DE19950559A1

DE19950559A1 - Verfahren zum Bestimmen von geometrischen Strukturen auf oder in einem Substrat sowie von Materialparametern

Info

Publication number: DE19950559A1
Application number: DE19950559A
Authority: DE
Inventors: Rolf Hertling
Original assignee: Steag ETA Optik GmbH
Current assignee: Steag ETA Optik GmbH
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 1999-10-20
Publication date: 2001-05-17
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: WO2001029502A1; DE19950559B4; EP1224433A1; US6753971B1

Abstract

Zur Bestimmung von geometrischen Strukturen und/oder Materialparametern auf oder in Substraten und ortsaufgelöst über die Substratfläche hinweg sind folgende Maßnahmen vorgesehen: DOLLAR A - Messen von Reflexions- und/oder Transmissions-Lichtintensitäts-Werten des gebeugten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge, DOLLAR A - Berechnen der Reflexions- und/oder Transmissions-Lichtintensitäts-Werte unter Verwendung eines Iterationsmodells, in das die einzelnen Schicht-Struktur- und/oder Materialparameter eingehen, und DOLLAR A - Ändern der Parameter bis zur Herbeiführung einer größtmöglichen Übereinstimmung zwischen den gemessenen und berechneten Werten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von geometrischen Strukturen auf oder in einem Substrat, an denen Lichtbeugung auftritt, sowie ein Verfahren zum Bestimmen von Parametern der auf oder in einem Substrat vorhandenen Materialien, wobei in oder auf dem Substrat zu Lichtbeugung führende geometrische Strukturen vorhanden sind.

Strukturen aufweisende Substrate sind beispielsweise optische Speicherme dien (CD, CD-R, DVD, CD-RW, DVD-RW, DVD-R, MO/MD, usw.), die Gräben, sogenannte Grooves, zum Schreiben, Lesen und/oder Löschen von Daten aufweisen, deren Geometrien wie Tiefe, Breite und Abstand für die verschie denen Medienarten und herstellerspezifisch unterschiedlich sind. Auf den strukturierten Substraten, vorzugsweise Rohlingen aus Polycarbonat, werden zur Herstellung der optischen Speichermedien verschiedene Schichten mit unterschiedlichen Brechungs- und/oder Absorptionsindices und unterschiedli chen Schichtdicken aufgebracht, so daß sich die gewünschten optischen, thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Speicherme diums ergeben. Verfahren zum Messen von Dicken durchgehender Schichten sind bekannt und beispielsweise in der auf dieselbe Anmelderin zurückgehen den DE 197 39 794 A und der dort genannten Druckschriften beschrieben. Mit den bekannten Verfahren ist es jedoch nicht möglich, die über die Substrat fläche hinweg vorhandenen unterschiedlichen Dicken, also eine laterale Schichtdickenänderung senkrecht zur Richtung des Schichtaufbaus zu be stimmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das nicht nur die Bestimmung von Dicken durchgehender Schichten, sondern auch geometrischer Strukturen auf oder in einem Substrat ermöglicht. Aufga be der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zum Bestimmen von Parametern der auf oder in einem Substrat vorhandenen Materialien zu schaffen.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Bestimmen von geome trischen Parametern auf oder in einem Substrat, an denen Lichtbeugung auf tritt, durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

- Messen von Reflexions- und/oder Transmissions-Lichtintensitäts- Werten des gebeugten Lichts in Abhängigkeit von der Wellen länge,
- Berechnen der Reflexions- und/oder Transmissions-Licht intensitäts-Werte unter Verwendung eines Iterationsmodells, in das die einzelnen Schicht-Struktur- und/oder Materialparameter eingehen, und
- Ändern der Parameter bis zur Herbeiführung einer größtmögli chen Übereinstimmung zwischen den gemessenen und berech neten Werten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, nicht nur die in einem Substrat vorhandenen Oberflächenstrukturen, wie Rillen oder Grooves zu messen, sondern auch die geometrischen Strukturen von Schichten und La gen verschiedener Materialien zu bestimmen, die auf dem Substrat aufge bracht werden. Beispielsweise ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, auch senkrecht zur Richtung des Schichtaufbaus vorhandene Seg mentierungen, also laterale Strukturen zu bestimmen, wie sie beispielsweise bei informationstragenden Substanzen von einmal beschreibbaren CD (CD-R) vorhanden sind. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, durch amplituden- und/oder phasenrichtige Überlagerung aller Partialwellen die optischen Spek tren zu simulieren und durch Variation der geometrischen Parameter diese so zu bestimmen, daß die gemessenen und modellierten Spektren optimal über einstimmen, ist es möglich, auch über dem Substrat mit unterschiedlicher Schichtdicke vorhandene oder aufgebrachte Schichten ortsaufgelöst zu er mitteln. Da die Spektren sehr empfindlich auf Änderungen der Dicken dünner Schichten, beispielsweise im Nanometer-Bereich, reagieren, ist die Genauig keit des erfindungsgemäßen Verfahrens dementsprechend hoch. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet darüber hinaus zerstörungsfrei und ohne die Notwendigkeit von Probenpräparationen, wie dies bei herkömmlichen Verfah ren der Fall ist.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Verfahrens schritt die Reflexions- und/oder Transmissions-Lichtintensitäts-Werte des ge beugten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge gemessen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, das gebeugte Licht nullter Beugungsordnung zu mes sen, obgleich auch das gebeugte Licht höherer Beugungsordnung für diese Messung ausgewertet werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Bestimmung der geometrischen Abmessungen der Strukturen in und/oder auf dem Substrat besonders vorteil haft. Die geometrischen Strukturen werden dabei vorzugsweise durch die Dic ken von den auf dem Substrat aufgebrachten Schichten bestimmt.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die örtlichen Strukturen auf der Substratoberfläche bestimmt. Dadurch ist es möglich, laterale Segmentierungen bzw. Reliefunterschiede über die Sub stratfläche hinweg ortsaufgelöst zu ermitteln.

Für den Fall, daß sich die Strukturen auf dem Substrat über die Substratfläche hinweg kontinuierlich ändern, ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn zumindest diese Bereiche kontinu ierlich sich ändernder Strukturen durch Polygonbildung segmentiert und die Strukturen der einzelnen Polygonsegmente bestimmt werden. Auf diese Wei se ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, beispielsweise Schrägen oder runde Oberflächenbereiche zu bestimmen, indem die Struktu ren in eine Rasterung in Segmente oder Zellen eingeteilt wird, wobei die Ge nauigkeit der Strukturbestimmung durch die Feinheit der Rasterung wählbar ist. Die Struktur einer derartigen Multikomponenten-Aufteilung wird also durch geeignete Rasterung mit Zellen beliebiger Materialien, Dicke, Tiefe und/oder Breite erfaßt.

Vorzugsweise sind die sich gegebenenfalls auch über die Substratfläche hin weg zumindest teilweise kontinuierlich ändernden Strukturen durch Schichten gebildet, die auf das Substrat aufgebracht werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Struk turbildung in einem Fertigungsprozeß eingesetzt wird. Dies bedeutet, daß die ermittelten Daten zur jeweiligen Bestimmung oder Festlegung der Stellgrößen in einen geschlossenen Regelkreis einer Produktionsanlage eingegeben wer den. Das erfindungsgemäße Verfahren wird also vorzugsweise "inline" in ei nem Fertigungsprozeß verwendet.

Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, das erfindungsgemäße Verfah ren zur Messung der Strukturen von Substraten und auf diesen aufgebrachten Substratschichten und damit zur Ermittlung der Qualität von Mehrkomponen ten-Strukturen oder -Medien - also zur "offline"-Kontrolle - zu verwenden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemä ßen Verfahrens werden die Reflexions- und/oder Transmissions-Lichtintensi täts-Werte des gebeugten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge zur Bil dung gewünschter optischer Zieldaten simuliert. Das erfindungsgemäße Ver fahren ermöglicht also anstelle der Messung der Lichtintensitätswerte auch die Simulation gewünschter optischer Zieldaten und damit die Festlegung, al so ein Struktur-Design der auf einem Substrat aufzubringenden Struktur, bei spielsweise eines Mehrkomponenten-Systems im Falle von optischen Spei chermedien.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Substrate Rohlinge für Datenspeichermedien, wobei die Strukturen als Rillen im Rohling ausgebildet sind, und die auf dem Rohling aufgebrachten Strukturen aus Schichten informationstragender Substanzen, sogenannter Dye's, gebildet werden. Die über die Substratfläche hinweg unterschiedlichen Schichtdicken, die sogenannten Segmentierungen, ergeben sich z. B. bei einmal beschreib baren CD (CD-R) dadurch, daß die Dye-Schichtdicke in den Grooves höher als die Dicke zwischen den Grooves - in den sogenannten Land-Bereichen - ist, da im Falle dieser Speichermedien die Groove-Tiefe etwa im Gegensatz zu den Groove-Tiefen bei den CD-RW sehr groß ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich nicht auf die Anwen dung in Zusammenhang mit optischen Speichermedien und deren Herstellung beschränkt. Beispielsweise ist es auch sehr vorteilhaft möglich, das Verfahren in Zusammenhang mit der Bestimmung von Oberflächenfaktoren anderer Ob jekte, wie z. B. Anzeigeeinrichtungen, Displays u. a. zu verwenden.

Darüber hinaus ist das vorliegende Verfahren auch nicht nur zur Bestimmung von Oberflächenstrukturen, sondern auch von Parametern von Materialien geeignet, die auf oder in einem Substrat vorhanden sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Bestimmen von Parametern der auf oder in einem Substrat vorhandenen Materialien gelöst, wobei im oder auf dem Substrat zu Lichtbeugung führende geometrische Strukturen vorhanden sind, und zwar durch folgende Verfahrensschritte:

- Messen von Reflexions- und/oder Transmissions-Lichtintensitäts- Werten des gebeugten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlän ge,
- Berechnen der Reflexions- und/oder Transmissions-Licht intensitäts-Werte unter Verwendung eines Iterationsmodelles, in das einzelne Schicht-, Struktur- und/oder Materialparameter ein gehen, und
- Ändern der Parameter bis zur Herbeiführung einer größtmögli chen Übereinstimmung zwischen dem gemessenen und berech neten Werten.

Ein derartiges Meßverfahren ist wiederum zerstörungsfrei anwendbar und so wohl in "offline"- als auch in "inline"-Anwendung in Zusammenhang mit opti schen Speichermedien aber auch mit anderen Objekten, wie beispielsweise Displaysund deren Fertigung einsetzbar.

Die Erfindung sowie deren Ausgestaltung und Vorteile wird bzw. werden nachfolgend am Beispiel der Messung bzw. Beschichtung einer CD-R unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Bereich eines mit Schichten versehenen Substrats für eine CD-R,

Fig. 2 ein Diagramm, in dem über die Wellenlänge die Reflexions- Lichtintensitäts-Werte aufgetragen sind,

Fig. 3 ein Beispiel für die Ermittlung ortsaufgelöster Abmessungen der Struk tur im Groove-Bereich und

Fig. 4 ein Beispiel für die Ermittlung ortsaufgelöster Abmessungen der Struk tur im Land-Bereich.

In Fig. 1 sind auf der x-Achse die in der x-y-Ebene sich erstreckenden Lateral- Abmessungen eines Bereichsquerschnitts durch eine CD-R und auf der Z- Achse in vertikaler Richtung die Schichtdicken aufgetragen.

Der im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Polycarbonat gefertigte Rohling 1 weist im ersten lateralen Segmentbereich A einen sogenannten Land- Bereich auf, der im lateralen Segmentbereich B kontinuierlich in einen soge nannten Groove-Bereich C abfällt, der dann in x-Richtung in einem weiteren Übergangsbereich D in den Land-Bereich E übergeht, der dem Land-Bereich A entspricht. Der Rohling 1 ist also mit einer Nut oder Rille C ausgebildet, de ren Übergangsbereiche B, D in die Land-Bereiche A, E übergehen.

Auf diesem Rohling 1 ist eine Schicht, eine sogenannte Dye-Schicht 2 aufge bracht. Sie ist in den Land-Bereichen A, E dünner als im Groove-Bereich C, wobei die Schichtdicke vom Groove-Bereich C zum Land-Bereich A, E in den Übergangsbereichen B, D ansteigt. Dadurch ergibt sich für die Dye-Schicht 2 eine in Lateralrichtung x unterschiedliche Struktur mit zwar größerer Dicke jedoch geringerer Gesamthöhe im Groove-Bereich C und höheren Gesamt abmessungen im Land-Bereich A, E.

Kontinuierlich sich ändernde Strukturen, beispielsweise die Übergangsberei che B, D werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise da durch erfaßt, daß diese Bereiche in Segmente aufgeteilt und polygonisiert werden. Die einzelnen Segmente und deren Dicken werden dann in entspre chender Weise dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen. Die Genau igkeit der Strukturbestimmung derartiger Übergangsbereiche B, D läßt sich durch die Wahl der Segmentierungs- bzw. Polygonisierungs-Feinheit vorge ben.

In Fig. 2 ist über der Wellenlänge eine Kurve 21 für das berechnete Refle xionsvermögen und eine Kurve 22 für das gemessene Reflexionsvermögen dargestellt. Das Reflexionsvermögen gemäß der Kurve 21 wird aus zunächst vorgegebenen optischen Modellen berechnet. Danach werden mit jedem Re chenschritt Abmessungen der Segmentbereiche und der Schichtdicken und/oder die spektralen Materialparameter, wie beispielsweise der Bre chungsindex n und/oder der Absorptionsindex k solange variiert, bis sich eine Kurve 21 ergibt, die eine möglichst kleine Abweichung von der Kurve 22 auf weist. Daraus ergeben sich dann die Parameter der untersuchten Strukturen, wie die Tiefe, die Breite und/oder der Abstand der Substrat- und Schicht strukturen. Um insofern Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die auf die selbe Anmelderin zurückgehende, nicht vorveröffentlichte DE 198 52 323 A1 verwiesen, die zur Vermeidung von Wiederholungen insofern zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Die Bestimmung der Substrat- und Schichtstruktur wird dabei über die Fläche des Substrats hinweg punkt- bzw. abschnittsweise in lateraler Richtung durchgeführt, so daß sich auch eine Messung der Strukturen in lateraler Richtung, beispielsweise in x- und y-Richtung ortsaufgelöst ergibt, wie dies aus den Fig. 3 und 4 für Segmente mit unterschiedlichen Strukturabmes sungen im Groove-Bereich und im Land-Bereich über die Substratfläche hin weg ersichtlich ist. In den Fig. 3 und 4 sind jeweils die Dye-Dicken für die Farb- bzw. Grauabstufungen in Nanometer (nm) angegeben.

Die Erfindung wurde zuvor in Zusammenhang mit einem sehr einfachen Aus führungsbeispiel erläutert, bei dem lediglich eine Schicht auf das Substrat aufgebracht ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch bei Objek ten und deren Fertigung anwendbar, bei denen eine Vielzahl von Schichten, Schichtdicken und lateralen Segmentierungen vorgesehen sind, wobei geo metrische Parameter auch den Wert Null haben können. Die geometrischen Parameter, beispielsweise die Strukturen, können dabei nicht nur periodisch auftreten, wie dies im Fall der Rillen von optischen Speichermedien der Fall ist, sondern auch nichtperiodisch sein und sich nicht nur in x-Richtung son dern insbesondere auch in y-Richtung ändern, wie dies beispielsweise bei Objekten mit in x- und y-Richtung unregelmäßigen Strukturen, etwa bei Dis plays der Fall ist.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen geometrischer Strukturen auf oder in einem Substrat, an denen Lichtbeugung auftritt, durch

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Refle xions- und/oder Transmissions-Lichtintensitäts-Werte nullter oder höhe rer Beugungsordnung des gebeugten Lichts sind.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Dicken von auf dem Substrat aufgebrachten Schichten bestimmt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Strukturen auf der Substratoberfläche örtlich aufgelöst bestimmt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß sich auf dem Substrat kontinuierlich ändernde Strukturen durch Polygonbildung segmentiert und die Strukturen der einzelnen Polygonsegmente bestimmt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Strukturen durch auf das Substrat aufgebrachte Schichten gebildet werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Regelung der Strukturbildung in einem Ferti gungsverfahren.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Reflexions- und/oder Transmissions- Lichtintensitäts-Werte zur Bildung gewünschter optischer Zieldaten si muliert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet zur Festlegung einer Struktur in oder auf einem Substrat.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Substrate Rohlinge für Datenspeichermedien sind.

11. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktu ren als Rillen im Rohling ausgebildet sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen auf dem Rohling durch Aufbringen von Informationsspeicher- Schichten gebildet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß das Substrat ein Display ist.

14. Verfahren zum Bestimmen von Parametern der auf oder in einem Sub strat vorhandenen Materialien, wobei im oder auf dem Substrat zur Lichtbeugung führende geometrische Strukturen vorhanden sind, durch

- Messen von Reflexions- und/oder Transmissions-Lichtintensitäts- Werten des gebeugten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlän ge,

- Berechnen der Reflexions- und/oder Transmissions-Licht intensitäts-Werte unter Verwendung eines Iterationsmodelles, in das einzelne Schicht-, Struktur- und/oder Materialparameter ein gehen, und
- Ändern der Parameter bis zur Herbeiführung einer größtmögli chen Übereinstimmung zwischen dem gemessenen und berech neten Werten.