DE102006016131A1

DE102006016131A1 - Interferometrische Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102006016131A1
Application number: DE102006016131A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schmidtke; Ulrich Kallmann; Sebastian Jackisch; Hartmut Spennemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2007-03-29
Also published as: EP1929238A1; WO2007033898A2; KR20080046207A; US20090219515A1; JP2009509150A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Messvorrichtung zum Vermessen von Schichtstrukturen aus mehreren in Tiefenrichtung hintereinander liegenden Schichten mit einer diese automatisch in ihrer Tiefenrichtung (Z) abtastenden Abtastvorrichtung, mittels derer eine Interferenzebene (IE) realtiv zur Schichtstruktur verschiebbar ist, mit einem ein Weißlichtinterferometer (WL) oder ein wellenlängenscannendes Inerferometer (WLSI) aufweisenden Interferometerteil, dem für die Messung von einer Einstrahlungseinheit (LQ) eine Eingangsstrahlung zugeführt ist, welche mittels eines Strahlteilers (ST) aufgeteilt und zum einen Teil über einen Referenzstrahlengang als Referenzstrahl (RST) einem Referenzarm (RA) und zum anderen Teil über einen Objektstrahlengang als Objektstrahl (OST) einem beim Messen die Schichtstruktur aufweisenden Objektarm (OA) zugeführt ist, mit einem Bildaufnehmer (BA), der die aus dem Referenzarm (RA) und dem Objektarm (OA) zurückkommende interferierende Strahlung aufnimmt und in elektrische Signale umwandelt, sowie mit einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung (AW) zum Bereitstellen der Messergebnisse. Eine zerstörungsfreie tomographische Vermessung insbesondere im Bereich der Grenzflächen der Schichtstruktur wird dadurch erreicht, dass die Abtastvorrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass bei gleich bleibendem Referenzstrahlengang und Objektstrahlengang der zugehörige Abtastweg zumindest so groß ausgeführt ist wie der zu erwartende oder in ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine zum Vermessen von Schichtstrukturen aus mehreren in Tiefenrichtung hintereinander liegenden Schichten mit einer diese automatisch in ihrer Tiefenrichtung abtastenden Abtastvorrichtung, mittels derer eine Interferenzebene relativ zur Schichtstruktur verschiebbar ist, mit einem ein Weißlichtinterferometer und/oder ein wellenlängenscannendes Interferometer aufweisenden Interferometerteil, dem für die Messung von einer Einstrahlungseinheit eine Eingangsstrahlung zugeführt ist, welche mittels eines Strahlteilers aufgeteilt und zum einen Teil über einen Referenzstrahlengang als Referenzstrahl einem Referenzarm und zum anderen Teil über einen Objektstrahlengang als Objektstrahl einem beim Messen die Schichtstruktur aufweisenden Objektarm zugeführt ist, mit einem Bildaufnehmer, der die aus dem Referenzarm und dem Objektarm zurückkommende interferierende Strahlung aufnimmt und in elektrische Signale umwandelt, sowie mit einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung zum Bereitstellen der Messergebnisse, sowie auf ein interferometrisches Messverfahren.

Eine derartige interferometrische Messvorrichtung ist in der DE 101 31 779 A1 angegeben. Bei dieser bekannten interferometrischen Messvorrichtung, die nach dem Messprinzip der sogenannten Weißlichtinterferometrie arbeitet, wird eine Oberflächenstruktur eines Messobjektes in Tiefenrichtung (z-Richtung) mittels einer Abtastvorrichtung abgetastet, indem die Länge eines Referenzlichtweges relativ zur Länge eines Objektlichtweges geändert wird, so dass sich die Interferenzebene, welche sich aus dem Zusammenwirken eines durch einen Referenzarm geführten Referenzstrahls und eines durch einen Objektarm geführten Objektstrahls ergibt, relativ zur Objektoberfläche verschoben wird. Eine Besonderheit dieser bekannten interferometrischen Messvorrichtung besteht darin, dass gleichzeitig mehrere Flächenbereiche des Messobjektes erfasst und abgetastet werden können, wozu eine besondere Optik, nämlich eine sogenannte Superpositionsoptik oder aber eine Optik mit einer genügend großen Schärfentiefe oder eine Multifokaloptik im Objektarm angeordnet ist, mit denen gleichzeitig die verschiedenen Flächenbereiche erfasst werden können. Hierdurch ergeben sich für die verschiedenen zu vermessenden Flächenbereiche entsprechend unterschiedliche Strahlengänge im Objektarm, so dass die Flächenbereiche dann unter relativer Änderung der optischen Länge des Objektlichtweges zu der optischen Länge des Referenzlichtweges, beispielsweise durch Verstellen eines Referenzspiegels in Tiefenabtastrichtung, hinsichtlich ihrer topographischen Oberflächenstruktur vermessen werden. Dieser Aufbau eignet sich insbesondere zum Abtasten lateral nebeneinander liegender Flächenbereiche, die unterschiedliche Orientierung haben können oder in Tiefenrichtung versetzt sein können. Auch eine Parallelität oder Dicke der verschiedenen Flächen kann gemessen werden. Stets werden dabei die räumlich voneinander getrennten Flächen gleichzeitig erfasst, so dass eine die relative Lagebeziehung der beiden zu vermessenden Flächen berücksichtigende Anpassung der Optik im Objektarm vorgesehen werden muss.

Auch bei einer in der DE 197 21 843 C1 gezeigten interferometrischen Messvorrichtung können verschiedene Oberflächenbereiche eines Objektes, insbesondere auch in engen Bohrungen, mittels eines teilweise gemeinsamen Objektarmes vermessen werden, wobei ebenfalls den verschiedenen Flächenbereichen zugeordnete Objektstrahlengänge gebildet werden. Hierbei liegen die vermessenen Flächenbereiche lateral voneinander getrennt, so dass z.B. die Rundheit einer Zylinderbohrung überprüft werden kann. Die verschiedenen Flächenbereiche werden auf der Grundlage unterschiedlicher Polarisationsrichtungen der zugeordneten Objektstrahlen unterschieden. Auch hierbei erfolgt die Abbildung der verschiedenen Flächenbereiche über den Objektarm gleichzeitig.

Eine in der WO 01/38820 A1 dargestellte weitere interferometrische Messvorrichtung, die ebenfalls auf dem Prinzip der Weißlichtinterferometrie beruht, ist in der Weise aufgebaut, dass mit ihr Dicken-, Abstands- und/oder Profilmessungen auch an hintereinander liegenden Schichten vorgenommen werden, beispielsweise bei ophthalmologischen Messungen die Corneadicke, die Vorkammertiefe, die Retinaschichtdicke oder das Retinaoberflächenprofil. Hierzu sind in dem Objektarm ebenfalls verschiedene Lichtwege ausgebildet, die verschiedenen Schichten bzw. Grenzflächen zugeordnet sind, um eine möglichst schnelle Messung zu erreichen. Zum Unterscheiden und Zuordnen der verschiedenen gemessenen Oberflächen bzw. Grenzflächen besitzen die Objektstrahlen (Messstrahlen) unterschiedliche optische Eigenschaften, wie z.B. unterschiedliche Polarisationsrichtung oder unterschied liche Wellenlänge; auch eine Veränderung des Umweges der verschiedenen Objektlichtwege im Objektarm ist möglich, führt aber zu einem Empfindlichkeitsverlust, worauf in dieser Druckschrift hingewiesen ist.

Grundlegendere Ausführungen zur Weißlichtinterferometrie sind in T. Dresel, G. Häusler, H. Venzke, „Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar", Applied Optics Vol. 31, 919, 1992 und in P. de Groot et L. Deck, Journal of Modern Optics, „Surface profiling by analysis of white-light interferograms in the spatial frequency domain", Journal of Modern Optics, Vol. 42 389–501, 1995. In Kieran G. Larkin „Efficient nonlinear algorithm for envelope detection in white light interferometry", J. Opt. Soc. Am. A, (4): 832–843, 1996 ist ausgeführt, wie mit einem besonderen Algorithmus aus erfassten Intensitätswerten nach der sogenannten FSA-Methode (five-sample-adaptive-Methode) die Modulation M eines Korrelogramms bestimmt werden kann. Eine andere Vorgehensweise zum Identifizieren und Auswerten eines Korrelogramms besteht in der Betrachtung des Interferenz-Kontrastes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Messvorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen von Schichtstrukturen, bereitzustellen, die bzw. das mit möglichst wenig Aufwand möglichst zuverlässige Messergebnisse liefert.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 21 gelöst.

Bei der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Abtastvorrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass bei gleich bleibendem Referenzstrahlengang und Objektstrahlengang der zugehörige Abtastweg zumindest so groß ausgeführt ist wie der zu erwartende oder in einer Vormessung ermittelte Abstand mindestens zweier hintereinander angeordneter zu erfassender Grenzflächen der Schichtstruktur gegebenenfalls zuzüglich einer zu erwartenden Tiefenstruktur der Grenzflächen, und dass bei der Ausbildung des Interferometerteils mit der Einstrahlungseinheit als Weißlichtinterferometer die Kohärenzlänge der Eingangsstrahlung höchstens so groß gewählt ist, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander auftretenden Korrelogramme an den zu erfassenden Grenzflächen unterscheidbar sind, und/oder bei Ausbildung des Interferometerteils mit der Einstrahlungseinheit als wellenlängenscannendes Interferometer die Einstrahlungseinheit mit schmalbandiger, durchstimmbarer Eingangsstrahlung ausgebildet ist, wobei die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt ist, dass der kleinste zu erwartende oder durch die Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden hinterein ander liegenden Grenzflächen auflösbar ist und/oder bei Ausbildung des Interferometerteils als wellenlängenscannendes Interferometer mit spektral breitbandiger Einstrahlungseinheit und einem wellenlängenscannenden optischen Spektrumanalysator als Detektor die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt ist, dass der kleinste zu erwartende oder durch die Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden hintereinander liegenden Grenzfläche auflösbar ist.

Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass bei der Tiefenabtastung aller zu vermessenden Schichten und der sie begrenzenden Grenzflächen der Objektstrahl in einem Abtastzyklus über denselben Objektstrahlengang geführt wird und der Referenzstrahl über denselben Referenzstrahlengang geführt wird und dass bei der Anwendung der Methode der Weißlichtinterferometrie die Kohärenzlänge der in das Interferometer eingekoppelten Eingangsstrahlung höchstens so groß gewählt wird, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander an den zu erfassenden Grenzflächen auftretenden Korrelogramme unterschieden werden und bei der Anwendung der Methode der wellenlängenscannenden Interferometrie die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt wird, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden Grenzflächen aufgelöst wird.

Mit diesen Maßnahmen können Grenzflächen der Schichtstruktur einschließlich der äußeren Grenzfläche (Oberfläche) zuverlässig detektiert und gewünschtenfalls genau analysiert werden. Dabei können beispielsweise auch Übergänge (Grenzflächen bzw. Grenzschichten) in kleineren Bereichen der Schichtstruktur während eines Durchlaufs des Abtastweges erfasst, und falls erwünscht, näher vermessen werden, da die Korrelogramme eindeutig festgestellt werden.

Grundsätzlich denkbar wäre es auch, ein Vorliegen mehrerer Grenzschichten aufgrund von Deformationen in überlagerten Korrelogrammen festzustellen; diese Vorgehensweise wäre jedoch störanfälliger und ungenauer.

Größere laterale Bereiche der Grenzflächen können relativ schnell und auch in Bezug aufeinander dadurch vermessen werden, dass der Empfänger eine flächige Auflösung in x-/y-Richtung besitzt, die höher ist als die Abbildung der örtlichen Höhenänderungen der Schichtoberfläche in x-/y-Richtung. Mit diesen Maßnahmen lassen sich zudem relative Änderungen der Schichtverläufe in Bezug aufeinander erkennen und auswerten.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Erfassung und Auswertung besteht darin, dass in der Auswerteeinrichtung Algorithmen programmiert sind, mit denen die einzelnen Schichten voneinander getrennt erfassbar sind, indem eine Zuordnung durch die Reihenfolge der an den Grenzflächen auftretenden Korrelogramme während eines Tiefenabtastzyklus erfolgt.

Eine Möglichkeit Vorinformationen zu den Schichten bei der Auswertung zugrunde zu legen, besteht darin, dass zum Eingeben der Anzahl zu erwartender Grenzflächen eine von einem Benutzer bedienbare Eingabeeinheit vorhanden ist. Auf der Basis der Grenzflächenanzahl können dann z.B. die Speicherbereiche für die Messdaten zu den Grenzflächen festgelegt werden.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung für die Auswertung besteht darin, dass die Auswerteeinrichtung eine Grobauswerteeinrichtung aufweist, mit der auf der Basis einer Groberfassung von Korrelogrammen die Anzahl vorhandener Schichten oder Grenzflächen ermittelbar ist und dass die Auswerteeinrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass die Anzahl ermittelter Schichten automatisch in einen Auswerteteil übernommen oder von dem Benutzer über die Eingabeeinheit eingebbar ist.

Ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung für die zu detektierenden Schichten getrennte Speicherbereiche aufweist, denen während einer Tiefenabtastung Daten des den jeweiligen Grenzflächen zugeordneten Korrelogramms getrennt zuordenbar sind, wobei die jeweiligen Korrelogramme mit ihrer Tiefenabtast-Position in Beziehung gebracht sind, so ergibt sich mit relativ geringem Aufwand eine hohe Effizienz bei der Auswertung und Bereitstellung der Messergebnisse.

Die einfache Auswertung wird dabei dadurch unterstützt, dass die Speicherbereiche als umlaufende Speicherbereiche ausgebildet sind.

Eine einfache und schnelle Auswertung wird weiterhin dadurch begünstigt, dass für die Aufnahme der mit den Grenzflächen zusammenhängenden Korrelogramme eine die Anzahl der Grenzflächen um mindestens eins überschreitende Anzahl von Speicherbereichen vorhanden ist, wovon ein Speicherbereich als aktiver Speicherbereich zum Einschreiben aktueller Abtastdaten während der Tiefenabtastung dient und die übrigen zum Aufnehmen der ermittelten, den jeweiligen Grenzflächen zugeordneten Korrelogramm-Daten dienen.

Zu einer zuverlässigen Erfassung der Korrelogramme und Vermessung der Grenzflächen tragen ferner die Maßnahmen bei, dass die Auswerteeinrichtung einen Auswertebereich aufweist, der zum Berech nen der Modulation der während der Tiefenabtastung aus den elektrischen Signalen erhaltenen Intensitätswerte ausgebildet ist und zum Erfassen der zu den jeweiligen Grenzflächen gehörenden Korrelogramme aus der Modulation ausgebildet ist.

Ein günstiger Aufbau für genauere Messungen besteht darin, dass die Auswerteeinrichtung ein Auswertungs-Modul aufweist, mit dem eine Feinmessung einer jeweiligen Grenzflächenstruktur durchführbar ist.

Um flächige Bereiche der Grenzflächen auszumessen, bestehen vorteilhafte weitere Maßnahmen darin, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass während der Tiefenabtastung gleichzeitig die in Richtung der Tiefenabtastung verlaufenden Spuren an verschiedenen lateral in x-y-Richtung unmittelbar oder mittelbar benachbarten Grenzflächenbereichen in entsprechender Weise auswertbar sind.

Um dabei nähere Erkenntnisse zu gewinnen, kann zudem vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass Grenzflächendaten der in x-y-Richtung benachbarten Grenzflächenbereiche für eine jeweilige Tiefenabtastung miteinander in Beziehung bringbar und in Bezug aufeinander auswertbar sind.

Für eine zuverlässige Auswertung und genaue Messungen sind des Weiteren die Maßnahmen von Vorteil, dass bei Ausbildung des Interferometerteils mit Weißlichtinterferometer und wellenlängenscannendem Interferometer die Auswerteeinrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass in einer Vorausmessung die gesamte Schichtstruktur bei einem Tiefenabtastzyklus zum Ermitteln relevanter Regionen mit dem wellenlängenscannenden Interferometer grob vermessen wird und in einer Nachmessung bei einem nachgeordneten Tiefenabtastzyklus eine Feinvermessung der relevanten Regionen mit erhöhter Auflösung erfolgt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Messvorrichtung besteht darin, dass die Auswerteeinrichtung zum Erfassen von Schlieren in der Schichtstruktur aus einer Auswertung des Interferenzkontrastes oder der Phasenverschiebung an den durch die Schlieren hervorgerufenen Grenzflächen zwischen Medien unterschiedlicher Berechnungsindizes ausgebildet ist, und ferner darin, dass die Auswerteeinrichtung zum Erfassen von Materialänderungen oder Materialübergängen aus einer Auswertung des Interferenzkontrastes oder der Phasenverschiebung an den durch die Materialänderungen oder Materialübergänge hervorgerufenen Grenzflächen oder Grenzschichten, die durch unterschiedliche Berech nungsindizes entstehen, ausgebildet ist, wobei zum Erfassen die Interferenzkontraständerung oder die Änderung der Phasenverschiebung lateral über das Bildfeld in die Auswertung einbezogen ist.

Zu einer erhöhten Genauigkeit der Messergebnisse trägt ferner bei, dass bei Ausbildung des Interferometers als Weißlichtinterferometer eine Dispersionskompensation dadurch vorgenommen ist, dass in den Referenzarm entsprechende Schichten eingebracht sind wie in den Objektarm.

Um zuverlässige Messergebnisse zu erhalten, sind ferner die Maßnahmen von Vorteil, dass bei Ausbildung des Interferometers als wellenlängenscannendes Interferometer in der Auswerteeinrichtung eine softwaregestützte Dispersionskompensation der Messdaten vorgesehen ist, die der eigentlichen Messdatenauswertung vorgelagert ist.

Die Auswertung wird ferner dadurch begünstigt, dass in den Referenzarm ein variabler optischer Abschwächer eingebracht ist, durch den die Lichtintensität gesteuert oder geregelt an die Lichtintensität im Objektarm anpassbar ist.

Die Datenerfassung wird dadurch begünstigt, dass im Objektarm eine mit einer Regeleinrichtung gekoppelte Optik angeordnet ist, die während der Tiefenabtastung eine Anpassung des Fokus an den gerade abgetasteten Bereich bewirkt.

Eine für eine zuverlässige Erfassung der Grenzflächen weitere günstige Ausgestaltung besteht darin, dass die Einstrahlungseinheit optisch gepumpte photonische Kristallfasern und/oder mindestens eine Superlumineszenzdiode und/oder mindestens eine ASE-Lichtquelle aufweist.

Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine interferometrische Messvorrichtung zum Vermessen von Schichtstrukturen in schematischer Darstellung,
2 einen Intensitätsverlauf eines Interferenzsignals über dem Abtastweg in Tiefenrichtung (z) als Korrelogramm und mit der Einhüllenden in schematischer Darstellung,
3 ein Weißlichtinterferometer in prinzipieller Darstellung mit einer mehrere Grenzflächen aufweisenden Schichtstruktur und zugehörigen Korrelogrammen,
4 einen Intensitätsverlauf und ein daraus mit einem FSA-Algorithmus gewonnenen Modulationsverlauf über dem Abtastweg in prinzipieller Darstellung,
5 verschiedene Auswertungsstufen einer Auswertungseinrichtung in modularem Aufbau,
6 eine Prinzipdarstellung zur Messung an einer einen Ölfilm aufweisenden Schichtstruktur,
7 eine Prinzipdarstellung zum Einschreiben von Intensitätswerten in einen umlaufenden Speicherbereich,
8 einen Intensitätsverlauf und einen daraus gewonnenen Modulationsverlauf über dem Abtastweg mit zwei identifizierten Korrelogrammen,
9 einen Intensitätsverlauf und einen zugehörigen Modulationsverlauf über dem Abtastweg mit zwei getrennten Speicherbereichen zugeordneten Korrelogrammen,
10 eine weitere Darstellung eines Intensitätsverlaufes und eines Modulationsverlaufs über dem Abtastweg mit in zwei getrennten Speicherbereichen eingeschriebenen Korrelogrammen,
11 eine weitere Darstellung eines Intensitätsverlaufes und eines Modulationsverlaufes über dem Abtastweg mit zwei getrennten Speicherbereichen zugeordneten Korrelogrammen und erweiterter Abtastlänge,
12 eine Darstellung eines Modulationsverlaufes über dem Abtastweg mit drei zugehörigen, in getrennten Speicherbereichen eingeschriebenen Korrelogrammen,
13 mehrere über jeweilige Lichtleitfasern gekoppelte Superlumineszenzdioden zur Bündelung und Einkopplung ihrer Spektren in ein Weißlichtinterferometer in schematischer Darstellung und
14 eine weitere interferometrische Messvorrichtung in Kombination mit einer durchstimmbaren Lichtquelle als wellenlängenscannendes Interferometer und mit einer Lasergepumpten photonischen Kristallfaser als Weißlichtinterferometer in schematischer Darstellung.
Offenbarung der Erfindung
1 zeigt eine interferometrische Messvorrichtung, die zur Vermessung von Schichtstrukturen eines Messobjektes O mit mehreren in Tiefenrichtung hintereinander liegenden, für einen Objektstrahl OST transparenten Schichten ausgebildet ist. Ein Interferometerteil IT weist einen Strahlteiler ST auf, durch den eine z.B. in 3 gezeigte Eingangsstrahlung EST in den durch einen Objektarm OA geführten Objektstrahl OST und einen durch einen Referenzarm RA geführten Referenzstrahl RST aufgeteilt wird, um durch Überlagerung des an einer Referenzfläche RF zurückgeführten Referenzstrahls RST und des von der abgetasteten Schichtstruktur des Objekts O zurückgeführten Objektstrahls OST ein auswertbares Interferenzmuster zu erzeugen, wie an sich bekannt und z.B. in den einleitend genannten Druckschriften näher beschrieben. Bezüglich des Objektarms OA ist die Interferenzebene IE im Bereich des Messobjektes O bzw. der Schichtstruktur angeordnet. Bei der Tiefenabtastung der Schichtstruktur in Tiefenrichtung z wird die Interferenzebene IE relativ zur Schichtstruktur in Tiefenrichtung z verschoben, wodurch unterschiedliche Interferenzmuster über die Spur der Tiefenabtastung auftreten. Die Tiefenabtastung der Schichtstruktur der Interferenzebene IE kann in verschiedener Weise erfolgen, nämlich durch Verändern der optischen Weglänge des Referenzstrahls, insbesondere durch Bewegung des Referenzspiegels, durch Bewegung des Messobjektes O in Tiefenrichtung oder durch Bewegung des Objektivs in Tiefenrichtung oder durch Bewegung des gesamten Sensors relativ zu dem Messobjekt O. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Verstellung des Objektivs im Objektarm OA mittels einer Verstelleinheit VE, beispielsweise einem Piezo-Versteller, in diskreten Schritten in Tiefenrichtung z verstellt. Zum Vermessen der Schichtstruktur wird das Interferenzmuster mit einem Bildaufnehmer BA aufgenommen und in entsprechende elektrische Signale umgewandelt und in einer anschließenden Auswerteeinrichtung AW ausgewertet, um die Messergebnisse zu erhalten, die Aufschluss über die Schichtstrukturen, insbesondere die Grenzflächen zu erhalten. Als Bildaufnehmer BA ist vorzugsweise eine Kamera vorgesehen, die pixelweise in x-y-Richtung nebeneinander liegende Bildaufnahmeelemente aufweist und das abgebildete Interferenzmuster flächenhaft auflöst, so dass bei der Tiefenabtastung gleichzeitig mehrere den einzelnen Bildelementen zugeordnete Spuren der Schichtstruktur erfasst und ausgewertet werden können.
Die Vermessung der Grenzflächen lässt sich vorteilhaft nach dem Prinzip der Weißlichtinterferometrie durchführen. Hierzu wird eine Einstrahlungseinheit bzw. Lichtquelle LQ (vgl. 3) eingesetzt, die eine kurzkohärente Strahlung abgibt, beispielsweise eine oder mehrere zusammengekoppelte Superlumineszenzdioden SLD1 ... SLD4 (vgl. 13). Interferenz tritt dabei nur auf, wenn die optische Weglängendifferenz zwischen Referenzstrahl RST und Objektstrahl OST innerhalb der Kohärenzlänge I_C der von der Einstrahlungseinheit LQ abgegebenen Strahlung liegt. Das entstehende Interferenzsignal wird in der Weißlichtinterferometrie auch als Korrelogramm bezeichnet. 2 zeigt ein Korrelogramm KG, das den Intensitätsverlauf über dem Abtastweg (in Tiefenrichtung z) beinhaltet, sowie die zugehörige Einhüllende G. Als charakteristische Parameter sind weiterhin eingetragen ein Gleichanteil GA, die Position des optischen Wegabgleichs z₀, die Phase φ₀, ein Maß für den Interferenzkontrast IK als Differenz zwischen der maximalen Intensität I_max und minimalen Intensität I_min die Zentralwellenlänge λ₀, die Intensität I in beliebigen Einheiten und der Wegunterschied Δz zwischen Objekt- und Referenzarm als doppelte Differenz von Abtastposition z und z₀ in beliebigen Einheiten.
In 3 ist die interferometrische Messvorrichtung schematisch dargestellt, wobei jedoch die Abtastung durch Verschiebung der Referenzfläche bzw. vorliegend der Referenzebene RE vorgenommen wird. Der Objektstrahl OST besitzt die Intensität I₁, der Referenzstrahl RST die Intensität I₂ und am Bildaufnehmer BA ergibt sich eine Intensität I_d. Die Einstrahlungseinheit in Form der Lichtquelle LQ gibt eine Eingangsstrahlung EST mit einem spektralen Verlauf SV kurzer Kohärenzlänge ab. An dem Messobjekt sind zwei Grenzflächen, nämlich die äußere Objektoberfläche OO und eine darunter liegende Substratoberfläche SO vorhanden, die bei Abtastung in Tiefenrichtung z die damit zusammenhängenden Korrelogramme KG ergeben, welche in dem Intensitätsverlauf I_d an den Bildaufnehmer BA enthalten sind. Für die genaue Erfassung und Zuordnung der Korrelogramme KG zu den jeweiligen Grenzflächen kann eine Auswertung auf der Grundlage der Interferenzkontraste erfolgen. Zur besseren Erfassung wird vorliegend jedoch die Modulation M ermittelt, wie sie in 4 zusammen mit dem zugehörigen Intensitätsverlauf über dem Abtastweg z dargestellt ist und auch in 1 anschaulich an einer Sichtanzeige wiedergegeben ist. Zum Ermitteln der Modulation M wird in der Auswerteeinrichtung AW ein spezieller Algorithmus zugrunde gelegt, nämlich der sogenannte FSA (five-sample-adaptive) Algorithmus, der auf der Abtastung von fünf aufeinander folgenden Intensitätswerten des Interferogramms beruht und aus dem auch die Phase der jeweiligen Abtastposition im Abtastweg z bestimmt werden kann. Zu näheren Einzelheiten des FSA-Algorithmus sei auf die eingangs genannte Druckschrift (Larkin) verwiesen.
Eine Besonderheit der vorliegenden interferometrischen Messvorrichtung und des Messverfahrens liegt darin, dass der Abtastweg z mindestens so groß gewählt ist, dass der gesamte Bereich abgetastet wird, in dem die zu erfassenden Grenzschichten vorliegen, wobei während der Abtastung die an den verschiedenen Grenzflächen auftretenden Korrelogramme erfasst werden, um daraus das Vorhandensein der Grenzflächen mittels der Auswerteeinrichtung AW zu bestimmen. Dabei kann neben der Groberfassung der Grenzflächen auch bereits eine Feinerfassung der Höhenstrukturen der einzelnen Grenzflächen vorgenommen werden. Die flächenhafte Erfassung über die Bildaufnahmeelemente des Bildaufnehmers BA bzw. der Kamera K lässt dabei gleichzeitig die Erfassung der Höhen-Messdaten über mehrere lateral nebeneinander liegende Spuren (in Tiefenrichtung z) zu, so dass 3D-Höheninformationen der jeweiligen Grenzflächen gewonnen werden können.
In 5 ist die Vorgehensweise zum Ermitteln der Grenzflächen und, falls erwünscht, näherer Informationen derselben schematisch dargestellt. In der Auswerteeinrichtung AW läuft die Auswertung mehrstufig ab, wozu zunächst die mit den einzelnen Grenzschichten zusammenhängenden Korrelogramme KG aus der Berechnung der Modulation M der Intensitätsverläufe in einem Erfassungsmodul EM identifiziert werden. Anschließend erfolgt eine nähere Auswertung der Eigenschaften in einem Auswertungsmodul AM der Auswerteeinrichtung AW, soweit dies erwünscht ist. Schließlich erfolgt noch eine Zuordnung der erfassten Grenzflächen und gegebenenfalls näheren Eigenschaften derselben in einem Zuordnungsmodul ZM, beispielsweise also der Objektoberfläche OO und der Substratoberfläche SO.
In 6 ist beispielhaft eine Schichtstruktur mit einer transparenten Schicht in Form eines Ölfilms auf einem darunter angeordneten Träger gezeigt. Durch die Abtastung kann beispielsweise am Randbereich des Ölfilms dessen Grenze festgestellt werden. Auch der Höhenverlauf kann ermittelt werden. Ist also beispielsweise von vornherein nicht bekannt, dass eine Verschmutzung oder gewollte Beschichtung eines Substrats vorliegt, kann die Eigenschaft der Schicht aufgrund des erhaltenen Messergebnisses erkannt werden. Das Teilbild a) zeigt den mit einer Ölschicht versehenen Träger, das Teilbild b) ein Messergebnis im Randbereich des Ölfilms auf der Trägeroberfläche und das Teilbild c) die aus dem Messergebnis rückgerechnete Oberfläche des Trägers unter dem Ölfilm, während in dem Teilbild d) die saubere Oberfläche des Trägers dargestellt ist.
Eine weitere Besonderheit der vorliegenden Messvorrichtung und des Messverfahrens besteht darin, dass in der Auswerteeinrichtung AW die während der Tiefenabtastung gewonnenen Messdaten in getrennten Speicherbereichen SB1, SB2 ... abgelegt werden, wobei eine Erfassung der einzelnen Grenzflächen stattfindet und eine Zuordnung zu den verschiedenen Grenzflächen vorgenommen wird. Diese Vorgehensweise ist in den 7 bis 12 dargestellt.
7 zeigt die Zuordnung von Intensitätswerten IW, die während der Tiefenabtastung über eine Spur erhalten werden, und deren Einschreibung in einen umlaufenden Speicherbereich SBO einer bestimmten Länge. Wenn beim Einschreibvorgang der Intensitätswerte IW das Ende des Speicherbereiches SBU erreicht ist, wird der erste Wert wieder überschrieben und sofort. Somit sind für jeden durch die Bildelemente des Bildaufnehmers BA gegebenen Bildpunkt x, y nur eine festgelegte Anzahl nacheinander abgetasteter Intensitätswerte IW im Speicher abgelegt und nicht die gesamte Spur. In 7 ist beispielhaft ein umlaufender Speicherbereich für acht Intensitätswerte IW dargestellt. Nachdem die ersten acht Werte eingeschrieben sind, überschreibt der neunte Wert den auf der ersten Speicheradresse stehenden Wert und der zehnte abgetastete Wert überschreibt den zweiten. Über den Weg der Tiefenabtastung sollen insbesondere charakteristische Stellen der Schichtstruktur, d.h. Grenzflächen zwischen den Schichten oder innerhalb der Schichten, z.B. Materialeinschlüsse oder dgl., erfasst werden. Dieser interessierende Bereich soll dann möglichst vollständig in den Speicherbereich geschrieben werden. Mit Hilfe der umlaufenden Speicherbereiche SBU gelingt es, die interessierenden Bereiche bei der Tiefenabtastung der Schichtstruktur schnell und zuverlässig zu erfassen, wobei ein im Vergleich zu der Gesamtheit der über die Spur anfallenden Daten nur ein geringer Speicherplatzbedarf besteht. Die Länge der umlaufenden Speicherbereiche SBU wird dabei nach der Kohärenzlänge I_C bemessen und um soviel größer gewählt, dass ein zugehöriges Korrelogramm über die so definierte Abtastlänge zuverlässig erfasst wird, wie beispielsweise die 8 bis 12 zeigen. Die Anzahl der Speicherbereiche SB1, SB2 ... wird um 1 größer als die Anzahl der erwarteten oder in einer Vormessung ermittelten Grenzflächen gewählt. Dabei werden die umlaufenden Speicherbereiche SBU in verschiedene Speicherbereiche unterschieden, nämlich einen Aktiv-Speicherbereich und Passiv-Speicherbereiche, von denen einer einen Reserve-Speicherbereich bildet. In den Aktiv-Speicherbereich werden immer die aktuellen Intensitätswerte IW geschrieben. Welcher Speicheradresse der Aktiv-Speicherbereich gerade zugeordnet ist, entscheidet ein Algorithmus bei der Umbenennung der Speicherbereiche. Der Aktiv-Speicherbereich ist immer der Speicherbereich, der von allen Speicherbereichen SB1, SB2 ... das Korrelogramm mit dem niedrigsten Modulationsmaximum enthält. Bei Bedarf, d.h. wenn das Modulationsmaximum des Aktiv-Speicherbereiches während der Tiefenabtastung überschritten wird, werden die abgetasteten Messdaten parallel zum Aktiv-Speicherbereich auch in den Reserve- Speicherbereich geschrieben. Für diesen Einschreibvorgang aktiviert der Algorithmus den Reserve-Speicherbereich. Im Reserve-Speicherbereich ist immer das Korrelogramm mit dem zweitkleinsten Modulationsmaximum abgelegt. In den Passiv-Speicherbereichen werden die modulationsstärksten Korrelogramme gesichert. Der Aktiv-Speicherbereich wird nach erfolgreicher Erfassung eines modulationsstärkeren Korrelogramms in einen Passiv-Speicherbereich umbenannt. Liegt also im Aktiv-Speicherbereich ein neues vollständiges Korrelogramm vor, wird das Schreiben in ihn gestoppt und nur im Reserve-Speicherbereich weiter geschrieben. Folgt ein weiteres Korrelogramm mit stärkerer Modulation, wird es im Reserve-Speicherbereich erfasst. Ist es vollständig erfasst, wird das andere verworfen. Beide Speicherbereiche tauschen die Funktion und der Aktiv-Speicherbereich wird zum Reserve-Speicherbereich.
Ist ein Korrelogramm vollständig erfasst, wird die ihm zugeordnete Tiefenabtast-Position abgelegt und es erfolgt eine Umsortierung der Zuordnung der Speicherbereiche nach maximaler Modulation. Der mit Reserve-Speicherbereich benannte Bereich wird zum neuen Aktiv-Speicherbereich, da er zu diesem Zeitpunkt das Korrelogramm mit der schwächsten Modulation enthält. Aus den verbleibenden Speicherbereichen wird der mit der nächst schwächeren maximalen Modulation ausgewählt und als neuer Reserve-Speicherbereich gesetzt. Die Methode sichert, dass ein Korrelogramm mit schwacher Modulation, welches einem mit stärkerer unmittelbar folgt, noch innerhalb der halben Abtastlänge, durch die gleichzeitige Erfassung im Reserve-Speicherbereich ebenfalls vollständig erfasst wird.
Beispielsweise ist die Anzahl der Speicherbereiche so gewählt, dass bei N zu erfassenden Korrelogrammen N+1 Speicherbereiche zugewiesen werden. Bei N=2 zu erfassenden Korrelogrammen gibt es so neben dem Aktiv- und dem Reserve-Speicherbereich noch einen weiteren Passiv-Speicherbereich. In den Passiv-Speicherbereichen sind die entsprechenden, bei N=2 also nur 1, Korrelogramme mit den größten Modulationsmaxima abgelegt. Im Reserve-Speicher-Bereich ist das Korrelogramm mit dem zweitgrößsten (N) und im Aktiv-Speicherbereich entsprechend das Korrelogramm mit dem drittgrößsten (N+1) Modulationsmaximum abgelegt.
Ein Zähler sichert den aktuellen Fortschritt der Erfassung. Der Zähler wird als Startwert mit der halben Abtastlänge initialisiert und pro Abtastschritt bis 0 heruntergezählt. Er wird bei maximaler Modulation gestartet bzw. bei einem neuen Maximalwert reinitialisiert und erneut gestartet. Er hat die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass nach Erreichen des Modulationsmaximums die restlichen Daten noch in den Speicherbereich eingeschrieben werden. Dies stellt sicher, dass sich ausreichend Werte symmetrisch um das Maximum der Einhüllenden des Korrelogramms im umlaufenden Speicherbereich SBU befinden und das Korrelogramm vollständig erfasst wird.
Ist der gesamte Abtastweg abgetastet, endet der Erfassungsvorgang mit einer Datenübergabe. Für die anschließende präzise Auswertung werden die Korrelogramme aus den umlaufenden Speicherbereichen in der richtigen Reihenfolge der Abtastpunkte mit dem Modulationsmaximum mittig im Speicherbereich umsortiert. Der Aktiv-Speicherbereich wird bei diesem Kopiervorgang gelöscht. Zusätzlich zu den Intensitätswerten IW der Korrelogramme wird an das nächste Modul die Abtastposition des letzten Abtastpunktes für jedes Korrelogramm übergeben.
In 8 sind der Intensitäts- und Modulationsverlauf über den Abtastweg z mit zwei identifizierten Korrelogrammen dargestellt. 9 zeigt einen Speicherzustand bei Erfassung von zwei Korrelogrammen, wobei ein Korrelogramm mit größerer Modulation vor einem Korrelogramm mit geringerer Modulation auftritt. 10 zeigt einen Speicherzustand bei Erfassung von zwei Korrelogrammen, wobei ein Korrelogramm geringerer Modulation vor einem Korrelogramm mit höherer Modulation auftritt.
In 11 ist eine Anpassung der Abtastlänge bei überlagerten Korrelogrammen gezeigt, wie sie an dünnen Schichten auftreten.
12 zeigt einen Speicherzustand bei Erfassung von drei Korrelogrammen.
Um einen größeren nutzbaren optischen Spektralbereich und somit eine verbesserte Höhenauflösung und Schichtentrennung bei der Vermessung einer n-schichtigen Struktur mit dem Weißlichtinterferometer zu erhalten, können mehrere fasergekoppelte Superlumineszenzdioden LD1, LD2, LD3, LD4 ... – oder ASE-Lichtquellen – mit unterschiedlichen, sich überlappenden optischen Spektren vorteilhaft im nahen infraroten Spek-tralbereich in einem Faserkoppler FK zusammengeführt werden, um eine Einstrahlungseinheit zum Einführen der Eingangsstrahlung in den Interferometerteil IT zu bilden, wie 13 zeigt.
Eine weitere interferometrische Messvorrichtung zum Abtasten einer Schichtstruktur in Tiefenrichtung besteht darin, dass anstelle eines Weißlichtinterferometers ein wellenlängenscannendes Interferometer WLSI eingesetzt wird. Wellenlängenscannende Interferometer im Sinne vorliegender Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass das optische Spektrum ihrer spektral schmalbandigen, varia bel durchstimmbaren Lichtquelle bzw. Einstrahlungseinheit LQ so gewählt ist, dass die zu untersuchenden Schichtstrukturen teiltransparent sind oder dass das optische Spektrum der spektral breitbandigen Einstrahlungseinheit so gewählt ist, dass die zu untersuchende Schichtstrukturen teiltransparent sind. Entsprechend ist der Detektor an die Lichtquelle LQ angepasst, um im verwendeten Spektralbereich eine möglichst hohe Sensitivität zu erhalten. Die Wahl der Lichtquelle LQ und des Detektors bzw. Bildaufnehmers BA ist daher aufgabenabhängig wie auch bei den vorangehend beschriebenen Weißlichtinterferometer WLL Im nahen Infrarot-Spektralbereich (etwa 1000 nm bis 1800 nm) wird beim wellenlängenscannenden Interferometer mit spektral schmalbandiger, variable durchstimmbaren Lichtquelle als Bildaufnehmer eine InGaAs-CCD-Kamera verwendet. Bei Messungen in und durch Schichten wird die Optik im Objektarm OA des wellenlängenscannenden Interferometers während des Wellenlängen-Scans der Lichtquelle LQ so nachgeregelt (z.B. durch eine computergesteuerte Piezo-Einheit), dass sich der gerade abgetastete Bereich des Objekts immer im Fokus der Optik befindet. So wird eine scharfe Abbildung auf den Bildaufnehmer BA bzw. Detektor sichergestellt.
Eine alternative Ausführung eines wellenlängenscannenden Interferometers WLSI besteht darin, dass dieses mit spektral breitbandiger Einstrahlungseinheit und einem wellenlängenscannenden optischen Spektrumanalysator als Detektor ausgebildet ist. Für die Messung ist die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden hintereinander liegenden Grenzfläche auflösbar ist.
Im Übrigen ist vorteilhaft, wie es entsprechend auch beim Interferometerteil des Weißlichtinterferometers der Fall ist, in dem Referenzarm ein variabler optischer Abschwächer z.B. in Form eines Flüssigkristall-Elements eingebracht, um in dem Referenzarm RA die Lichtintensität I₁ zu steuern und über eine geschlossene Regelschleife an die Lichtintensität I₂ im Objektarm OA anzupassen, so dass der Kontrast und die Qualität des Interferenzsignals erhöht werden.
Durch die Verwendung von anwendungsspezifisch angepassten Referenzflächen/-Schichten im Interferometerteil IT anstatt eines Referenzspiegels bzw. einer Referenzebene RE wird die Qualität des Messsignals erhöht, z.B. durch Kompensation von Abbildungsfehlern oder einer Überbelichtung, und es ist möglich, besonders geformte Objektformen zu vermessen, wie z.B. gewölbte Flächen oder strukturierte Schichtsysteme. Entsprechendes gilt auch für den Interferometerteil IT des vorstehend beschriebenen Weißlichtinterferometers.
Ein Ausführungsbeispiel für eine interferometrische Messvorrichtung besteht in einem kombinierten Messsystem aus einem Weißlichtinterferometer WLI und einem wellenlängenscannenden Interferometer WLSI entsprechend den vorstehend beschriebenen Ausführungen. Diese Kombination wird als ein Messsystem aufgebaut, indem die Einstrahlungseinheiten bzw. Lichtquellen LQ über einen Faserkoppler FK (vgl. 14) zusammengeführt werden und das Licht über eine Faser in den Interferometerteil IT eingebracht wird, wie in 14 gezeigt. Die weiteren Elemente des Interferometerteils, wie der variable Abschwächer VA und eine Dispersionskompensation DK behindern sich bei einer derartigen Kombination und einem gemeinsamen Ausnutzen des Interferometerteils IT in z.B. zeitlich hintereinander geschalteten Messungen nicht. Dadurch ist es möglich, die Vorteile des Weißlichtinterferometers WLI und des wellenlängenscannenden Interferometers zu kombinieren. Für dünne oder nicht hoch dispersive Schichten oder mit experimenteller Dispersionskompensation ist in der Regel eine Messung mit dem wellenlängenscannenden Interferometer WLSI schneller und eine Messung mit dem Weißlichtinterferometer WLI genauer. Bei dispersiven Schichten und ohne experimentelle Dispersionskompensation kann in dem wellenlängenscannenden Interferometer WLSI die Dispersion in der Datennachbearbeitung kompensiert werden, so dass dann das wellenlängenscannende Interferometer WLSI die genaueren Messdaten liefert.
Bei der Ausbildung der interferometrischen Messvorrichtung als Weißlichtinterferometer WLI ist darauf zu achten, dass das optische Spektrum ihrer breitbandigen Lichtquelle LQ so gewählt ist, dass die zu untersuchenden Schichtstrukturen zumindest bis auf ein unteres undurchsichtiges Trägersubstrat teiltransparent sind. Entsprechend ist der Bildaufnehmer BA bzw. Detektor an die Einstrahlungseinheit bzw. Lichtquelle LQ angepasst, um im verwendeten Spektralbereich eine möglichst hohe Sensitivität zu erhalten. Die Wahl der Lichtquelle LQ und des Detektors ist daher aufgabenabhängig. Im nahen Infrarot-Spektralbereich (ca. 1000 nm bis 1800 nm) wird bei flächenhaft messenden Weißlichtinterferometern WLI als Detektor eine InGaAs-CCD-Kamera verwendet. Als Lichtquellen LQ im nahen Infrarot-Spektralbereich werden sogenannte ASE (amplified spontaneous emission-)Lichtquellen (z.B. Laser-gepumpte Er-Fasern), Laser-gepumpte photonische Kristallfasern (PCF) oder Superlumineszenz-Dioden SLD verwendet. ASE-Lichtquellen und Superlumineszenz-Dioden werden über Freistrahl oder durch eine Lichtleitfaser in das Weißlichtinterferometer WLI eingekoppelt. Photonische Kristallfasern werden direkt an den Interfereometerteil des Weißlichtinterferometers WLI angeschlossen.
Zur Verbesserung der Höhenauflösung und Schichtentrennung bei Messungen in und durch Schichten wird eine experimentelle Dispersionskompensation eingeführt. Dispersionseffekte im Weißlichtinter ferometer WLI entstehen durch unterschiedliche optische Wege in Objekt- und Referenzarm. Um diese Effekte bei Messungen durch Schichten zu kompensieren, werden in den Strahlengang des Referenzarmes RA des Weißlichtinterferometers WLI ebenfalls entsprechende Schichten eingebracht. Diese Schichten befinden sich in einem Abstand von der Referenzfläche RF, beispielsweise in Form eines Referenzspiegels, um sich überlagernde Mehrfach-Korrelogramme bei der Messung zu vermeiden. Beispielsweise werden derartige Schichten bei einem Weißlichtinterferometer WLI im Linnik-Aufbau zwischen Strahlteiler ST und Mikroskop-Objektiv eingebracht.
Der Einsatz von gepumpten photonischen Kristallfasern, Superlumineszenz-Dioden und fasergekoppelten, gebündelten Superlumineszenz-Dioden sowie die experimentelle Dispersionskompensation sind nicht auf den nahen Infrarot-Spektralbereich beschränkt.
Das mit der interferometrischen Messvorrichtung durchgeführte Verfahren kann sowohl bei relativ gleichmäßigen, zusammenhängenden Schichten als auch bei deformierten Schichten mit Rändern auf einer darunter liegenden Schicht, wie z.B. Ölschichten, Vermessung von Schichtstrukturen auf Substraten oder unter Si-Kappenwafern und auch zum Vermessen von verborgenen Strukturen innerhalb der Schichtstruktur eingesetzt werden, u.a. also auch zur Vermessung von Verschleißschutzschichten, Lackschichten und Halbleitern, solange die Neigung der betreffenden Oberfläche bzw. Grenzfläche eine ausreichende Rückreflexion der auftreffenden Lichtwelle in den Bildaufnehmer BA zulässt.
Bei der Erfassung von überlagerten Doppelkorrelogrammen an dünnen Schichten (z.B. < 10 μm) werden in der Auswerteeinrichtung AW Algorithmen genutzt, die z.B. eine Anpassung der Abtastlänge (Bereich innerhalb des gesamten Abtastweges, insbesondere eines interessierenden Korrelogramms) ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann in einer Vorabtastung die zu erwartende Anzahl der Korrelogramme bestimmt und die Anzahl der Speicherbereiche entsprechend angepasst werden.
Wie vorstehend ausgeführt, schließen sich innerhalb der Auswerteeinrichtung AW an das Erfassungs-Modul EM und das Auswertungs-Modul AM noch ein Zuordnungs-Modul ZM und gegebenenfalls noch Analyse-Module für eine genauere Untersuchung an. Das Zuordnungs-Modul ZM sorgt für die Zuordnung von Abstandswerten zu den entsprechenden Grenzflächen. Diese Zuordnung erfolgt bei einer Öl-Substrat-Anordnung nach der Lage der Korrelogramme bei der Tiefenabtastung. Für die Zuordnung zu den entsprechenden Schichten findet ein Vergleich der Lage mit den z.B. acht nächsten Nachbarn statt.
Mit der interferometrischen Messvorrichtung können auch Schlieren in Schichten erfasst werden, wobei ebenfalls eine Interferenzkontrast-Auswertung geeignet ist. Trifft ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes n₁ und n₂, wird ein Teil des Lichtstrahls an der Grenzfläche reflektiert. Die Größe des reflektierten Anteils wird bestimmt durch die beiden Brechungsindizes. Für senkrechten Lichteinfall gilt dabei IR = IIn(n2 – n1)/(n2 + n1),wobei I_R die reflektierte Intensität und I_In die Intensität des einfallenden Lichtstrahls ist. Die in einem Weißlichtinterferometer WLI detektierte Intensität setzt sich zusammen aus den reflektierten Intensitäten aus Referenzarm RA und Objektarm OA. Im Idealfall ist die reflektierte Intensität aus dem Referenzarm RA gleich der einfallenden Intensität I_In. Diese wird mit der aus dem Objektarm OA reflektierten Intensität I_R überlagert. Das während der Vermessung einer Grenzfläche mit dem Weißlichtinterferometer WLI in einem Bildelement (Pixel) aufgezeichnete Korrelogramm besitzt einen maximalen Intensitätswert I_max = I_In + I_R und einen minimalen Intensitätswert I_min = I_In – I_R. Betrachtet man den Interferenzkontrast I_Kon, so ergibt sich IKon = (Imax – Imin)/(Imax + Imin) = IR/IIn = (n2 – n1)/(n2 + n1)d.h. dass der Interferenzkontrast durch die beiden Brechungsindizes n₁, n₂ bestimmt wird. Durch Auswertung des Interferenzkontrastes des Korrelogrammes der weißlicht-interferometrischen Messung können so in einem Medium mit Brechungsindex n₁ Schlieren mit Brechungsindex n₂ detektiert werden sowie die Art der Einschlüsse durch Bestimmung von n₂ mit Hilfe des Interferenzkontrastes klassifiziert werden. Gleichzeitig werden bei der weißlicht-interferometrischen Messung Lage und Größe der Schlieren bestimmt.
Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien kann die Erfassung der Schlieren auch aufgrund einer Phasenbetrachtung erfolgen, da der Lichtstrahl an der Grenzfläche eine Phasenverschiebung ΔΦ erfährt, die bestimmt ist durch die Eigenschaften der beiden Medien. Bei der weißlicht-interferometrischen Messung wirkt sich eine derartige Phasenverschiebung im Objektarm OA auch auf die Phase des aufgezeichneten Korrelogramms KG aus. Diese Phasenverschiebung im Messsignal wird bei der Phasenauswertung genutzt, um in einem Medium mit Brechungsindex n₁ Schlieren mit Brechungsindex n₂ zu detektieren und zu klassifizieren. Gleichzeitig können auch bei dieser Auswertemethode Lage und Größe der Schlieren bestimmt werden.
Ferner können mittels der interferometrischen Messvorrichtung auch Materialänderungen und Materialübergänge der Schichtstruktur erfasst werden, wozu ebenfalls eine Auswertung des Interferenzkontrasts oder eine Auswertung aufgrund einer Phasenbetrachtung geeignet sind. Wie vorstehend beschrieben, ist der Interferenzkontrast I_Kon des mit dem Weißlichtinterferometer WLI erhaltenen Messsignals abhängig von den beiden Medien, die die das Signal verursachende Grenzfläche bzw. Grenzschicht bilden. Ändert sich die Zusammensetzung der Grenzschicht über das Bildfeld des Weißlichtinterferometers WLI, so ändert sich auch der Interferenzkontrast. Bei der Vermessung verborgener Schichten wird so über die Interferenzkontrastauswertung eine Änderung der Grenzschichtzusammensetzung detektiert und vermessen, beispielsweise ein Übergang zwischen einer Leiterbahn und dem SiO₂-Material unter einer Si-Deckschicht.
Bei der Phasenbetrachtung zur Erfassung von Materialänderungen und Materialübergängen der Schichtstruktur wird wiederum genutzt, dass die Phasenverschiebung des mit dem Weißlichtinterferometer WLI erhaltenen Messsignals abhängig ist von den unterschiedlichen Brechungsindizes der Medien, die die das Signal verursachende Grenzfläche bzw. Grenzschicht bilden. Ändert sich die Zusammensetzung der Grenzschicht über das Bildfeld des Weißlichtinterferometers WLI, so ändert sich auch die Phasenlage der Korrelogramme über das Bildfeld. Bei der Vermessung verborgener Schichten kann so auch über die Phasenänderung des Interferenzsignals eine Änderung der Grenzschichtzusammensetzung detektiert und vermessen werden.
Bei dem wellenlängenscannenden Interferometer WLSI kommt es aufgrund des wellenlängenabhängigen Brechungsindexverlaufs zu der bereits angesprochenen Dispersion. Der Dispersionseffekt verschlechtert die Messauflösung des wellenlängenscannenden Interferometers WLSI hinsichtlich dicht untereinander liegender Grenzschichten, da die Trennung aufeinanderfolgender Korrelogramme erschwert wird. Durch die ebenfalls bereits genannte software-gestützte Datenaufbereitung in der Auswerteeinrichtung vor der eigentlichen Datenauswertung im Frequenzraum wird der Dispersionseffekt bei bekanntem Brechungsindexverlauf kompensiert und die Messauflösung bei Messungen in den und durch die Schichten der Schichtstruktur erhöht.
Das Verfahren ermöglicht auch Untersuchungen bei dicken Schichten (d >> 10 μm). Bei Messungen in dicken Schichten wird zunächst eine Vorausmessung der gesamten Schichtdicke mit dem wellenlängenscannenden Interfereometer WLSI mit reduzierter Auslösung durchgeführt. Diese Messung erfolgt aufgrund des Messprinzips eines wellenlängenscannenden Interferometers WLSI deutlich schneller als eine entsprechende Messung mit einem Weißlichtinterferometer WLI. Die nachgeschaltete Vermes sung der durch die Vorausmessung als relevant identifizierten Regionen erfolgt vorteilhaft mit einem Weißlichtinterferometer WLI beispielsweise mit photonischer Kristallfaser-(PCF-)Lichtquelle und ergibt aufgrund des Messprinzips eine bessere Auflösung hinsichtlich Höhe und Schichtentrennung. Ebenso kann die nachgeschaltete Messung mit einem wellenlängenscannenden Interferometer WLSI in nicht-äquidistanter Abtastung erfolgen. Hierbei werden die in der Vorausmessung als relevant identifizierte Regionen wesentliche dichter abgetastet (bspw. Durch eine dichtere Frequenzabtastung) als dazwischen liegende nicht relevante Regionen. Auch hier ergibt sich aufgrund des Messprinzips eine bessere Auflösung hinsichtlich Höhe und Schichtentrennung.
Die vorstehend beschriebenen Aufbauten der interferometrischen Messvorrichtung und die damit durchgeführten Verfahren ermöglichen eine zerstörungsfreie sowohl punkthafte als auch flächenhafte Messung insbesondere von Grenzflächen in für die Strahlung optisch teiltransparenten Schichtsystemen verschiedener Art, wobei auch Schlieren und Materialänderungen sowie Materialübergänge detektiert und identifiziert werden können. Das Messverfahren kann einer Fertigung und Prozess- und/oder Qualitätskontrolle nachgeschaltet werden. Dann ist es möglich, direkt nach der Bearbeitung einer Funktionsfläche z.B. die Toleranzen zu prüfen und eine zerstörungsfreie Prozess- und/oder Qualitätskontrolle an relevanten Erzeugnisteilen durchzuführen.

Claims

Interferometrische Messvorrichtung zum Vermessen von Schichtstrukturen aus mehreren in Tiefenrichtung hintereinander liegenden Schichten mit einer diese automatisch in ihrer Tiefenrichtung (Z) abtastenden Abtastvorrichtung, mittels derer eine Interferenzebene (IE) relativ zur Schichtstruktur verschiebbar ist, mit einem ein Weißlichtinterferometer (WLI) und/oder ein wellenlängenscannendes Interferometer (WLSI) aufweisenden Interferometerteil, dem für die Mesung von einer Einstrahlungseinheit (LQ) eine Eingangsstrahlung zugeführt ist, welche mittels eines Strahlteilers (ST) aufgeteilt und zum einen Teil über einen Referenzstrahlengang als Referenzstrahl (RST) einem Referenzarm (RA) und zum anderen Teil über einen Objektstrahlengang als Objektstrahl (OST) einem beim Messen die Schichtstruktur aufweisenden Objektarm (OA) zugeführt ist, mit einem Bildaufnehmer (BA), der die aus dem Referenzarm (RA) und dem Objektarm (OA) zurückkommende interferierende Strahlung aufnimmt und in elektrische Signale umwandelt, sowie mit einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung (AW) zum Bereitstellen der Messergebnisse, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastvorrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass bei gleich bleibendem Referenzstrahlengang und Objektstrahlengang der zugehörige Abtastweg zumindest so groß ausgeführt ist wie der zu erwartende oder in einer Vormessung ermittelte Abstand mindestens zweier hintereinander angeordneter zu erfassender Grenzflächen der Schichtstruktur gegebenenfalls zuzüglich einer zu erwartenden Tiefenstruktur der Grenzflächen, und dass a) bei Ausbildung des Interferometerteils (IT) mit der Einstrahlungseinheit als Weißlichtinterfereometer (WLI) die Kohärenzlänge (I_c) der Eingangsstrahlung höchstens so groß gewählt ist, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander auftretenden Korrelogramme an den zu erfassenden Grenzflächen unterscheidbar sind, und/oder b) bei Ausbildung des Interferometerteils (IT) mit der Einstrahlungseinheit als wellenlängenscannendes Interferometer (WLSI) die Einstrahlungseinheit mit schmalbandiger, durchstimmbarer Eingangsstrahlung ausgebildet ist, wobei die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt ist, dass der kleinste zu erwartende oder durch die Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden hintereinander liegenden Grenzflächen auflösbar ist, und/oder c) bei Ausbildung des Interferometerteils (IT) als wellenlängenscannendes Interferometer (WLSI) mit spektral breitbandiger Einstrahlungseinheit und einem wellenlängenscannenden optischen Spektrumanalysator als Detektor die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt ist, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden hintereinander liegenden Grenzflächen auflösbar ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger eine flächige Auflösung in x-/y-Richtung besitzt, die höher ist als die Abbildung der örtlichen Höhenänderungen der Schichtoberfläche in x-/y-Richtung.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinrichtung (AW) Algorithmen programmiert sind, mit denen die einzelnen Schichten voneinander getrennt erfassbar sind, indem eine Zuordnung durch die Reihenfolge der an den Grenzflächen auftretenden Korrelogramme während eines Tiefenabtastzyklus erfolgt.
Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Eingeben der Anzahl zu erwartender Grenzflächen eine von einem Benutzer bedienbare Eingabeeinheit vorhanden ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswereeinrichtung (AW) eine Grobauswerteeinrichtung aufweist, mit der auf der Basis einer Groberfassung von Korrelogrammen die Anzahl vorhandener Schichten oder Grenzflächen ermittelbar ist und dass die Auswerteeinrichtung (AW) in der Weise ausgebildet ist, dass die Anzahl ermittelter Schichten automatisch in einen Auswerteteil übernommen oder von dem Benutzer über die Eingabeeinheit eingebbar ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) für die zu detektierenden Schichten getrennte Speicherbereiche (SB1, SB2 ...) aufweist, denen während einer Tiefenabtastung Daten des den jeweiligen Grenzflächen zugeordneten Korrelogramms getrennt zuordenbar sind, wobei die jeweiligen Korrelogramme mit ihrer Tiefenabtast-Position (z) in Beziehung gebracht sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherbereiche (SB1, SB2 ...) als umlaufende Speicherbereiche (SBU) ausgebildet sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufnahme der mit den Grenzflächen zusammenhängenden Korrelogramme eine die Anzahl der Grenzflächen um mindestens eins überschreitende Anzahl von Speicherbereichen (SB1, SB2 ...) vorhanden ist, wovon ein Speicherbereich als aktiver Speicherbereich zum Einschreiben aktueller Abtastdaten während der Tiefenabtastung dient und die übrigen zum Aufnehmen der ermittelten, den jeweiligen Grenzflächen zugeordneten Korrelogramm-Daten dienen.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) einen Auswertebereich aufweist, der zum Berechnen der Modulation (M) der während der Tiefenabtastung aus den elektrischen Signalen erhaltenen Intensitätswerte (I) ausgebildet ist und zum Erfassen der zu den jeweiligen Grenzflächen gehörenden Korrelogramme aus der Modulation (M) ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) ein Auswertungs-Modul aufweist, mit dem eine Feinmessung einer jeweiligen Grenzflächenstruktur durchführbar ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) derart ausgebildet ist, dass während der Tiefenabtastung gleichzeitig die in Richtung der Tiefenabtastung (Z) verlaufenden Spuren an verschiedenen lateral in x-y-Richtung unmittelbar oder mittelbar benachbarten Grenzflächenbereichen in entsprechender Weise auswertbar sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) in der Weise ausgebildet ist, dass Grenzflächendaten der in x-y-Richtung benachbarten Grenzflächenbereiche für eine jeweilige Tiefenabtastung miteinander in Beziehung bringbar und in Bezug aufeinander auswertbar sind.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Interferometerteils mit Weißlichtinterferometer (WLI) und wellenlängenscannendem Interferometer (WLSI) die Auswerteeinrichtung (AW) in der Weise ausgebildet ist, dass in einer Vorausmessung die gesamte Schichtstruktur bei einem Tiefenabtastzyklus zum Ermitteln relevanter Regionen mit dem wellenlängenscannenden Interferometer (WLSI) grob vermessen wird und in einer Nachmessung bei einem nachgeordneten Tiefenabtastzyklus eine Feinvermessung zumindest der relevanten Regionen mit erhöhter Auflösung erfolgt.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) zum Erfassen von Schlieren in der Schichtstruktur aus einer Auswertung des Interferenzkontrastes oder der Phasenverschiebung an den durch die Schlieren hervorgerufenen Grenzflächen zwischen Medien unterschiedlicher Berechnungsindizes ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) zum Erfassen von Materialänderungen oder Materialübergängen aus einer Auswertung des Interferenzkontrastes oder der Phasenverschiebung an den durch die Materialänderungen oder Materialübergänge hervorgerufenen Grenzflächen oder Grenzschichten, die durch unterschiedliche Berechnungsindizes entstehen, ausgebildet ist, wobei zum Erfassen die Interferenzkontraständerung oder die Änderung der Phasenverschiebung lateral über das Bildfeld in die Auswertung einbezogen ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Interferometers als Weißlichtinterferometer (WLI) eine Dispersionskompensation dadurch vorgenommen ist, dass in den Referenzarm (RA) entsprechende Schichten eingebracht sind wie in den Objektarm (OA).
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Interferometers als wellenlängenscannendes Interferometer (WLSI) in der Auswerteeinrichtung (AW) eine softwaregestützte Dispersionskompensation der Messdaten vorgesehen ist, die der eigentlichen Messdatenauswertung vorgelagert ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Referenzarm (RA) ein variabler optischer Abschwächer eingebracht ist, durch den die Lichtintensität gesteuert oder geregelt an die Lichtintensität im Objektarm (OA) anpassbar ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Objektarm (OA) eine mit einer Regeleinrichtung gekoppelte Optik angeordnet ist, die während der Tiefenabtastung eine Anpassung des Fokus an den gerade abgetasteten Bereich bewirkt.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlungseinheit optisch gepumpte photonische Kristallfasern und/oder mindestens eine Superlumineszenzdiode und/oder mindestens eine ASE-Lichtquelle aufweist.
Verfahren zum interferometrischen Vermessen von Schichtstrukturen mehrerer in Tiefenrichtung (Z) hintereinander liegender Schichten, bei dem eine Interferenzebene (IE), die durch die optische Weglänge eines in einem Objektstrahlengang geführten Objektstrahls und durch die optische Weglänge eines in einem Referenzstrahlengang geführten Referenzstrahls bestimmt ist, zur Tiefenabtastung der Schichtstruktur in Tiefenrichtung (Z) relativ zur Lage der Schichtstruktur verschoben wird, ein Interferenzmuster mit Methoden der Weißlichtinterferometrie oder einer wellenlängenscannenden Interferometrie erzeugt und das Interferenzmuster mittels eines Bildaufnehmers (BA) aufgenommen und mittels einer Auswerteeinrichtung (AW) automatisch ausgewertet wird, um die Grenzflächen der Schichtstruktur betreffende Messergebnisse darzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Tiefenabtastung aller zu vermessenden Schichten und der sie begrenzenden Grenzflächen der Objektstrahl in einem Abtastzyklus über denselben Objektstrahlengang geführt wird und der Referenzstrahl über denselben Referenzstrahlengang geführt wird und dass bei der Anwendung der Methode der Weißlichtinterferometrie die Kohärenzlänge (I_c) der in das Interferometer eingekoppelten Eingangsstrahlung höchstens so groß gewählt wird, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander an den zu erfassenden Grenzflächen auftretenden Korrelogramme unterschieden werden und bei der Anwendung der Methode der wellenlängenscannenden Interferometrie die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt wird, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden Grenzflächen aufgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass den zu erfassenden Grenzflächen in der Auswerteeinrichtung (AW) getrennte Speicherbereiche (SB1, SB2 ...) zugewiesen werden und während der Tiefenabtastung mit den Grenzflächen zusammenhängende Korrelogramme auf der Grundlage maximaler Modulation der sich aus den Interferenzmustern ergebenden Intensitäten ermittelt und den Speicherbereichen (SB1, SB2 ... ) zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung der Methode der wellenlängenscannenden Interfereometrie eine softwaregestützte Dispersionskompensation in der Auswerteeinrichtung durchgeführt wird, bevor die eigentliche Auswertung der Messdaten erfolgt.