Wie wird die Schichtdicke berechnet? Präzise Messungen durch optische Interferenz freischalten

Die kurze Antwort lautet, dass die Schichtdicke nicht direkt gemessen, sondern durch die Analyse der Wechselwirkung von Lichtwellen mit der Schicht berechnet wird. Spezialisierte Instrumente messen das Interferenzmuster, das durch Licht erzeugt wird, das von der Schicht entweder reflektiert oder durch sie hindurch transmittiert wird, und hochentwickelte Algorithmen verwenden dieses Muster dann, um einen präzisen Dickenwert zu berechnen.

Das Kernprinzip ist die Dünnschichtinterferenz. Die Wahl der Messmethode – und damit die spezifische Berechnung – hängt vollständig davon ab, ob das Material unter der Schicht (das Substrat) opak oder transparent ist.

Das Kernprinzip: Interferenz von Lichtwellen

Um zu verstehen, wie die Dicke berechnet wird, müssen Sie zunächst das Phänomen der Lichtwelleninterferenz verstehen. Dies ist die Grundlage, auf der alle modernen optischen Dickenmessungen aufbauen.

Die Zwei-Wellen-Wechselwirkung

Wenn Licht auf eine dünne Schicht trifft, wird ein Teil davon von der oberen Oberfläche reflektiert. Der Rest des Lichts dringt in die Schicht ein, durchläuft sie und wird von der unteren Oberfläche (der Schicht-Substrat-Grenzfläche) reflektiert.

Diese beiden getrennten reflektierten Lichtwellen breiten sich dann zurück aus und überlagern sich. Da eine Welle einen längeren Weg zurückgelegt hat (durch die Schicht hinunter und wieder hinauf), ist sie phasenverschoben gegenüber der ersten Welle.

Konstruktive und Destruktive Interferenz

Abhängig von der Dicke der Schicht und der Wellenlänge des Lichts verstärken sich diese beiden überlagernden Wellen gegenseitig (konstruktive Interferenz) oder löschen sich gegenseitig aus (destruktive Interferenz).

Diese Interferenz erzeugt einen einzigartigen spektralen „Fingerabdruck“ von Spitzen (konstruktiv) und Tälern (destruktiv) bei verschiedenen Lichtwellenlängen. Der Abstand zwischen diesen Spitzen ist direkt proportional zur Dicke der Schicht.

Die Wahl der richtigen Messmethode

Das Substrat – das Material, auf das die Schicht aufgebracht wird – ist der wichtigste Faktor bei der Bestimmung der zu verwendenden Messtechnik.

Für opake Substrate: Reflektometrie

Wenn sich die Schicht auf einem opaken Substrat wie einem Siliziumwafer befindet, müssen Sie die Reflektometrie verwenden.

Ein Instrument beleuchtet die Probe mit einer Lichtquelle, und ein Detektor (Spektrometer) misst die Intensität des Lichts, das über einen Bereich von Wellenlängen zurückreflektiert wird. Durch die Analyse des Interferenzmusters in diesem reflektierten Licht kann die Software die Schichtdicke berechnen.

Für transparente Substrate: Transmission

Wenn sich die Schicht auf einem transparenten Substrat wie Glas oder Quarz befindet, können Sie die Transmissionsmethode verwenden.

Hierbei wird Licht durch die gesamte Probe geschickt, und der Detektor misst das Licht, das es bis zum Ende schafft. Diese Methode analysiert die Interferenzmuster im transmittierten Licht, um die Dicke zu bestimmen.

Verständnis der Kompromisse und Schlüsselvariablen

Das bloße Messen eines Spektrums reicht nicht aus. Die Berechnung ist ein Modellierungsprozess, der von kritischen Annahmen abhängt. Ein Fehler in diesen Annahmen führt zu einem falschen Ergebnis.

Die Bedeutung des Brechungsindex (n)

Die Berechnung ist untrennbar mit dem Brechungsindex (n) des Schichtmaterials verbunden, der beschreibt, wie schnell sich Licht darin ausbreitet.

Ohne Kenntnis des Brechungsindex können Sie die Dicke nicht genau berechnen. Wenn Sie der Analyse-Software einen falschen Brechungsindexwert übergeben, gibt sie einen falschen Dickenwert zurück.

Schichtuniformität und Rauheit

Optische Messtechniken funktionieren am besten bei Schichten, die glatt und gleichmäßig sind.

Wenn die Oberfläche der Schicht rau ist oder ihre Dicke über den Messfleck hinweg erheblich variiert, wird das Interferenzmuster gedämpft oder verzerrt, was eine genaue Berechnung schwierig oder unmöglich macht.

Komplikationen bei Mehrschichtsystemen

Wenn es sich um einen Stapel mehrerer dünner Schichten handelt, wird Licht von jeder Grenzfläche reflektiert. Dies erzeugt ein hochkomplexes Interferenzmuster, das fortschrittlichere Modellierungssoftware erfordert, um es zu entschlüsseln und die Dicke jeder einzelnen Schicht genau zu berechnen.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Die von Ihnen gewählte Methode wird durch Ihre Probe bestimmt, aber die Genauigkeit hängt vom Verständnis des gesamten Systems ab.

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Schichten auf Silizium oder Metall liegt: Sie werden die Reflektometrie verwenden. Konzentrieren Sie sich darauf, dass der Brechungsindex Ihres Materials gut charakterisiert ist.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Schichten auf Glas oder Kunststoff liegt: Sie können Transmissionsmessungen verwenden, die oft weniger empfindlich auf Rückflächenreflexionen reagieren und sauberere Daten liefern können.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf absoluter Genauigkeit liegt: Sie müssen nicht nur die Dicke, sondern auch die optischen Konstanten (wie den Brechungsindex) Ihres Materials validieren, da beide zusammen berechnet werden.

Letztendlich geht es bei der Beherrschung der Schichtdickenmessung darum, die Variablen zu kontrollieren, die beeinflussen, wie Licht mit Ihrem Material interagiert.

Zusammenfassungstabelle:

Messmethode	Am besten für Substrattyp	Schlüsselprinzip
Reflektometrie	Opak (z. B. Siliziumwafer)	Analysiert das Interferenzmuster im reflektierten Licht.
Transmission	Transparent (z. B. Glas, Quarz)	Analysiert das Interferenzmuster im transmittierten Licht.

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