ES2237180T3

ES2237180T3 - Procedimiento para la determinacion del espesor de una estructura de capas multiples finas.

Info

Publication number: ES2237180T3
Application number: ES99958007T
Authority: ES
Inventors: Rolf Hertling; Wolfgang Schaudig; Wilbert Windeln
Original assignee: STEAG ETA-OPTIK GmbH; Steag ETA Optik GmbH
Current assignee: STEAG ETA-OPTIK GmbH; Steag ETA Optik GmbH
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1999-11-06
Publication date: 2005-07-16
Anticipated expiration: 2019-11-06
Also published as: WO2000029808A1; IL143016A; DE19852323C2; IL143016A0; CN1429332A; CA2350511A1; KR100426045B1; DE59911456D1; ATE287078T1; EP1129322A1; HK1056772A1; TW414858B; EP1129322B1; US6744521B1; JP2002530632A; DE19852323A1; CN1177194C; KR20010086019A

Abstract

Procedimiento para la determinación del espesor de al menos una capa (3 a 6) sobre un substrato (1), que presenta estructuras geométricas (7) que conducen a difracción de la luz, a través de - medición de valores de la intensidad de la luz de reflexión y/o de transmisión de orden de difracción cero en función de la longitud de las ondas, - cálculo de los valores de la intensidad de la luz de reflexión y/o de transmisión utilizando un modelo de iteración, en el que los parámetros de las capas individuales y las dimensiones geométricas de las estructuras geométricas (7) del substrato (1) son introducidos como otros parámetros, y - modificación de los parámetros de las capas hasta la consecución de una coincidencia entre los valores medidos y los valores calculados.

Description

Procedimiento para la determinación del espesor de una estructura de capas múltiples finas.

La invención se refiere a un procedimiento para la determinación del espesor de al menos una capa sobre un substrato.

Durante la aplicación de capas sobre un substrato es necesario que se cree o bien se mantenga un espesor determinado de la capa. Esto se aplica especialmente durante la producción de medios de memoria, especialmente memorias de datos ópticas como CD, CDR, DVD, CD-RW, DVD-RW, MO y otras memorias de datos, en las que están aplicadas diferentes capas, como capas de soporte de la información, capas de protección y/o capas de reflexión. Para la medición de los espesores de las capas para el control de calidad y durante el procedimiento de fabricaciones conocen diferentes procedimientos de medición de los espesores de las capas, que solamente se pueden emplear, sin embargo, sobre substratos no ranurados. Para la determinación de la geometría de las muescas se miden la reflexión y/o la transmisión para diferentes disposiciones de difracción. Tales procedimientos de medición con disposiciones elevadas de difracción de la luz requieren, sin embargo, instalaciones de medición y medidas de ajuste costosas. No es posible o sólo con una exactitud reducida medir los espesores de capa cuando el substrato propiamente dicho presenta estructuras, por ejemplo zanjas, que son designadas como muescas, por ejemplo, en los medios de memoria óptica y son necesarias para la escritura, lectura y/o borrado de datos.

Se conoce a partir del documento DE-A-42 28 870 determinar los espesores de capa a partir de datos de espectrometría de reflexión en comparación con cálculos de modelos dependientes de parámetros, sin tener en cuenta en este caso, sin embargo, las estructuras geométricas sobre la superficie del substrato debajo de la capa.

Se conoce a partir del documento US-A-5 835 226 un procedimiento para la determinación del espesor de una capa en un sistema de capas, que se encuentra sobre una superficie de substrato que no presenta estructuras geométricas. En este procedimiento conocido no se tienen en cuentan las estructuras geométricas ni sobre la superficie de la capa ni sobre la superficie del substrato.

Se conocen a partir del documento US-A-5 587 792 un dispositivo y un procedimiento para la medición del espesor, en los que se compara un espectro de dispersión de la forma de la onda de la interferencia de la luz, que es reflejado en un sistema de capas múltiples, con una forma de la onda, que resulta a través del cálculo numérico utilizando una matriz característica óptica. En este procedimiento no se tienen en cuenta las estructuras ni sobre la superficie de la capa ni sobre la superficie del substrato.

El documento WO 99/31483 no publicado anteriormente describe un procedimiento espectrométrico para la determinación del espesor y la composición de capas, que se aplican durante un procedimiento de producción sobre circuitos de semiconductores integrados. Este procedimiento no tiene en cuenta las estructuras sobre las capas o sobre el componente de semiconductores como otros parámetros durante el cálculo de los valores de la intensidad de la luz de la reflexión y/o de la transmisión utilizando un modelo de internación.

La invención tiene el cometido de crear un procedimiento que pone en marcha una estructura de medición sencilla y fiable, proporciona valores de medición seguros especialmente también durante el procedimiento de aplicación de la capa para su control y regulación y proporciona valores de medición fiables también en el caso de substratos con estructuras contenidas en los mismos o configuradas sobre su superficie, así como posibilita la determinación de la geometría de la estructura.

El cometido planteado se soluciona en un procedimiento para la determinación del espesor de al menos una capa sobre un substrato a través de

-: medición de valores de la intensidad de la luz de reflexión y/o de transmisión de orden de difracción cero en función de la longitud de las ondas,

-: cálculo de los valores de la intensidad de la luz de reflexión y/o de transmisión utilizando un modelo de iteración, en el que los parámetros de las capas individuales y las dimensiones geométricas de las estructuras geométricas del substrato son introducidos como otros parámetros, y

-: modificación de los parámetros de las capas hasta la consecución de una coincidencia entre los valores medidos y los valores calculados.

A través de las medidas según la invención es posible, en oposición a los procedimientos de medición convencionales, una determinación correcta de los espesores de capa también de substratos con estructuras, como es el caso, por ejemplo, en piezas brutas de CD con muescas, sobre las que deben aplicarse diferentes capas con espesores de capa predeterminadas en cada caso, para producir memorizas de datos ópticas. Además, un procedimiento y especialmente la instalación de medición prevista para ello son muy sencillos, porque en el procedimiento según la invención, solamente deben medirse los valores de la intensidad de la luz de reflexión/transmisión de orden de difracción cero. Esto posibilita un dispositivo de medición muy sencillo, se puede emplear especialmente también en el proceso de producción de soportes de datos ópticos. Además, el gasto de ajuste durante el procedimiento según la invención, en el que solamente se miden valores ópticos de orden de difracción cero, es esencialmente menor que en el procedimiento convencional. Con un único aparato de medición se pueden realizar, por lo tanto, los más diferentes procesos de medición, como se explicará a continuación todavía en detalle.

Con el procedimiento según la invención no son necesarias ya tampoco preparaciones de muestras, puesto que se puede realizar de una manera segura y fiable la determinación del espesor de capas, que están aplicadas o se aplican sobre substratos con estructuras. Por lo tanto, el procedimiento se puede emplear especialmente también durante el procedimiento de fabricación, es decir, que es apto para funcionamiento en-línea, puesto que son posibles mediciones del espesor y controles directamente en los productos fabricados, como memorizas de datos ópticas.

De acuerdo con el procedimiento según la invención, los valores de la intensidad de la luz de transmisión se miden también espectralmente en reflexión y/o en transmisión, es decir, en función de la longitud de las ondas. Estos valores de medición son evaluados entonces a través de cálculos ópticos. El modo de proceder es en este caso calcular los valores de la intensidad de la luz de reflexión y/o de transmisión a partir de modelos ópticos para un sistema de capas y variar en capa etapa de cálculo los espesores de capa y/o los parámetros espectrales del material, por ejemplo los índices de difracción (n) y/o los índices de absorción (k), hasta que se alcanza la desviación mínima entre la medición y el cálculo. De esta manera es posible un control de los espesores de las capas y, por lo tanto, una supervisión de las propiedades ópticas de un sistema de capas sobre un substrato con estructuras, por ejemplo en CDs con muescas.

De acuerdo con una forma de realización preferida de la invención, las interferencias, que se producen a través de las estructuras geométricas, son utilizadas como otros valores de medición. El procedimiento según la invención de acuerdo con esta forma de realización se basa en el cálculo de la superposición correcta de fases de ondas parciales electromagnéticas en las estructuras, por ejemplo las muescas del substrato o piezas brutas y, por lo tanto, sobre las interferencias de estas ondas parciales. A través de la variación de los parámetros se incluyen en este caso la anchura y la profundidad de las estructuras, por ejemplo de las estrías o muescas al mismo tiempo en el procedimiento de medición. Solamente se consigue una coincidencia óptica entre las mediciones y el cálculo cuando los parámetros de la estructura, la anchura, la profundidad y/o las distancias entre las estructuras o estrías entre sí coinciden con las de las estrías sobre la muestra medida.

A través de la dependencia espectral de las modificaciones de los valores de la intensidad de la luz de reflexión y/o de transmisión, en virtud de las estructuras o bien de las estrías o muescas, en comparación con los valores de la intensidad de la luz sin estructuras, en los valores de la intensidad de la luz de orden de difracción cero está contenida ya la información sobre los parámetros de la estructura, por ejemplo sobre la anchura, la profundidad y la distancia entre las estrías o muescas.

De acuerdo con una configuración especialmente ventajosa de la invención, se determinan las dimensiones geométricas de las estructuras, por lo tanto, por ejemplo, las profundidades, las anchuras y/o las distancias entre las estrías o muescas. Estas dimensiones geométricas se pueden calcular de una manera preferida al mismo tiempo con la determinación de los espesores de las capas. De esta manera es posible, por ejemplo durante la producción de medios de memoria ópticos, controlar o regular la calidad del proceso de moldeo. Para el caso especial de que no estén aplicadas capas sobre el substrato, es decir, que los espesores de capas son cero, se obtienen los valores de medición para las dimensiones geométricas de las estructuras, siendo posible en este caso realizar mediciones de estas estructuras geométricas de resolución local más allá a la superficie general del substrato, para reconocer rápidamente de esta manera los errores de producción durante la fabricación de los substratos, por ejemplo durante la fundición por inyección de substratos de CD.

Otra forma de realización muy ventajosa de la invención consiste en que los datos calculados del espesor de capa (n) y/o de estructuras geométricas se utilizan para la regulación de procedimientos de fabricación para la aplicación de al menos una capa sobre un substrato y/o para la configuración de estructuras de substrato. Puesto que en el procedimiento según la invención solamente tienen que medirse las intensidades de la luz de orden de refracción cero y, por consiguiente, tanto el gasto de aparatos de medición como también el gasto de ajuste son reducidos, y con un único dispositivo de medición se pueden realizar de una manera opcional las más diferentes mediciones, por ejemplo sólo mediciones de los espesores de capa o en combinación con las mediciones geométricas de las estructuras de los substratos, o solamente las mediciones geométricas de las estructuras de los substratos, el procedimiento según la invención es apto en una medida especial para funcionamiento en-línea. Esto significa que durante la fabricación de las memorias de datos ópticas, por ejemplo durante la producción de los substratos, durante la configuración de las estructuras de los substratos o durante el recubrimiento de los substratos con espesores de capa predeterminados, se puede emplear directamente el procedimiento según la invención y se puede utilizar para la regulación y el control del procedimiento de fabricación. En este caso, los datos calculados con el procedimiento según la invención para los espesores de capa y/o para la estructura del substrato sirven para la nueva determinación de los valores para magnitudes de ajuste de la instalación de producción. El ciclo de producción se puede ajustar, controlar y regular de esta manera de forma automática.

Por lo tanto, en el caso de la fabricación de memorias de datos ópticas como CDs, se aplican con el procedimiento según la invención directamente en los productos fabricados para determinar las magnitudes reales. Estas magnitudes reales son utilizadas entonces directamente para preparar nuevas magnitudes de ajuste como por ejemplo los tiempos de pulverización catódica, las velocidades de pulverización catódica, pero también las presiones, las temperaturas y los flujos de gas durante el procedimiento de producción de la instalación de producción. El procedimiento según la invención posibilita la introducción de valores objetivos en el ciclo de producción, que son conseguidos entonces a través del circuito cerrado de regulación. Puesto que en el caso de la fabricación de memorias de datos ópticas, además de los espesores de capa, se determinan también las geometrías de las muescas con el procedimiento según la invención, se puede controlar de esta manera también la calidad de los substratos o de las piezas brutas con las estructuras geométrica, es decir, la calidad del proceso de moldeo.

Un caso especial del procedimiento según la invención consiste en que los substratos no presentan una estructura geométrica, es decir, que solamente se miden y/o regulan los espesores de capa.

De una manera preferida, los substratos son piezas brutas para medios de memorias de datos, por ejemplo CDs, estando configuradas las estructuras geométricas como estrías o muescas en la pieza bruta, y sobre estas piezas brutas se aplica al menos una capa de soporte de información. En este caso, la capa de soporte de información es de una manera preferida una aleación de metal, que se puede modificar a través de la actuación de energía de un rayo de luz entre 2 fases. La capa de soporte de información está configurada en este caso de una manera preferida entre dos capas tampón.

A continuación se explica la invención con la ayuda de ejemplos de realización con referencia a las figuras. En este caso:

La figura 1 muestra una representación esquemática de una memoria de datos ópticos, en la que se aplica el procedimiento según la invención.

Las figuras 2 a 4 muestran diagramas, en los que sobre la longitud de las ondas están aplicados los valores de la intensidad de la luz de reflexión; y

La figura 5 muestra un ejemplo de realización para la determinación de las dimensiones de resolución local de las estructuras del substrato.

La figura 1 muestra la estructura de un CD que se puede leer, borrar y escribir de nuevo, conocido también bajo la designación CD-RW. Sobre un substrato 1 de policarbonato con el espesor d_{0} están aplicadas en esta secuencia, por medio de atomización catódica, las siguientes capas de un sistema de capas 2:

: una primera capa tampón 3 de material dieléctrico y que presenta un espesor de capa d_{1}, que está constituida con preferencia de un compuesto de óxido de metal;

: una capa de soporte de información 4, con el espesor de capa d_{2}, que está constituida por una aleación de metal y que puede crecer a través de la actuación de energía de un rayo láser entre dos fases y, por lo tanto, se designa también como capa de cambio rápido (Fast Change); una segunda capa tampón 5 con el espesor d_{3}, que es igualmente dieléctrica y que está constituida de una manera preferida por un compuesto de óxido de metal, así como una cuarta capa 6 con un espesor de capa d_{4}, que está constituida por un metal o una aleación de metal y que deriva la energía del rayo láser que es necesaria para la escritura. Las dos capas tampón 3 y 5 incluyen la capa de soporte de información 4 para su protección y ajustan, además, de una manera óptima las propiedades ópticas del CD-RW con relación a la diferencia de la intensidad y a la diferencia de las fases de la capacidad de reflexión entre el estado escrito y no escrito. Los espesores de capa de las capas 3 a 6 presentan en este ejemplo de realización los valores d_{1} = 96,0 nm, d_{2} = 20 a 25 nm, d_{3} = 24,0 nm y d_{4} = 100 a 130 nm.

En el substrato 1 están configuradas las llamadas muescas 7, siendo en el ejemplo de realización representado, por ejemplo, su profundidad t = 40 nm, su anchura b = 570 nm y sus distancias periódicas "a" entre sí = 1600 nm.

La calidad de tales medios de memoria depende en una medida esencial de la selección y del mantenimiento de los espesores de capa correctos en el sistema de capas 2 sobre el substrato 1. Por lo tanto, para el control de calidad y/o durante el proceso de recubrimiento en el procedimiento en-línea, es necesario determinar en cada caso de la manera más exacta posible los espesores de las capas 3 a 6 individuales. Esto se consigue con el procedimiento según la invención , dirigiendo un rayo de luz 8 de una fuente de luz 9 perpendicularmente desde el lado del substrato 1, que está alejado de las capas aplicadas, sobre el substrato 1. Durante el procedimiento de medición se modifica la longitud de onda del rayo de luz 8 dirigido sobre el substrato en un intervalo de longitudes de onda desde aproximadamente 400 hasta 1100 nm.

La figura 2 muestra un diagrama, en el que la capacidad de reflexión de una estructura de capas, como se representa a modo de ejemplo en la figura 1, está representada en función de la longitud de onda de la luz irradiada. En este ejemplo de realización, el substrato 1 es plano, es decir, que no presenta muescas, como se representa en la figura 1. La curva 21 representa la capacidad de reflexión calculada y la curva 22 representa la capacidad de reflexión medida. La capacidad de reflexión se calcula a partir de modelos ópticos predeterminados en primer lugar para un sistema de capas. A continuación se varían con cada etapa de cálculo los espesores de capa y/o los parámetros espectrales del material -por ejemplo el índice de refracción n o el índice de absorción k en el caso de una medición de la transmisión- hasta que se ha conseguido una desviación mínima entre la medición y el cálculo, como se deduce a partir de la figura 2. A partir de este procedimiento resultan en este caso los espesores de las capas 3 a 6 con d_{1} = 96,0 nm, d_{2} = 20,1 nm, d_{3} = 24,0 nm y d_{4} = 130,0 nm.

Si se aplica este procedimiento descrito anteriormente sobre sistemas de capas 3, que están aplicados o se aplican sobre substratos 1 con muescas o estrías 7, entonces esto conduce a resultados falsos, inaceptables, como se muestra en la figura 3. No es posible conseguir una coincidencia suficiente entre los valores de reflexión calculados y la curva 32 para los valores de reflexión medidos de la curva 31.

Para poder conseguir resultados satisfactorios y también para poder medir de una manera fiable los espesores de capa en sistemas de capas sobre substratos con muescas, se tienen en cuenta, de acuerdo con la invención, también las pérdidas de luz en la incidencia perpendicular sobre la muestra, siendo producidas estas pérdidas de luz a través de las muescas del substrato. De acuerdo con la invención, se calcula en este caso de una manera preferida la superposición de fase correcta de las ondas electromagnéticas parciales en las muescas y, por lo tanto, su interferencia. En este caso, en este ejemplo de realización, se incluyen al mismo tiempo también en las variaciones de los parámetros la anchura b y la profundidad t de las muescas 7.

La coincidencia de la curva de reflexión calculada 4 con la curva de reflexión medida 42 que se deduce a partir de la figura 4, es decir, por lo tanto la coincidencia entre la medición y el cálculo se obtiene cuando la anchura b y la profundidad t de las muescas 7 coinciden con la anchura b y la profundidad t de las muescas sobre la muestra medida.

En un ejemplo de realización, con el procedimiento según la invención, cuando se desconoce la geometría de las muescas, se calculan los parámetros de la profundidad de la muesca t = 40,5 nm, la anchura de la muesca b = 501,0 nm así como los espesores d_{1} = 95,0 nm, d_{2} = 20,6 nm, d_{3} = 22,9 nm y d_{4} = 130,0 nm de las capas 3 a 6.

En los ejemplos de realización descritos anteriormente de un sistema de capas 2 para un CD-RW, la capa 3 estaba constituida por ZnSSiox, la capa 4 por AgInSbTe, la capa por ZnSSiox y la capa 6 por ALTi. Estas capas se encontraban sobre un substrato o pieza bruta 2, constituidos por policarbonato con muescas 7.

No obstante, también es posible determinar la geometría de las muescas del substrato en primer lugar de una manera independiente de los espesores de las capas para tener conocimiento sobre la geometría de las muescas. Solamente a continuación se realiza la medición de los espesores de las capas según el procedimiento de acuerdo con la invención. En el sistema de capas utilizado con relación al ejemplo de realización descrito anteriormente, se consiguen con una geometría conocida de las muescas con t = 41 nm b = 486 nm y a = 1600 nm, los espesores de capa d_{1} = 96,5 nm, d_{2} = 17,1 nm, d_{3} = 21,3 nm y d_{4} = 100,0 nm para las capas 3 a 6 en esta secuencia.

De acuerdo con otro ejemplo de realización de un procedimiento según la invención, también es posible determinar la geometría de las muescas con resolución local más allá de la superficie de un CD completo.

La figura 5 muestra un resultado de medición para la determinación de la profundidad de las muescas t más allá de una pieza bruta de policarbonato, que presenta muescas. En este caso, sobre la pieza bruta no están aplicadas capas. En virtud de la diferencia de las profundidades de las muescas t más allá de la superficie del substrato es posible de una manera rápida y sencilla determinar los errores de la producción durante la fundición por inyección de los substratos o de las piezas brutas.

El procedimiento según la invención y un aparato de medición que se basa en este procedimiento se pueden aplicar con gran ventaja en instalaciones de producción para medios de memoria ópticos. Los valores de la intensidad de la luz de reflexión y/o de transmisión son resueltos espectralmente, medidos en un orden de difracción cero y a partir de ello o bien se calculan al mismo tiempo los espesores de capa y la geometría de las muescas o de determinan los espesores de capa, una vez conocida la geometría de las muescas. En el caso de desviación de las magnitudes reales de los espesores de capa calculadas de esta manera con respecto a los valores teóricos se determinan o se ajustan de nuevo los valores para las magnitudes de ajuste de la instalación de producción y se transmiten a la instalación de producción.

La invención ha sido explicada anteriormente con la ayuda de ejemplos de realización preferidos. Sin embargo, el técnico puede realizar modificaciones y configuraciones sin apartarse por ello de la idea de la invención. En lugar de las mediciones de reflexión utilizadas en los ejemplos de realización descritos anteriormente, también es posible emplear el procedimiento según la invención con relación a mensajes de transmisión.

Claims

1. Procedimiento para la determinación del espesor de al menos una capa (3 a 6) sobre un substrato (1), que presenta estructuras geométricas (7) que conducen a difracción de la luz, a través de

-: cálculo de los valores de la intensidad de la luz de reflexión y/o de transmisión utilizando un modelo de iteración, en el que los parámetros de las capas individuales y las dimensiones geométricas de las estructuras geométricas (7) del substrato (1) son introducidos como otros parámetros, y

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se determinan las dimensiones geométricas de las estructuras (7).

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los datos calculados de los espesores de capa (n) y/o de la estructura geométrica (7) son utilizados para la regulación de procedimientos de fabricación para la aplicación de al menos una capa (3 a 6) sobre un substrato (1) y/o para la configuración de estructuras de substratos (7).

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los substratos (1) son piezas brutas para medios de memorias de datos.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque las estructuras geométricas (7) están configuradas como estrías en la pieza bruta.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos una capa (3 a 6) es una capa (4) de soporte de información.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la capa (4) de soporte de información es una aleación de metal, que es variable a través de la actuación de energía de un rayo de luz entre dos fases.

8. Procedimiento según la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque la capa (4) de soporte de información está configurada entre dos capas tampón (3, 5).

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por la utilización durante la fabricación de medios de memorias de datos ópticas.