DE10036227A1

DE10036227A1 - Microscope and method for quantitative optical measurement of the topography of a surface

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Publication number: DE10036227A1
Application number: DE10036227A
Authority: DE
Inventors: Helmut Toebben; Dirk-Roger Schmitt; Gabriele Ringel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2000-06-14
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2002-01-17

Abstract

Ein Mikroskop und ein Verfahren zur quantitativen optischen Messung der Topographie einer Oberfläche eines Werkstückes wird vorgeschlagen. Es zeichnet sich durch einen Differential-Interferenz-Kontrast-Mikroskopaufbau nach Nomarski mit einer Lichtquelle, einem Polarisator, einem veränderbaren Nomarski-Prisma und einem Analysator, bei dem die Lichtquelle ein enges Frequenzspektrum besitzt und/oder die Lichtquelle mit einem Spektralfilter mit engem Frequenzspektrum ausgerüstet ist und bei dem eine Phasenverschiebungsinterferometrie-Auswerteeinheit vorgesehen ist, aus.A microscope and a method for quantitative optical measurement of the topography of a surface of a workpiece is proposed. It is characterized by a differential interference contrast microscope design according to Nomarski with a light source, a polarizer, a changeable Nomarski prism and an analyzer, in which the light source has a narrow frequency spectrum and / or the light source is equipped with a spectral filter with a narrow frequency spectrum and in which a phase shift interferometry evaluation unit is provided.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroskop und ein Verfahren zur quantitativen optischen Messung der Topographie der Oberfläche eines Werkstückes.The invention relates to a microscope and a method for quantitative optical measurement of the topography of the surface of a workpiece.

Mikroskope werden nicht nur zur näheren Betrachtung kleinräumiger Struktu ren eingesetzt, sondern seit längerem auch zur quantitativen Charakterisie rung von Oberflächen.Microscopes are not only used for a closer look at small-scale structures Ren used, but for a long time also for quantitative characterization surfaces.

Auflicht-Mikroskope sind sehr einfach in ihrer Handhabung und arbeiten ohne einen Kontakt zum Werkstück, das heißt absolut zerstörungsfrei. Übliche Auflichtverfahren (Hellfeld, Dunkelfeld) sind zur Untersuchung der Topogra phien von Oberflächen jedoch nicht geeignet, da sie auf Amplitudenunter schiede auf der Oberfläche angewiesen sind. Eine Oberflächentopographie erzeugt jedoch keine Amplitudenunterschiede, sondern lediglich relative Phasenunterschiede in der reflektierten Wellenfront.Incident light microscopes are very easy to use and work without contact with the workpiece, which means absolutely non-destructive. usual Incident light methods (brightfield, darkfield) are used to examine the topogra However, surfaces are not suitable because they are based on amplitudes are dependent on the surface. A surface topography does not generate any amplitude differences, however, only relative ones Phase differences in the reflected wavefront.

Mit Hilfe der Zweistrahl-Interferenz lassen sich diese Phasenunterschiede jedoch in Amplitudenunterschiede umwandeln. In kommerziell erhältlichen Mikroskopen zur quantitativen Charakterisierung von Oberflächentopogra phien werden verschiedene Anordnungen für eine solche Zweistrahl-Inter ferometrie verwendet. Das Prinzip der Bildentstehung ist dabei trotz der unterschiedlichen Anordnungen der beiden Teilstrahlen immer dasselbe: Die Oberflächentopographie erzeugt einen Phasenunterschied zwischen den beiden Teilstrahlen, der durch die anschließende Überlagerung in Amplitu denunterschiede umgewandelt wird. Durch eine computergesteuerte Verschiebung der Phasenlage kann dann aus dem Interferenzbild die Ober flächentopographie rekonstruiert werden. Dies wird als sogenannte Phasen verschiebungs-Interferometrie bezeichnet. With the help of two-beam interference, these phase differences can be however convert to amplitude differences. In commercially available Microscopes for the quantitative characterization of surface topography Phien are different arrangements for such a two-beam inter ferometry used. The principle of image creation is despite the different arrangements of the two partial beams always the same: the Surface topography creates a phase difference between the two partial beams, which are then superimposed into amplitudes the differences are converted. By a computer controlled The phase can then be shifted from the interference pattern surface topography to be reconstructed. This is called so-called phases called displacement interferometry.

Bei diesen Zweistrahl-Interferometern erfolgt die Messung stets relativ zu einer Referenzfläche. Dies führt zum einen sehr nachteilhaft zu einer sehr hohen Empfindlichkeit dieser Messgeräte gegenüber Vibrationen. Darüber hinaus ist die Messgenauigkeit selbst auch noch durch die Rauheit der Referenzfläche begrenzt.These two-beam interferometers always measure relative to a reference surface. On the one hand, this leads to a very disadvantageous result high sensitivity of these measuring devices to vibrations. About that In addition, the measurement accuracy itself is also due to the roughness of the Limited reference area.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Mikroskop und ein Verfah ren zur quantitativen optischen Messung der Topographie der Oberfläche eines Werkstückes vorzuschlagen, das gegenüber Vibrationen unempfindli cher ist und nach Möglichkeit auch eine höhere Messgenauigkeit gewähr leistet.In contrast, the object of the invention is a microscope and a method for quantitative optical measurement of the topography of the surface to propose a workpiece that is insensitive to vibrations is safer and, if possible, also guarantee a higher measuring accuracy guaranteed.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Mikroskop zur quantitativen optischen Messung der Topographie der Oberfläche eines Werkstückes, gekennzeichnet durch einen Differential-Interferenz-Kontrast-Mikroskop aufbau nach Nomarski mit einer Lichtquelle, einem Polarisator, einem Nomarski-Prisma und einem Analysator, bei dem die Lichtquelle ein enges Frequenzspektrum besitzt und/oder die Lichtquelle mit einem Spektralfilter mit engem Frequenzspektrum ausgerüstet ist, bei dem eine Einrichtung zur reproduzierbaren Verschiebung der Phase vorgesehen ist, und bei dem eine Phasenverschiebungsinterferometrie-Auswerteeinheit vorgesehen ist.This task is solved by a microscope for quantitative optical Measurement of the topography of the surface of a workpiece, characterized by a differential interference contrast microscope construction according to Nomarski with one light source, one polarizer, one Nomarski prism and an analyzer where the light source is a narrow one Has frequency spectrum and / or the light source with a spectral filter is equipped with a narrow frequency spectrum, in which a device for reproducible phase shift is provided, and in which one Phase shift interferometry evaluation unit is provided.

Bei einem Verfahren zur quantitativen optischen Messung der Topographie einer Oberfläche eines Werkstückes wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Differential-Interferenz-Kontrast-Verfahren nach Nomarski durchgeführt wird, bei dem mit Licht aus einem engen Frequenzspektrum gearbeitet wird und eine Auswertung mittels Phasenverschiebungs-Inter ferometrie erfolgt.In a method for quantitative optical measurement of the topography on a surface of a workpiece, this object is achieved by that a differential interference contrast method according to Nomarski is carried out using light from a narrow frequency spectrum is worked and an evaluation by means of phase shift inter ferometry takes place.

Mit einem solchen Mikroskop und einem solchen Verfahren lassen sich über raschend die Probleme lösen. Ein Differential-Interferenz-Kon trast-Mikroskopaufbau nach Nomarski ist zwar schon seit vielen Jahrzehnten bekannt und in der Literatur beschrieben. With such a microscope and such a method, solve problems quickly. A differential interference con trast microscope setup according to Nomarski has been around for many decades known and described in the literature.

Ein solcher Mikroskopaufbau erzeugt im Gegensatz zu den Zweistrahl-Interferometern ein für das menschliche Auge sichtbares Abbild der Oberflächentopographie. Allerdings ist das Nomarski-Mikroskop bisher stets nur zur qualitativen Beurteilung von Oberflächentopographien verwendet worden, quantitative Ansätze schienen bisher ausgeschlossen zu sein. Die großen Vorteile der Nomarski-Mikroskopie sind an sich einleuchtend, so kommt das entsprechende Verfahren ohne jede Referenzfläche aus. Infolge dessen sind Nomarski-Mikroskope vibrationsunempfindlich. Trotzdem sind schon seit Jahrzehnten die Fachleute an dem Versuch gescheitert, mit Nomarski-Mikroskopen quantitative Auswertungen vorzunehmen, so zum Beispiel John S. Hartman, Richard L. Gordon und Delbert L. Lessor in "Applied Optics" (1980) 2998 bis 3009 oder M. J. Fairlie, J. G. Akkermann, R. S. Timsit in "SPIE 749" (1987) 105 bis 113. Diese Versuche arbeiteten jeweils damit, das entstehende Bild in Graustufen umzusetzen und dann eine quantitative Auswertung dieser Graustufen vorzunehmen.In contrast to that, such a microscope setup produces Two-beam interferometers an image visible to the human eye the surface topography. However, the Nomarski microscope is so far always only for the qualitative assessment of surface topographies quantitative approaches have so far been ruled out his. The great advantages of Nomarski microscopy are in themselves obvious, so the corresponding procedure comes without any Reference surface. As a result, Nomarski microscopes are vibration resistant. Nevertheless, the experts have been for decades failed attempting quantitative with Nomarski microscopes Carry out evaluations, for example John S. Hartman, Richard L. Gordon and Delbert L. Lessor in "Applied Optics" (1980) 2998 to 3009 or M.J. Fairlie, J.G. Akkermann, R.S. Timsit in "SPIE 749" (1987) 105-113. These attempts worked with the resulting image in grayscale implement and then a quantitative evaluation of these grayscale make.

Die Erfindung geht von dieser an sich naheliegenden Konzeption einer Bild verarbeitung ab. Stattdessen setzt sie zu dem Nomarski-Mikroskopaufbau eine Möglichkeit zur Phasenverschiebungs-Interferometrie ein. Dies geschieht dadurch, dass eine Einrichtung zur reproduzierbaren Verschiebung der Phase vorgesehen ist, insbesondere das Nomarski-Prisma verstellbar ist. Unter "verstellbar" ist insbesondere zu verstehen, dass das Prisma selbst verschiebbar ist oder dass alternativ mittels eines λ/4-Plättchens und eines drehbaren Analysators auch bei feststehendem Prisma eine Phasenver schiebung realisiert werden kann.The invention is based on this conception of an image, which is obvious processing from. Instead, she relies on the Nomarski microscope setup a possibility for phase shift interferometry. This happens in that a device for reproducible displacement the phase is provided, in particular the Nomarski prism is adjustable. "Adjustable" means in particular that the prism itself is displaceable or that alternatively by means of a λ / 4 plate and one rotatable analyzer even with a fixed prism a phase ver shift can be realized.

Ein wesentliches Detail der Vorrichtung zur Phasenverschiebung ist die Tatsache, dass die Phasenverschiebung vom Polarisationszustand des Lichtes abhängig ist. Entsprechende Vorrichtungen, die aus doppelbrechen den Kristallen bestehen, werden in der Literatur auch als Kompensator oder Phasenschieber bezeichnet. Prinzipiell eignet sich jedes doppelbrechende Medium zur Realisierung eines solchen Phasenschiebers. An essential detail of the device for phase shifting is the Fact that the phase shift from the polarization state of the Light is dependent. Appropriate devices that break out of double the crystals are used in the literature as a compensator or Called phase shifter. In principle, any birefringent is suitable Medium for realizing such a phase shifter.

In der Auswerte-Einheit kann dann unter Ausnutzung der Vorteile eines Nomarski-Mikroskopes mit seiner hohen Auflösung, Vibrationsunempfindlich keit und qualitativen Oberflächenbetrachtungsmöglichkeiten eine Phasenver schiebungs-Interferometrie vorgenommen werden.The evaluation unit can then take advantage of the advantages of a Nomarski microscope with its high resolution, insensitive to vibrations a phase comparison shift interferometry.

Die Auswerteeinheit besitzt bevorzugt einen elektrooptischen Bildwandler. Das kann zum Beispiel eine Kamera mit elektronischem Signalausgang oder ein CCD-Sensor sein.The evaluation unit preferably has an electro-optical image converter. This can be, for example, a camera with an electronic signal output or be a CCD sensor.

Es entsteht ein neuartiges, hochauflösendes, äußerst zuverlässiges und schnelles Messinstrument zur Bestimmung von Rauheiten. Oberflächentopo graphien können rasch und zuverlässig sowie präzise quantitativ charakteri siert werden.A new, high-resolution, extremely reliable and fast measuring instrument for determining roughness. Oberflächentopo graphics can be characterized quickly, reliably and precisely in quantitative terms be settled.

Alle bekannten Messverfahren mit Zweistrahlinterferometern konnten darüber hinaus keine direkte qualitative Beurteilung der Topographie der Oberfläche mit Hilfe des menschlichen Auges ermöglichen. Die Erfindung schafft jedoch als erheblichen zusätzlichen Vorteil genau das: Schon vor der eigent lichen Messung kann der Benutzer des Mikroskops sich ein Bild von den zu erwartenden Ergebnissen machen. Es wird möglich, vor der Messung eine direkte qualitative Beurteilung mit Hilfe des menschlichen Auges vorzuneh men.All known measuring methods with two-beam interferometers were able to do this no direct qualitative assessment of the topography of the surface enable with the help of the human eye. The invention creates however, as a considerable additional advantage, this is exactly what it is: even before the actual Liche measurement, the user of the microscope can get an image of the expected results. It becomes possible to make a make direct qualitative assessment using the human eye men.

Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.Various preferred embodiments of the invention are shown in FIGS Characterized sub-claims.

Im Folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigen:An exemplary embodiment is described in more detail below with reference to the drawing described. Show it:

Fig. 1 eine Schemadarstellung eines erfindungsgemäßen Mikroskops; Fig. 1 is a schematic view of a microscope according to the invention;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Moduls als Teil des erfin dungsgemäßen Mikroskops; Fig. 2 is a perspective view of a module as part of to the invention OF INVENTION microscope;

Fig. 3 eine Gesamtansicht eines Aufbaus mit Auswerteeinheit; Fig. 3 is an overall view of a structure having an analysis unit;

Fig. 4 die Bildintensität in Abhängigkeit von der Prismaposition; FIG. 4 shows the image intensity as a function of prism position;

Fig. 5 eine Darstellung des Messprinzips bei der Phasenverschie bungs-Interferometrie; Fig. 5 is an illustration of the measurement principle in the phase shift interferometry;

Fig. 6 eine 3D-Darstellung der Topographie einer Oberfläche; Fig. 6 is a 3D representation of the topography of a surface;

Fig. 7 Vergleichskurven verschiedener Messverfahren; FIG. 7 shows comparative curves of different measuring method;

Fig. 8 verschiedene Darstellungen von Messergebnissen; und FIG. 8 is different representations of measurement results; and

Fig. 9 eine Darstellung der Wiederholgenauigkeit. Fig. 9 shows the repeatability.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Mikro skops. Die Gesamtstruktur des Mikroskops ähnelt einem Aufbau nach Nomarski. Zu untersuchen ist ein Werkstück 10 beziehungsweise die Topo graphie der Oberfläche 11 dieses Werkstückes 10. Der Strahlengang wird durch zunächst einfallendes Licht 15 und anschließend von der Oberfläche 11 des Werkstückes 10 reflektiertes Licht 16 wiedergegeben. Fig. 1 shows schematically the structure of a microscope according to the invention. The overall structure of the microscope resembles a Nomarski structure. A workpiece 10 or the topography of the surface 11 of this workpiece 10 is to be examined. The beam path is reproduced by first incident light 15 and then light 16 reflected by the surface 11 of the workpiece 10 .

Ausgangspunkt ist eine Lichtquelle 20, die hier eine Weißlichtquelle ist. Das Licht fällt durch einen Spektralfilter 21 mit einem engen Frequenzspektrum. Das Licht dieses engen Frequenzspektrums fällt anschließend auf einen Polarisator 22 und wird dort linear polarisiert. Es gelangt anschließend zu einem teildurchlässigen, hier halbdurchlässigen Spiegel 23, der so in den Strahlengang geführt ist, dass er das von der Lichtquelle 20 her einfallende Licht in Richtung der Oberfläche 11 des Werkstückes 10 umlenkt. Das Werkstück wird häufig auch als Probe bezeichnet.The starting point is a light source 20 , which is a white light source here. The light falls through a spectral filter 21 with a narrow frequency spectrum. The light of this narrow frequency spectrum then falls on a polarizer 22 and is linearly polarized there. A partially transparent, here semi-transparent mirror 23 then arrives, which is guided into the beam path in such a way that it deflects the light incident from the light source 20 in the direction of the surface 11 of the workpiece 10 . The workpiece is often referred to as a sample.

Vom Spiegel 23 fällt das Licht auf das Nomarski-Prisma 24, ein doppel brechendes Prisma. Dieses Prisma spaltet das Licht in zwei orthogonal linear polarisierte Teilstrahlen auf, die nach Durchlaufen einer Objektivlinse 25 mit einem kleinen lateralen Versatz auf die Oberfläche 11 des Werkstückes 10 auftreffen. Bei der Reflexion an der Oberfläche 11 des Werkstückes 10 erfahren die beiden Teilstrahlen daher aufgrund der Topographie der Oberfläche 11 eine relative Phasenverschiebung zueinander. Die Strahlen des reflektierten Lichts 16 werden nach erneutem Durchlaufen der Objektivlinse 25 nun im Nomarski-Prisma 24 wieder überlagert.The light falls from the mirror 23 onto the Nomarski prism 24 , a birefringent prism. This prism splits the light into two orthogonally linearly polarized partial beams which, after passing through an objective lens 25, strike the surface 11 of the workpiece 10 with a small lateral offset. When reflected on the surface 11 of the workpiece 10 , the two partial beams therefore experience a relative phase shift with respect to one another due to the topography of the surface 11 . The rays of the reflected light 16 are again superimposed in the Nomarski prism 24 after passing through the objective lens 25 again.

Sie laufen weiter durch den halbdurchlässigen Spiegel 23 zu einem Analysator 26, in dem eine Selektion einer gemeinsamen Polarisationskom ponente erfolgt. Die Teilstrahlen sind nun wieder interferenzfähig.You continue to run through the semi-transparent mirror 23 to an analyzer 26 , in which a selection of a common Polarisationskom component takes place. The partial beams are now capable of interference again.

Das auf diese Weise entstehende Interferenzbild enthält Informationen über die differentiellen Höhenänderungen entlang der Richtung des Strahlversat zes.The interference image created in this way contains information about the differential height changes along the direction of the beam offset zes.

Es wurde festgestellt, dass mit einem solchen Mikroskop noch Oberflächen rauheiten in der Größenordnung von 0,05 nm sichtbar gemacht werden können. Das Interferenzbild stellt mit zwei kleinen Einschränkungen ein gutes Bild der Oberfläche 11 des Werkstückes 10 dar. Zum einen ist es kein direktes Abbild der Oberflächentopographie, sondern lediglich ein Gradien tenbild, das nicht Höhen, sondern Höhenänderungen abbildet. It was found that surface roughness of the order of 0.05 nm can still be made visible with such a microscope. The interference image represents a good image of the surface 11 of the workpiece 10 with two small restrictions. On the one hand, it is not a direct image of the surface topography, but only a gradient image that does not depict heights but changes in height.

Zum anderen werden diese Höhenänderungen nur entlang der Scherrichtung sichtbar.On the other hand, these changes in height are only along the shear direction visible.

Die lokale Bildintensität ist durch den relativen Phasenunterschied zwischen den beiden linear polarisierten Teilstrahlen bestimmt. Für einen Phasenun terschied χ ergibt sich die Intensität in der Bildebene zu:
The local image intensity is determined by the relative phase difference between the two linearly polarized partial beams. For a phase difference χ, the intensity in the image plane is:

Die Größe I_max bezeichnet die maximal zu beobachtende Intensität und die Größe Q die optischen Verluste innerhalb des Mikroskops. Für ein bestimm tes optisches System stellen diese Verluste eine Konstante dar, während die maximale Intensität von der Reflektivität der beobachteten Oberfläche abhängig ist. Die Phasenverschiebung χ besteht aus zwei Anteilen, einem Anteil α, der von der Oberflächentopographie abhängt, und einem weiteren Anteil β, der sich aus der Position und den Eigenschaften des Nomarski- Prismas ergibt.
The size I _max denotes the maximum intensity that can be observed and the size Q the optical losses within the microscope. For a certain optical system, these losses represent a constant, while the maximum intensity depends on the reflectivity of the observed surface. The phase shift χ consists of two parts, a part α, which depends on the surface topography, and a further part β, which results from the position and the properties of the Nomarski prism.

χ = α + β. (2)χ = α + β. (2)

Der Betrag der Phasenverschiebung β ändert sich linear mit der Verschie bung x des Prismas entlang der Scherrichtung, so dass
The amount of the phase shift β changes linearly with the displacement x of the prism along the shear direction, so that

gilt. In dieser Gleichung bezeichnet β₀ die Phasenverschiebung an der Stelle x = 0 und dβ/dx den Gradienten der Phasenverschiebung entlang der Scherrichtung. applies. In this equation, β ₀ denotes the phase shift at x = 0 and dβ / dx the gradient of the phase shift along the shear direction.

Um den Gradienten der Phasenverschiebung entlang der Scherrichtung zu bestimmen, ist eine Kalibrierung des Systems empfehlenswert, die später erläutert wird. Neben der Phasenverschiebung erfahren die Teilstrahlen entgegengesetzte Änderungen ihrer Ausbreitungsrichtungen, die auf der Probenoberfläche zur örtlichen Aufspaltung in zwei Lichtpunkte mit dem Abstand Δs führt. Die vom Prisma verursachte Phasenverschiebung verän dert die Hintergrundhelligkeit des gesamten Interferenzbildes, während die Oberflächentopographie zu regionalen Modulationen der Bildintensität führt. Geht man von nahezu senkrechtem Lichteinfall auf die Oberfläche aus, so führt eine Höhendifferenz Δz entlang der Scherrichtung zwischen den beiden Teilstrahlen zu einer Phasenverschiebung α von
In order to determine the gradient of the phase shift along the shear direction, a calibration of the system is recommended, which will be explained later. In addition to the phase shift, the partial beams experience opposite changes in their directions of propagation, which leads to local splitting on the sample surface into two light spots with the distance Δs. The phase shift caused by the prism changes the background brightness of the entire interference image, while the surface topography leads to regional modulations of the image intensity. If one assumes almost perpendicular incidence of light on the surface, a height difference Δz along the shear direction between the two partial beams leads to a phase shift α of

Damit ist die Phasenverschiebung α proportional zur Höhenänderung Δz entlang der Scherrichtung. Für die Intensitätsverteilung im Interferenzbild folgt damit
The phase shift α is therefore proportional to the change in height Δz along the shear direction. This follows for the intensity distribution in the interference image

Um allein aus einer solchen Intensitätsverteilung quantitative Aussagen über die Oberflächentopographie zu erhalten, wäre es erforderlich, die gemes senen Intensitäten durch eine geeignete Kalibrierung den entsprechenden Höhenänderungen zuzuordnen. Dieses Verfahren ist jedoch äußerst aufwendig und unsicher.To make quantitative statements about such an intensity distribution alone to obtain the surface topography, it would be necessary to appropriate intensities by means of a suitable calibration Assign height changes. However, this process is extreme complex and uncertain.

Erfindungsgemäß wird jetzt jedoch die Phasenverschiebungsinterferometrie eingesetzt. Sie ermöglicht es, die Phase α direkt zu bestimmen. Herkömm lich werden bei solchen Verfahren in anderem Zusammenhang verschiedene relative Phasenverschiebungen zwischen dem Mess- und dem Referenz strahl eingestellt und dann die Intensitätsverteilung bestimmt. However, the phase shift interferometry is now according to the invention used. It enables the phase α to be determined directly. Herkömm Such processes become different in a different context relative phase shifts between the measurement and the reference beam set and then determined the intensity distribution.

Die Phasenverschiebungen werden durch die Änderung des optischen Weges im Referenzstrahlengang eingestellt. Dazu wird mit einer piezoelektrischen Keramik die Referenzfläche entlang der optischen Achse verschoben. Aus dem so gewonnenen Satz von Intensitätsverteilungen wird der Anteil α an der Phasenverschiebung χ, der aus der Oberflächentopographie resultiert, berechnet.The phase shifts are caused by the change in the optical Path set in the reference beam path. To do this, use a piezoelectric ceramic the reference surface along the optical axis postponed. The set of intensity distributions obtained in this way becomes the share α in the phase shift χ, which from the Surface topography results, calculated.

Bei der Erfindung wird in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform jedoch ein verschiebbares Nomarski-Prisma 24 in ein Auflichtmikroskop integriert. Die Optik des Mikroskops sollte ausreichend doppelbrechungsfrei sein und in den Beleuchtungsstrahlengang und Betrachtungsstrahlengang Polarisa toren 22 beziehungsweise Analysatoren 26 integriert werden können:
In dem Mikroskop wird die relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Strahlen auf sehr einfache Weise durch Verschiebung des Nomarski- Prismas 24 entlang der Scherrichtung erzeugt. Es ist ein Satz von mindes tens drei Intensitätsverteilungen nötig, da die Gleichung (5) drei unbekannte Größen enthält, die maximale Intensität I_max, die optischen Verluste Q und die Phasenverschiebung α. In der Praxis hat sich jedoch die Verwendung von vier Intensitätsverteilungen bewährt. Diese vier Intensitätsverteilungen I₁, I₂, I₃ und I₄ mit Phasenverschiebungen β_i von 0, π/2, π und 3/2π werden durch Gleichung (6) beschrieben:
In the case of the invention, however, in the embodiment shown in FIG. 1, a displaceable Nomarski prism 24 is integrated in a reflected light microscope. The optics of the microscope should be sufficiently birefringence-free and be able to be integrated into the illuminating beam path and viewing beam path polarizers 22 or analyzers 26 :
In the microscope, the relative phase shift between the two beams is generated in a very simple manner by shifting the Nomarski prism 24 along the shear direction. A set of at least three intensity distributions is necessary because equation (5) contains three unknown quantities, the maximum intensity I _max , the optical losses Q and the phase shift α. In practice, however, the use of four intensity distributions has proven itself. These four intensity distributions I ₁ , I ₂ , I ₃ and I ₄ with phase shifts β _i of 0, π / 2, π and 3 / 2π are described by equation (6):

Die Phase β_i lässt sich durch die Verschiebung des Nomarski-Prismas 24 entlang der Scherrichtung um die Strecke x_i einstellen. Aus diesen vier Intensitätverteilungen lässt sich die Phasenverschiebung α
The phase β _i can be adjusted by moving the Nomarski prism 24 along the shear direction by the distance x _i . The phase shift α can be determined from these four intensity distributions

dann leicht bestimmen. Die Bestimmung der Phasenverschiebung α erfolgt mit diesem Verfahren nur bis auf ganzzahlige Vielfache von π. Aufgrund der Periodizität der Winkelfunktionen werden die Werte für α in den Bereich zwischen -π und π gefaltet. Zur vollständigen Bestimmung der Phasenver schiebung muss daher eine Entfaltung vorgenommen werden. Dazu werden Vielfache von π addiert bzw. subtrahiert, bis die Phasendifferenz zwischen zwei benachbarten Bildpunkten kleiner als π/2 ist. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Höhendifferenz zwischen zwei benachbarten Bildpunkten keine größere Phasenverschiebung als π/2 hervorruft. Ist die Phasenverschiebung auf diese Weise bestimmt, so ergibt sich der Gradient der Oberflächentopographie δz/δx zu:
then easily determine. With this method, the phase shift α is determined only up to integer multiples of π. Due to the periodicity of the angular functions, the values for α are folded in the range between -π and π. To fully determine the phase shift, an unfolding must therefore be carried out. For this purpose, multiples of π are added or subtracted until the phase difference between two neighboring pixels is smaller than π / 2. A prerequisite for this, however, is that the height difference between two neighboring pixels does not cause a phase shift greater than π / 2. If the phase shift is determined in this way, the gradient of the surface topography δz / δx is:

Durch numerische Integration entlang der Scherrichtung lässt sich daraus ein Linienprofil der Oberflächentopographie in x-Richtung erstellen.
Through numerical integration along the shear direction, a line profile of the surface topography in the x direction can be created.

Die x-Indizes sollen verdeutlichen, dass nur Oberflächenstrukturen in x- Richtung erfasst werden. Orientiert der Nutzer die Probe so unter dem Mikro skop, dass die interessanten Strukturen senkrecht zur Scherrichtung verlau fen, ergeben sich trotz dieser Einschränkung aussagekräftige Ergebnisse. The x indices are intended to clarify that only surface structures in x Direction can be detected. The user orientates the sample under the microphone skop that the interesting structures are perpendicular to the shear direction Despite this limitation, there are meaningful results.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 2. Es handelt sich um ein Modul mit einem Nomarski-Prisma 24. Es ist so konstruiert, dass es in ein vorhandenes Mikroskop anstelle eines herkömmlichen Objektivs eingebaut werden kann. Das Prisma lässt sich entlang der Scherrichtung verschieben, so dass sich zwischen den beiden Teilstrahlen eine relative Phasenverschiebung einstellen lässt. Die Verschiebung wird manuell mit einer Mikrometerschraube bzw. Feinmessschraube durchgeführt. Je nach Ausführungsbeispiel lässt sie sich auch automatisch mit einem Schrittmotor, einem piezoelektrischen Versteller o. ä. durchführen. Das Prisma mit dem Verschiebemechanismus kann ebenfalls um die optische Achse gedreht werden, um es an die Geometrie des Mikroskops anzupassen. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Phasenverschiebung bei feststehendem Prisma durch das Einbringen eines λ/4-Plättchens und die Drehung des Analysators zu realisieren. Angeschlossen an das Modul ist ein Computer zur automatischen Steuerung der Phasenverschiebung.A preferred exemplary embodiment of the invention is shown in FIG. 2. It is a module with a Nomarski prism 24 . It is designed to be built into an existing microscope instead of a conventional lens. The prism can be moved along the shear direction so that a relative phase shift can be set between the two partial beams. The shift is carried out manually with a micrometer or micrometer. Depending on the embodiment, it can also be carried out automatically with a stepper motor, a piezoelectric adjuster or the like. The prism with the displacement mechanism can also be rotated around the optical axis in order to adapt it to the geometry of the microscope. In addition, it is also possible to implement the phase shift with a fixed prism by inserting a λ / 4 plate and rotating the analyzer. A computer for automatic control of the phase shift is connected to the module.

Fig. 3 zeigt, wie gemäß der Erfindung ein kommerziell verfügbares Mikroskop geschaffen werden könnte. Das Modul wird entsprechend Fig. 1 zwischen Objektiv und Objektivaufnahme eingebaut. Ebenfalls werden zwei Polarisationsfilter zusätzlich eingebaut. Figure 3 shows how a commercially available microscope could be created in accordance with the invention. The module is installed according to Fig. 1 between the lens and lens mount. Two polarization filters are also installed.

Die Messung der Intensitätsverteilung erfolgt mit einem Sensor 27, beispielsweise mit einer hochauflösenden CCD-Messkamera. Die Kamera ist um die optische Achse des Mikroskops drehbar, so dass die Scherrichtung mit der Richtung der Zeilen oder der Spalten der Kamera in Übereinstim mung gebracht werden kann. Über eine digitale Schnittstelle ist die Steuer einheit der Kamera mit einem Bildspeicher verbunden. Dieser Bildspeicher ist in eine Auswerteeinrichtung 30 mit einem Computer integriert. Mit Hilfe des Computers ist die digitale Bearbeitung und Auswertung der Nomarski- Aufnahmen möglich. In Fig. 3 zeigt die linke Bildhälfte das Mikroskop mit dem erfindungsgemäßen Modul inklusive Xenon-Lampe und CCD-Kamera, die rechte die Auswerteeinrichtung mit einem Bildverarbeitungssystem, welches einen Computer mit eingebautem Bildspeicher und zwei Monitoren aufweist.The intensity distribution is measured with a sensor 27 , for example with a high-resolution CCD measuring camera. The camera can be rotated about the optical axis of the microscope, so that the shearing direction can be brought into line with the direction of the rows or columns of the camera. The control unit of the camera is connected to an image memory via a digital interface. This image memory is integrated in an evaluation device 30 with a computer. With the help of the computer, digital processing and evaluation of the Nomarski recordings is possible. In Fig. 3, the left half of the image shows the microscope with the module according to the invention including xenon lamp and CCD camera, the right half the evaluation device with an image processing system, which has a computer with built-in image memory and two monitors.

Die Daten des CCD-Chips sollten so gewählt sein, dass die laterale Auflö sung durch die optische Auflösung des Mikroskops begrenzt wird.The data of the CCD chip should be chosen so that the lateral resolution solution is limited by the optical resolution of the microscope.

Die vertikale Auflösung wird durch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Detektors begrenzt. Es lässt sich allerdings kein absoluter Grenzwert angeben, da zu dessen Bestimmung keine geeigneten Tiefen-Einstellnor male zur Verfügung stehen. Daher wird das vertikale Auflösungsvermögen über die sogenannte Wiederholgenauigkeit charakterisiert. Dazu werden an einer Oberfläche zwei identische Messungen durchgeführt und die dadurch ermittelten Oberflächentopographien voneinander subtrahiert. Die mittlere quadratische Rauheit dieser Differenzbildung stellt ein Maß für die vertikale Auflösungsgrenze dar. Es bedeutet, dass ein Tiefen-Einstellnormal mit dieser Tiefe gerade nicht mehr aufgelöst werden kann, da das Signal-zu-Rausch- Verhältnis Eins beträgt.The vertical resolution is determined by the signal-to-noise ratio of the Detector is limited. However, there is no absolute limit state, since no suitable depth setting standard can be used to determine it are available. Hence the vertical resolution characterized by the so-called repeatability. To do this two identical measurements were carried out on one surface, determined surface topographies subtracted from each other. The middle The square roughness of this difference is a measure of the vertical Resolution limit. It means that a depth setting standard with this Depth can no longer be resolved because the signal-to-noise Ratio is one.

Der vertikale Dynamikbereich wird durch drei Faktoren beschränkt: Zunächst darf die Höhendifferenz zwischen benachbarten Bildpunkten keine größere Phasendifferenz als π/2 hervorrufen. D. h. die Höhendifferenz zwischen benachbarten Bildpunkten darf nicht größer als λ/4 sein. Andernfalls liefert das Phasenverschiebungs-Verfahren falsche Ergebnisse. Ist dieses Kriterium erfüllt, so wird der maximal noch zu messende Höhenunterschied durch den Schärfentiefebereich des Mikroskops beschränkt.The vertical dynamic range is limited by three factors: First the height difference between neighboring pixels must not be greater Cause phase difference as π / 2. I.e. the height difference between neighboring pixels must not be larger than λ / 4. Otherwise delivers the phase shift procedure gives incorrect results. Is this criterion the maximum height difference to be measured is met by the Depth of field of the microscope limited.

Um den praktischen Nutzen der Erfindung zu demonstrieren, wurden ein Tiefen-Einstellnormal sowie verschiedene BK7-Oberflächen untersucht. Die dabei erzielten quantitativen Ergebnisse werden im folgenden dargestellt. To demonstrate the practical utility of the invention, a Depth setting standard and various BK7 surfaces examined. The The quantitative results achieved are shown below.

Zunächst wurden die optischen Komponenten des Nomarski-Mikroskops (Polarisator 22, Analysator 26 und Nomarski-Prisma 24) entsprechend Fig. 1 justiert. Der CCD-Sensor war so ausgerichtet, dass die Scherrichtung des Mikroskops mit den Zeilen des Sensors übereinstimmt. Zur Kalibrierung der relativen Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilstrahlen, die durch das Nomarski-Prisma hervorgerufen wird, diente das Tiefen-Einstellnormal. Es zeichnet sich, abgesehen von den Fugen, durch eine sehr geringe Rauheit aus, die im Nomarski-Mikroskop zu einer entsprechend gleichförmi gen Helligkeit führt. Die Bildhelligkeit wurde als Funktion der Prismaposition aufgezeichnet. Dazu erfolgte die Verschiebung des Prismas über einen Bereich von 2,5 mm in Schriften von 0,1 mm. An jedem Messpunkt wurde die Intensitätsverteilung bei 100 ms Belichtungszeit und 0 dB Verstärkung über 16 Einzelbilder gemittelt. Die Grundhelligkeit berechnet sich durch die Mittelung über die gesamte Fläche des CCD-Sensors. Die Helligkeit in Graustufen ist in Fig. 4 als Funktion der Prismaposition aufgetragen, die nach rechts in mm angegeben ist.First, the optical components of the Nomarski microscope (polarizer 22 , analyzer 26 and Nomarski prism 24 ) were adjusted according to FIG. 1. The CCD sensor was aligned so that the shear direction of the microscope coincides with the rows of the sensor. The depth adjustment standard was used to calibrate the relative phase shift between the two partial beams, which is caused by the Nomarski prism. Apart from the joints, it is characterized by a very low roughness, which leads to a correspondingly uniform brightness in the Nomarski microscope. The image brightness was recorded as a function of the prism position. For this purpose, the prism was shifted over a range of 2.5 mm in fonts of 0.1 mm. The intensity distribution at 100 ms exposure time and 0 dB gain was averaged over 16 individual images at each measuring point. The basic brightness is calculated by averaging over the entire area of the CCD sensor. The brightness in grayscale is plotted in Fig. 4 as a function of the prism position, which is given to the right in mm.

Die Messpunkte in Fig. 4 zeigen diesen gemessenen Helligkeitsverlauf in Abhängigkeit von der Prismaposition und die nichtlineare Regression durch Gleichung (10). Die Übereinstimmung zwischen den Messwerten und der nichtlinearen Regression ist sehr gut. Die nichtlineare Regression liefert eine maximale Intensität I_max, von 240 Graustufen bei Verlusten Q von 0,06. Für den Phasenverschiebunsgradienten dβ/dx ergeben sich 2,28 rad/mm bei einem Startwert β₀ von 0,66 rad. Während I_max und Q von der Reflektivität der untersuchten Oberfläche abhängig sind, ist dβ/dx unabhängig von den Eigenschaften der zugrundeliegenden Oberfläche und β₀ willkürlich wählbar.The measurement points in FIG. 4 show this measured brightness curve as a function of the prism position and the non-linear regression using equation (10). The agreement between the measured values and the non-linear regression is very good. The nonlinear regression provides a maximum intensity I _max of 240 gray levels with losses Q of 0.06. For the phase shift gradient dβ / dx there are 2.28 rad / mm with a starting value β ₀ of 0.66 rad. While I _max and Q are dependent on the reflectivity of the surface being examined, dβ / dx can be chosen arbitrarily regardless of the properties of the underlying surface and β ₀ .

Die für die Phasenverschiebungs-Interferometrie relevante Größe stellt der Phasenverschiebungs-Gradient dβ/dx dar. Durch seine Kenntnis lässt sich die Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilstrahlen auf beliebige Werte zwischen 0 und 2π einstellen. The relevant parameter for the phase shift interferometry is the Phase shift gradient dβ / dx. By his knowledge can be the phase shift between the two partial beams to any Set values between 0 and 2π.

Damit sind die nötigen Voraussetzungen geschaffen, um Oberflächen topographien mit Hilfe der Phasenverschiebungs-Interferometrie quantitativ zu bestimmen. Im Folgenden wird das Messprinzip am Beispiel des 98,5-nm- Tiefen-Einstellnormals dargestellt:This creates the necessary conditions for surfaces quantitative topographies using phase shift interferometry to determine. In the following, the measuring principle is illustrated using the example of the 98.5 nm Depth setting standards shown:

Das Tiefen-Einstellnormal wurde so unter dem Mikroskop orientiert, dass die 98,5-nm-Fuge senkrecht zur Scherrichtung verläuft. Dann erfolgte die Aufnahme von vier Interferenzbildern mit relativen Phasenverschiebungen β_i von 0, π/2, π und 3/2π zwischen den beiden Teilstrahlen. Die vorausgegangene Kalibrierung liefert für eine erwünschte Phasenverschie bung um π/2 eine erforderliche Verschiebung der Prismaposition um 0,69 mm. Die Darstellung der Ergebnisse ist durch die verwendete 3D- Software auf einen Bereich von maximal 512 × 512 Bildpunkte beschränkt.The depth setting standard was oriented under the microscope so that the 98.5 nm joint runs perpendicular to the shear direction. Then four interference images with relative phase shifts β _i of 0, π / 2, π and 3 / 2π between the two partial beams were recorded. The previous calibration provides a required shift of the prism position by 0.69 mm for a desired phase shift by π / 2. The 3D software used to display the results is limited to a maximum of 512 × 512 pixels.

In Fig. 5a) ist das Ergebnis der Phasenberechnung für das 98,5-nm- Tiefen-Einstellnormal dargestellt. Fig. 5b) zeigt die korrigierte Phasenver teilung, aus der sich die Oberflächentopographie in Fig. 5c) mittels nume rischer Integration rekonstruieren lässt. Es handelt sich jeweils um einen 450 × 450 Bildpunkte großen Ausschnitt in Graustufendarstellung, d. h. die Helligkeit eines Bildpunktes ist proportional zu seiner Höhe. Es sind x nach rechts und y nach oben jeweils in µm eingetragen. Zur besseren Veran schaulichung zeigt Fig. 5d) jeweils die unterste Zeile der Graustufendar stellungen aus Fig. 5a), b) und c) als eindimensionales Profil. Wiederum ist x in µm nach rechts aufgetragen, hier jedoch z in nm nach oben.In Fig. 5a) the result of the phase calculation for the 98.5-nm height standard is shown. Fig. 5b) shows the corrected Phasenver distribution, the surface topography in Fig. 5c) by means of nume-driven integration reconstructed from the can. Each is a 450 × 450 pixel section in grayscale, ie the brightness of a pixel is proportional to its height. X to the right and y to the top are entered in µm. For better illustration, Fig. 5d) shows the bottom line of the grayscale positions from Fig. 5a), b) and c) as a one-dimensional profile. Again, x is plotted to the right in µm, but here z in nm upwards.

In Fig. 5a) sind die beiden Kanten der Fuge deutlich als dunkle Streifen zu erkennen, wobei der rechte dunkle Streifen einen schwachen hellen Saum hat. Das eindimensionale Profil der Phase in Fig. 5d) verdeutlicht den Unterschied zwischen den beiden Streifen. Der helle Saum des zweiten Streifens ist auf die Faltung der Phase in den Wertebereich zwischen -π und π zurückzuführen. Für eine quantitative Auswertung ist die Phasen verteilung aus Fig. 5a) zu korrigieren, indem sie zunächst entfaltet und dann einer linearen Regression unterzogen wird. In Fig. 5a) the two edges of the joint can be clearly seen as dark stripes, the right dark stripe having a faint light edge. The one-dimensional profile of the phase in Fig. 5d) illustrates the difference between the two strips. The light border of the second stripe is due to the folding of the phase in the value range between -π and π. For a quantitative evaluation, the phase distribution from FIG. 5a) must be corrected by first unfolding it and then subjecting it to a linear regression.

Zur Entfaltung werden auf den Phasenwert eines Bildpunktes solange Vielfache von π addiert bzw. subtrahiert, bis die Phasendifferenz zum vorangegangenen Bildpunkt kleiner als π/2 ist. Anschließend wird für jede Zeile eine lineare Regression durchgeführt, deren Ergebnis dann von der jeweiligen Zeile subtrahiert wird. Dabei werden der lineare Phasenanstieg und der Phasenoffset entfernt. Das Resultat der auf diese Weise korrigierten Phasenverteilung ist in Fig. 5b) dargestellt. Die negative und die positive Höhenänderung an den Rändern der Fuge sind deutlich als schwarzer und als weißer Streifen zu erkennen, während das übrige Bild gleichmäßig grau ist. Das eindimensionale Profil der korrigierten Phasenverteilung in Fig. 5d) verdeutlicht die Korrekturen gegenüber der ursprünglichen Phasenverteilung. Die Phasenanteile liegen symmetrisch zur x-Achse. Die negativen und positiven Höhenänderungen an den Fugenrändern sind vom Betrag gleich groß. Diese korrigierte Phasenverteilung ist das Gradientenbild der Oberflächentopographie.For the unfolding, multiples of π are added or subtracted to the phase value of a pixel until the phase difference from the previous pixel is less than π / 2. A linear regression is then carried out for each line, the result of which is then subtracted from the respective line. The linear phase increase and phase offset are removed. The result of the phase distribution corrected in this way is shown in Fig. 5b). The negative and positive changes in height at the edges of the joint are clearly recognizable as black and white stripes, while the rest of the picture is evenly gray. The one-dimensional profile of the corrected phase distribution in FIG. 5d) clarifies the corrections compared to the original phase distribution. The phase components are symmetrical to the x-axis. The amount of the negative and positive changes in height at the joint edges is the same. This corrected phase distribution is the gradient image of the surface topography.

Zur Rekonstruktion der Oberflächentopographie aus diesem Gradientenbild wird entlang der x-Achse die numerische Integration durchgeführt. In Fig. 5c) ist das Ergebnis der Integration als Graustufenbild dargestellt. Die 98,5-nm-Fuge ist deutlich als schwarzer Streifen zu erkennen. Das eindimen sionale Profil der Fuge Fig. 5d) verdeutlicht die gute Reproduktion der Oberflächentopographie entlang der x-Achse. Die Fuge hat eine Tiefe von ca. 100 nm bei einer Breite von 50 µm.To reconstruct the surface topography from this gradient image, the numerical integration is carried out along the x-axis. In Fig. 5c) the result of integration is shown as a greyscale image. The 98.5 nm gap is clearly recognizable as a black stripe. The one-dimensional profile of the joint Fig. 5d) illustrates the good reproduction of the surface topography along the x-axis. The joint has a depth of approx. 100 nm with a width of 50 µm.

Die verwendete Software ermöglicht neben der Graustufendarstellung auch die dreidimensionale Visualisierung der Messdaten. In Fig. 6 sind die Oberflächentopographien der 98,5-nm- und der 2,7-nm-Fuge des Tiefen- Einstellnormals übereinander dargestellt. Beide Fugen wurden senkrecht zur Scherrichtung orientiert, um deren tatsächliche Tiefe vermessen zu können. Die Darstellung der 2,7 nm tiefen Fuge wurde für eine bessere Übersichtlich keit um 15 nm angehoben. Der Bildausschnitt hat eine Kantenlänge von 150 µm × 150 µm. X und y sind wiederum in µm, nach rechts beziehungs weise optisch nach hinten, z dagegen in nm nach oben aufgetragen. The software used enables not only the gray scale display but also the three-dimensional visualization of the measurement data. In Fig. 6 the surface topographies of the 98.5 nm and the 2.7 nm gap of the depth setting standard are shown one above the other. Both joints were oriented perpendicular to the shear direction in order to be able to measure their actual depth. The representation of the 2.7 nm deep joint has been raised by 15 nm for better clarity. The image section has an edge length of 150 µm × 150 µm. X and y are again in µm, to the right or optically to the rear, z on the other hand in nm upwards.

Trotz der fehlenden Höheninformation entlang der y-Achse ergibt sich ein sehr realistisches Bild der Oberflächentopographie. Auch die 2,7-nm-Fuge wird sehr gut aufgelöst.Despite the lack of height information along the y-axis, a very realistic picture of the surface topography. Even the 2.7 nm gap is resolved very well.

Zur Überprüfung der Resultate bietet sich ein Vergleich mit anderen bekannten Messgeräten an. Fig. 7 stellt dazu die Ergebnisse von Stufen messungen mit dem mechanischen Profilometer (MP), dem optischen Heterodyne-Profilometer (OHP) und dem Nomarski-Mikroskop nach der Erfindung (NM) für zwei Tiefen-Einstellnormale gegenüber. In Fig. 7a) sind drei Oberflächenprofile der 98,5-nm-Fuge dargestellt. Zum Vergleich zeigt Fig. 7b) in zwei verschiedenen Maßstäben jeweils drei Oberflächenprofile der 2,7-nm-Fuge, in der oberen Darstellung maßstabsgetreu zur 98,5-nm- Fuge und in der unteren Darstellung stark vergrößert.A comparison with other known measuring devices can be used to check the results. Fig. 7 shows the results of step measurements with the mechanical profilometer (MP), the optical heterodyne profilometer (OHP) and the Nomarski microscope according to the invention (NM) for two depth setting standards. In Fig. 7a) three surface profiles of the 98.5-nm-joint are shown. For comparison, FIG. 7b) shows three surface profiles of the 2.7 nm joint in two different scales, true to scale to the 98.5 nm joint in the upper representation and greatly enlarged in the lower representation.

Wiederum ist x nach rechts in µm und z nach oben in nm eingetragen.Again, x is entered to the right in µm and z to the top in nm.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Oberflächenprofile an unter schiedlichen Bereichen der Fuge gemessen wurden, ist die Übereinstimmung der Messergebnisse bezüglich der Tiefe und der Breite der Fugen ausge zeichnet. Eine Ausnahme bildet das optische Heterodyne-Profilometer. Aufgrund seines Messprinzips, bei dem die Messwerte auf einem Kreis liegen, ist es nicht in der Lage, die Fugenbreite korrekt zu bestimmen. In der stark vergrößerten Darstellung der 2,7-nm-Fuge wird darüber hinaus eine sinusförmige Abweichung der Ergebnisse des Nomarski-Mikroskops von den Ergebnissen der beiden anderen Messinstrumenten sichtbar. Es handelt sich dabei um einen für die Phasenverschiebungs-Interferometrie typischen Fehler, der auf kleine Abweichungen bei der Einstellung der Phasenver schiebung zurückzuführen ist. Er hat eine Amplitude von wenigen zehntel Nanometern bei einer festen Ortswellenlänge von etwa 150 µm. Bei der Bestimmung von Rauheiten superglatter Oberflächen muss dieser Fehler korrigiert werden. Aufgrund seiner festen Ortswellenlänge lässt sich dies durch eine Fourierfilterung realisieren, bei der Anteile mit dieser Ortswellen länge aus dem Oberflächenprofil gefiltert werden. Taking into account the fact that the surface profiles on under different areas of the joint were measured is the match of the measurement results regarding the depth and width of the joints records. The optical heterodyne profilometer is an exception. Because of its measuring principle, in which the measured values are on a circle it is not able to determine the joint width correctly. In the greatly enlarged representation of the 2.7 nm gap will also be a sinusoidal deviation of the results of the Nomarski microscope from the Results of the other two measuring instruments are visible. It is about a typical for the phase shift interferometry Error due to small deviations in the setting of the phase ver shift is due. It has an amplitude of a few tenths Nanometers at a fixed local wavelength of around 150 µm. In the Determination of roughness of super smooth surfaces requires this error Getting corrected. This can be done due to its fixed local wavelength realizing by Fourier filtering, with the parts with these spatial waves length can be filtered from the surface profile.

Für die Demonstration der Eignung der Vorrichtung für Rauheitsmessungen und weiterer statistischer Rauheitsparameter wurden beispielhaft zwei BK7- Substrate ausgewählt, die mit 0135 und 0312 bezeichnet sind. Die Ergeb nisse der Rauheitsmessung sind in Fig. 8 zusammengefasst.For the demonstration of the suitability of the device for roughness measurements and further statistical roughness parameters, two BK7 substrates were selected as examples, which are designated with 0135 and 0312. The results of the roughness measurement are summarized in FIG. 8.

X und y sind in µm jeweils nach rechts beziehungsweise nach oben aufge tragen. Die Einstellungen der verschiedenen Messungen waren
X and y are shown in µm upwards and to the right. The settings of the different measurements were

a) R_q(OHP) = 0,82 nm, I_c = 5 µm
R_q(NM) = 0,67 nm, I_c = 4,33 µm
a) R _q (OHP) = 0.82 nm, I _c = 5 µm
R _q (NM) = 0.67 nm, I _c = 4.33 µm

b) R_q(OHP) = 0,24 nm, I_c = 9 µm
R_q(NM) = 0,25 nm, I_c = 3,33 µmb) R _q (OHP) = 0.24 nm, I _c = 9 µm
R _q (NM) = 0.25 nm, I _c = 3.33 µm

Für die Graustufendarstellung der beiden Oberflächen in Fig. 8a) und b) wurde dieselbe Skalierung gewählt, d. h. schwarz entspricht einem z-Wert von -6 nm und weiß einem z-Wert von +6 nm. Dadurch wird die unterschied liche Rauheit der beiden Proben bereits in der Graustufendarstellung deut lich. Beide Darstellungen weisen Streifen in x-Richtung auf, woran das Fehlen der Höheninformationen entlang der y-Achse deutlich wird. Die größere Rauheit der Probe 0135 gegenüber der Probe 0312 wird an den eindimensionalen Oberflächenprofilen in Fig. 8c) besonders deutlich. Die aus den beiden Oberflächenprofilen berechneten Autokovarianzfunktionen werden Fig. 8d) gegenübergestellt. Danach hat die Probe 0135 eine mittlere quadratische Rauheit von 0,67 nm bei einer Korrelationslänge von 4,33 µm gegenüber einer mittleren quadratischen Rauheit von 0,25 nm und einer Korrelationslänge von 3,33 µm bei Probe 0312. Diese Ergebnisse bestätigen die Messwerte für die mittlere quadratische Rauheit, ermittelt mit dem optischen Heterodyne-Profilometer (OHP). Dabei kann die Übereinstimmung der Ergebnisse von Nomarski-Mikroskop (NM) nach der Erfindung und optischem Heterodyne-Profilometer für die ermittelte mittlere quadratische Rauheit R_q am BK7-Substrat 0312 als sehr gut bezeichnet werden. Für die Korrelationslänge l_c ergeben sich bei diesem Substrat jedoch gravierende Unterschiede, etwa Faktor drei, zwischen den beiden Meßinstrumenten. Beim BK7-Substrat 0135 weichen die Ergebnisse beider Meßinstrumente für R_q und l_c um 20% bzw. 15% voneinander ab.The same scaling was chosen for the grayscale representation of the two surfaces in FIGS. 8a) and b), ie black corresponds to a z-value of -6 nm and white corresponds to a z-value of +6 nm. This makes the different roughness of the two samples already clearly in the grayscale display. Both representations have stripes in the x-direction, which shows the lack of height information along the y-axis. The greater roughness of sample 0135 compared to sample 0312 is particularly evident from the one-dimensional surface profiles in FIG. 8c). The autocovariance functions calculated from the two surface profiles are compared with FIG. 8d). Then the sample 0135 has an average square roughness of 0.67 nm with a correlation length of 4.33 µm compared to an average square roughness of 0.25 nm and a correlation length of 3.33 µm for sample 0312. These results confirm the measured values for the mean square roughness, determined with the optical heterodyne profilometer (OHP). The agreement between the results of the Nomarski microscope (NM) according to the invention and the optical heterodyne profilometer for the determined mean square roughness R _q on the BK7 substrate 0312 can be described as very good. For the correlation length l _{c there} are, however, serious differences, for example a factor of three, between the two measuring instruments in this substrate. With the BK7 substrate 0135, the results of both measuring instruments for R _q and l _c differ by 20% and 15%, respectively.

Die Abweichungen zwischen den beiden Messgeräten sind zum einen darauf zurückzuführen, dass die Messungen an unterschiedlichen Bereichen auf der Probenoberfläche durchgeführt wurden. Zum anderen zeichnen sich beide Messgeräte durch unterschiedliche Bandgrenzen aus, die zu systematischen Abweichungen der Messergebnisse voneinander führen.The deviations between the two measuring devices are on the one hand attributed to measurements in different areas on the Sample surface were performed. On the other hand, both stand out Measuring devices are characterized by different band limits that lead to systematic Lead deviations of the measurement results from each other.

Die Bestimmung der Wiederholgenauigkeit dient der Ermittlung der minima len vertikalen Auflösung. Dazu wurde die glattere BK7-Probe 0312 aus Fig. 8b) verwendet. An der gleichen Stelle auf der Oberfläche wurden zwei Rauheitsmessungen hintereinander durchgeführt. Fig. 9 stellt zwei eindi mensionale Oberflächenprofile dieser beiden Messungen dar. X ist nach rechts in µm und z nach oben in nm aufgetragen. Die Einzelmessungen sind gestrichelt beziehungsweise punktiert eingetragen, die Differenz als durchge zogene Linie.The determination of the repeat accuracy is used to determine the minimum vertical resolution. The smoother BK7 sample 0312 from FIG. 8b) was used for this. Two roughness measurements were carried out in succession at the same point on the surface. Fig. 9 shows two one-dimensional surface profiles of these two measurements. X is plotted to the right in µm and z upwards in nm. The individual measurements are shown in dashed and dotted lines, the difference as a solid line.

Die Abweichungen zwischen den beiden Einzelmessungen sind deutlich zu erkennen. Die Differenz der beiden Einzelmessungen weist eine mittlere quadratische Rauheit von 0,12 nm auf. Diese Wiederholgenauigkeit spiegelt das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des CCD-Sensors wieder. Die optische Auflösung des Mikroskops ist besser, da das Mikroskop bei der Betrachtung mit dem menschlichen Auge noch Strukturen von Oberflächentopographien mit Rauheiten von 0,05 nm wiedergibt. The deviations between the two individual measurements are clearly too detect. The difference between the two individual measurements is medium quadratic roughness of 0.12 nm. This repeatability reflects the signal-to-noise ratio of the CCD sensor again. The optical Microscope resolution is better since the microscope is viewed with the human eye still structures of surface topographies with roughness of 0.05 nm.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Drehachse des CCD-Sensors auf die Drehachse des Probenträgers, also den Träger des Werkstückes 10, zentriert. Dann können zwei Messungen an der jeweils um 90 Grad um die optische Achse des Mikroskops gedrehten Werkstück 10 durchgeführt werden, um Oberflächenstrukturen zu erfassen, die sowohl in x- als auch in y-Richtung verlaufen. Durch Überlagerung beider Linienprofile lässt sich dann ein vollständiges Bild der Oberfläche 11 des Werkstückes 10 ermitteln.In a further embodiment of the invention, the axis of rotation of the CCD sensor is centered on the axis of rotation of the sample carrier, that is to say the carrier of the workpiece 10 . Then two measurements can be carried out on the workpiece 10 rotated by 90 degrees in each case around the optical axis of the microscope in order to detect surface structures which run in both the x and y directions. A complete image of the surface 11 of the workpiece 10 can then be determined by superimposing both line profiles.

Bei nicht ausreichend gut zentrierten Achsen von CCD-Sensor und dem Träger des Werkstückes 10 kann eine weitere Ausführungsform zum Tragen kommen, bei der die Verschiebung des Bildausschnittes nach 90 Grad Drehung durch Bildvergleichsverfahren bestimmt wird. If the axes of the CCD sensor and the carrier of the workpiece 10 are not sufficiently well centered, a further embodiment can come into play, in which the displacement of the image section after 90 degrees of rotation is determined by image comparison methods.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

1010

Werkstück
workpiece

1111

Oberfläche des Werkstücks
Surface of the workpiece

1515

einfallendes Licht
incident light

1616

reflektierendes Licht
reflective light

2020

Lichtquelle
light source

2121

Spektralfilter
spectral

2222

Polarisator
polarizer

2323

Teildurchlässiger Spiegel
Semi-transparent mirror

2424

Nomarski-Prisma
Nomarski prism

2525

Objektivlinse
objective lens

2626

Analysator
analyzer

2727

Sensor, zum Beispiel Kamera
Sensor, for example camera

3030

Auswerteeinheit
evaluation

Claims

1. Microscope for quantitative optical measurement of the topography of the surface ( 11 ) of a workpiece ( 10 ), characterized by
a differential interference contrast microscope design according to Nomarski with a light source ( 20 ), a polarizer ( 22 ), a Nomarski prism ( 24 ) and an analyzer ( 26 ),
in which the light source ( 20 ) has a narrow frequency spectrum and / or the light source ( 20 ) is equipped with a spectral filter ( 21 ) with a narrow frequency spectrum,
in which a device for reproducible shifting of the phase is provided,
and in which a phase shift interferometry evaluation unit ( 30 ) is provided.

2. Microscope according to claim 1, characterized in that the evaluation unit ( 30 ) has an electro-optical image converter, in particular a camera or a CCD sensor.

3. Microscope according to one of the preceding claims, characterized in that the device for reproducible shifting of the phase has a mechanism by means of which the Nomarski prism ( 24 ) is displaceable.

4. Microscope according to one of the preceding claims, characterized in
that the device for reproducible shifting of the phase has a λ / 4 plate in the beam path, in particular adjacent to the Nomarski prism ( 24 ), and
that the analyzer ( 26 ) is rotatable.

5. Microscope according to claim 3 or 4, characterized, that means for reproducible shifting of the phase a controllable element is reproducibly adjustable.

6. Microscope according to one of the preceding claims, characterized in
that an interchangeable module unit is provided which, as components, has the adjustable, in particular displaceable Nomarski prism ( 24 ) along with the adjustment or displacement mechanism,
and that the module unit can be exchangeably inserted into the beam path of a conventional microscope by means of a microscope thread.

7. microscope according to claim 6, characterized, that the module can be rotated around the optical axis.

8. Microscope according to one of the preceding claims, characterized in that the axis of rotation of the carrier of the workpiece ( 10 ) is centered on the optical axis of the microscope.

9. A method for the quantitative optical measurement of the topography of a surface ( 11 ) of a workpiece ( 10 ), characterized in that a differential interference contrast method according to Nomarski is carried out, in which light is used from a narrow frequency spectrum and a Evaluation is carried out using phase shift interferometry.

10. The method according to claim 9, characterized in
that the phase shift is calibrated,
that the image brightness is recorded as a function of the position of the Nomarski prism ( 24 )
and that the evaluation is based on a theoretical model for the brightness curve.

11. The method according to claim 9 or 10, characterized, that a quantitative evaluation of the phase shift inter phase distribution obtained by means of an unfolding.

12. The method according to claim 11, characterized, that the deconvolution is carried out in such a way that the phase value of a Multiples of π are added or subtracted so long until the phase difference is less than π / 2 and then for each A linear regression is performed, the result of which is from the each line is subtracted.

13. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the determined unfolded image is integrated to reconstruct the topography of the surface ( 11 ) of the workpiece ( 10 ).

14. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in
that the axis of rotation of a sensor in the evaluation unit ( 30 ) is centered on the axis of rotation of the carrier of the workpiece ( 10 ),
that two measurements are carried out on the workpiece rotated by 90 ° about this optical axis,
and that a superimposition of both line profiles for the detection of surface structures in two directions.