DD145956A1

DD145956A1 - METHOD AND DEVICE FOR IMPROVING THE ROUGHNESS OF A SURFACE

Info

Publication number: DD145956A1
Application number: DD21547579A
Authority: DD
Inventors: Elvira Hundt; Gunter Schmidt
Original assignee: Elvira Hundt; Gunter Schmidt
Priority date: 1979-09-12
Filing date: 1979-09-12
Publication date: 1981-01-14

Abstract

Die vorgestellte Erfindung beinhaltet Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Rauhigkeit auf optischer Basis. Es wird mittels Fotodetektor die Intensitaetskurve d. von der Probenoberflaeche reflektierten Strahlung aufgenommen. Die Auswertung dieser Kurve erfolgt an den beiden, auf die einfallende Strahlungsintensitaet normierten Betraege der Anstiege an den Wendepunkten. Der Mittelpunkt beider Werte ist der Rauhigkeit proportional, die Differenz der Toleranz der Rauhigkeitswerte. Ein dem Mittelwert proportionales Signal dient der Steuerung nachfolgender Prozeszschritte. Vorteile gegenueber bisher bekannten Verfahren liegen in der intensitaetsgetreuen Aufnahme der Kurve und in der Verbesserung der Meszwertauswertung, wodurch die Sicherheit des angegebenen Rauhigkeitswertes erhoeht wird und zusaetzlich eine Aussage zur Toleranz dieses Wertes getroffen wird.The present invention includes methods and apparatus for determining roughness on an optical basis. It is using photodetector the intensity curve d. recorded radiation reflected from the sample surface. The evaluation of this curve takes place at the two normalized amounts of the increases at the inflection points, which are normalized to the incident radiation intensity. The center of both values is proportional to the roughness, the difference of the tolerance of the roughness values. A mean value proportional signal is used to control subsequent process steps. Advantages over hitherto known methods lie in the intensity of true recording of the curve and in the improvement of the Meszwertauswertung, whereby the security of the specified roughness value is increased and additionally a statement about the tolerance of this value is made.

Description

B' fe?B'fe?

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Rauhigkeit einer OberflächeMethod and device for determining the roughness of a surface

Anwendung der ErfindungApplication of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Rauhigkeit einer Oberfläche. Ihr Einsatzgebiet erstreckt sich auf alle Gebiete von Wissenschaft und Technik, in denen die Messung der Rauhigkeit von Oberflächen ruhender oder -bewegter Teile notwendig ist. Wie ζ* Β» Messung der Rauhigkeit polierter Halbleiterscheiben in der Mikroelektronik oder von Wälzlagerschalen im Maschinenbau»The invention relates to a method and a device for determining the roughness of a surface. Its field of application covers all areas of science and technology in which the measurement of the roughness of surfaces of stationary or moving parts is necessary. How ζ * Β »Measuring the roughness of polished semiconductor wafers in microelectronics or of rolling bearing shells in mechanical engineering»

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Für die Ermittlung der Rauhigkeit von Oberflächen werden im allgemeinen Meßverfahren auf mechanischer oder optischer Grundlage angewendet« Mechanische Verfahren, insbesondere die Tastschnittverfahren,sind ökonomisch nur für stichprobenartige Untersuchungen einsetzbsr«, Sie sind daher für kontinuierliche Messungen im Produktionsprozeß ungeeignet. Die Rauhigkeitsmessung an Oberflächen von dünnen Schichten.ist aufgrund der oberflächenzerstörenden Wirkung der Tastnadel mit Fehlern behaftet»Characteristic of the Known Technical Solutions For the determination of the roughness of surfaces, measuring methods based on mechanical or optical principles are generally used. "Mechanical methods, in particular the stylus methods, are economically useful only for random investigations. They are therefore unsuitable for continuous measurements in the production process. The roughness measurement on surfaces of thin layers is subject to errors due to the surface-destroying effect of the stylus »

Der Ermittlung von Rauhigkeiten mittels Lichtschnittgeräten ist durch das optische Auflösungsvermögen eine Grenze gesetzt«, Es sind zahlreiche optische Meßverfahren zur Bestimmung der Rauhigkeit bekannt, die auf der Grundlage der Aufnahme und Auswertung der Intensität der von der'Probenoberfläche reflektierten Strahlung beruhen* Einen Überblick darüber gibt z. B.. M. Abou - AIy in der Zeitschrift Metalloberfläche 31 (1977)The determination of roughness by means of light intersecting devices is limited by the optical resolution. "Numerous optical measuring methods for determining the roughness are known, which are based on the recording and evaluation of the intensity of the radiation reflected by the sample surface. * An overview is available z. B .. M. Abou - AIy in the journal Metal Surface 31 (1977)

'ά'ά

Η« 12, S. 568 - 577« Zur Auswertung und Ermittlung der_Rauhigkeit wird die Intensität der direkt reflektierten Strahlung, die der diffusen Strahlung oder die Verteilung der Intensität über den Querschnitt des reflektierten Strahls herangezogen. Rauhigkeiten im nm-Bereich sind aufgrund der geringen Unterschiede der direkt, reflektierten Strahlungsintensitäten baw» der diffusen Strahlung nur unzureichend auswertbar, da die Meßfehler in der Größenordnung der Intensitätsdifferenzen liegen»Η «12, S. 568 - 577« For evaluation and determination of the roughness, the intensity of the directly reflected radiation, the diffuse radiation or the distribution of the intensity over the cross section of the reflected beam is used. Roughnesses in the nm range can only be evaluated inadequately due to the small differences in the directly reflected radiation intensities of the diffuse radiation, since the measurement errors lie in the order of magnitude of the intensity differences.

Den von Dändliker (BRD-Patent 2260090) und Hans (DDR-Patent 86087) veröffentlichten Erfindungen sind die Auswertung der Intensitätsverteilung der von der Probe reflektierten Strahlung zugrunde gelegt» In dem von Dändliker vorgestellten Verfahren sind Mangel hinsichtlich der Meßwertaufnahme und -auswertung enthalten, die die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse zumindest erschweren, wenn nicht sogar verhindern. Bei dem von Hans vorgestellten Verfahren sind einerseits die Rauhigkeitsmeßwerte nur bedingt reproduzierbar, andererseits wird der-Informationsgehalt der Meßkurve nur teilweise ausgeschöpft, da zur Auswertung nur eine Planke der Meßkurve herangezogen wird.The inventions published by Dändliker (BRD patent 2260090) and Hans (DDR patent 86087) are based on the evaluation of the intensity distribution of the radiation reflected by the sample. "The method presented by Dändliker contains deficiencies with regard to the acquisition and evaluation of measured values at least complicating, if not preventing, the reproducibility and comparability of the results. In the method presented by Hans, on the one hand the roughness measurements are only partially reproducible, on the other hand the information content of the measurement curve is only partially exhausted since only one plank of the measurement curve is used for the evaluation.

Eine Aussage zur Toleranz des Räuhigkeitswertes kann mit keinem bisher bekannten Verfahren getroffen werden*A statement on the tolerance of the Räuhigkeitswertes can not be made with any known method *

Ziel dar ErfindungAim of the invention

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines optischen Verfahrens und einer Vorrichtung zur Bestimmung der Rauhigkeit einer Oberfläche mit hoher Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Meßergebnisse«The aim of the invention is the development of an optical method and a device for determining the roughness of a surface with high reproducibility and accuracy of the measurement results. "

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Bestimmung der Rauhigkeit einer Oberfläche auf der Grundlage eines optischen Verfahrens, wobei ein Ausgangssignal erzeugt werden soll,- das u« a₉ fur die Steuerung nachfolgender Prozeßschritte einsetzbar ist« Desweiteren sollen mit dieser Erfindung Aussagen hinsichtlich der Toleranz der Rauhigkeitöwerte getroffen werden« Die Erfin- ^: dung beruht auf einem optischen Verfahren zur Bestimmung derThe object of the invention is to develop a method and an apparatus for determining the roughness of a surface on the basis of an optical method, wherein an output signal to be generated - which is insertable u «a ₉ for the control of subsequent process steps" Further to this invention are made statements regarding the tolerance of Rauhigkeitöwerte "the ^inventions: dung based on an optical method for determining the

Rauhigkeit, vorzugsweise von Metalloberflächen, auf der Grundlage der Messung der örtlichen Intensitätsverteilung des von der Probenoberfläche reflektierten Strahls» Auf einem Kreisbogen mit dem Radius r, dessen Mittelpunkt M der Schnittpunkt Einfallslot - Probenoberfläche bildet, wird ein Fotodetektor geschwenkt, dessen Ausgangsspannung zur Aufnahme der Intensitätskurve dient.Roughness, preferably of metal surfaces, based on the measurement of the local intensity distribution of the beam reflected from the sample surface. On a circular arc of radius r whose center M is the point of incidence - sample surface, a photodetector is pivoted whose output voltage is to record the intensity curve serves.

Aus den beiden Beträgen der Anstiege an den Wendepunkten der Intensitätskurve, die auf die Intensität der einfallenden Strahlung normiert werden, wird der Mittelwert gebildet und in ein ihm entsprechendes Ausgangssignal gewandelt» Dieses wird, einerseits zur Angabe des Rauhigkeitswertes und andererseits zur Steuerung nachfolgender Prozeßschritte genutzt» Um eine Aussage über die Toleranz des ermittelten Rauhigkeitswertes zu erhalten, wird die Differenz der o. g« normierten Meßwerte gebildet» Der Winkel der einfallenden Strahlung beträgt vorzugsweise 45°· Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Lichtquelle, einem halbdurchlässigen Spiegel, einem für den reflektierten Strahl durchlässigen Filter, einem hinter diesem Filter angeordneter Fotodetektor, einem für die Messung der Intensität der einfallenden Strahlung dienenden Fotodetektor, einem vor diesem angeordnetem Filter, der nur für das verwendete Licht durchlässig ist und aus einer Auowerteeinheit. Die Erfindung soll- anhand des nachstehenden Ausführungsbeispiels erläutert werden.From the two amounts of increases at the inflection points of the intensity curve, which are normalized to the intensity of the incident radiation, the mean value is formed and converted into a corresponding output signal »This is, on the one hand used to specify the roughness value and on the other hand to control subsequent process steps» In order to obtain a statement about the tolerance of the determined roughness value, the difference of the above-mentioned "normalized measured values is formed." The angle of the incident radiation is preferably 45 °. The apparatus according to the invention consists essentially of a light source, a semitransparent mirror, one for the reflected beam transmissive filter, a photodetector arranged behind this filter, a photodetector serving to measure the intensity of the incident radiation, a filter arranged in front of it, which is permeable only to the light used, and an Auow erteeinheit. The invention will be explained with reference to the following embodiment.

Ausführungsbeispiel 1 (siehe Figur 1) Das von einer Lichtquelle 1, z, B. einem Laser ausgehende Strahlenbündel wird von der Oberfläche der zu untersuchenden Probe 2 sowohl direkt als auch diffus reflektierte Der Einfallswinkel des Lichtes beträgt 45°· Vom einfallenden Strahl wird mittels halbdurchlässigem Spiegel 5 ein Teil des Strahls ausgeblendet und trifft auf ein Fotoelement 6, mit dessen Hilfe die Intensität Lg des einfallenden Strahls in ein ihr proportionales elektrisches Signal gewandelt wird« Die Probe ist senkrecht auf einem Goniometerkopf justiert, der sich auf dem Objektteller eines Goniometers befindet=. Durch Drehen des Detektortellers mit konstanter Geschwindigkeit um den Reflexionswinkel von 43° bis 47° wird mit Hilfe eines Fotoelementes 4,Exemplary Embodiment 1 (see FIG. 1) The beam emanating from a light source 1, eg, a laser, is reflected both directly and diffusely from the surface of the specimen 2 to be examined. The angle of incidence of the light is 45.degree .. The incident beam is transmitted by means of semipermeable radiation Mirror 5 fades out a part of the beam and strikes a photoelement 6, with the aid of which the intensity Lg of the incident beam is converted into an electrical signal proportional to it. The sample is adjusted perpendicular to a goniometer head which is located on the object plate of a goniometer , By rotating the detector plate at a constant speed by the angle of reflection of 43 ° to 47 °, with the aid of a photoelement 4,

τ-τ-

das auf diesem im Abstand r zur zu untersuchenden Probenoberfläche angeordnet ist, die Intensitätskurve aufgezeichnet* Um Fremdlichteinflüsse auf die Fotodetektoren, die Fehlerquellen für die Aufnahme und Auswertung der Intensitätskurve darstellen, auszuschließen» ist vor jedem ein nur für die Wellenlänge des verwendeten Meßlichtes durchlässiges Filter 3 angeordnet. Die Intensität I-, und die Intensitätskurve des reflektierten Strahles stellen die Eingangsgrößen für einen geeigneten Analogrechner 7 dar, mit dessen Hilfe der Anstieg an den beiden V/endepunkten der Intensitätskurve der reflektierten Strahlung ermittelt wird, ihre Beträge gebildet werden,- die !formierung auf die Intensität I-g erfolgt und letztlich die Mittelwertbildung beider Werte vorgenommen wird«. Das dem Mittelwert proportionale Ausgangssignal R stellt ein Maß für die Rauhigkeit der zu untersuchenden Probenoberfläche dar und kann über einen geeigneten Trennverstärker .8 zur Steuerung nachfolgender Prozeßschritte genutzt werden«. Um Aussagen über die Toleranz der ermittelten Rauhigkeitswerte zu erhalten j wird mit dem o. g® Analogrechner die Differenz der normierten Beträge der Anstiege an den Wendepunkten der Intensitätskurve der reflektierten Strahlung gebildet und in ein ihr proportionales elektrisches Signal T gewandelt» Dieses ist der Toleranz des Rauhigkeitswertes proportionale . . the intensity curve is recorded * in order to exclude extraneous light influences on the photodetectors, which are sources of error for the recording and evaluation of the intensity curve, is a filter 3 permeable only to the wavelength of the measuring light used arranged. The intensity I- and the intensity curve of the reflected beam represent the input variables for a suitable analog computer 7, with the aid of which the rise at the two V / end points of the intensity curve of the reflected radiation is determined, their amounts being formed the intensity Ig takes place and finally the averaging of both values is carried out. " The output signal R proportional to the mean value represents a measure of the roughness of the sample surface to be examined and can be used to control subsequent process steps via a suitable buffer amplifier 8. In order to obtain information on the tolerance of the roughness values determined, the difference of the normalized amounts of the rises at the inflection points of the intensity curve of the reflected radiation is formed with the o.gg analog computer and converted into a proportional electrical signal T. This is the tolerance of Roughness value proportional. ,

Claims

invention claims

1. A method for determining the roughness of a surface, wherein it is illuminated with a light beam and the local intensity distribution of the beam reflected from the sample surface by means of photodetector .Measured »characterized in that the intensity distribution over a circular arc with the radius r, in the center of which Sample is arranged with the surface to be examined, it is recorded that at the inflection points of the intensity curve, the amounts of the increases are normalized, these are normalized to the intensity of the incident radiation that from the mean of these amounts a proportional signal as a measure of the roughness and from the difference of the normalized amounts the tolerance of the roughness value are formed.

2 »Device for carrying out the method by point; 1, characterized in that it consists essentially of a light source, a semitransparent mirror, a filter permeable to the reflected beam, a photodetector disposed behind the -sem filter, a photodetector serving to measure the intensity of the incident radiation, one in front of it arranged for the measuring light permeable filter and an evaluation, consists.