Der Umstand, dass die erfindungsgemäße Brechzahlbestimmung letztlich auf einer Auswertung der Kontrastamplitude im Fourier-Spektrum basiert, hat hier bei den Vorteil, dass eine mit größeren Messungenauigkeiten einhergehende Messung absoluter Größen (wie z.B. die Messung der eingestrahlten Lichtleis tung und der reflektierten Lichtleistung) entbehrlich wird und insbesondere auch Leistungsschwankungen der Lichtquelle bei der erfindungsgemäßen Kontrast bestimmung herausfallen und somit nicht in das letztlich erhaltene Messergebnis eingehen.

Neben der aus der vorstehend genannten Messung des Kontraste als einer relativen Größe resultierenden größeren Messgenauigkeit hat das erfindungs gemäße Konzept der Brechzahlbestimmung basierend auf spektraler Reflekto- metrie den Vorteil einer wesentlich größeren Messgeschwindigkeit im Vergleich zu ellipsometrischen Messverfahren, da die erfindungsgemäße Messung des Reflexionsspektrums unter nur einmaliger Bestrahlung des Schichtstapels mit Licht der Breitlichtquelle und Aufnahme des erhaltenen Reflexionsspektrums erfolgt.

Dabei wird erfindungsgemäß hinsichtlich der vor Aufnahme des Reflexions spektrums erforderlichen Bereitstellung des Schichtstapels aus der hinsichtlich ihrer Brechzahl zu untersuchenden Schicht und der wenigstens einen weiteren (Referenz-) Schicht mit bekannter Brechzahl bewusst ein erhöhter Aufwand in fertigungstechnischer Hinsicht in Kauf genommen, welcher mit der Anordnung der besagten Referenzschicht einhergeht. Dieser fertigungstechnische Aufwand resultiert insbesondere aus der erforderlichen hohen Oberflächenqualität der in möglichst gutem optischem Kontakt miteinander oder in geringen Abstand von einander zu bringenden Schichten bei zugleich geringer Dicke der erforderlichen Referenzschicht (deren Brechzahl wiederum mit sehr hoher Genauigkeit be kannt sein muss). Die Inkaufnahme des erhöhten fertigungstechnischen Aufwandes erfolgt erfindungsgemäß jedoch bewusst, um im Gegenzug die zu vor beschriebenen Vorteile sowohl hinsichtlich der erhöhten Messgenauigkeit als auch der größeren Schnelligkeit der erfindungsgemäßen Brechzahlbestim mung zu erreichen.

In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Bereitstellung des Schicht stapels insbesondere im Wege eines optischen Ansprengens und anschließen dem Dickenabtrag der Referenzschicht auf der hinsichtlich ihrer Brechzahl zu untersuchenden Schicht erfolgen, wobei ein geeignetes Schichtmaterial für die Referenzschicht beispielsweise kristallines Silizium (Si) ist. Geeignete Dicken der Referenzschicht können beispielsweise im Bereich von (10-20)pm liegen und nach erfolgtem optischem Ansprengen über entsprechenden Dickenabtrag eingestellt werden. Die zur Erzielung des erforderlichen optischen Kontakts ohne Lufteinschlüsse erforderliche Oberflächenqualität kann insbesondere durch einen Polierprozess gewährleistet werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Bestimmens der Brech zahl die Schritte:

Durchführen einer Fouriertransformation für das Reflexionsspektrum zur Ermittlung eines Fourierspektrums; und

Bestimmen der Brechzahl der ersten Schicht aus dem Modulationskontrast in diesem Fourierspektrum.

Gemäß einer Ausführungsform wird die zweite Schicht aus kristallinem Silizium (Si) hergestellt.

Gemäß einer Ausführungsform weicht die Brechzahl der zweiten Schicht von der Brechzahl der ersten Schicht um weniger als 20%, insbesondere um weniger als 10%, weiter insbesondere um weniger als 5%, jeweils bezogen auf den größeren Wert dieser beiden Brechzahlen, ab. Hierdurch wird die Sensitivität des erfin dungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf die Änderung des Kontrasts bei Ände rung der Brechzahl erhöht. Gemäß einer Ausführungsform besitzt die zweite Schicht eine Dicke von weniger als 50pm, insbesondere eine Dicke im Bereich von (10-20)pm.

Gemäß einer Ausführungsform wird beim Bereitstellen des Schichtstapels ein maximaler Abstand zwischen der zweiten Schicht und der ersten Schicht von weniger als 1 % der mittleren Wellenlänge der breitbandigen Lichtquelle einge stellt.

Gemäß einer Ausführungsform wird beim Bereitstellen des Schichtstapels die zweite Schicht mit der ersten Schicht in Kontakt gebracht.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Schichtstapel ferner eine T rägerschicht als dritte Schicht auf.

Die Erfindung betrifft weiter auch eine Messanordnung zur Bestimmung der Brechzahl einer Schicht in einem Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen, mit:

- einer breitbandigen Lichtquelle;

- einem Messkopf, welcher an die Lichtquelle optisch gekoppelt ist und wenigstens eine Schicht mit bekannter Brechzahl als Referenzschicht auf weist; und

- einem Spektrometer zur Aufnahme eines Reflexionsspektrums, welches er zeugt wird, wenn die hinsichtlich ihrer Brechzahl zu untersuchende Schicht mit Licht der breitbandigen Lichtquelle durch die Referenzschicht des Mess kopfs hindurch bestrahlt wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unter- ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung des möglichen Aufbaus eines bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ausführungsform bereitgestellten Schichtstapels;

Figur 2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des möglichen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 3 eine schematische Darstellung des möglichen Aufbaus einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeig neten Messanordnung;

Figur 4 eine schematische Darstellung eines weiteren möglichen Auf baus einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens geeigneten Messanordnung;

Figur 5a-5c Diagramme zur Veranschaulichung einer in einem erfindungs gemäßen Verfahren erfolgenden Auswertung eines Fourier spektrums eines Schichtstapels; und

Figur 6 ein Diagramm zur Erläuterung der möglichen Brechzahlbestim mung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im Weiteren wird ein möglicher Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Brechzahlbestimmung anhand beispielhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf Fig. 1-6 beschrieben.

Gemäß der schematischen Darstellung von Fig. 1 und dem Flussdiagramm von Fig. 2 erfolgt in einem ersten Schritt S210 die Bereitstellung eines Schicht stapels, welcher zusätzlich zu einer hinsichtlich ihrer Brechzahl zu untersuchen den Schicht wenigstens eine hinsichtlich ihrer Brechzahl bekannte zweite Schicht als „Referenzschicht“ aufweist.

Fig. 1 zeigt in lediglich schematischer Darstellung einen möglichen Aufbau eines solchen Schichtstapels 100, wobei die hinsichtlich ihrer Brechzahl r\2 zu unter suchende erste Schicht mit „110“ und die eine bekannte Brechzahl ni auf weisende zweite Schicht mit „120“ bezeichnet ist. Die besagte zweite Schicht 120 ist im Ausführungsbeispiel (jedoch ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) aus kristallinem Silizium (Si) hergestellt und kann eine bei spielhafte Schichtdicke im Bereich von (10-20)pm besitzen.

Bei der hinsichtlich ihrer Brechzahl r\2 zu untersuchenden ersten Schicht 110 kann es sich im Ausführungsbeispiel um eine Schicht aus amorphem Silizium (Si) handeln. Mit „130“ ist in Fig. 1 eine grundsätzlich optionale, jedoch unter Stabilitätsaspekten vorteilhafte dritte Schicht als Trägerschicht mit ebenfalls be kannter Brechzahl no bezeichnet. Die dritte Schicht 130 bzw. Trägerschicht ist aus einem für Licht im verwendeten Wellenlängenbereich hinreichend transmis- siven Material hergestellt. Die dritte Schicht 130 bzw. Trägerschicht kann bei spielsweise aus Quarz oder einem gut transmittierenden Glas hergestellt sein. Die Dicke der dritten Schicht 130 bzw. Trägerschicht kann lediglich beispielhaft mehrere Millimeter (mm) betragen (und z.B. im Bereich von 1 mm-10mm liegen). Zur Bereitstellung des in Fig. 1 dargestellten Schichtstapels 100 kann insbeson dere die zweite Schicht 120 bzw. Referenzschicht zunächst auf der dritten Schicht 130 bzw. Trägerschicht angesprengt oder gebondet werden und anschließend unter materialabtragender Bearbeitung z.B. in einem Polier prozess auf die gewünschte Dicke von (10-20)pm abgetragen werden. Anschlie ßend kann der erforderliche optische Kontakt zwischen der zweiten Schicht 120 bzw. Referenzschicht und der hinsichtlich ihrer Brechzahl zu untersuchenden ersten Schicht 110 wiederum über Ansprengen erfolgen. In weiteren Ausführungsformen kann auch wie im Weiteren beschrieben auch ein geringer Spaltabstand zwischen erster Schicht 110 und zweiter Schicht 120 verbleiben.

In dem so bereitgestellten Schichtstapel 100 wird nun erfindungsgemäß die Brechzahl r\2 der ersten Schicht 110 anhand spektraler Reflektometrie unter Ver wendung des in Fig. 3 schematisch dargestellten Messaufbaus bestimmt. Flierzu wird gemäß Fig. 3 Licht einer breitbandigen Lichtquelle 350 über eine optische Faser 315 und eine geeignete Kollimatoroptik 340 in den Schichtstapel 100 ein gekoppelt. Das von dem Schichtstapel 100 reflektierte Licht wird zurück über die Kollimatoroptik 340 und eine weitere optische Faser 325 zu einem Spektrometer 360 geführt, mit welchem über einen Detektor 370 ein Reflexionsspektrum auf genommen und somit die Abhängigkeit der Reflektivität von der Wellenlänge be stimmt wird.

Für dieses Reflexionsspektrum wird in einem nachfolgenden Schritt S230 und in für sich bekannter Weise eine Fourier-Transformation durchgeführt. In dem so erhaltenen Fourier-Spektrum treten - wie in Fig. 5a-5c lediglich beispielhaft für das Fourierspektrum eines Schichtstapels aus zwei Schichten mit geringfügig voneinander abweichenden Brechzahlen veranschaulicht - zusätzlich zu dem Hauptmaximum (d.h. dem durch die gesamte Schichtdicke des Schichtstapels 100 bzw. 300 oder des aus den Schichten 110, 120 bzw. 310, 320 gebildeten Teilstapels verursachten Hauptpeak) infolge der an den im Schichtstapel 100 bzw. 300 vorhandenen Schichtgrenzen auftretenden Rückreflexe Nebenmaxima („Nebenpeaks“) auf, wobei die Amplitude dieser Nebenmaxima von der Brechzahldifferenz zwischen den jeweils aneinander angrenzenden Schichten abhängt. Somit kann anhand der Amplitude der betreffenden Nebenmaxima die (unbekannte) Brechzahl r\2 der ersten Schicht 110 bzw. 310 bei Kenntnis der Brechzahl ni der zweiten Schicht bzw. Referenzschicht 120 bzw. 320 (sowie ggf. der Brechzahl no der dritten Schicht 130 bzw. 330) bestimmt werden.

Für das Auftreten der o.g. Nebenmaxima ist erforderlich, dass sich die Brech zahlen der zu untersuchenden ersten Schicht 110 bzw. 310 und der zweiten (Referenz-)Schicht 120 bzw. 320 voneinander unterscheiden. Des Weiteren wird das Material der zweiten (Referenz-)Schicht 120 bzw. 320 vorzugsweise derart geeignet gewählt, dass es in seiner Brechzahl nur geringfügig von der zu erwar tenden Brechzahl des Materials der zu untersuchenden ersten Schicht 110 bzw. 310 abweicht (so dass z.B. im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 die zweite (Refe renz-) Schicht 120 bzw. 320 aus kristallinem Silizium (Si) hergestellt wird, wenn die erste Schicht 110 bzw. 310 aus amorphem Silizium (Si) besteht).

Gemäß den Fresnel'schen Formeln bei senkrechtem Einfall ist das Verhältnis der Reflexionsamplitude E2 zur einfallenden Amplitude E, n gegeben durch

E 2 _ ni ~ n 2 Ein ni + n 2

(1 )

Für den Modulationskontrast K gilt:

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass dieser Modulationskontrast K unabhängig von der Amplitude E in des auf den Schichtstapel 100 bzw. 300 einfallenden Lichts ist und ein eindeutiges Maß für die gesuchte Brechzahl r\2 der ersten Schicht 110 bzw. 310 darstellt, sofern die Brechzahl ni der zweiten Schicht 120 bzw. 320 bekannt ist.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind Dicken und Brechzahlen der Schichten 120, 130 exakt bekannt. Bei vorzugsweise zu wählenden kleinen Brechzahlunterschieden zwischen ni und r\2 können Mehrfachreflexionen ver nachlässigt werden. Es gilt: n 0 - ni

E 1 = E in n 0 + n t

(3) und

Der Modulationskontrast K ist somit eine eindeutige Funktion nur von den be kannten Brechzahlen no und ni sowie der zu bestimmenden Brechzahl r2. Damit kann aus dem Modulationskontrast K die Brechzahl r\2 eindeutig bestimmt wer den. Wie in einem numerischen Beispiel in Fig. 6 gezeigt, ist diese Beziehung bei kleiner Brechzahldifferenz zwischen der Brechzahl r\2 ersten Schicht 110 und der Brechzahl ni der zweiten (Referenz-)Schicht 120 nahezu linear.

Im Allgemeinen muss bei der Berechnung des Kontraste auch die Absorption (entsprechend dem imaginären Anteil des komplexen Brechungsindex) berück sichtigt werden. Wie aus Fig. 1 und den Gleichungen (3) und (4) hervorgeht, spielt dabei nur die Absorption der zweiten Schicht 120 bzw. Referenzschicht eine Rolle. Diese Referenzschicht muss also einmalig sehr genau charakterisiert sein. Das kann z.B. durch Ellipsometrie oder durch Messung und Auswertung des Reflexionsspektrums der Referenzschicht inkl. Träger an Luft geschehen.

Alternativ zur Brechzahlbestimmung anhand der funktionalen Abhängigkeit des Kontraste K von der gesuchten Brechzahl r\2 der ersten Schicht 110 bzw. 310 (unter Zugrundelegung der vorbekannten Brechzahlen ni, no der übrigen Schichten 120, 130 bzw. 320, 330) kann auch der aus besagten übrigen Schichten gebildete Teilschichtstapel selbst (als „Messkopf“) kalibriert werden.

Fig. 4 zeigt hierzu eine schematische Darstellung, in welcher zu Fig. 3 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „100“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Dabei sind die als Referenzschicht dienenden zweite Schicht 420, die als Trägerschicht dienende dritte Schicht 430 und die Kollimatoroptik 440 in einen Messkopf 405 integriert, welcher jeweils an die Lichtquelle 450 über die optische Faser 415 und an das Spektrometer 460 über die optische Faser 425 optisch gekoppelt ist. Über Spektrometer 460 und Detektor 470 erfolgt analog zu Fig. 3 die Aufnahme eines Reflexionsspektrums, wenn die hinsichtlich ihrer Brechzahl zu untersuchende Schicht 410 mit Licht der breitbandigen Lichtquelle 450 durch die Referenzschicht bzw. zweite Schicht 420 des Messkopfs 405 hindurch bestrahlt wird. Dabei kann der Messkopf 405 so platziert werden, dass sich besagte Referenzschicht bzw. zweite Schicht 420 in direktem Kontakt mit der hinsichtlich ihrer Brechzahl zu untersuchenden Schicht 410 oder auch (wie in Fig. 4 angedeutet) in geringem Abstand von dieser Schicht 410 befindet. Vorzugsweise beträgt dabei der Abstand weniger als 1 % der mittleren Wellenlänge der Lichtquelle 450. Bei einer beispielhaften mittleren Wellenlänge der Lichtquelle 450 von 1 pm sollte daher der besagte Abstand geringer als 10nm sein.

Der Messkopf 405 kann zur Ermittlung der Brechzahl ni der als Referenzschicht dienenden zweiten Schicht 420 z.B. anhand von Ellipsometrie im Voraus kalib riert und dann wiederholt zur Brechzahlbestimmung für unterschiedliche Schichten 410 eingesetzt werden.

Wenngleich in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen jeweils eine plane Geometrie der als Referenzschicht dienenden zweiten Schicht angenom men wurde, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. So kann in weiteren Aus führungsformen auch eine gekrümmte Geometrie der als Referenzschicht dienenden zweiten Schicht sowie der ggf. vorhandenen Trägerschicht vorgese hen sein, wobei diese Geometrie insbesondere auf die Geometrie der hinsichtlich ihrer Brechzahl zu untersuchenden Schicht abgestimmt sein kann, um auf diese Weise einen flächigen Kontakt oder auch einen im Wesentlichen konstanten geringen Abstand zwischen den Schichten zu ermöglichen. Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alterna tive Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merk malen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente be schränkt ist.