MANGOLD THOMAS (DE)
BAUMANN JOACHIM (DE)
MANGOLD THOMAS (DE)
US5206710A | 1993-04-27 | |||
US4875175A | 1989-10-17 | |||
DE19646947A1 | 1998-05-14 | |||
EP0735378A2 | 1996-10-02 | |||
DE4203272A1 | 1993-08-12 | |||
US4513384A | 1985-04-23 |
WAGNER M ET AL: "SINGLE-BEAM THERMOWAVE ANALYSIS OF ION IMPLANTED AND LASER ANNEALED SEMICONDUCTORS" MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY,GB,IOP PUBLISHING, BRISTOL, Bd. 2, Nr. 11, 1. November 1991 (1991-11-01), Seiten 1088-1093, XP000266522 ISSN: 0957-0233
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
1. | ThermowellenMeßverfahren zur berührungslosen Messung von geometrischen und/oder thermischen Merkmalen eines Schicht aufbaues, wobei eine modulierbare Wärmequelle mit unter schiedlichen Frequenzen angesteuert, und der Schichtaufbau periodisch aufgeheizt wird, von dem Schichtaufbau emittierte in der Intensität entsprechend modulierte Infrarotstrahlung empfangen und anhand von Amplitude und/oder Phase jeweils als Funktion einer Ansteuerfrequenz ausgewertet wird, wobei die Wärmequelle gleichzeitig mit mindestens zwei vorbestimm ten diskreten Frequenzen amplitudenmoduliert wird, und die von dem Schichtaufbau emittierte Infrarotstrahlung gleichzei tig korrespondierend zu den Ansteuerfrequenzen ausgewertet wird. |
2. | Verfahren nach Anspruch l, worin als Wärmequelle ein Laser bzw. eine Laserdiode oder eine lichtemittierende Diode (LED) verwendet wird. |
3. | Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Einzelfrequenzanteile der Ansteuerfrequenzen einem Meß problem angepaßt werden. |
4. | Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin mittels einer LockInAuswertung die vorbestimmten Frequenzen detektiert werden. |
5. | Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin für die Auswer tung der einzelnen Frequenzen eine FastFourier Transformation (FFT) vorgesehen ist. |
6. | Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, worin eine weiterführen de Auswertung durch eine Regressionsanalyse oder mittels ei nes neuronalen Netzes geschieht. |
7. | Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Verfahren mittels Kalibrierung sowohl durch mathematisch bestimmte, theoretische Werte, als auch durch experimentell abgestützte Daten auf einen bestimmten Schichtaufbau kali briert wird. |
8. | Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Er mittlung geometrischer Merkmale bei bekannten thermischen Merkmalen oder thermischer Merkmale bei bekannten geometri schen Merkmalen des Schichtaufbaues. |
Zum Stand der Technik gehören Verfahren, die beispielsweise unter der Bezeichnung"photothermische Meverfahren, Thermo- wellen-Meßverfahren oder Lock-In-Thermographie"laufen. Darin wird ein zu prüfendes Material mit einem oberflächlichen Schichtaufbau durch eine Heizquelle periodisch und bereichs- weise aufgeheizt. Die Heizung muß modulierbar sein, so daß eine Amplitudenmodulation vorliegt. Damit können die Modula- tionsfrequenzen der Heizung sequentiell durchgestimmt werden, und das photothermische Signal, das von einer Probe herrührt, wird nach Amplitude und insbesondere seiner Phase als Funkti- on der Frequenz gemessen. Dabei kann die Auswertung hinsicht- lich zweier oder mehrerer Unbekannter (z. B. Schichtdicken) im allgemeinen nicht in geschlossener analytischer Form durchge- führt werden, da hier ein"inverses Problem"vorliegt. Dies ist gleichbedeutend damit, daß die Auflösung des Gleichungs- systems nach einer Unbekannten nicht ohne weiteres möglich ist.
Nachteile der zum Stand der Technik gehörenden Verfahren be- stehen beispielsweise darin, daß die sequentielle Durchstim- mung der Modulationsfrequenz der modulierbaren Wärmequelle sehr lange dauert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Thermowellen- Meßverfahren bereitzustellen, mit dem eine wesentliche Be-
schleunigung einer entsprechenden Messung und Auswertung er- zielbar ist. Ein wesentliches Ziel besteht im Einsatz eines schnellen Thermowellen-Meßverfahrens zur Kontrolle von Schichtaufbauten in der laufenden Produktion.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalkombina- tion des Anspruches 1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die für die bereichsweise Aufheizung eines Schichtaufbaues verwendete Wärmequelle gleichzeitig mit mehreren unterschiedlichen Fre- quenzen ansteuerbar ist, und die emittierte Infrarotstrahlung korrespondierend zu den Ansteuerfrequenzen simultan auswert- bar ist. Somit können bestimmte Stützpunkte aus einer Kennli- nie zur sequentiellen Durchstimmung der Wärmequelle über die Frequenz festgelegt werden, woraus sich eine bestimmte Anzahl von unterschiedlichen diskreten Frequenzen ergibt. Diese wer- den gleichzeitig zur Ansteuerung der Wärmequelle verwendet, so daß die eigentliche Durchstimmung der Wärmequelle über die Frequenz nicht mehr durchgeführt wird, woraus sich eine we- sentliche Zeiteinsparung ergibt.
Weitere Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entneh- men.
Als Wärmequelle können insbesondere eine Licht emittierende Diode (LED) oder eine Laserdiode vorteilhaft eingesetzt wer- den, da sie elektrisch amplituden-modulierbar sind. Grund- sätzlich können sämtliche Heizquellen eingesetzt werden, die die Möglichkeit einer elektrischen Modulation bieten, so daß eine Mehrfrequenzanregung durchführbar ist.
Liegt eine bestimmte Schichtenfolge an der Oberfläche einer Probe vor, so kann in vorteilhafter Weise eine objektbezogene Einstellung der Ansteuerfrequenzen bei der Wärmequelle vorge- nommen werden. Es gilt der Zusammenhang, daß mit sinkender Modulationsfrequenz an der Wärmequelle eine steigende Ein-
dringtiefe in den Schichtaufbau einhergeht. Die Auswahl der Ansteuerfrequenzen entsprechend einem bekannten Schichtaufbau kann vorteilhaft eingestellt werden.
Mit dem Ansatz einer Regressionsanalyse mit nicht linearen Ansatzfunktionen bzw. mit einem lernfähigen neuronalen Netz- werk können die Zielgrößen, beispielsweise einzelne Schicht- dicken, numerisch ermittelt werden. Dabei können experimen- telle oder theoretisch/analytische Stützwerte als Kalibrier- werte verwendet werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprü- chen entnommen werden.
Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren weitere Ausführungsbeispiele beschrieben.
Figur 1 zeigt einen Versuchsaufbau zur Durchführung eines Verfahrens entsprechend der Erfindung, Figur 2 zeigt in Abhängigkeit von der Ansteuerfrequenz ei- ner Wärmequelle die Phasenverschiebung von zurück- gestrahlten Wärmewellen, Figur 3 zeigt Referenz- und Detektorsignal bei einer Modu- lation von 10 Hz für zwei Frequenzgeber (Chopper), Figur 4 zeigt Referenz- und Phasensignal bei einer Modula- tion von 10 Hz für beide Chopper 1, 2, Figur 5 zeigt Referenz- und Detektorsignal bei einer Modu- lation von 40 und 20 Hz, Figur 6 zeigt Referenz- und Phasensignal bei einer Modula- tion von 40 und 20 Hz.
Durch die simultane Mehrfrequenzanregung und gleichzeitige Parallelauswertung hinsichtlich der verschiedenen Frequenzen bzw. der unterschiedlichen zurückgestrahlten korrespondieren- den Infrarotstrahlung wird die Meßzeit drastisch verkürzt.
Dabei kann durch geeignete Wahl der Einzelfrequenzanteile der Frequenzmeßbereich, in dem die Wärequelle angesteuert wird, genau dem Meßproblem angepaßt werden. Die gleichzeitige In- tensitätsmodulation mit zwei oder mehreren Einzelfrequenzen auf eine elektrisch modulierbare Wärmequelle ermöglicht die parallele Auswertung in einer entsprechenden Anzahl von Lock- In-Verstärkern. Stattdessen kann auch die Signalauswertung mit einer FFT oder ähnlichen digitalen Auswerteverfahren, wie Korrelation oder Anfitten einer Sinus-Funktion, unter Einsatz eines digitalen Oszilloskopes, erfolgen.
Als Wärmequelle wird in der Regel eine Heizlichtquelle ver- wendet, wie beispielsweise eine Laserdiode oder ein LED. Zur Auswertung nach einer entsprechenden Anzahl von Lock-In- Verstärkern oder einer Fast-Fourier-Transformation können entweder die Regressionsanalyse oder ein neuronales Netzwerk eingesetzt werden.
Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht in der Gleich- zeitigkeit, mit der eine Wärmequelle mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert wird. Sind beispielsweise drei Fre- quenzen ausgewählt worden, so liefert deren Summe ein Ana- logsignal, mit dem die Wärmequelle moduliert wird. Auf der Auswerteseite wird für jede Frequenz entsprechend ausgewer- tet. Dies geschieht gleichzeitig.
In einem Versuchsaufbau entsprechend Figur 1 wird eine Stan- dardprobe 7, die aus einer TiN-Schicht auf einem Glasplätt- chen besteht, vermessen. Dabei heizt ein von einem Laser 3 abgegebener Heizstrahl die Probe bereichsweise auf. Der Heiz- strahl wird nach dem Austritt aus dem Laser geteilt, wobei jeder der beiden Strahlen einem mechanischen Chopper l, 2 zu- geführt wird. Beim Durchlaufen der Chopper l, 2 werden beide
Strahlen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen fl, f2 moduliert und anschließend gemeinsam fokussiert und auf die Probe 7 gerichtet. Dadurch ist es auch mit mechanischer-Modu- lierung möglich, die Probe simultan mit zwei Modulationsfre- quenzen anzuregen. Eine elektronische Bereitstellung der ver- schiedenen Frequenzen ist vorteilhaft. Nachdem das Detektor- signal 8 auf zwei verschiedene Lock-In-Verstärker 10,20 ge- geben ist, erhält man als Ergebnis entsprechend zwei Phasen 11,21, die auf einem Speicheroszillographen 13 darstellbar sind. Der jeweilige Referenzeingang 12,21 der Lock-In- Verstärker 10,20 ist mit der Modulationsfrequenz der Chopper 1 bzw. 2 belegt. Um die beiden Strahlengänge aufeinander ab- zustimmen, wird zunächst eine Phase-Freqenz-Kurve aufgenom- men, d. h. die Frequenz von beiden Choppern 1, 2 wird simultan durchgestimmt. Das Ergebnis ist in Figur 2 dargestellt. In Figur 2 ist zu erkennen, daß sich mit höheren Frequenzen von mehr als ca. 20 Hz die Frequenzverschiebung bei ungefähr -45° einstellt. Dies gilt gleichermaßen für Chopper 1 und für Chopper 2.
In Figur 3 werden die Ergebnisse dargestellt, wenn beide Chopper 1, 2 auf 10 Hz fest eingestellt sind und das Detek- torsignal 8 gemessen wird. In den Darstellungen der Figuren 3-6 ist jeweils links neben jedem Signalverlauf ein Rahmen mit drei Angaben dargestellt. Darin bedeuten die ersten zwei Angaben die Skalierung auf den Achsen des Speichersoszillo- graphen. Der erste Wert sagt aus, wieviele Millisekunden zwi- schen zwei Markierungen in einem Kästchen auf der Abszisse, auf der die Zeit angetragen ist, bedeuten. Der zweite Wert sagt aus, wieviel Volt auf der Ordinate, auf der die Spannung angetragen ist, der Abstand zwischen zwei Markierungen bzw. in einem Kästchen ausmacht. Der dritte Wert stellt das ei- gentliche Ergebnis dar, nämlich eine bestimmte Spannung, die in Volt oder in Millivolt gezählt, umgerechnet werden kann, beispielsweise für ein Amplituden- oder ein Phasensignal.
In den Figuren 3 und 4 sind jeweils Meßwerte für Referenz, Phasen- und Detektorsignal bei einer Modulation beider Chop- per 1, 2 von 10 Hz dargestellt. In den Figuren 5 und 6 werden gleiche Darstellungen wie in den Figuren 3 und 4 verwendet, wobei jedoch die Modulation des ersten Choppers 1 40 Hz und die des zweiten Choppers 2 20 Hz beträgt.
Die Grundlage der dargestellten Meßwerte und Ergebnisse nach Figur 4 beinhalten, daß beide Chopper auf 10 Hz fest einge- stellt sind und daß das Detektorsignal 8 gemessen wird. Die oberste rechte Kurve stellt den Verlauf der Impulsfolge am Chopper 1 dar. Eine vollständige Schwingung benötigt dabei die Länge von zwei Kästchen bzw. zweimal 50 ms, so daß hier eine Frequenz von 10 Hz vorliegt. Gleiches gilt für die mitt- lere Kurve, die am zweiten Chopper 2 vorliegt. Die unterste Kurve stellt das Detektorsignal 8 dar, welches zunächst ein analoges Signal ist. In allen drei Fällen ist die Amplitude des Signales jeweils als dritter Wert im nebenstehenden Rah- men eingetragen, wobei dies jedoch wählbare Versuchsparameter sind.
Figur 2 zeigt sowohl die Referenz als auch die Phase bei ei- ner Modulation von 10 Hz für beide Chopper l, 2. Die Impuls- frequenz ist identisch mit der Frequenz in Figur 3. Die Pha- senlage der Chopper 1, 2 ist nahezu identisch mit -584 mV und -591 mV, was umgerechnet ungefähr einer Phasenverschiebung von 60° entspricht. Dabei ist zugrundegelegt, daß 10 mV stellvertretend für 1° Phasenverschiebung steht. Anders aus- gedrückt, weist die von der Probe 7 zurückgestrahlte Infra- rotwelle bzw. Wärmewelle eine Phasenlage auf, die um 60° der Phase des Lasersignales hinterherhinkt.
In den Figuren 5 und 6 werden den Figuren 3 und 4 entspre- chende Signale dargestellt. Dieses Mal sind jedoch die ersten und zweiten Chopper 1, 2 auf unterschiedlichen Frequenzen mo- duliert. Der erste Chopper 1 weist jeweils eine Impulsfre- quenz von 40 Hz und der zweite Chopper 2 eine Impulsfrequenz
von 20 Hz auf. Das Detektorsignal 8 ist wiederum ein aus meh- reren Signalen überlagertes Ergebnissignal, das über die im Verfahren angewendete Signalverarbeitung umgewandelt wird.
Auch für den in den Figuren 5 und 6 dargestellten Fall ist entsprechend dem zweiten und vierten Signal in Figur 6 die Phasenlage für beide Ansteuerfrequenzen annähernd gleich.
Durch die Messungen kann also nachgewiesen werden, daß es möglich ist, die Phase auch dann korrekt zu erhalten, wenn die Probe simultan mit zwei unterschiedlichen Frequenzen mo- duliert wird, anstatt wie bisher die Modulationsfrequenz durchzustimmen (Chirp).
Die Messung mit den beschriebenen mechanischen Choppern stellt nur eine Ausführung dar, wobei die Modulation von La- serdioden bzw. von LEDs mit mehreren Frequenzen gleichzeitig geplant ist. Darüber hinaus kann die flächige Ausleuchtung der Probe 8 durch entsprechende Einrichtungen sowie die Bild- aufnahme mittels einer Kamera-Anordnung optimiert werden. Da- bei liegt nach wie vor das Prinzip zugrunde, daß durch simul- tane Mehrfrequenzanregung und durch gleichzeitige Paralle- lauswertung der verschiedenen Frequenzen die Meßzeit verkürzt wird.
Wird gefordert, die geometrischen und thermischen Parameter eines Mehrschichtaufbaues gleichzeitig zu ermitteln, so kann dies unter Umständen mit herkömmlichen Rechenmethoden nicht möglich sein. Man kann eine analytische Formel für die Phase in Abhängigkeit von den thermischen und geometrischen Parame- tern, sowie von der Modulationsfrequenz angeben. Soll aller- dings nach den den Mehrschichtaufbau karakterisierenden Grö- ßen aufgelöst werden, so ist dies analytisch nicht möglich.
Dies bedeutet, da ein"inverses Problem"vorliegt. Die Aus- wertung kann dann durch numerische Verfahren wie beispiels- weise Regressionsanalyse oder mittels eines Neuronalen Netzes erfolgen, was eine Automatisierung der Bestimmung der Materi- alparameter darstellt und mit einer höheren Genauigkeit und mit einer Zeitersparnis verbunden ist. Außerdem eröffnet sich die Möglichkeit beliebige photothermisch vermessene Schicht- aufbauten theoretisch zu beschreiben und deren thermische und geometrische Eigenschaften zu bestimmen.