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WO2018171975A1 - Verfahren zum bestimmen eines materialabtrags und vorrichtung zur strahlbearbeitung eines werkstücks - Google Patents

Verfahren zum bestimmen eines materialabtrags und vorrichtung zur strahlbearbeitung eines werkstücks Download PDF

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WO2018171975A1
WO2018171975A1 PCT/EP2018/053178 EP2018053178W WO2018171975A1 WO 2018171975 A1 WO2018171975 A1 WO 2018171975A1 EP 2018053178 W EP2018053178 W EP 2018053178W WO 2018171975 A1 WO2018171975 A1 WO 2018171975A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
workpiece
sample workpiece
substrate
illumination radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/053178
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English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen BEZOLD
Stephan Six
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss SMT GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss SMT GmbH filed Critical Carl Zeiss SMT GmbH
Priority to JP2019551941A priority Critical patent/JP7105247B2/ja
Publication of WO2018171975A1 publication Critical patent/WO2018171975A1/de
Priority to US16/579,003 priority patent/US11162778B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0625—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection
    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • G—PHYSICS
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    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
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    • G—PHYSICS
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C15/00—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by etching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/305—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating, or etching
    • H01J37/3053—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating, or etching for evaporating or etching

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a material removal of a machining beam on a sample workpiece and to a device for beam machining of a workpiece.
  • non-contact machining methods are often used in which by means of a high-energy processing beam material from the zu
  • a processing beam such as ion beam figuring ("IBF"), electron beam machining or laser machining
  • Beam processing can be performed. In general, it is necessary for the beam processing a vacuum in the housing or in the
  • a quartz crystal which is coated with or comprises the material of the workpiece, wherein the material of the workpiece is at least partially removed by the beam tool from the quartz crystal and determines the change in the natural frequency of the quartz crystal by the material removal becomes.
  • the quartz crystal is arranged at a measuring position in a housing in which the beam processing takes place.
  • the object of the invention is a method for determining a
  • This object is achieved by a method for determining a
  • the sample workpiece comprises a substrate and a layer applied to the substrate
  • the method comprising: a) optically determining a layer thickness of the layer applied to the substrate, b) ablating material of the layer of the sample workpiece with the Processing beam, c) optically determining the
  • the material removal on the sample workpiece by optical measurement of the layer thickness of a layer of the sample workpiece which is arranged in the processing space of the device for beam processing, i. the sample workpiece is not for optical measurement from the processing room of the
  • Machining of the actual workpiece can be done in the processing room.
  • the optical measurement of the layer thickness of the layer of the substrate can be carried out, for example, by a (coaxial) interferometric layer thickness measurement, as described e.g. in the article "Coaxial interferometric
  • Coating Thickness Measurement ", Dr. Gerd Jakob, Photonik 3/2000.
  • it is sufficient for the determination of material removal when a single layer is applied to the substrate, but if necessary, two or more Layers of different materials may be applied to the substrate at which the determination of the material removal can take place.
  • the sample workpiece is irradiated with illumination radiation.
  • the illumination source for illuminating the sample workpiece may be arranged in the housing or in the processing space, but it is also possible for the illumination source to be outside the housing
  • imaging optics may be used to focus the illumination radiation on the sample workpiece. For an interferometric layer thickness measurement, it is favorable if the
  • Illumination radiation is broadband.
  • Illuminating radiation can be adapted to the wavelength range that can be detected by a spectrometer for recording an interference spectrum (see above).
  • the spectrometer may, for example, a
  • Wavelength range includes.
  • the layer and the substrate of the sample workpiece are transparent to the illumination radiation.
  • the transparency of the layer is necessary for the interferometric layer thickness measurement.
  • the transparency of the substrate is for an interferometric
  • Rear side of the substrate is favorable because the processing of the sample workpiece with the processing beam on the front side of the substrate takes place.
  • the imaging optics can therefore be arranged stationarily in the housing or in the processing space. This may not be possible with an arrangement of the imaging optics on the front side of the substrate, since the beam source also has to be arranged there in order to place the layer with the substrate
  • Imaging optics is arranged stationarily in the housing.
  • Step a) and in step c) an interference spectrum of the Sample workpiece reflected reflected illumination radiation.
  • the illumination radiation is reflected at the layer / substrate and air / layer interfaces, the path of the fraction reflected at the respective boundary surface being
  • Illumination radiation differs, i. There is a phase shift between the two partial beams. Meets polychromatic
  • the phase shift varies with the wavelength, i. E. there are alternately maxima and minima in the spectrum, i. an interference spectrum is generated.
  • the layer thickness of the layer e.g. be determined by a Fourier analysis, as described in more detail in the article cited above, which is incorporated by reference in its entirety to the content of this application.
  • the illumination radiation reflected on the sample workpiece for the purpose of recording the interference spectrum is conducted via a light guide to a spectrometer arranged outside the housing.
  • a spectrometer arranged outside the housing.
  • a light guide which may have a plurality of sections, which are formed for example in the manner of a fiber optic cable or the like, via a
  • the spectrometer typically has a diffraction grating and a spatially resolving detector for detecting the illumination radiation diffracted on the grating. It is favorable, but not absolutely necessary, for the illumination radiation to be conducted via the light guide into the housing and to the sample workpiece. In order to couple the illumination radiation from an illumination source into the light guide, it can be split or spliced.
  • the Illumination source may be integrated into the spectrometer or arranged separately from it.
  • the reflected illumination radiation is coupled into the light guide via imaging optics.
  • imaging optics for example in the manner of a lens, is usually required to couple the reflected illumination radiation into the light guide. If the illumination radiation is guided via the light guide to the sample workpiece, the imaging optics can be used simultaneously to the
  • a layer thickness between 0.1 pm and 20 pm.
  • interferometric layer thickness measurement can be determined.
  • a high initial layer thickness of the layer of the sample workpiece is favorable in order to allow a repeated determination of the material removal, without having to replace the sample workpiece for this purpose.
  • the machining beam is selected from the group comprising: ion beam, electron beam and laser beam.
  • the method described here for determining the removal of material can be used for any contactless ablation
  • Perform beam processing i. this is not limited to the types of processing beams described above.
  • Another aspect of the invention is realized in a device for
  • Beam machining of a workpiece by means of a machining beam comprising: a beam source for generating the machining beam, a housing in which a processing space for beam machining of the workpiece is formed, at least one sample workpiece arranged in the housing, comprising a substrate and a layer applied to the substrate, an illumination source for illuminating the Sample workpiece with
  • Illumination radiation and a preferably arranged outside the housing spectrometer for receiving an interference spectrum of reflected on the sample workpiece illumination radiation.
  • the device according to the invention is designed to perform an interferometric layer thickness measurement on the layer of the sample workpiece arranged in the processing space of the housing. On the basis of the optical layer thickness measurement, the material removal at the layer can be determined in the manner described above in connection with the method.
  • the illumination source is designed to produce polychromatic illumination radiation, i. this generates illumination radiation at several wavelengths and can be designed, for example, as a white light source and comprise one or more incandescent lamps.
  • the device comprises an evaluation device for evaluating the interference spectrum for determining a respective layer thickness of the layer applied to the substrate before and after processing the layer with the processing beam.
  • the material removal can be determined by comparing the layer thickness of the layer before and after processing with the processing beam, wherein the
  • Material removal typically corresponds to the difference between the layer thickness before and the layer thickness after processing with the processing beam.
  • the device includes a light guide for guiding back reflected on the sample workpiece Illumination radiation to the outside of the housing arranged
  • the spectrometer is typically located outside of the generally evacuated housing in which the processing space is formed. Through the light guide, the back reflected
  • the device has an imaging optics
  • the optical fiber may be a (multimode) optical fiber.
  • the optical fiber may be a (multimode) optical fiber.
  • Illumination radiation are guided over the optical fiber to the sample workpiece and focused by means of the imaging optics on the sample workpiece, in particular when the illumination source is arranged outside the housing.
  • the illumination source can also be arranged in the housing which is typically evacuated, as a result of which the light guide (s) can be shortened and thus the light losses can be reduced.
  • a homogenous illumination of the sample workpiece may be generated by an illumination source arranged in the housing, if necessary.
  • both the substrate and the layer for the illumination radiation are transparent, wherein preferably the
  • Substrate is polished on both sides.
  • the material of the substrate and the material of the layer may vary, provided that they are suitable for the wavelengths of the
  • Illumination radiation are transparent.
  • the substrate is only imperatively transparent to the illumination radiation when the sample workpiece is illuminated from the backside. In this case it is favorable if the substrate is polished on both sides, ie both on the front side and on the back side, in order to avoid light losses due to the scattering taking place on the rough surfaces of the substrate without such polishing.
  • the device additionally comprises a workpiece to be machined arranged in the processing space, which preferably has a material which coincides with the material of the layer of the sample workpiece.
  • a material is preferably used, which is compatible with the material of
  • the device additionally comprises a
  • Processing beam can come to direct sputtering (sputtering) of material of the workpiece or for indirect sputtering mounted in the processing room components.
  • sputtering direct sputtering
  • indirect sputtering mounted in the processing room components.
  • annular shield can be arranged, in which the sample workpiece is arranged.
  • the shield may surround the sample workpiece substantially annularly, with no or only a small gap between the
  • the sample workpiece may serve as a "window", ie, as part of the shield to protect the imaging optics as well as the light guide
  • the shield only the layer of the sample workpiece, the is to be processed by means of the processing beam (ie the measuring range), exposed to the processing space.
  • the shield has a movable aperture
  • Second which is movable between a first, closed position and a second, open position In the first, closed position, the diaphragm completely covers or covers the sample workpiece, ie the interior of the shield with the sample Typically, the workpiece is machined with the processing beam in the first position of the diaphragm In the second, open position, the interior of the shield, or at least the layer of the sample workpiece, on the material
  • the change between the two positions of the diaphragm can be effected by means of a drive, alternatively or additionally, the
  • (Movable) beam source for example in the form of an ion source, in the off state, a mechanical displacement of the diaphragm
  • the beam source for generating the processing beam is selected from the group: ion beam source,
  • Electron beam source and laser source As has been described above, in principle all beam sources can be used in the device, which generate a processing beam which enables a contactless removal of material.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for
  • Fig. 2a, b are schematic representations of a sample workpiece before and after a beam machining with the ion beam.
  • Fig. 1 shows an apparatus 1 for the beam machining of a workpiece 2 by means of a machining beam in the form of an ion beam 3, of a
  • Beam source 4 is generated in the form of an ion source.
  • the workpiece 2 is arranged in a processing space 5, which is formed within a housing 6.
  • the housing 6, more specifically the processing space 5, is evacuated by means of vacuum pumps not shown, i. in the housing 6 there is a vacuum environment.
  • the workpiece 2 which is a quartz glass blank in the example shown, it is favorable to reduce the material removal of the ion beam 3 in the workpiece 2 (per
  • a sample workpiece 7 is introduced, which consists of a Substrate 8, in the example shown Zerodur, and applied to the substrate 8 layer 9 is formed of quartz glass.
  • the material of the layer 9 is thus consistent with the material of the workpiece 2.
  • an interferometric layer thickness measurement is made on the layer 9 of the sample workpiece 7.
  • Illumination source 11 is generated, which outside the housing. 6
  • the illumination source 11 comprises two lamps which generate illumination radiation 10 at wavelengths between 190 nm and 1050 nm.
  • the use of a lighting source 11 with two or more lamps has been found to be beneficial when the illumination source 11 illuminates in a broad spectral range, e.g. between 190 nm and 1050 nm, since the emission spectrum of a single lamp in this case does not cover the entire desired spectral range.
  • Illumination radiation 10 is particularly advantageous for a layer thickness measurement on a very thin layer 9.
  • the illumination radiation 10 is coupled via a fiber section 12 into a light guide 13 in the form of a glass fiber, which is guided via a vacuum feedthrough 14 in the housing 6 into the processing space 5.
  • the light guide 13 is frontally connected to the housing of an imaging optical system 15 (objective), which serves to focus the illumination radiation 10 on the sample workpiece 7.
  • the illumination radiation 10 is irradiated essentially parallel to the thickness direction of the substrate 8 or the layer 9.
  • Both the substrate 8 of the sample workpiece 7 and the layer 9 are formed from a transparent material for the illumination radiation 10, ie, the illumination radiation 10 is substantially transmitted from the sample workpiece 7.
  • a small portion of the illumination radiation 10 is reflected in the processing space 5 due to the respective refractive index difference at the interface between the substrate 8 and the layer 9 as well as at the interface between the layer 9 and the vacuum environment. The reflected back on the sample workpiece 7
  • Illumination radiation 0a thus has two radiation components which have traveled a different optical path length, as indicated in FIG. 1 by a double arrow, resulting in a phase difference.
  • the reflected back to the sample workpiece 7 illumination radiation 10a is via the light guide 13 and the vacuum passage 14 from the
  • a spectrometer 16 which receives an interference spectrum S of the reflected illumination radiation 10a.
  • the model MCS 60 -c UV-NIR
  • the reflected illumination radiation 10 a strikes a diffraction grating and is split into its spectral components.
  • the diffracted at the diffraction grating illuminating radiation 10a is placed on a
  • the layer thickness of the layer 9 can be determined from the interference spectrum S obtained by means of the spectrometer 16, for example by a Fourier analysis, as described in the article "Coaxial interferometric layer thickness measurement", Dr. Gerd Jakob, Photonics 3/2000 cited above
  • the spectrometer 16 is provided with a
  • the sample workpiece 7 is processed with the ion beam 3 and material of the layer 9 is removed, as can be seen in FIG. 2b, resulting in a smaller layer thickness d2.
  • the removal of material from the layer 9 can be local, as shown in Fig. 2b, but it is also possible to remove the material of the layer 9 homogeneously over the entire layer 9. A homogeneous removal of the material of the layer 9 has proved to be favorable, since the result of the determination of the layer thickness d2 in a homogeneous material removal more stable against Positioniertationem of
  • Ion beam 3 and the imaging optics 15 is.
  • Layer thickness d2 of 1 ⁇ is measured.
  • Layer thicknesses d1, d2 corresponds.
  • the determination of the material removal Ad on the layer 9 can optionally be carried out several times in the manner described above, with the parameters of the ion beam 3, for example the ion energy, being varied in order to be able to machine the workpiece 2 as precisely as possible.
  • the machining of the workpiece 2 with the ion beam 3 can take place.
  • the ion source 4 is moved from the measuring position to a processing position shown in dashed lines in FIG. 1, at which the processing of the
  • the machining of the workpiece 2 can lead to sputtering (sputtering) of material of the workpiece 2, which can be deposited on the sample workpiece 7 and on the imaging optical system 15, the inlet-side part of the imaging optical system 15 and also the sample workpiece 7 with surrounded by an annular shield 18.
  • the sample workpiece 7 received in the shield 18 serves as a "window” and thus as protection for the imaging optics 15.
  • the sample workpiece 7 itself may not be protected against deposits formed during sputtering
  • a short in-situ cleaning step of the sample workpiece 7 can be carried out with the aid of the ion beam 3.
  • the shield 18 may comprise a diaphragm 18a which is connected between a first, in Fig. 1, dashed closed position and a second, in Fig. 1 by a solid line
  • the aperture 18a is typically located during processing of the workpiece 2 with the
  • the aperture 18a can be moved from the closed to the open position and vice versa by the ion source 4 is suitably moved in the processing space 5 so that it against the aperture 18a presses.
  • the diaphragm 18a in the processing space 5 may also be a drive or an actuator in the processing space. 5
  • the aperture 18a need not necessarily be displaced between the first and second positions, but another type of movement, e.g. a rotary motion, can perform.
  • the determination of the material removal ⁇ d can also be carried out with a different type of processing beam, which allows a non-contact material removal, for example a
  • Electron beam or a laser beam can be integrated into the evacuated processing space 5 of the housing 6 in order to achieve a more homogeneous illumination of the sample workpiece 7 with the illumination radiation 10.
  • Processing space 5 if necessary, several sample workpieces 7 are arranged in a magazine, of which only one is measured and is arranged at the measuring position shown in Fig. 1 in the processing space 5.
  • the magazine may for example be designed in the manner of a turntable, as described in the above-cited DE 10 2015 215 851 A1, which is incorporated by reference into the content of this application.
  • a vacuum lock can be used, which differs from a vacuum lock for the introduction and the discharge of the workpiece 2 in order to replace of the sample workpiece 7 to avoid a standstill in the machining of the workpiece 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Materialabtrags eines lonenstrahls (3) an einem Proben-Werkstück (7), das in einem Bearbeitungsraum (5) eines Gehäuses (6) einer Vorrichtung (1) zur Strahlbearbeitung angeordnet ist, wobei das Proben-Werkstück (7) ein Substrat (8) und eine auf das Substrat (8) aufgebrachte Schicht (9) aufweist, das Verfahren umfassend: a) Optisches Bestimmen einer Schichtdicke der auf das Substrat (8) aufgebrachten Schicht (9), b) Abtragen von Material der Schicht (9) des Proben-Werkstücks (7) mit dem lonenstrahl (3), c) Optisches Bestimmen der Schichtdicke (d2) der auf das Substrat (8) aufgebrachten Schicht (9), sowie d) Bestimmen des Materialabtrags durch Vergleichen der in Schritt a) bestimmten Schichtdicke mit der in Schritt c) bestimmten Schichtdicke. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung (1 ) zur Strahlbearbeitung eines Werkstücks (2), an der das Verfahren durchgeführt werden kann.

Description

Verfahren zum Bestimmen eines Materialabtrags und Vorrichtung zur
Strahlbearbeitung eines Werkstücks
Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 204 861.1 vom 23.03.2017, deren gesamter Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Materialabtrags eines Bearbeitungsstrahls an einem Proben-Werkstück sowie eine Vorrichtung zur Strahlbearbeitung eines Werkstücks.
Für die Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere von optischen Elementen, beispielsweise von Linsen oder von Spiegeln für Lithographiesysteme, werden häufig berührungslose Bearbeitungsverfahren eingesetzt, bei denen mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls Material von dem zu
bearbeitenden Werkstück abgetragen wird. Insbesondere bei der Bearbeitung von optischen Elementen für die Mikrolithographie ist eine hohe Präzision bei der Bearbeitung erforderlich, um die erforderliche Genauigkeit der
Oberflächenform bei der Bearbeitung der Werkstücke zu erreichen.
Um mittels eines Bearbeitungsstrahls die gewünschte präzise Bearbeitung eines Werkstücks vorzunehmen, ist es erforderlich, den Materialabtrag bzw. die Materialabtragsrate, der bzw. die bei vorgegebenen Einstellungen der Strahlquelle an dem zu bearbeitenden Material auftritt, genau zu bestimmen. Es ist bekannt, zu diesem Zweck den Materialabtrag bzw. die
Materialabtragsrate vor der Bearbeitung des Werkstücks an einem Proben- Werkstück zu bestimmen.
Bei einem berührungslosen abtragenden Bearbeitungsverfahren mittels eines Bearbeitungsstrahls, beispielsweise beim lonenstrahlbearbeiten (Jon beam figuring", IBF), beim Elektronenstrahlbearbeiten oder beim Laserbearbeiten wird das Werkstück in ein Gehäuse einer Vorrichtung zur Strahlbearbeitung eingebracht, das einen Bearbeitungsraum umschließt, in dem die
Strahlbearbeitung durchgeführt werden kann. In der Regel ist es erforderlich, für die Strahlbearbeitung ein Vakuum in dem Gehäuse bzw. in dem
Bearbeitungsraum zu erzeugen.
Für die Vermessung des Proben-Werkstücks ist es erforderlich, dieses in das Gehäuse einzuschleusen, das Proben-Werkstück mit dem Bearbeitungsstrahl zu bearbeiten, und das Proben-Werkstück wieder aus dem Gehäuse
auszuschleusen, um dieses an einem Interferometer-Messplatz zu vermessen. Dies kann sehr zeitaufwändig sein, da bei einer veränderten Einstellung des Strahlwerkzeugs bzw. der Strahlparameter ggf. mehrere Bearbeitungen des Proben-Werkstücks mit nachfolgenden interferometrischen Messungen des hierbei erfolgten Materialabtrags erforderlich sind.
Aus der DE 10 2015 215 851 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des
Materialabtrags bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem
Strahlwerkzeug bekannt geworden. Bei dem Verfahren wird ein Schwingquarz bereitgestellt, welcher mit dem Material des Werkstücks beschichtet wird oder dieses umfasst, wobei das Material des Werkstücks mit dem Strahlwerkzeug von dem Schwingquarz zumindest teilweise entfernt wird und die Veränderung der Eigenfrequenz des Schwingquarzes durch den Materialabtrag bestimmt wird. Der Schwingquarz ist an einer Messposition in einem Gehäuse angeordnet, in dem die Strahlbearbeitung erfolgt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen eines
Materialabtrags sowie eine Vorrichtung zur Strahlbearbeitung bereitzustellen, bei denen die Bestimmung des Materialabtrags schnell und zuverlässig durchgeführt werden kann.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen eines
Materialabtrags eines Bearbeitungsstrahls an einem Proben-Werkstück, das in einem Bearbeitungsraum eines Gehäuses einer Vorrichtung zur
Strahlbearbeitung angeordnet ist, wobei das Proben-Werkstück ein Substrat und eine auf das Substrat aufgebrachte Schicht aufweist, das Verfahren umfassend: a) Optisches Bestimmen einer Schichtdicke der auf das Substrat aufgebrachten Schicht, b) Abtragen von Material der Schicht des Proben- Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl, c) Optisches Bestimmen der
Schichtdicke der auf das Substrat aufgebrachten Schicht, sowie d) Bestimmen des Materialabtrags durch Vergleichen der in Schritt a) bestimmten
Schichtdicke mit der in Schritt c) bestimmten Schichtdicke.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Materialabtrag an dem Proben- Werkstück durch optische Vermessung der Schichtdicke einer Schicht des Proben-Werkstücks vorzunehmen, welches in dem Bearbeitungsraum der Vorrichtung zur Strahlbearbeitung angeordnet ist, d.h. das Proben-Werkstück wird zur optischen Vermessung nicht aus dem Bearbeitungsraum des
Gehäuses entnommen. Das hier beschriebene Verfahren ist daher wesentlich schneller und weniger komplex als die herkömmliche interferometrische Vermessung eines Proben- Werkstücks außerhalb des Gehäuses, da keine Schleusenvorgänge
erforderlich sind und sowohl die Bearbeitung des Proben-Werkstücks als auch die Messung des Materialabtrags am selben Ort in dem Bearbeitungsraum in dem Gehäuse durchgeführt werden können. Zudem kann ggf. eine höhere Genauigkeit als bei herkömmlichen interferometrischen Messverfahren erreicht werden, da die Bestimmung des Materialabtrags unmittelbar vor der
Bearbeitung des eigentlichen Werkstücks in dem Bearbeitungsraum erfolgen kann.
Die optische Vermessung der Schichtdicke der Schicht des Substrats kann beispielsweise durch eine (koaxiale) interferometrische Schichtdickenmessung erfolgen, wie sie z.B. in dem Artikel„Koaxiale interferometrische
Schichtdickenmessung", Dr. Gerd Jakob, Photonik 3/2000, beschrieben ist. Diese optische Messtechnik beruht auf der Reflexion von Strahlung an der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex, im vorliegenden Fall an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Schicht sowie zwischen der Schicht und der Umgebung, d.h. typischerweise Luft oder Vakuum (mit Brechzahl n = 1 ,0). In der Regel ist es für die Bestimmung des Materialabtrags ausreichend, wenn eine einzelne Schicht auf das Substrat aufgebracht ist, ggf. können aber auch zwei oder mehr Schichten aus unterschiedlichen Materialien auf das Substrat aufgebracht sein, an denen die Bestimmung des Materialabtrags erfolgen kann.
Bei einer Variante des Verfahrens wird zum Bestimmen der Schichtdicke in Schritt a) und in Schritt c) das Proben-Werkstück mit Beleuchtungsstrahlung bestrahlt. Die Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung des Proben-Werkstücks kann in dem Gehäuse bzw. in dem Bearbeitungsraum angeordnet sein, es ist aber auch möglich, die Beleuchtungsquelle außerhalb des Gehäuses
anzuordnen und die Beleuchtungsstrahlung über einen Lichtleiter, beispielsweise über eine Glasfaser und eine (Vakuum-)Durchführung in das Gehäuse zu führen. In beiden Fällen kann eine Abbildungsoptik dazu dienen, um die Beleuchtungsstrahlung auf dem Proben-Werkstück zu fokussieren. Für eine interferometrische Schichtdickenmessung ist es günstig, wenn die
Beleuchtungsstrahlung breitbandig ist. Der Wellenlängenbereich der
Beleuchtungsstrahlung kann an den Wellenlängenbereich angepasst werden, der von einem Spektrometer zur Aufnahme eines Interferenz-Spektrums (s.u.) erfasst werden kann. Das Spektrometer kann beispielsweise einen
Wellenlängenbereich zwischen 190 nm und 1050 nm erfassen, es ist aber nicht erforderlich, dass die Beleuchtungsstrahlung den gesamten
Wellenlängenbereich umfasst.
Bei einer Weiterbildung sind die Schicht und das Substrat des Proben- Werkstücks für die Beleuchtungsstrahlung transparent. Die Transparenz der Schicht ist für die interferometrische Schichtdickenmessung notwendig. Die Transparenz des Substrats ist für eine interferometrische
Schichtdickenmessung erforderlich, wenn die Beleuchtung des Proben- Werkstücks von der Rückseite, d.h. von der der Schicht abgewandten Seite des Substrats erfolgt. Die Beleuchtung des Proben-Werkstücks von der
Rückseite des Substrats ist günstig, da die Bearbeitung des Proben- Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl an der Vorderseite des Substrats erfolgt. Die Abbildungsoptik kann daher stationär in dem Gehäuse bzw. in dem Bearbeitungsraum angeordnet werden. Dies ist bei einer Anordnung der Abbildungsoptik an der Vorderseite des Substrats ggf. nicht möglich, da dort auch die Strahlquelle angeordnet werden muss, um die Schicht mit dem
Bearbeitungsstrahl zu bearbeiten. Da das Proben-Werkstück relativ zu der Abbildungsoptik justiert werden muss, ist es vorteilhaft, wenn die
Abbildungsoptik stationär in dem Gehäuse angeordnet wird.
Bei einer weiteren Weiterbildung wird zum optischen Bestimmen der
Schichtdicke in Schritt a) und in Schritt c) ein Interferenz-Spektrum von an dem Proben-Werkstück reflektierter Beleuchtungsstrahlung aufgenommen. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird die Beleuchtungsstrahlung an den Grenzflächen Schicht/Substrat und Luft/Schicht reflektiert, wobei sich der Laufweg des an der jeweiligen Grenzfläche reflektierten Anteils der
Beleuchtungsstrahlung unterscheidet, d.h. es tritt eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilstrahlen auf. Trifft polychromatische
Beleuchtungsstrahlung auf die Schicht, so variiert die Phasenverschiebung mit der Wellenlänge, d.h. es zeigen sich abwechselnd Maxima und Minima in dem Spektrum, d.h. es wird ein Interferenz-Spektrum erzeugt. Anhand des
Interferenz-Spektrums kann die Schichtdicke der Schicht z.B. durch eine Fourier-Analyse ermittelt werden, wie in dem weiter oben zitierten Artikel näher beschrieben ist, der durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Bei einer weiteren Variante wird die an dem Proben-Werkstück reflektierte Beleuchtungsstrahlung zur Aufnahme des Interferenz-Spektrums über einen Lichtleiter zu einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Spektrometer geführt. Typischerweise ist es bauraumbedingt sowie zur Vermeidung von Verschmutzungen nicht möglich, das Spektrometer in das - typischerweise evakuierte - Gehäuse der Vorrichtung zur Strahlbearbeitung zu integrieren. Daher ist es günstig, die reflektierte Beleuchtungsstrahlung über einen
Lichtleiter, der mehrere Abschnitte aufweisen kann, die beispielsweise in der Art eines Glasfaserkabels oder dergleichen ausgebildet sind, über eine
Vakuum-Durchführung aus dem Gehäuse heraus zu führen. Das Spektrometer weist typischerweise ein Beugungsgitter sowie einen ortsauflösenden Detektor zur Erfassung der an dem Gitter gebeugten Beleuchtungsstrahlung auf. Es ist günstig, aber nicht zwingend erforderlich, dass auch die Beleuchtungsstrahlung über den Lichtleiter in das Gehäuse und zu dem Proben-Werkstück geführt wird. Um die Beleuchtungsstrahlung von einer Beleuchtungsquelle in den Lichtleiter einzukoppeln, kann dieser sich teilen bzw. gespleißt sein. Die Beleuchtungsquelle kann in das Spektrometer integriert sein oder separat von diesem angeordnet sein.
Bei einer Weiterbildung wird die reflektierte Beleuchtungsstrahlung über eine Abbildungsoptik in den Lichtleiter eingekoppelt. Eine solche Abbildungsoptik, beispielsweise in der Art eines Objektivs, ist in der Regel erforderlich, um die reflektierte Beleuchtungsstrahlung in den Lichtleiter einzukoppeln. Wird die Beleuchtungsstrahlung über den Lichtleiter zu dem Proben-Werkstück geführt, kann die Abbildungsoptik gleichzeitig dazu verwendet werden, um die
Beleuchtungsstrahlung auf dem Proben-Werkstück zu fokussieren.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Proben-Werkstück beim
Anordnen in dem Bearbeitungsraum (d.h. vor dem Materialabtrag mit dem Bearbeitungsstrahl) eine Schichtdicke zwischen 0,1 pm und 20 pm auf. Bei Schichten mit derartigen Schichtdicken (aber ggf. auch mit größeren oder kleineren Schichtdicken) kann die Schichtdicke mit Hilfe einer
interferometrischen Schichtdickenmessung bestimmt werden. Eine hohe Anfangsschichtdicke der Schicht des Proben-Werkstücks ist günstig, um eine wiederholte Bestimmung des Materialabtrags zu ermöglichen, ohne zu diesem Zweck das Proben-Werkstück austauschen zu müssen.
Bei einer weiteren Weiterbildung wird der Bearbeitungsstrahl ausgewählt aus der Gruppe umfassend: lonenstrahl, Elektronenstrahl und Laserstrahl.
Grundsätzlich lässt sich das hier beschriebene Verfahren zum Bestimmen des Materialabtrags bei beliebigen berührungslos abtragenden
Strahlbearbeitungsverfahren durchführen, d.h. dieses ist nicht auf die weiter oben beschriebenen Arten von Bearbeitungsstrahlen beschränkt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Vorrichtung zur
Strahlbearbeitung eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens wie weiter oben beschrieben, umfassend: eine Strahlquelle zur Erzeugung des Bearbeitungsstrahls, ein Gehäuse, in dem ein Bearbeitungsraum zur Strahlbearbeitung des Werkstücks gebildet ist, mindestens ein in dem Gehäuse angeordnetes Proben-Werkstück, welches ein Substrat und eine auf das Substrat aufgebrachte Schicht umfasst, eine Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung des Proben-Werkstücks mit
Beleuchtungsstrahlung, sowie ein bevorzugt außerhalb des Gehäuses angeordnetes Spektrometer zur Aufnahme eines Interferenz-Spektrums von an dem Proben-Werkstück reflektierter Beleuchtungsstrahlung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ausgebildet, eine interferometrische Schichtdickenmessung an der Schicht des in dem Bearbeitungsraum des Gehäuses angeordneten Proben-Werkstücks durchzuführen. Anhand der optischen Schichtdickenmessung kann der Materialabtrag an der Schicht auf die weiter oben in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebene Weise bestimmt werden. Die Beleuchtungsquelle ist zur Erzeugung polychromatischer Beleuchtungsstrahlung ausgebildet, d.h. diese erzeugt Beleuchtungsstrahlung bei mehreren Wellenlängen und kann beispielsweise als Weißlichtquelle ausgebildet sein und eine oder mehrere Glüh-Lampen umfassen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Interferenz-Spektrums für die Bestimmung jeweils einer Schichtdicke der auf dem Substrat aufgebrachten Schicht vor und nach einem Bearbeiten der Schicht mit dem Bearbeitungsstrahl. Wie weiter oben in
Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurde, kann durch einen Vergleich der Schichtdicke der Schicht vor und nach dem Bearbeiten mit dem Bearbeitungsstrahl der Materialabtrag bestimmt werden, wobei der
Materialabtrag typischerweise der Differenz zwischen der Schichtdicke vor und der Schichtdicke nach dem Bearbeiten mit dem Bearbeitungsstrahl entspricht.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Lichtleiter zum Führen von an dem Proben-Werkstück zurück reflektierter Beleuchtungsstrahlung zu dem außerhalb des Gehäuses angeordneten
Spektrometer. Wie weiter oben in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurde, ist das Spektrometer typischerweise außerhalb des in der Regel evakuierten Gehäuses angeordnet, in dem der Bearbeitungsraum gebildet ist. Durch den Lichtleiter kann die zurück reflektierte
Beleuchtungsstrahlung über eine Vakuum-Durchführung aus dem Gehäuse geführt und für das Aufnehmen des Interferenz-Spektrums dem Spektrometer zugeführt werden.
Bei einer Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Abbildungsoptik zur
Einkopplung der reflektierten Beleuchtungsstrahlung in den Lichtleiter auf. Bei dem Lichtleiter kann es sich beispielsweise um eine (Multimode-)Glasfaser handeln. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann auch die
Beleuchtungsstrahlung über den Lichtleiter zu dem Proben-Werkstück geführt und mit Hilfe der Abbildungsoptik auf dem Proben-Werkstück fokussiert werden, insbesondere wenn die Beleuchtungsquelle außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Die Beleuchtungsquelle kann aber auch in dem typischerweise evakuierten Gehäuse angeordnet sein, wodurch der bzw. die Lichtleiter verkürzt und dadurch die Lichtverluste reduziert werden können. Auch kann durch eine in dem Gehäuse angeordnete Beleuchtungsquelle ggf. eine homogenere Beleuchtung des Proben-Werkstücks erzeugt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind sowohl das Substrat als auch die Schicht für die Beleuchtungsstrahlung transparent, wobei bevorzugt das
Substrat beidseitig poliert ist. Das Material des Substrats und das Material der Schicht können variieren, sofern diese für die Wellenlängen der
Beleuchtungsstrahlung bzw. zumindest für einen für die Durchführung der Schichtdickenmessung ausreichenden Wellenlängenbereich der
Beleuchtungsstrahlung transparent sind. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist das Substrat nur dann zwingend transparent für die Beleuchtungsstrahlung, wenn das Proben-Werkstück von der Rückseite beleuchtet wird. In diesem Fall ist es günstig, wenn das Substrat beidseitig, d.h. sowohl an der Vorderseite als auch an der Rückseite, poliert ist, um Lichtverluste durch die ohne ein solches Polieren erfolgende Streuung an den rauen Oberflächen des Substrats zu vermeiden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich ein in dem Bearbeitungsraum angeordnetes zu bearbeitendes Werkstück, welches bevorzugt ein Material aufweist, das mit dem Material der Schicht des Proben- Werkstücks übereinstimmt. Für die Schicht des Proben-Werkstücks wird vorzugsweise ein Material verwendet, das mit dem Material des zu
bearbeitenden Werkstücks (beim abtragenden Bearbeiten mit dem Ziel der Formgebung) oder einer auf dem Werkstück aufgebrachten Schicht (beim abtragenden Bearbeiten mit dem Ziel einer EntSchichtung) übereinstimmt.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine
Abschirmung zum Schutz des Proben-Werkstücks und/oder der
Abbildungsoptik bei der Bearbeitung des Werkstücks mit dem
Bearbeitungsstrahl. Bei der Bearbeitung des Werkstücks mit dem
Bearbeitungsstrahl kann es zum direkten Sputtern (Zerstäuben) von Material des Werkstücks oder zum indirekten Sputtern von in dem Bearbeitungsraum angebrachten Bauteilen kommen. Um das Proben-Werkstück, die
Abbildungsoptik und ggf. den Lichtleiter vor den abgetragenen Partikeln zu schützen, kann in dem Bearbeitungsraum eine beispielsweise ringförmige Abschirmung angeordnet werden, in der das Proben-Werkstück angeordnet ist.
Die Abschirmung kann das Proben-Werkstück im Wesentlichen ringförmig umgeben, wobei kein oder nur ein kleiner Zwischenraum zwischen der
Abschirmung und dem Proben-Werkstück verbleibt. Auf diese Weise kann das Proben-Werkstück als„Fenster" dienen, d.h. als Teil der Abschirmung, um die Abbildungsoptik sowie den Lichtleiter zu schützen. Idealer Weise ist durch die Verwendung der Abschirmung nur die Schicht des Proben-Werkstücks, die mittels des Bearbeitungsstrahls bearbeitetet werden soll (d.h. der Messbereich), dem Bearbeitungsraum ausgesetzt.
Bei einer Weiterbildung weist die Abschirmung eine bewegbare Blende
(„shutter") auf, die zwischen einer ersten, geschlossenen Stellung und einer zweiten, geöffneten Stellung bewegbar ist. In der ersten, geschlossenen Stellung bedeckt bzw. überdeckt die Blende das Proben-Werkstück vollständig, d.h. der Innenraum der Abschirmung mit dem Proben-Werkstück ist gegenüber dem Bearbeitungsraum typischerweise vollständig abgeschlossen. In der ersten Stellung der Blende erfolgt daher typischerweise die Bearbeitung des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl. In der zweiten, geöffneten Stellung ist der Innenraum der Abschirmung, zumindest aber die Schicht des Proben- Werkstücks, an der Material abgetragen wird, für den Bearbeitungsstrahl zugänglich. Der Wechsel zwischen den beiden Stellungen der Blende kann mit Hilfe eines Antriebs erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die
(bewegliche) Strahlquelle, beispielsweise in Form einer lonenquelle, im ausgeschalteten Zustand ein mechanisches Verschieben der Blende
ermöglichen, indem die Strahlquelle so in dem Bearbeitungsraum bewegt wird, dass diese gegen die Blende drückt und diese zwischen den beiden Stellungen verschiebt.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlquelle zur Erzeugung des Bearbeitungsstrahls ausgewählt aus der Gruppe: lonenstrahlquelle,
Elektronenstrahlquelle und Laserquelle. Wie weiter oben beschrieben wurde, können in der Vorrichtung grundsätzlich alle Strahlquellen eingesetzt werden, die einen Bearbeitungsstrahl erzeugen, der ein berührungsloses Abtragen von Material ermöglicht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
Strahlbearbeitung eines Werkstücks mit einem lonenstrahl, sowie
Fig. 2a, b schematische Darstellungen eines Proben-Werkstücks vor und nach einer Strahlbearbeitung mit dem lonenstrahl.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw.
funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Strahlbearbeitung eines Werkstücks 2 mittels eines Bearbeitungsstrahls in Form eines lonenstrahls 3, der von einer
Strahlquelle 4 in Form einer lonenquelle erzeugt wird. Das Werkstück 2 ist in einem Bearbeitungsraum 5 angeordnet, welcher innerhalb eines Gehäuses 6 gebildet ist. Das Gehäuse 6, genauer gesagt der Bearbeitungsraum 5, ist mit Hilfe von nicht gezeigten Vakuum-Pumpen evakuiert, d.h. in dem Gehäuse 6 herrscht eine Vakuum-Umgebung.
Um eine möglichst präzise Bearbeitung des Werkstücks 2 zu ermöglichen, bei dem es sich im gezeigten Beispiel um einen Quarzglas-Rohling handelt, ist es günstig, den Materialabtrag des lonenstrahls 3 in dem Werkstück 2 (pro
Zeiteinheit) möglichst genau zu bestimmen. Zu diesem Zweck ist in dem
Bearbeitungsraum 5 ein Proben-Werkstück 7 eingebracht, welches aus einem Substrat 8, im gezeigten Beispiel aus Zerodur, und einer auf das Substrat 8 aufgebrachten Schicht 9 aus Quarzglas gebildet ist. Das Material der Schicht 9 stimmt somit mit dem Material des Werkstücks 2 überein.
Um den Materialabtrag des lonenstrahls 3 bei einer vorgegebenen
Bestrahlungsdauer an der Schicht 9 des Proben-Werkstücks 7 zu bestimmen, wird eine interferometrische Schichtdickenmessung an der Schicht 9 des Proben-Werkstücks 7 vorgenommen. Zu diesem Zweck wird das Proben- Werkstück 7 an seiner Rückseite, d.h. an derjenigen Seite, die der Schicht 9 abgewandt ist, mit Beleuchtungsstrahlung 10 bestrahlt, die von einer
Beleuchtungsquelle 11 erzeugt wird, die außerhalb des Gehäuses 6
angeordnet ist. Die Beleuchtungsquelle 11 umfasst im gezeigten Beispiel zwei Lampen, die Beleuchtungsstrahlung 10 bei Wellenlängen zwischen 190 nm und 1050 nm erzeugen. Die Verwendung einer Beleuchtungsquelle 11 mit zwei oder mehr Lampen hat sich als günstig erwiesen, wenn die Beleuchtungsquelle 11 Beleuchtungsstrahlung 10 in einem breiten Spektralbereich, z.B. zwischen 190 nm und 1050 nm, erzeugen soll, da das Emissionsspektrum einer einzigen Lampe in diesem Fall nicht den gesamten gewünschten Spektralbereich abdeckt. Die Verwendung eines breiten Spektralbereichs der
Beleuchtungsstrahlung 10 ist insbesondere für eine Schichtdickenmessung an einer sehr dünnen Schicht 9 vorteilhaft.
Die Beleuchtungsstrahlung 10 wird über einen Faserabschnitt 12 in einen Lichtleiter 13 in Form einer Glasfaser eingekoppelt, der über eine Vakuum- Durchführung 14 in dem Gehäuse 6 in den Bearbeitungsraum 5 geführt wird. Der Lichtleiter 13 ist stirnseitig mit dem Gehäuse einer Abbildungsoptik 15 (Objektiv) verbunden, die zur Fokussierung der Beleuchtungsstrahlung 10 auf das Proben-Werkstück 7 dient. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird die Beleuchtungsstrahlung 10 im Wesentlichen parallel zur Dickenrichtung des Substrats 8 bzw. der Schicht 9 eingestrahlt. Sowohl das Substrat 8 des Proben-Werkstücks 7 als auch die Schicht 9 sind aus einem für die Beleuchtungsstrahlung 10 transparenten Material gebildet, d.h. die Beleuchtungsstrahlung 10 wird im Wesentlichen von dem Proben- Werkstück 7 transmittiert. Ein geringer Anteil der Beleuchtungsstrahlung 10 wird aufgrund des jeweiligen Brechungsindexunterschieds an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 8 und der Schicht 9 sowie an der Grenzfläche zwischen der Schicht 9 und der Vakuum-Umgebung in dem Bearbeitungsraum 5 reflektiert. Die an dem Proben-Werkstück 7 zurück reflektierte
Beleuchtungsstrahlung 0a weist somit zwei Strahlungsanteile auf, die eine unterschiedliche optische Weglänge zurückgelegt haben, wie in Fig. 1 jeweils durch einen Doppelpfeil angedeutet ist, wodurch sich ein Phasenunterschied ergibt.
Die an dem Proben-Werkstück 7 zurück reflektierte Beleuchtungsstrahlung 10a wird über den Lichtleiter 13 und die Vakuum-Durchführung 14 aus dem
Gehäuse 6 geführt und tritt in ein Spektrometer 16 ein, welches ein Interferenz- Spektrum S der reflektierten Beleuchtungsstrahlung 10a aufnimmt. In dem Spektrometer 16, im gezeigten Beispiel dem Modell MCS 60 -c (UV-NIR) der Fa. Carl Zeiss Spectroscopy, trifft die reflektierte Beleuchtungsstrahlung 10a auf ein Beugungsgitter und wird in ihre spektralen Anteile zerlegt. Die an dem Beugungsgitter gebeugte Beleuchtungsstrahlung 10a wird auf einen
ortsauflösenden Detektor gelenkt. Aus dem mittels des Spektrometers 16 erhaltenen Interferenz-Spektrum S kann beispielsweise durch eine Fourier- Analyse die Schichtdicke der Schicht 9 bestimmt werden, wie dies in dem eingangs zitierten Artikel„Koaxiale interferometrische Schichtdickenmessung", Dr. Gerd Jakob, Photonik 3/2000, beschrieben ist. Für die Bestimmung der Schichtdicke der Schicht 9 steht das Spektrometer 16 mit einer
Auswerteeinrichtung 17 in Verbindung.
Für die Bestimmung des Materialabtrags Äd des lonenstrahls 3 an der Schicht 9 wird wie nachfolgend beschrieben vorgegangen: Zunächst wird das Proben- Werkstück 7 in den Bearbeitungsraum 5 eingebracht und relativ zu der
Abbildungsoptik 15 justiert, d.h. der Abstand und die Ausrichtung des Proben- Werkstücks 7 zur Abbildungsoptik 15 wird geeignet eingestellt. Nachfolgend wird die Schichtdicke d1 des Proben-Werkstücks 7 mit Hilfe des Spektrometers 16 und der Auswerteeinrichtung 17 vermessen (vgl. Fig. 2a), wobei sich im gezeigten Beispiel d1 = 3 μιη ergibt. Nach der Bestimmung der (ursprünglichen) Schichtdicke d1 wird das Proben-Werkstück 7 mit dem lonenstrahl 3 bearbeitet und Material der Schicht 9 abgetragen, wie in Fig. 2b zu erkennen ist, wodurch sich eine geringere Schichtdicke d2 ergibt. Der Materialabtrag an der Schicht 9 kann lokal erfolgen, wie dies in Fig. 2b dargestellt ist, es ist aber auch möglich, das Material der Schicht 9 homogen über die gesamte Schicht 9 abzutragen. Ein homogener Abtrag des Materials der Schicht 9 hat sich als günstig erwiesen, da das Ergebnis der Bestimmung der Schichtdicke d2 bei einem homogenen Materialabtrag stabiler gegenüber Positionierfehlem des
lonenstrahls 3 sowie der Abbildungsoptik 15 ist.
Nach dem Bearbeiten der Schicht 9 mit dem lonenstrahl 3 wird erneut eine Bestimmung der Schichtdicke d2 in dem Spektrometer 16 bzw. mittels der Auswerteeinrichtung 17 durchgeführt, wobei die in Fig. 2b gezeigte
Schichtdicke d2 von 1 μητι gemessen wird. Durch Vergleichen der Schichtdicke d1 der Schicht 9 vor der Bearbeitung mit dem lonenstrahl 3 und der
Schichtdicke d2 nach der Bearbeitung mit dem lonenstrahl 3, ergibt sich der Materialabtrag Ad, welcher der Differenz Ad = d1 - d2 der beiden
Schichtdicken d1 , d2 entspricht.
Die Bestimmung des Materialabtrags Ad an der Schicht 9 kann auf die weiter oben beschriebene Weise ggf. mehrfach durchgeführt werden, wobei jeweils die Parameter des lonenstrahls 3, beispielsweise die lonenenergie, variiert werden, um das Werkstück 2 möglichst präzise bearbeiten zu können.
Insbesondere in diesem Fall ist es günstig, wenn die Ausgangsdicke der Schicht 9 des Proben-Werkstücks 7 möglichst groß ist und z.B. bei d1 = ca. 20 μηι liegt.
Sobald die Bestimmung des Materialabtrags Ad abgeschlossen ist, kann die Bearbeitung des Werkstücks 2 mit dem lonenstrahl 3 erfolgen. Zu diesem Zweck wird die lonenquelle 4 von der Messposition an eine in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Bearbeitungsposition bewegt, an der die Bearbeitung des
Werkstücks 2 mit dem lonenstrahl 3 erfolgt.
Da die Bearbeitung des Werkstücks 2 zu Sputtern (Zerstäuben) von Material des Werkstücks 2 führen kann, welches sich an dem Proben-Werkstück 7 sowie an der Abbildungsoptik 15 anlagern kann, ist der eintrittsseitige Teil der Abbildungsoptik 15 und auch das Proben-Werkstück 7 mit einer ringförmigen Abschirmung 18 umgeben. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel dient das in der Abschirmung 18 aufgenommene Proben-Werkstück 7 als„Fenster" und somit als Schutz für die Abbildungsoptik 15. Das Proben-Werkstück 7 selbst ist ggf. nicht gegen Ablagerungen geschützt, die beim Sputtern gebildet werden. Um Ablagerungen, die beim Bearbeiten des Werkstücks 2 auftreten, von dem Proben-Werkstück 7 zu entfernen, kann ein kurzer in-situ Reinigungsschritt des Proben-Werkstücks 7 mit Hilfe des lonenstrahls 3 durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Abschirmung 18 eine Blende 18a aufweisen, die zwischen einer ersten, in Fig.1 gestrichelt dargestellten geschlossenen Stellung und einer zweiten, in Fig. 1 mit einer durchgezogenen Linie
dargestellten geöffneten Stellung bewegbar ist. Die Blende 18a befindet sich typischerweise während der Bearbeitung des Werkstücks 2 mit dem
lonenstrahl 3 in der geschlossenen Stellung und wird in die geöffnete Stellung bewegt, wenn mit dem lonenstrahl 3 Material von dem Proben-Werkstück 7 abgetragen wird. Die Blende 18a kann von der geschlossenen in die geöffnete Stellung und umgekehrt bewegt werden, indem die lonenquelle 4 geeignet in dem Bearbeitungsraum 5 verschoben wird, so dass diese gegen die Blende 18a drückt. Für die Bewegung der Blende 18a in dem Bearbeitungsraum 5 kann auch ein Antrieb bzw. ein Aktuator in dem Bearbeitungsraum 5
vorgesehen sein. Es versteht sich, dass die Blende 18a zwischen der ersten und der zweiten Stellung nicht zwingend verschoben werden muss, sondern eine andere Art der Bewegung, z.B. eine Drehbewegung, ausführen kann.
Es versteht sich, dass die Bestimmung des Materialabtrags Äd auch mit einer anderen Art von Bearbeitungsstrahl durchgeführt werden kann, welcher einen berührungslosen Materialabtrag ermöglicht, beispielsweise einem
Elektronenstrahl oder einem Laserstrahl. Anders als in Fig. 1 dargestellt ist, kann die Beleuchtungsquelle 11 in den evakuierten Bearbeitungsraum 5 des Gehäuses 6 integriert werden, um eine homogenere Beleuchtung des Proben- Werkstücks 7 mit der Beleuchtungsstrahlung 10 zu erreichen.
Um das Proben-Werkstück 7 nicht zu häufig austauschen zu müssen, wozu dieses durch Belüften und Öffnen des Gehäuses 6 entnommen und durch ein weiteres Proben-Werkstück 7 ersetzt werden muss, können in dem
Bearbeitungsraum 5 ggf. mehrere Proben-Werkstücke 7 in einem Magazin angeordnet werden, von denen jeweils nur eines vermessen wird und an der in Fig. 1 dargestellten Messposition in dem Bearbeitungsraum 5 angeordnet wird. Das Magazin kann beispielsweise in der Art eines Drehtellers ausgebildet sein, wie dies in der eingangs zitierten DE 10 2015 215 851 A1 beschrieben ist, welche durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Für das Einschleusen und das Ausschleusen des Proben-Werkstücks 7 in das Gehäuse 6 bzw. aus dem Gehäuse 6 kann eine Vakuum-Schleuse verwendet werden, die sich von einer Vakuum-Schleuse für das Einschleusen und das Ausschleusen des Werkstücks 2 unterscheidet, um beim Austauschen des Proben-Werkstücks 7 einen Stillstand bei der Bearbeitung des Werkstücks 2 zu vermeiden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen eines Materialabtrags (Ad) eines lonenstrahls (3) an einem Proben-Werkstück (7), das in einem Bearbeitungsraum (5) eines Gehäuses (6) einer Vorrichtung (1 ) zur Strahlbearbeitung angeordnet ist, wobei das Proben-Werkstück (7) ein Substrat (8) und eine auf das Substrat (8) aufgebrachte Schicht (9) aufweist, das Verfahren umfassend:
a) Optisches Bestimmen einer Schichtdicke (d1 ) der auf das Substrat (8) aufgebrachten Schicht (9),
b) Abtragen von Material der Schicht (9) des Proben-Werkstücks (7) mit dem lonenstrahl (3),
c) Optisches Bestimmen der Schichtdicke (d2) der auf das Substrat (8) aufgebrachten Schicht (9), sowie
d) Bestimmen des Materialabtrags (Ad) durch Vergleichen der in Schritt a) bestimmten Schichtdicke (d1 ) mit der in Schritt c) bestimmten Schichtdicke (d2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem zum Bestimmen der Schichtdicke (d1 , d2) in Schritt a) und in Schritt c) das Proben-Werkstück (7) mit
Beleuchtungsstrahlung (10) bestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Schicht (9) und das Substrat (8) des Proben-Werkstücks (7) für die Beleuchtungsstrahlung (10) transparent sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem zum optischen
Bestimmen der Schichtdicke (d1 , d2) in Schritt a) und in Schritt c) ein
Interferenz-Spektrum (S) von an dem Proben-Werkstück (7) reflektierter Beleuchtungsstrahlung (10a) aufgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die an dem Proben-Werkstück (7) reflektierte Beleuchtungsstrahlung (10a) zur Aufnahme des Interferenz- Spektrums (S) über einen Lichtleiter (13) zu einem außerhalb des
Gehäuses (6) angeordneten Spektrometer (16) geführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die reflektierte Beleuchtungsstrahlung (10a) über eine Abbildungsoptik (15) in den Lichtleiter (13) eingekoppelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem beim
Anordnen des Proben-Werkstücks (7) in dem Bearbeitungsraum (5) die Schicht (9) eine Schichtdicke (d1 ) zwischen 0,1 μητι und 20 pm aufweist.
8. Vorrichtung (1 ) zur Strahlbearbeitung eines Werkstücks (2) mittels eines lonenstrahls (3), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend:
eine lonenstrahlquelle (4) zur Erzeugung des lonenstrahls (3),
ein Gehäuse (6), in dem ein Bearbeitungsraum (5) zur Strahlbearbeitung des Werkstücks (2) gebildet ist,
mindestens ein in dem Gehäuse (6) angeordnetes Proben-Werkstück (7), welches ein Substrat (8) und eine auf das Substrat (8) aufgebrachte Schicht (9) umfasst,
eine Beleuchtungsquelle (11 ) zur Beleuchtung des Proben-Werkstücks (7) mit Beleuchtungsstrahlung (10), sowie
ein bevorzugt außerhalb des Gehäuses (6) angeordnetes Spektrometer (16) zur Aufnahme eines Interferenz-Spektrums (S) von an dem Proben- Werkstück (7) reflektierter Beleuchtungsstrahlung (10a).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, weiter umfassend: eine Auswerteeinrichtung (17) zur Auswertung des Interferenz-Spektrums (S) für die Bestimmung jeweils einer Schichtdicke (d1 , d2) der auf dem Substrat (8) aufgebrachten Schicht (9) vor und nach einem Bearbeiten der Schicht (9) mit dem lonenstrahl (3).
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, weiter umfassend: einen Lichtleiter (13) zum Führen von an dem Proben-Werkstück (7) zurück reflektierter Beleuchtungsstrahlung (10a) zu dem außerhalb des Gehäuses (6) angeordneten Spektrometer (16).
11.Vorrichtung nach Anspruch 10, weiter umfassend: eine Abbildungsoptik (15) zur Einkopplung der reflektierten Beleuchtungsstrahlung (10a) in den Lichtleiter (13).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , bei der das Substrat (8) und die Schicht (9) für die Beleuchtungsstrahlung (10) transparent sind, wobei bevorzugt das Substrat (8) beidseitig poliert ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, weiter umfassend:
ein in dem Bearbeitungsraum (5) angeordnetes zu bearbeitendes
Werkstück (2), welches bevorzugt ein Material aufweist, das mit dem
Material der Schicht (9) des Proben-Werkstücks (7) übereinstimmt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, weiter umfassend: eine Abschirmung (18) zum Schutz des Proben-Werkstücks (7) und/oder der Abbildungsoptik (15) bei der Bearbeitung des Werkstücks (2) mit dem lonenstrahl (3).
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei dem die Abschirmung (18) eine Blende (18a) aufweist, die zwischen einer ersten, geschlossenen Stellung und einer zweiten, geöffneten Stellung bewegbar ist.
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