Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein abbildendes Ellipsometer zur flächigen Schichtdickenmessung einer Probe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit einem solchen abbildenden Ellipsometer gemäß dem Patentanspruch 5.

Aus dem Stand der Technik sind bildgebende Messsysteme, unter anderem zur Schichtdickenmessung von Proben, bekannt. Die Dokumente US 5 963 326 A und US 2014 0 204 203 A1 beschreiben bildgebende Messvorgänge auf großen Proben unter Verwendung eines kollimierten Lichtstrahls. Die Erfassung der Lichtstrahlen erfolgt dabei mit einer afokalen Optik und die eigentliche Polarisationsmessung erfolgt durch einen Polarisator, in der Ellipsometrie auch Analysator genannt. Ferner, beschreibt das Dokument US 4 516 855 A ein Verfahren zu Bestimmung eines Polarisationszustandes mithilfe einer umgebauten TV-Kamera. Das Messsystem nutzt hier drei unterschiedliche Kameras mit je einem davor in Winkeln 0°, 60°, 120° angeordneten Polarisator. Die US 7 768 660 B1 beschreibt ein System zur Messung von Proben an deren Glasinnenseite mit einer getrennten Erfassung von der Außen- sowie der Innenreflexion. Dabei erfolgt die Messung der Probe punktförmig. Die herkömmlichen Messsysteme sind auf komplexer Labormesstechnik (i.B. Spektroskopie) beschränkt, wodurch die Komponenten teuer und aufwendig sind, unnötig hohe Datenmengen erzeugt werden und erfordern aufgrund der zeitintensiven punktförmigen Messvorgänge eine hohe Messdauer und bieten i.d.R. keine vollständige flächige Messung. Zudem führen die Unterschiede in den Kamera- Empfindlichkeiten sowie in den -Schwankungen zu einem ungenauen (Mess-)System. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder zumindest zu mildern und insbesondere ein abbildendes Ellipsometer als kompaktes Messsystem zur flächigen Schichtdickenmessung einer Probe weiterzuentwickeln bei dem zum einen die Messgeschwindigkeit verbessert werden soll und zum anderen die Komplexität sowie die Kosten des Systems gering gehalten werden sollen. Des Weiteren soll ein (Mess-)Verfahren mit einem solchen abbildenden Ellipsometer bereitgestellt werden, welches berührungslos und in Echtzeit durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Ellipsometer dadurch gelöst, dass das Ellipsometer als Messsystem zur flächigen Schichtdickenmessung einer Probe mit einer Polarisationskamera ausgestattet ist, welche wiederum Polarisationsfilter in 0°-, 45°-, 90°- sowie in 135°-Ausrichtung aufweist, das heißt die Polarisationsachsen dieser Filter sind um die jeweiligen Winkel verdreht.

Die Erfindung betrifft demzufolge ein abbildendes Ellipsometer zur flächigen Schichtdickenmessung einer, vorzugsweise zylinderförmigen, Probe, mit einer monochromatischen Lichtquelle, die derart ausgebildet ist, Licht auf die Probe zu strahlen / zu leuchten, einem Polarisator, welcher ausgebildet ist, das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht, insbesondere linear, zu polarisieren, einem winkelselektiven Objektiv und einer Polarisationskamera. Die Polarisationskamera weist dabei Polarisationsfilter / Polarisationsschichten in 0°-, 45°-, 90°- und 135°- Ausrichtungen / -Lagen auf und ist derart ausgebildet, das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht in lineare Polarisationsorientierungen / Polarisationsrichtungen zu polarisieren und deren Lichtintensitäten zu erfassen und zu messen. Dabei ist eine Viertelwellenplatte zwischen der Probe und der Polarisationskamera zur Änderung der Polarisation des Lichtes, insbesondere mit der Hauptachse um 45° gedreht bezüglich der 0°-Polarisationsrichtung der Polarisationskamera, angeordnet, welche derart ausgebildet ist, dass sie bestimmte lineare Polarisationsorientierungen des Lichtes in zirkulare Polarisationsorientierungen umwandelt und das Ellipsometer derart ausgebildet ist, ein schichtdickenabhängiges Verhältnis der erfassten Lichtintensitäten durch Gleichungen RZ = (IR-IL) / (IR+IL) und R45 = (I45-I-45) / (I45+I-45) zu berechnen. IR ist eine Intensität des Lichtes in der rechts zirkularen Polarisationsorientierung, II ist eine Intensität des Lichtes in der links zirkularen Polarisationsorientierung, I45 ist eine Intensität des Lichtes in der linearen 45° Polarisationsorientierung und I-45 ist eine Intensität des Lichtes in der linearen 135° Polarisationsorientierung.

Anders ausgedrückt, weist die Polarisationskamera des abbildenden Ellipsometers eine Vielzahl verschieden gedrehter linearer Polarisationsfilter auf, welche auf Sensorebene der Polarisationskamera systemtechnisch integriert sind. Insbesondere ist die Polarisationskamera als eine Polarisations-2D-Kamera ausgeführt, kann jedoch für spezielle Anwendungen auch als Polarisations-1 D- Kamera ausgeführt sein. Das Ellipsometer weist eine Lichtquelle auf, die einen Lichtstrahl erzeugt, welcher durch einen Polarisator in ein linear / parallel polarisiertes Licht umgewandelt wird, also in ein Licht mit einem elektrischen Feld, welches nur in einer Ebene, bspw. in einer 45°-Ausrichtung, zu der Ausbreitungsrichtung des Lichtes bzw. in einem 45°-Winkel zu der von der Beleuchtungs- und der Objektivachse aufgespannten (Licht-)Ebene steht. Das polarisierte Licht, dessen Lichtstrahl in einer Polarisationsrichtung um bspw. 45° zur Lichtebene gedreht ist, trifft auf eine, vorzugsweise zylinderförmige Probe, deren Schichtdicke gemessen werden soll, und wird von dieser reflektiert. Das reflektierte Licht durchläuft dann ein winkelselektives Objektiv und trifft auf die Polarisationskamera mit den entsprechenden Polarisationsfiltern. Erfindungsgemäß sind die Polarisationsfilter der Polarisationskamera mit bzw. in Drehlagen / Ausrichtungen / Anordnungen von 0°, 45° 90° und 135° bzw. -45° in einem definierten Muster der parallelen Filterstrukturen angeordnet, welche das polarisierte Licht in die jeweiligen Polarisationsorientierungen polarisieren bzw. die polarisierten Lichtanteile gezielt sperren. Beispielsweise ist das Pixelfeld der Polarisationskamera in 4er-Gruppen, insbesondere in 2x2-Anordnungen, über das gesamte Pixelarray aufgeteilt und die Polarisationskamera führt über die 4er-(Pixel-)Gruppen Messungen der Intensitäten der jeweiligen linearen Polarisationen mit den Orientierungen 0°, 45°, 90°und 135° durch. Mithilfe des telezentrischen Objektivs wird die zu messende Probe bzw. das abzubildende Objekt ohne eine perspektivische Verzerrung durch die Polarisationskamera erfasst. Vorzugsweise erfolgt die Abbildung der Probe mit einem winkelselektiven Objektiv, das heißt mit einem kleinen Akzeptanzwinkel, sodass von jedem Objektpunkt nur ein sehr schlanker Lichtkegel abgebildet wird. Dadurch wird einerseits für jeden Objektpunkt ein definierter Ausfallswinkel festgelegt, was für eine exakte ellipsometrische Messung wichtig ist. Andererseits erlaubt die Winkelselektivität bei transparenten zylindrischen Proben die separate Abbildung der Innenwand- und Außenwandreflektion. Weiters bedeutet Winkelselektivität auch eine große Tiefenschärfe, sodass auch sehr schräg gestellte lange Objekte über die ganze Objektlänge ausreichend scharf abgebildet werden können. Winkelselektivität wird vor allem durch die Verwendung von Lochblenden innerhalb des Objektivs erzielt. Winkelselektive Objektive sind oft objektseitig telezentrisch das heißt, nur Strahlen, welche parallel zueinander und parallel zur optischen Achse in das Objektiv eintreten, werden abgebildet. Dies hat in der gegenständlichen Erfindung den zusätzlichen Vorteil, dass der Ausfallswinkel der erfassten reflektierten Strahlen über die ganze Objektlänge konstant ist.

Alternativ ist ein konstanter Ein- und Ausfallswinkel aber auch über eine gute parallele Kollimation des einfallenden Lichtes erreichbar. Ist die Probe zusätzlich im wesentlichen spekular reflektierend, ergibt sich aus dem durch die Kollimation wohl definierten Einfallswinkel auch ein wohl definierter fixer Ausfallswinkel. In diesem Fall kann das Objektiv auch allgemeiner Natur sein und muss keine Telezentrie aufweisen, und eine Winkelselektivät nur, wenn die anderen zuvor angeführten Eigenschaften von Vorteil sind.

Bei großen Proben ist bei paralleler Strahlführung eine entsprechend große Apertur der abbildenden Optik notwendig. Um die damit verbundenen hohen Kosten zu vermeiden, ist es vorteilhaft statt einer parallelen Strahlführung eine konvergente Strahlführung zu wählen. Dabei wird die Lichtquelle derart konfiguriert, z.B. durch entsprechende Positionierung einer fokussierenden Linse vor einer punktförmigen Quelle, dass die Lichtstrahlen konvergent auf die Probe zulaufen, bzw. zumindest einen signifikanten Anteil solch konvergenten Lichtes aufweisen. Nach der Reflektion von der Probe laufen die relevanten Lichtstrahlen weiter zusammen und können von einem relativ kleinen kostengünstigen Objektiv auf die Polarisationskamera abgebildet werden. Zur Einschränkung des von jedem Objektpunkt erfassten Lichtkegels kann das Objekt zusätzlich winkelselektiv ausgeführt sein. Dies wird beispielsweise durch eine geeignet positionierte Lochblende innerhalb des Objektivs erreicht.

Ist die Probe zylindrisch und die Zylinderachse in der Lichtebene, so bedeutet eine konvergente Strahlenführung einen variablen Ein-/Ausfallswinkel über die Zylinderlänge. Dieser nichtkonstante Ein-/Ausfallswinkel muss dann entsprechend in der Auswertung berücksichtigt werden. Der Ein-/Ausfallswinkel ist für die Auswertung bedeutend und wird erfindungsgemäß typischerweise so gewählt, dass dieser gleich oder im Bereich des Brewster-Winkels des Substrats ist.

Steht die Zylinderachse normal auf die Lichtebene, so ist vorteilhafterweise der Ein-/Ausfallswinkel konstant. Allerdings muss in diesem Fall der beleuchtende Lichtstrahl einen weit größeren Querschnitt aufweisen, sodass entweder entsprechend große Austrittsaperturen der Lichtquelle erforderlich sind oder die Lichtquelle sich aus mehreren Strahlern zusammen setzt, die zusammen auf der Probe eine konvergente Beleuchtung so erzeugen, dass das reflektierte Licht durch ein vergleichsweises kleines Objektiv auf die Polarisationskamera abgebildet werden kann.

Es erfolgt eine Umwandlung in zirkulare Polarisationsorientierungen nur für Lichtstrahlen mit linearen Polarisationsorientierungen, deren Ausrichtung um +/- 45° zu einer Hauptachse der Viertelwellenplatte ausgerichtet sind. Lichtstrahlen mit einer linearen Polarisationsorientierung von 0° bzw. 90° zur Hauptachse der Viertelwellenplatte werden dabei nicht verändert, wohingegen die Lichtstrahlen mit den restlichen Polarisationsorientierungen in elliptische Polarisationsorientierungen umgewandelt werden. Als Bezugsebene für die Definition des Polarisationszustands kann z.B. diejenige Lichtebene verwendet werden, welche durch einen zentralen einfallenden und einen zentral von der Probe ausfallenden Strahl definiert ist.

Durch die Verwendung eines Ellipsometers, welches nur eine Polarisationskamera zur Messung der Schichtdicke einer Probe aufweist, ist das Messsystem aufgrund der relativ geringen Komponentenanzahl kostengünstig herstellbar sowie robust handhabbar, da unterschiedliche Empfindlichkeitsschwankungen und fehlerhafte Polarisationsmessungen bei einer Verwendung von mehreren Polarisationskameras umgangen werden. Demnach, erfolgen die flächigen Schichtdickenmessungen auch mit einer hohen Geschwindigkeit. Ferner, sind die Pixel auf einem gemeinsamen Sensor bzw. einer gemeinsamen Sensorebene angeordnet, wodurch die Ergebnisse der Messungen zusätzlich robuster sind.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und werden nachfolgend näher erläutert.

In einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung, ist die Viertelwellenplatte derart angeordnet, dass eine optische Hauptachse / kristalloptische Achse der Viertelwellenplatte bezüglich einer Lichtebene um 45° oder 0° gedreht ist.

Anders ausgedrückt, weist das Ellipsometer eine zusätzliche Viertelwellenplatte / Verzögerungsplatte / Zirkularpolarisator auf, insbesondere aus einem doppelbrechenden Material (bspw. aus einem doppelbrechenden Kunststoff), welche bezüglich der Lichtstrahlrichtung vor der Sensorebene und den Polarisationsfiltern der Polarisationskamera und nach der Probe angeordnet ist. Somit fällt das von der Probe reflektierte, insbesondere elliptisch polarisierte Licht auf die Viertelwellenplatte, deren Dicke derart ausgewählt ist, sodass sich eine Phasenverschiebung um eine 1/4 Wellenlänge für das polarisierte Licht ergibt. Das durch die Reflexion von der Probe elliptisch polarisierte Licht ist nach dem Durchlaufen der Viertelwellenplatte entsprechend anders elliptisch polarisiert. Abhängig von der gewünschten Messung ist die Hauptachse der Viertelwellenplatte während des Betriebs des Ellipsometers um 0° oder 45° bezüglich einer Horizontalen gedreht.

In Kombination mit einem nachgeschalteten Polarisationsfilter, welcher +/-45° zur Hauptachse der Viertelwellenplatte verdreht ist, kann die Intensität des ursprünglich enthaltenen rechts-Zlinks-zirkular polarisiertem Licht gemessen werden. Ist der Polarisationsfilter in 0°-/90°-Lage zur Hauptachse der Viertelwellenplatte, so ergibt sich durch die Viertelwellenplatte kein Effekt auf eine nachfolgende Intensitätsmessung.

Daraus folgt bei Verwendung einer 07457907135°-Polarisationskamera: In Kombination mit nachgeschalteten, auf bzw. unmittelbar vor dem Sensor befindlichen 07457907135°-Polarisationsfiltern, können bei +/-45°-Lage der Viertelwellenplatte die vier Intensitäten des ursprünglich enthaltenen +/-45°-linear polarisierten Lichtes und des rechts-Zlinks-zirkular polarisierten Lichtes gemessen werden.

Damit wird durch Berechnung der entsprechenden Intensitätsverhältnisse eine Messung der 3. und 4. Stokes-Komponente des den ursprünglichen Polarisationszustand beschreibenden Stokes-Vektors realisiert. Dies ist für die Dickenmessung von Beschichtungen, deren Brechungsindex nur wenig vom Brechungsindex des Basismaterials abweicht, vorteilhaft.

Bei 0°- bzw. 90°-Lage der Viertelwellenplatte kann entsprechend die Intensität des ursprünglich enthaltenen 0°-/90°-linear polarisierten Lichtes und des rechts-Zlinks zirkular polarisierten Lichtes gemessen werden. Damit wird durch Berechnung der entsprechenden Intensitätsverhältnise eine Messung der 2. und 4. Stokes- Komponente des den Polarisationszustand beschreibenden Stokes-Vektors realisiert.

Somit ist die Polarisationskamera des Ellipsometers derart ausgebildet und angeordnet, dass sie zur Bestimmung des Polarisationszustandes des erfassten Lichtes zumindest die zweite und dritte Stokes-Komponente misst, welche insbesondere bei Schichtdickenmessungen von Proben mit stark unterschiedlichen Brechungsindizes zwischen der Beschichtung und des Substrats Z Grundkörpers aussagekräftig sind. Für den Fall, dass der Polarisationskamera eine zusätzliche Viertelwellenplatte, insbesondere in einer 45° Stellung, vorgeschalten ist, misst die Polarisationskamera die dritte und die vierte Stokes-Komponente des erfassten (zirkular polarisierten) Lichtstrahls, damit eine einfache und robuste Schichtdickenmessung bei einer Probe mit ähnlichen Brechungsindizes zwischen der Beschichtung und des Grundkörpers ermöglicht ist. In einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung, weist das Ellipsometer eine zusätzliche Kollimationsoptik / Kollimator auf, beispielsweise aus einer Mehrzahl von beispielsweise sphärisch ausgeformten Linsen und/oder Zylinderlinsen für Proben mit besonders großem Aspektverhältnis oder aus Fresnellinsen für besonders große Proben, die bezüglich der Strahlrichtung nach dem Polarisator und/oder zwischen der Lichtquelle und der Probe angeordnet ist und welche die Strahlen des (linear) polarisierten Lichtes auf die Probe parallel richtet. Die Zylinderlinsen bieten Vorteile bei einer schnellen Abarbeitung durch Erzeugung eines rechteckigen Strahls.

In anderen Worten, durchlaufen die durch den Polarisator linear polarisierten Lichtstrahlen eine zusätzliche Kollimationsoptik, welche die überwiegend divergent aus dem Polarisator austretenden Strahlen sammelt und auf die Probe derart ausrichtet, dass diese parallel und in einem breiten Strahl / Strahlenbündel auf die Probe auftreffen. Demnach wird das ursprünglich von einer punktförmigen Quelle ausgestrahlte Licht in ein Strahlenbündel aus parallelen Strahlen umgewandelt, wodurch das Licht in einer bestimmten Richtung ausgerichtet ist.

In einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung, ist ein Sensor bzw. die Sensorebene der Polarisationskamera in einem Winkel bezüglich eines in die Polarisationskamera einfallenden Lichtstrahls angeordnet.

Demnach ist die Polarisationskamera bzw. nur deren Sensorebene derart gegenüber der zu messenden Probe angeordnet, dass der von der Probe reflektierte Lichtstrahl in einem Winkel auf die Sensorebene fällt. Diese Schiefstellung der Bild- / Sensorebene der Polarisationskamera gegenüber der Objektebene ist gemäß der Scheimpflug-Bedingung derart zu gestalten, dass sich diese Ebenen schneiden und deren Schnittgeraden in die Objektivebene fallen. Anders ausgedrückt, schneiden sich durch die Schiefstellung der Sensorebene die Objekt-, Objektiv- und Sensorebene in einer gemeinsamen Geraden. Dadurch wird sichergestellt, dass eine schiefe Objektebene stets scharf durch die Polarisationskamera abbildbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren mit einem abbildenden Ellipsometer, insbesondere gemäß den vorstehend erläuterten Ausführungen, mit einer monochromatischen Lichtquelle, einem Polarisator, einem winkelselektiven Objektiv und einer Polarisationskamera zur flächigen Schichtdickenmessung einer, vorzugsweise zylinderförmigen, Probe. Das Verfahren beinhaltet die Schritte Beleuchten der Probe mithilfe eines von der Lichtquelle abgestrahlten und anschließend durch den Polarisator polarisierten Lichtes und Erfassen des von der Probe reflektierten Lichtes und winkelselektives Abbilden der Probe auf eine Sensorebene der Polarisationskamera durch das Objektiv. Vorzugsweise, wird der polarisierte Lichtstrahl durch eine Kollimationsoptik parallelgerichtet / kollimiert bevor dieser auf die Probe trifft. Erfindungsgemäß verwendet das Verfahren die Schritte Polarisieren des erfassten Lichtes in lineare Polarisationsorientierungen / Polarisationsrichtungen 0°, 45°, 90° und 135° bzw. -45° durch segmentierte Polarisationsfilter der Polarisationskamera, Umwandeln des durch den Polarisator und der Probe polarisierten Lichtes mithilfe einer Viertelwellenplatte, deren optische Hauptachse um +/-45° gegenüber einer Lichtebene gedreht ist, wodurch statt der Intensitäten des Lichtes in den Polarisationsorientierungen 0° und 90° eine Intensität einer rechts zirkularen Polarisationsorientierung und eine Intensität einer links zirkularen Polarisationsorientierung durch die Polarisationskamera gemessen werden, Messen der Intensitäten des Lichtes in den jeweiligen Polarisationsorientierungen durch die Polarisationskamera, Berechnen zumindest eines schichtdickenabhängigen Verhältnisses aus den gemessenen Intensitäten der verschiedenen Polarisationsorientierungen durch Gleichungen RZ = (IR-IL) / (IR+IL) als ein Zirkular-(Mess-)Signal und R45 = ( I45-I-45) / ( I45+I-45) als ein Linear-(Mess-)Signal, wobei IR eine Intensität des Lichtes in der rechts zirkularen Polarisationsorientierung, II eine Intensität des Lichtes in der links zirkularen Polarisationsorientierung, I45 eine Intensität des Lichtes in der linearen 45° Polarisationsorientierung und I-45 eine Intensität des Lichtes in der linearen 135° Polarisationsorientierung ist, sowie Evaluieren des zumindest einen Verhältnisses und Berechnen einer lokalen Schichtdicke der Probe. Optional trifft der reflektierte Lichtstrahl auf eine schief angeordnete Sensorebene der Polarisationskamera auf, wodurch eine scharfe Darstellung der möglicherweise schief / schräg ausgerichteten Objektebene der Probe sichergestellt wird. Eine eventuell vorhandene Beschichtung auf der Probe beeinflusst die Reflexionseigenschaften des Lichts, wodurch ein neuer Polarisationszustand des reflektierten Lichts entsteht, welcher wiederum das von der Polarisationskamera gemessene Intensitätsverhältnis beeinflusst. Diese berechneten Intensitätsverhältnisse werden mittels einer mathematischen Modellierung mit der gesuchten Schichtdicke oder mit sonstigen Schichteigenschaften der gemessenen Probe korreliert / gegenübergestellt.

Zusätzlich oder alternativ erfolgt ein Umwandeln des durch den Polarisator polarisierten Lichtes mithilfe einer Viertelwellenplatte, deren optische Hauptachse um 0° oder 90° gegenüber der Lichtebene gedreht ist, wodurch statt der Intensitäten des Lichtes in den Polarisationsorientierungen 45° und 135° eine Intensität einer rechts zirkularen Polarisationsorientierung und eine Intensität einer links zirkularen Polarisationsorientierung durch die Polarisationskamera gemessen werden.

Beispielsweise sind auch weitere schichtdickenabhängige Intensitätsverhältnisse in Abhängigkeit gemessener Lichtintensitäten der Polarisationsorientierungen 0° bzw. p-Polarisation und 90° bzw. s-Polarisation berechenbar. Zum Beispiel sind Messsignale durch die Intensitätsverhältnisse Rps = Ip / Is und / oder Rps2 = ( l _P -l _s ) / (l _P +ls) berechenbar. Dabei ist die Größe l _P die gemessene / erfasste Intensität des p-Polarisations-Anteils des Lichtstrahls und die Größe Is die gemessene / erfasste Intensität des s-Polarisations-Anteils des Lichtstrahls. Die p-Polarisation ist parallel zur Lichtebene polarisiert und die s- Polarisation senkrecht dazu, wodurch, wenn erfindungsgemäß die Polarisationskamera mit ihrer O°-Filter-Richtung parallel auf die p- oder s-Polarisation eingerichtet ist, die Intensitäten l _P und l _s den von der Polarisationskamera gemessenen Intensitäten Io und I90 entsprechen.

Ein Kippen der Kamera ist grundsätzlich einfacher, verschlechtert aber die Wirkung der im Kamerasensor integrierten Pol. -filter, da das Licht dann schief auf den Sensor einfällt. Durch das alternative Kippen der Linsen des Objektivs kann dieses Problem umgangen werden. In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Probe als ein Zylinder mit einer zu messenden Schichtdicke und einer Zylinderachse, welche um 0° oder 90° gegenüber der Lichtebene gedreht ist. Demnach strahlt das durch die Lichtquelle abgestrahlte und anschließend durch den Polarisator polarisierte Licht parallel oder normal auf die Zylinderachse der Probe. Dadurch ist eine entsprechende Linie entlang des Zylinders parallel zu der Zylinderachse abbildbar, vorzugsweise mittels einer winkelselektiven, evtl, objektseitig telezentrischen Optik. Insbesondere erfolgt die Messung bei einer Zylinderprobe, welche eine Zylinderachse in O°-Lage bezüglich der Lichtebene aufweist, unter der Scheimpflug-Bedingung.

Mit anderen Worten ist die Probe ein Zylinder, bzw. lokal von zylindrischer Form, mit einer zu messenden Schichtdicke. Demnach strahlt das durch die Lichtquelle abgestrahlte und anschließend durch den Polarisator polarisierte und durch den Kollimator koll im ierte Licht großflächig auf die Probe. Dadurch ist eine entsprechende Linie entlang des Zylinders parallel zu der Zylinderachse abbildbar, vorzugsweise mittels einer winkelselektiven objektseitig telezentrischen Optik, wodurch die bei Ellipsometrie erforderliche Definiertheit und Konstantheit des Betrachtungswinkels sicher gestellt wird. Bei Proben, welche kleiner als die Ojektivapertur sind, ist ein Winkel von 90° zwischen Lichtebene und Zylinderachse vorteilhaft, da dann auf der ganzen Probenlänge eine scharfe Abbildung vorliegt. Bei Proben, welche größer als die Objektivapertur sind, ist ein Winkel von 0° zwischen Lichtebene und Zylinderachse vorteilhaft. Durch die schräge Betrachtung erscheint die Pröble kleiner und kann trotz ihrer Größe bei passend gewähltem Betrachtungswinkel in ihrer Gesamtheit abgebildet werden. Um eine scharfe Abbildung zu erzielen, kann zusätzlich die Kamera und/oder auch die Objektivlinsen so gekippt werden, sodass zumindest näherungsweise die Scheimpflug-Bedingung erfüllt wird.

Die Verwendung von zylinderförmigen Proben erlaubt eine Auswertung bzw. Abbildung von Linien, aus denen sich die Zylinderwand zusammensetzt. Durch eine Rotation der Proben ist somit die gesamte Probenwand messbar bzw. abbildbar. Die entsprechende Messung entlang einer jeweiligen Linie liefert dabei eine qualitative Übereinstimmung mit herkömmlichen Messmethoden. Des Weiteren sind Fehlstellen durch die entsprechend durchführbaren Panoramamessungen entlang der Probenwände eindeutig aufzeigbar / abbildbar. Außerdem sind dadurch Echtzeitmessungen an rotierenden Zylinderproben einfach und mit guter Wiederholgenauigkeit durchführbar.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Probe als ein transparenter, insbesondere beschichteter, Zylinder mit einer zu messenden Schichtdicke ausgebildet und ein von einer Wandinnenseite der Probe und ein von einer Wandaußenseite der Probe reflektiertes Licht werden separat von der Polarisationskamera erfasst oder werden bei dünnwandigen transparenten Zylindern zusammen erfasst. Diese separate Erfassung wird durch einen kleinen Akzeptanzwinkel des Objektivs erleichtert bzw. ermöglicht. In anderen Worten ist für die getrennte Erfassung von Innen- und Außenwandreflexion die Verwendung eines winkelselektiven Objektivs von Vorteil bzw. notwendig.

In anderen Worten, wird der auf eine zylinderförmige (dickwandige) Probe mit einer (Zylinder-)Wandinnenseite und einer (Zylinder-)Wandaußenseite auftreffende / gerichtete Lichtstrahl anteilig von der Wandinnenseite und zugleich anteilig von der Wandaußenseite reflektiert. Anhand einer ausreichend gut kollimierten Beleuchtung und einer winkelselektiven und evtl, auch objektseitig telezentrischen Optik ist eine (Probenwand-)lnnenseitenreflexion von einer (Probenwand-)Außenseitenreflexion separierbar, wodurch die Polarisationskamera die reflektierten Lichtstrahlen separat erfasst und getrennt voneinander auswertet. Insbesondere erfolgt die Aufnahme der reflektierten Lichtstrahlen mit einem winkel-selektiven Objektiv, wodurch die Innen- und Außenreflektion gut separierbar sind. Zur Dickwandigkeit sei zu ergänzen, dass sie Voraussetzung für die Separierbarkeit der beiden Reflexionen ist. Bei z.B. PET- Flaschen ist das nicht gegeben und das reflektierte Licht enthält beide Reflexionen zugleich. In diesem Fall erfolgt eine gemeinsame Erfassung und Auswertung der Außen- und Innenseitenreflexion.

Dadurch ist neben der Dicke einer Außenwandbeschichtung einer zylinderförmigen Probe, insbesondere eines Glasröhrchens / Karpule / Flasche, gleichzeitig auch die Dicke einer Innenwandbeschichtung derselben Probe mit einem einzigen Messablauf messbar bzw. auswertbar.

Außerdem ist der Abstand zwischen dem Bild der Innenwandreflexion vom Bild der Außenwandreflexion ein Maß für die Wanddicke des Zylinders. Somit kann zusätzlich zur Schichtdickenmessung auch eine Wandstärkenmessung realisiert werden.

Alternativ ist das erfindungsgemäße Ellipsometer bei einem Rolle-zu-Rolle- / roll-to-roll- / R2R-Verfahren einsetzbar, bei dem ein von einer Rolle abrollbares Substrat, bspw. eine flexible Kunststoff- oder Metallfolie, bedruckt wird. Insbesondere, werden die flexiblen Folien bei diesen Verfahren mit einer flexiblen Elektronik / flexible elektronische Bauteile, bspw. mit photovoltaischen Komponenten, bedruckt. Hierbei wird eine Umlenkrolle, auf welcher die Folie / das Substrat mit der zusätzlichen bedruckten Schicht abgerollt bzw. umgelenkt wird, direkt mit dem 45°- polarisierten und, vorzugsweise kollimierten, Lichtstrahl beleuchtet. Die Polarisationskamera ist derart angeordnet, vorzugsweise schräg bezüglich der Achse der Umlenkrolle, dass eine Reflexion des Lichtstrahls entlang einer Linie auf dieser Folienprobe von der Polarisationskamera erfassbar ist. Eine gut kollim ierte Beleuchtung der Folie sowie die winkelselektive Optik des Ellipsometers stellen dabei eine saubere Erfassung der reflektierten Lichtstrahlen sicher. Diese R2R-Messungen sind schmalbandig (Bandbreite kleiner als Durchmesser der Objektiv-Apertur) auf der Umlenkrolle, in einer Ausrichtung normal zur Rollenachse (90°-Winkel zwischen Lichtebene und Achse der Umlenkrolle), oder auch breitbandig auf der Umlenkrolle, in einer Ausrichtung parallel zur Rollenachse (O°-Winkel zwischen Lichtebene und Achse der Umlenkrolle), durchführbar. Diese Schichtdickenmessung, welche direkt auf der Umlenkrolle des R2R-Verfahrens erfolgt, ermöglicht eine hohe Stabilität gegen Folienvibrationen und auch eine Unterdrückung von eventuell auftretenden Rückseitenreflexionen durch den Einsatz einer passenden Umlenkrolle. Ferner, sind dadurch Echtzeitmessungen der Schichtdicken während dem eigentlichen R2R- Verfahren, das heißt unmittelbar nach dem eigentlichen Beschichtungsvorgang, möglich. Die Messung erfolgt also vorteilhaft auf einer Umlenkrolle, auf welcher die Folie abgerollt oder umgelenkt wird, somit auf einer zylinderförmigen Oberfläche. In einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung erfasst die Polarisationskamera eine zusätzliche Reflexion oder mehrere zusätzliche Reflexionen des Lichtstrahls von einer Hinterwand der Probe, welche bezüglich der Polarisationskamera am weitesten entfernt angeordnet ist, und wertet diese aus. Bei dickwandigen Proben gibt es solch auswertbare Reflexionen an der Vorderseite und Rückseite einer Hinterwand der Probe, die es wertvoll erscheinen lassen, hierauf eine Auswertung zu richten. Eine gewisse Analogie zur Vorderwand im Verhalten ist feststellbar.

Anders ausgedrückt, ist neben einer ersten Reflexion des Lichtstrahls von der Probe, welche von der Probenwand ausgeht, die der Polarisationskamera näher angeordnet ist, auch eine weitere Reflexion des Lichtstrahls von der Hinterwand der Probe, also der Probenwand, welcher von der Polarisationskamera weiter entfernt angeordnet ist, erfassbar und auswertbar. Dadurch liegt pro Probe / Gebinde eine Messung entlang zweier gegenüberliegender Linien der zylinderförmigen Probe vor, welche entlang der Probe parallel zu deren Zylinderachse verlaufen.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt das Erfassen des von der Probe reflektierten Lichtes durch die Polarisationskamera während einer Rotationsbewegung der Probe.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die zylindrische Probe mit kollimiertem Licht aus verschiedenen leicht unterschiedlichen Richtungen beleuchtet. Dies kann durch Prismen und oder Spiegel in Kombination mit dem Kollimator erreicht werden, sodass weiterhin nur eine Lichtquelle notwendig ist. Damit können mehr Linien am Umfang gleichzeitig auf den Sensor abgebildet und damit auch gleichzeitig ausgewertet werden, womit die Fläche des Sensors besser ausgenutzt wird und damit auch mehr Information über die Gleichverteilung der Beschichtung gewonnen wird.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die zylindrische Probe auch mit leicht konvergentem Licht beleuchtet werden, womit die abgebildete Linie breiter wird, sodass aus einer Aufnahme mehr Infomation über die Gleichverteilung der Beschichtung ermittelt werden kann.

Somit ist eine Vielzahl an Messungen, die je nach Genauigkeitsanforderung bzw. Auflösungsanforderung unterschiedlich dicht bzw. mit unterschiedlichen Abständen nacheinander durchführbar, ohne dass die jeweiligen Komponenten des abbildenden Ellipsometers einer Bewegung ausgesetzt werden müssen. Lediglich die zu messende Probe wird während den Messvorgängen rotiert, wodurch die Komplexität sowie die Komponentenanzahl des Messsystems zusätzlich reduziert werden. Beispielsweise ist für den Fall, dass die Schichtdickenmessungen an einer einzelnen Flasche bzw. Karpule durchgeführt werden, diese während der Messungsvorgänge auf einer drehbaren Vorrichtung angeordnet oder für den Fall, dass diese Messungen an einer Vielzahl an Flaschen bzw. Karpulen in der Produktionslinie durchgeführt werden, diese Vielzahl an Flaschen bzw. Karpulen innerhalb eines Fördersystems angeordnet / an diesem befestigt, welches die mehreren Flaschen oder Karpulen an der statisch angeordneten Polarisationskamera vorbeibewegen / vorbeifahren. Somit sind Schichtdickenmessungen an einer Mehrzahl an Proben schnell und effizient, ohne zeitaufwändiges Auswechseln / Austauschen einzelner Proben, durchführbar. Diese Echtzeitmessung / Panoramamessung an der rotierenden Karussell-Vorrichtung, beispielsweise bei 10 Messungen pro Sekunde, zeigt fehlende Beschichtungen mit einer hohen Wiederholgenauigkeit eindeutig an.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Merkmale werden mit denselben Bezugszeichen referenziert. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen untereinander ausgetauscht werden sowie in einer bestimmten Kombination auftreten können.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung sowie eine der vorteilhaften Ausführungsformen anhand der Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung in einer Draufsicht des erfindungsgemäßen Ellipsometers gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch die Achse einer zu messenden zylinderförmigen Probe während eines Messvorgangs,

Fig. 3 ein beispielhaftes Diagramm, welches die gemessenen flächigen Schichtdickenverläufe einer innen-beschichteten Karpule mit Fehlstellen während einer Panoramamessung darstellt,

Fig. 4 ein beispielhaftes Diagramm, welches die gemessenen flächigen Schichtdickenverläufe innen-beschichteter (PET)-Flaschen während einer Panoramamessung darstellt.

Die gleichen Merkmale sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Ellipsometers 1 gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform. Eine andere Anordnung im Raum ist möglich und je nach Anwendungsfall zu bevorzugen. Das Ellipsometer 1 weist eine Lichtquelle 3 auf, deren abgegebene Lichtstrahlen einen Polarisator 4 mit einer Polarisatorachse, welche mit der Zeichenebene einen 45°-Winkel einschließt, passieren. Die mithilfe des Polarisators 4 linear polarisierten Lichtstrahlen durchlaufen anschließend eine Kollimationsoptik 8, optional aus Zylinderlinsen, wodurch die Strahlen parallelgerichtet auf eine zu messende zylinderförmige Probe 2 auftreffen. Die auftreffenden Strahlen werden anschließend von der Probe 2 reflektiert und eventuell auch gestreut, woraus sich eine stark divergente Reflexion mit einem breiten Lichtstrahldurchmesser ergibt. Ein Anteil des breiten Lichtstrahls wird von einem winkelselektiven und evtl, objektseitig telezentrischen Objektiv 5 erfasst und durchläuft anschließend eine Viertelwellenplatte 7, deren Hauptachse in dieser abgebildeten Ausführungsform einen 45°-Winkel mit der Zeichenebene einschließt. Die reflektierten polarisierten Lichtstrahlen werden anschließend von einer Polarisationskamera 6 mit Polarisationsfiltern in 0°, 45°, 90° und 135°- Ausrichtungen erfasst. Die Polarisationsfilter polarisieren das erfasste Licht in die Polarisationsrichtungen 0°, 45°, 90° und 135° auf und der folgende Sensor misst die jeweiligen Intensitäten dieser Anteile. Anschließend wird zumindest ein schichtdickenabhängiges Verhältnis aus den gemessenen Intensitäten berechnet und evaluiert, woraus sich eine lokale Schichtdicke der Probe 2 ergibt.

Figur 2 zeigt eine Schnittansicht durch die Zylinderachse einer zu messenden zylinderförmigen Probe 2 während eines (Schichtdicken-)Messvorgangs. Die dickwandige Probe 2 weist eine Wandinnenseite 9 und eine Wandaußenseite 10 auf. Ferner, sind kollimierte, 45° linear polarisierte Lichtstrahlen abgebildet, die auf die Probe 2 treffen. Hierbei sind nur die Strahlen dargestellt, welche nach einer Reflexion durch die Probe 2 parallel auf das nicht dargestellte (winkelselektive) Objektiv treffen. Der von der Wandaußenseite 10 der Probe 2 reflektierte Lichtstrahl 12 und der von der Wandinnenseite 9 der Probe 2 reflektierte Lichtstrahl 11 verlaufen ebenfalls parallel zueinander. Erkennbar sind die gleichen Eintritts- und Austrittswinkel der Lichtstrahlen auf bzw. von der Probe 2. Ferner, ist eine Brechung des Strahls innerhalb der Probenwand, welches durch die Wand der Probe 2 verläuft und von der Wandinnenseite 9 reflektiert wird, zu erkennen. Somit sind Lichtstrahlen der Innenreflexion sowie der Außenreflexion gut separiert erfassbar. Des Weiteren, sind bei einem ausreichend breiten Lichtstrahlbündel, welcher auf die Probe 2 trifft, auch zusätzliche Lichtstrahlen, die von der Wandinnenseite 9 und der Wandaußenseite 10 der Probe 2 an den Stellen (hier unten), welche den in dieser Abbildung dargestellten Reflexionspunkten (hier oben) gegenüberliegen, von dem Objektiv erfassbar.

Figur 3 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, welches die gemessenen flächigen Schichtdickenverläufe einer mit Silikonöl innen-beschichteten Karpule mit Fehlstellen 15 während einer, bspw. 20-sekündigen, Panoramamessung darstellt. Auf der x- Achse des Diagramms ist die Anzahl von Messungen zwischen 0 und 200 dargestellt, wohingegen die y-Achse einen Höhenabschnitt der Probe zwischen 0 und 60 mm darstellt. Hierbei erfolgen die Messungen während einer Rotationsbewegung der Karpule, wobei immer 100 Messungen pro Umdrehung durchgeführt sind. Die gemessenen Schichtdicken der Karpule sind mithilfe unterschiedlich dichter Schraffuren dargestellt. Die Schichtdicken reichen von 0 pm (keine Schraffierung) bis hin zu 0,4 pm (starke bzw. dichte Schraffierung). Das Diagramm ist entlang der x-Achse in einen Bereich der ersten Umdrehung 13 der Karpule und einen Bereich der zweiten Umdrehung 14 der Karpule unterteilt, die jeweils 100 Messungen durch das erfindungsgemäße Ellipsometer aufzeigen, wodurch sich ein flächiger Schichtdickenverlauf der Karpule zusammensetzt. Zu erkennen ist ein Bereich einer hohen Schichtdicke 16, welche in der ersten Hälfte der jeweiligen Umdrehungen der Karpule auftritt. Außerdem ist eine Fehlstelle 15, ungefähr bei den Messungen 40 bis 60 und 140 bis 160, abgebildet, welche vor diesen Messungen mittels einem Durchschieben eines Wattestäbchens erzeugt worden ist.

Figur 4 ein beispielhaftes Diagramm, welches die gemessenen flächigen Schichtdickenverläufe von vier unterschiedlichen beschichteten (PET)-Flaschen, bspw. mit einer Beschichtung in Form einer Bamereschicht SiÜ2 auf der Innenseite, während einer Panoramamessung darstellt. Auf der x-Achse des Diagramms ist die Anzahl von Messungen zwischen 0 und 255 dargestellt, wohingegen die y-Achse einen Höhenabschnitt der Proben zwischen 0 und etwa 35 mm darstellt. Hierbei erfolgen die Messungen nur in einem Etikettbereich der Flaschen. Jede der vier unterschiedlichen beschichteten Flaschen durchläuft 50 Messungen pro Umdrehung, welche in diesem Diagramm als (Mess-)Bereiche 17, 18, 19 und 20 dargestellt sind. Zwischen jeder Messung der beschichteten Flaschen ist ein Bereich von ca. 20 Messungen an einer weiteren unbeschichteten Flasche dargestellt. Die (Mess-) Bereiche 21 an der unbeschichteten Flasche sind hierbei nicht schraffiert dargestellt, wohingegen die Schraffierungen / Schraffur mit zunehmender Schichtdicke der Etiketten der beschichteten Flaschen dichter dargestellt sind. Dabei sind Schichtdicken zwischen 0 und 0,07 pm dargestellt. Erkennbar sind die relativ hohen Schichtdicken von bis zu 0,07 pm der zweiten und der dritten beschichteten Flaschen in den dargestellten (Mess-)Bereichen 18 und 19.

Bezuqszeichenliste

Ellipsometer

Probe

Lichtquelle

Polarisator winkelselektives Objektiv, evtl, objektseitig telezentrisch Polarisationskamera

Viertelwellenplatte

Kollimationsoptik

Wandinnenseite (der Probe)

Wandaußenseite (der Probe) , 12 reflektiertes Licht

Bereich der ersten Umdrehung

Bereich der zweiten Umdrehung

Fehlstelle

Bereich hoher Schichtdicke

(Mess-)Bereich der ersten beschichteten Flasche

(Mess-)Bereich der zweiten beschichteten Flasche

(Mess-)Bereich der dritten beschichteten Flasche

(Mess-)Bereich der vierten beschichteten Flasche

(Mess-)Bereich der unbeschichteten Flasche