DE102006016132A1

DE102006016132A1 - Interferometric measuring apparatus for measuring multiple layer structures using optimal selection of the input beam length

Info

Publication number: DE102006016132A1
Application number: DE102006016132A
Authority: DE
Inventors: Kurt Burger; Thomas Beck; Stefan Grosse; 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

Abstract

The apparatus has a scanning device formed such that when a reference beam path and an object beam path stay the same, the sample length is at least as large as the expected distance between two adjacent layer boundaries. When the interferometric part is imaged as a white light interferometer the coherence length of the input beam is at least large enough that the maxima of the correlograms can be distinguished. Independent claims also cover a method of interferometric measurement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Interferometrische Messvorrichtung zum Vermessen von Schichtdicken von teiltransparenten Schichten auf Substraten 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.The The invention relates to an interferometric measuring device for measuring of layer thicknesses of partially transparent layers on substrates with one of these automatically scanning in its depth direction Scanning device, by means of which an interference plane relative to Layer structure is displaceable, with a white light interferometer and / or a wavelength-scanning Interferometer having interferometer part, the for the measurement from an irradiation unit an input radiation is supplied, which divided by a beam splitter and partly on a Reference beam as reference beam a reference arm and the other part about an object beam path as an object beam when measuring the Layered structure having arm is supplied with an image sensor, the one returning from the reference arm and the object arm picking up interfering radiation and converting it into electrical signals, and with a downstream evaluation device for providing the measurement results.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum interferometrischen Vermessen von Schichtdicken von teiltransparenten Schichten auf Substraten, bei dem eine Interferenzebene, 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 relativ zur Lage der Schicht verschoben wird, ein Interferenzmuster mit Methoden der Weißlichtinterferometrie oder einer wellenlängenscannenden Interferometrie erzeugt und das Interferenzmuster mittels eines Bildaufnehmers aufgenommen und mittels einer Auswerteeinrichtung automatisch ausgewertet wird, um die Grenzflächen der Schichtstruktur betreffende Messergebnisse darzustellen.The The invention further relates to a method for interferometric Measuring layer thicknesses of semi-transparent layers Substrates, in which an interference plane, by the optical path length an object beam guided in an object beam and through the optical path length a guided in a reference beam path reference beam determined is relative to the depth scanning of the layer structure in the depth direction to the position of the layer is shifted, an interference pattern with Methods of white light interferometry or a wavelength-scanning Interferometry generates and the interference pattern by means of a Image taken and imaged by means of an evaluation is automatically evaluated to the interfaces of the layer structure concerned Display measurement results.

Eine derartige interferometrische Messvorrichtung ist in der DE 101 31 779 A1 angegeben. Bei dieser bekannten interferometrischen Messvorrichtung, die nach dem Messprinzip der so genannten 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 so genannte 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. Bei der oben genannten Druckschrift werden keine teiltransparenten Schichten auf einem Substrat beschrieben.Such an interferometric measuring device is in the DE 101 31 779 A1 specified. In this known interferometric measuring device, which operates according to the measurement principle of so-called white light interferometry, a surface structure of a measuring object in the depth direction (z-direction) is scanned by means of a scanning device by changing the length of a reference light path relative to the length of an object light path, so that the Interference level, which results from the interaction of a guided by a reference arm reference beam and guided by an object arm object beam is moved relative to the object surface. A special feature of this known interferometric measuring device is that at the same time several surface areas of the measurement object can be detected and scanned, for which a special optics, namely a so-called superposition optics or optics with a sufficiently large depth of field or a multifocal optic is arranged in the object arm, with which at the same time the different surface areas can be detected. This results in correspondingly different beam paths in the object arm for the different surface areas to be measured, so that the surface areas are then measured with respect to their topographical surface structure by relatively changing the optical length of the object light path to the optical length of the reference light path, for example by adjusting a reference mirror in the depth scanning direction. This structure is particularly suitable for scanning laterally adjacent surface areas, which may have different orientation or may be offset in the depth direction. Also a parallelism or thickness of the different surfaces can be measured. The spatially separated areas are always detected at the same time, so that an adaptation of the optics in the object arm, which takes into account the relative positional relationship of the two areas to be measured, must be provided. The above-mentioned document does not describe semi-transparent layers on a substrate.

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 Polarisa tionsrichtungen der zugeordneten Objektstrahlen unterschieden. Auch hierbei erfolgt die Abbildung der verschiedenen Flächenbereiche über den Objektarm gleichzeitig.Even with a in the DE 197 21 843 C1 shown interferometric measuring device different surface areas of an object, in particular in narrow holes, can be measured by means of a partially common arm of the object, wherein also the different surface areas associated object beam paths are formed. Here, the measured surface areas are laterally separated from each other so that, for example, the roundness of a cylinder bore can be checked. The different surface areas are differentiated on the basis of different polarization directions of the associated object beams. Again, the mapping of the different surface areas on the object arm is done simultaneously.

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 unterschiedliche Wellenlänge; auch eine Veränderung des Umweges der verschiedenen Objektlichtwege im Objektarm ist möglich, führt aber zu einem Empfindlichkeitsverlust, worauf in dieser Druckschrift hingewiesen ist.A further interferometric measuring apparatus shown in WO 01/38820 A1, which likewise is based on the principle of white-light interferometry, is constructed in such a way that thickness, distance and / or profile measurements are also carried out on successive layers, for example at Ophthalmological measurements include the corneal thickness, the anterior chamber depth, the retinal layer thickness or the retinal surface profile. For this purpose, different light paths are also formed in the object arm, which are assigned to different layers or interfaces in order to achieve the fastest possible measurement. To the Distinguishing and assigning the different measured surfaces or interfaces, the object beams (measuring beams) have different optical properties, such as different polarization direction or different wavelength; a change of the detour of the different object light paths in the object arm is possible, but leads to a loss of sensitivity, which is pointed out in this document.

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 dargestellt. 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 so genannten 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.More fundamental versions for white light interferometry are in T. Dresel, G. Häusler, H. Venzke, "Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar ", Applied Optics Vol. 31, 919, 1992 and 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. A., (4): 832-843, 1996 is carried out as with a special algorithm of detected intensity values according to the so-called FSA method (five-sample-adaptive method) the modulation M one Correlogram can be determined. Another approach to identifying and evaluating a correlogram consists in considering the Interference contrast.

Derzeit ist es nicht möglich, die Schichtdicke von auf Kohlenstoff basierenden Verschleißschutzschichten, so genannte C-Schichten, zerstörungsfrei und in ausreichender Geschwindigkeit sowie Genauigkeit zu vermessen. Bei derzeit eingesetzten Verfahren wird zur Schichtdickenbestimmung die C-Schicht angeschliffen und somit zerstört (Kalottenschliff-Verfahren). Kommerziell erhältliche Weißlichtinterferometer (WLI) sind hochgenaue, schnell messende interferometrische Messsysteme, die aber nur topografische Oberflächen vermessen können („2½ D-Messung"). Eine auf eine Ober fläche aufgebrachte C-Schicht kann mit heutigen Systemen nicht hinsichtlich der Schichtdicke vermessen werden.Currently it is impossible, the layer thickness of carbon-based wear protection layers, so-called C-layers, non-destructive and in sufficient speed and accuracy to measure. In currently used method is for determining layer thickness the C-layer sanded and thus destroyed (calotte grinding process). Commercially available White Light Interferometer (WLI) are high-precision, fast-measuring interferometric measuring systems, But they can only measure topographic surfaces ("2½ D measurement") Surface applied C-layer can not with respect to today's systems the layer thickness are measured.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Messvorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen von Schichtdicken, insbesondere die von C-Schichten, bereitzustellen.Of the Invention is based on the object, an interferometric measuring device and a method for measuring layer thicknesses, in particular that of C layers.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst.These Task is in the device with the features of the claim 1 and solved in the method with the features of claim 11.

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 Ausbildung des Interferometerteil IT mit der Einstrahlungseinheit LQ als Weißlichtinterferometer WLI die Kohärenzlänge LC 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 IT mit der Einstrahlungseinheit als wellenlängenscannendes Interferometer WLSI die Einstrahlungseinheit LQ 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 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, und das verwendete Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit LQ hinsichtlich der spektralen Transparenz der zu messenden Schicht angepasst ist, derart, dass diese zumindest teilweise durchstrahlbar ist.at the device is provided that the scanning device in the Way is formed that with the same reference beam path and object beam path of the associated Scanning is performed at least as large as the expected or in a pre-measurement determined distance at least two successively arranged to be detected interfaces of Layer structure optionally plus one to be expected Deep structure of the interfaces, and that when forming the interferometer part IT with the irradiation unit LQ as a white light interferometer WLI is the coherence length LC of the Input radiation at most is chosen so big that the interference maxima of the depth scanning in a row occurring correlograms are distinguishable at the interfaces to be detected, and / or when forming the interferometer part IT with the irradiation unit as wavelength scanning Interferometer WLSI the irradiation unit LQ with narrow band, tunable input radiation is formed, wherein the bandwidth of the Input radiation is chosen so big that the smallest expected or estimated by the pre-measurement distance the successive interfaces to be detected is resolvable, and / or when forming the interferometer part IT as wavelength-scanning Interferometer WLSI with spectrally broadband irradiation unit and a wavelength-scanning optical spectrum analyzer as detector the bandwidth of the input radiation is chosen so big that the smallest expected or estimated by Vormessung distance the successive interfaces to be detected is resolvable, and the wavelength spectrum used the irradiation unit LQ with respect to the spectral transparency the layer to be measured is adapted such that it is at least partially is radiatable.

Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei der Tiefenabtastung der zu vermessenden Schicht und der sie begrenzenden Grenzflächen der Objektstrahl OST in einem Abtastzyklus über denselben Objektstrahlengang geführt wird und der Referenzstrahl RST über denselben Referenzstrahlengang geführt wird und dass bei der Anwendung der Methode der Weißlichtinterferometrie die Kohärenzlänge LC der in das Interferometer eingekoppelten Eingangsstrahlung einer Einstrahleinheit LQ höchstens so groß gewählt wird, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander an den zu erfassenden Grenzflächen auftretenden Korrelogramme KG 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, wobei ein Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit LQ gewählt wird, bei dem die zu messende Schicht zumindest teilweise durchstrahlt werden kann.The The object relating to the method is achieved in that in depth scanning of the layer to be measured and of them limiting interfaces the object beam OST in one scan cycle over the same object beam path to be led and the reference beam RST via the same reference beam path is performed and that in the application the white light interferometry method Coherence length LC of the into the interferometer coupled input radiation of a Einstrahl unit LQ at most is chosen so big that the interference maxima of the depth scanning in a row at the interfaces to be detected occurring correlograms KG are distinguished and in the application the method of wavelength scanning Interferometry the bandwidth of the input radiation is chosen so large that the smallest expected or estimated by Vormessung distance the interfaces to be detected disbanded being, being a wavelength spectrum the injection unit LQ selected is, in which the layer to be measured at least partially irradiated can be.

Mit diesen Maßnahmen können Grenzflächen der Schichtstruktur einschließlich der äußeren Grenzfläche (Oberfläche) zuverlässig detektiert und, falls gewünscht, 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. Durch Auswertung der Übergänge lassen sich dann Schichtdicken bestimmen.With these measures can interfaces including the layer structure the outer interface (surface) reliably detected and, if desired, be analyzed exactly. It can For example, transitions (interfaces or Boundary layers) in smaller areas of the layer structure during one Through the scan path detected, and if desired, measured more closely because the correlograms are clearly identified. By Evaluation of the transitions leave then determine layer thicknesses.

Sind die zu messenden Schichten auf Kohlenstoff basierende Verschleißschutzschichten (C-Schichten), und liegt das Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit LQ im nahinfraroten Spektralbereich (NIR), wird bei der beschriebenen Vorrichtung und dem angewendeten Verfahren eine zerstörungsfreie sowohl punkthafte als auch flächenhafte Messung ermöglicht. Damit können tomografisch die Ober- und die Unterseite derartiger C-Schichten vermessen und damit die Schichtdicke der C-Schicht ermittelt werden, was eine nachgeschaltete Prozess- und/oder Qualitätskontrolle an relevanten Erzeugnisteilen ermöglicht.are the layers to be measured carbon-based wear protection layers (C layers), and lies the wavelength spectrum of Injection unit LQ in the near-infrared spectral range (NIR), is in the described apparatus and the method used a non-destructive both punctual and areal Measurement possible. With that you can tomographically the top and bottom of such C-layers measured and thus the layer thickness of the C-layer can be determined, what a downstream process and / or quality control on relevant parts of the product.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit LQ im Bereich von 1100 nm bis 1800 nm liegt. Dann sind die C-Schichten aufgrund ihrer optischen Eigenschaften teiltransparent, wodurch sowohl an der Oberseite (Grenzschicht Luft/C-Schicht) als auch an der Unterseite der Schicht (Grenzschicht C-Schicht/Substrat) ein Korrelogramm entstehen kann, welches detektiert werden kann.Especially It is advantageous if the wavelength spectrum of the injection unit LQ is in the range of 1100 nm to 1800 nm. Then there are the C layers partially transparent due to their optical properties both at the top (boundary layer air / C-layer) and on the bottom of the layer (boundary layer C-layer / substrate) Correlogram can arise, which can be detected.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante weist dabei als Einstrahleinheit LQ eine lasergepumpte photonische Kristallfaser PCF auf. Derartige Lichtquellen zeichnen sich durch ein sehr breites optisches Spektrum aus (Δλ > 500 nm).A preferred embodiment has a laser-pumped photonic as Einstrahleinheit LQ Crystal fiber PCF on. Such light sources are characterized a very broad optical spectrum of (Δλ> 500 nm).

Größere laterale Bereiche der Grenzflächen können relativ schnell und auch in Bezug aufeinander dadurch vermessen werden, dass der Bildaufnehmer BA 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.Larger lateral Areas of the interfaces can be relative be measured quickly and in relation to each other that the image recorder BA has a surface resolution in the x / y direction, the is higher as the picture of the local altitude changes the layer surface in the x - / - y direction. With these measures can also be relative changes the stratifications recognize and evaluate in relation to each other.

Ist der Bildaufnehmer BA eine InGaAs-CCD-Kamera, kann insbesondere in Verbindung mit einer PCF-Lichtquelle eine hohe Sensitivität im entsprechenden Spektralbereich erzielt werden, so dass die aufgezeichneten Korrelogramme sehr kleine Halbwertsbreiten von < 4 μm aufweisen.is the imager BA an InGaAs CCD camera, in particular in Connection with a PCF light source high sensitivity in the corresponding Spectral range can be achieved, so that the recorded correlograms have very small half-widths of <4 microns.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Referenzarm RA einen als Referenzfläche RF ausgebildeten verschiebbaren Referenzspiegel RS auf. Damit kann ein Tiefenscan ohne bewegliche Teile im Objektarm OA durchgeführt werden.In a further preferred embodiment the reference arm RA has a displaceable element designed as a reference surface RF Reference mirror RS on. This can be a depth scan without moving Parts performed in the object arm OA become.

Ist die Referenzfläche RF mittels einer piezoelektrischen Verstelleinheit VE verschiebbar, können damit hohe Genauigkeiten erzielt werden. Zudem zeichnen sich derartige Anordnungen durch eine große Robustheit aus.is the reference area RF displaceable by means of a piezoelectric adjusting unit VE, can do that high accuracies are achieved. In addition, such are Arrangements by a large Robustness.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht im Referenzarm RA und/oder im Objektarm OA Linsensysteme LS2, LS3 vor, die als NIR-Mikroskopobjektive ausgebildet sind. Damit lassen sich besonders kompakte Messvorrichtungen realisieren, die zudem optimal auf die Messaufgabe, die Schichtdicke von C-Schichten zu vermessen, angepasst sind.A preferred embodiment sees in the reference arm RA and / or in the object arm OA lens systems LS2, LS3, which are designed as NIR microscope objectives. In order to can be realized particularly compact measuring devices, which also optimal on the measuring task, the layer thickness of C-layers too measured, adapted.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Erfassung und Auswertung besteht darin, dass in der Auswerteeinrichtung AW Algorithmen programmiert sind, mit denen die Grenzflächen der Schicht voneinander getrennt erfassbar sind, indem eine Zuordnung durch die Reihenfolge der an den Grenzflächen auftretenden Korrelogramme KG während eines Tiefenabtastzyklus erfolgt.A advantageous embodiment for the detection and evaluation is that in the evaluation AW algorithms are programmed with which the interfaces of the Layer are separated from each other by an assignment by the order of the correlations occurring at the interfaces KG during a Tiefenabtastzyklus done.

Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass die Intensitätsverläufe der Korrelogramme KG pixelweise während der Tiefenabtastung mittels des Bildaufnehmers BA aufgenommen und in einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung AW gespeichert werden. Damit lassen sich flächenhaft Schichtdickeninformationen gewinnen.A preferred variant of the method provides that the intensity profiles of the Correlograms KG pixelwise during the depth scan recorded by means of the image recorder BA and be stored in a downstream evaluation AW. This can be areal Gain coating thickness information.

Ist vorgesehen, dass die Intensitätsverläufe der Korrelogramme KG in der Auswerteeinrichtung AW getrennten Speicherbereichen zugewiesen werden und während der Tiefenabtastung die mit den Grenzflächen zusammenhängende Korrelogramme auf der Grundlage maximaler Modulation M der sich aus den Interferenzmustern ergebenden Intensitäten ermittelt und den Speicherbereichen zugeordnet werden, 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.is provided that the intensity curves of the Correlograms KG in the evaluation AW separate memory areas be assigned and during the depth scan the correlograms related to the interfaces the basis of maximum modulation M resulting from the interference patterns resulting intensities and the memory areas are assigned, with the respective Correlograms are related to their depth sampling position are, with relatively little effort results in a high efficiency in the evaluation and provision of the measurement results.

Wird in der Auswerteeinrichtung AW während der Tiefenabtastung für jeden Bildpunkt getrennt zwei aufeinander folgende Korrelogramme KG detektiert und aus der Lage der Korrelogramme die optische Schichtdicke der Schicht bestimmt, lassen sich damit sehr effizient flächenhafte Darstellungen der Schichtdicke berechnen und entsprechend grafisch darstellen, was hinsichtlich einer Schichtinspektion in der Qualitätssicherung besonders vorteilhaft ist.Becomes in the evaluation device AW during the depth scan for each pixel separated two consecutive correlograms KG detects and from the position of the correlograms the optical layer thickness determines the layer, can thus be very efficient areal Calculate representations of the layer thickness and graph accordingly what about a layer inspection in quality assurance is particularly advantageous.

Eine besonders einfache Auswertung sieht dabei vor, dass die Lage der Korrelogramme mittels einer Schwerpunktbestimmung einer Einhüllenden der Korrelogramme KG bestimmt wird. Mit dieser Methode lassen sich die Lage der Grenzschichten besonders genau in Tiefenrichtung Z bestimmen.A Particularly simple evaluation provides that the location of Correlograms by means of a centroid of an envelope of the Correlograms KG is determined. With this method, the Determine the position of the boundary layers particularly precisely in the depth direction Z.

Bei der Bestimmung der Lage von zwei sich teilweise überlappenden Korrelogrammen KG sieht eine Verfahrensvariante vor, dass bei der Trennung der Intensitätssignale eine gegenseitige Beeinflussung der Signale berücksichtigt wird. Aufgrund der kleinen Halbwertsbreite der Korrelogramme KG können dadurch auch sehr geringe Schichtdicken mit d < 1,5 μm vermessen werden.at determining the location of two partially overlapping correlograms KG provides a variant of the procedure, that at the separation of the intensity signals a mutual influence of the signals is taken into account. Because of the small Half-width of the correlograms KG can thereby also very small Measure layer thicknesses with d <1.5 μm become.

Ein Verfahrensschritt sieht darüber hinaus vor, dass mittels eines zuvor bestimmten Brechungsindexes der Schicht aus der optischen Schichtdicke eine tatsächliche Schichtdicke der Schicht für jeden Bildpunkt berechnet wird, was hinsichtlich einer Inspektion der eingangs erwähnten Schichten vorteilhaft ist. Die Messergebnisse sind somit die tatsächliche Schichtdicke in jedem Pixel sowie ein tomografisches Bild der C-Schicht.One Procedural step looks over it also suggests that by means of a previously determined refractive index the layer of the optical layer thickness an actual Layer thickness of the layer for every pixel is calculated, what about an inspection the aforementioned Layers is advantageous. The measurement results are thus the actual ones Layer thickness in each pixel and a tomographic image of the C-layer.

Der Brechungsindex der Schicht kann dabei zuvor sehr einfach mittels einer teilbeschichteten Referenzprobe bestimmt werden.Of the Refractive index of the layer can be very easy means of a partially coated reference sample.

Zeichnungdrawing

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to one shown in the figure Embodiment explained in more detail. It demonstrate:

1 eine interferometrische Messanordnung zum Vermessen von Schichtdicken in schematischer Darstellung, 1 an interferometric measuring arrangement for measuring layer thicknesses in a schematic representation,

2 eine schematische Darstellung eines Weißlichtinterferometers WLI zum Messen von Schichtdicken, 2 a schematic representation of a white light interferometer WLI for measuring layer thicknesses,

3 einen typischen Intensitätsverlauf eines Pixels einer InGaAs-CCD-Kamera über einen Abtastweg mit zwei sich teilweise überlappenden Korrelogrammen beim Vermessen einer C-Schicht. 3 a typical intensity profile of a pixel of an InGaAs CCD camera over a scanning path with two partially overlapping correlograms when measuring a C-layer.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

1 zeigt schematisch eine interferometrische Messanordnung, die zur Vermessung von Schichten, insbesondere von auf Kohlenstoff basierenden Verschleißschutzschichten, so genannten C-Schichten CS, auf einem Objekt O, die für einen Objektstrahl OST zumindest teiltransparent ausgebildet ist. 1 schematically shows an interferometric measuring arrangement for measuring layers, in particular of carbon-based wear protection layers, so-called C-layers CS, on an object O, which is at least partially transparent for an object beam OST.

Ein als Weißlichtinterferometer WLI ausgebildeter Interferometerteil IT weist einen Strahlteiler ST auf, durch den mittels einer Einstrahleinheit LQ eine Eingangsstrahlung 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 eine Interferenzebene IE im Bereich des Messobjektes O bzw. der C-Schicht CS angeordnet. Bei der Tiefenabtastung der Schichtstruktur in Tiefenrichtung Z wird die Interferenzebene IE relativ zur C-Schicht CS in Tiefenrichtung Z verschoben, wodurch unterschiedliche Interferenzmuster über die Spur der Tiefenabtastung auftreten. Die Tiefenabtastung der C-Schicht CS der Interferenzebene IE kann in verschiedener Weise erfolgen, nämlich durch Verändern der optischen Weglänge des Referenzstrahls, insbesondere durch Bewegung der als Referenzspiegel RS ausgebildeten Referenzfläche RF, durch Bewegung des Messobjektes O in Tiefenrichtung Z oder durch Bewegung des Objektivs in Tiefenrichtung oder durch Bewegung des gesamten Sensors relativ zu dem Messobjekt O.One as a white light interferometer WLI trained interferometer part IT has a beam splitter ST on, by means of a Einstrahl unit LQ an input radiation in the guided by an object arm OA object beam OST and a divided by a reference RA RA reference beam RST split is going to overlay by at a reference surface RF feedback reference beam RST and the returned from the scanned layer structure of the object O object beam OST to generate an evaluable interference pattern, as such known and e.g. in the introductory cited documents described in more detail. Regarding the Object arm OA is an interference plane IE in the area of the measurement object O or the C-layer CS arranged. In the depth scan of the Layer structure in the depth direction Z becomes the interference plane IE shifted relative to the C-layer CS in the depth direction Z, whereby different interference patterns over the trace of the depth scan occur. The depth scan of the C layer CS of the interference plane IE can be done in various ways, namely by changing the optical path length the reference beam, in particular by movement of the reference mirror RS trained reference surface RF, by movement of the measurement object O in the depth direction Z or by Movement of the lens in the depth direction or by movement of the entire Sensor relative to the measuring object O.

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Verstellung des Referenzspiegels RF im Referenzarm RA mittels einer Verstelleinheit VE, beispielsweise einer piezoelektrischen Verstelleinheit VE, in diskreten Schritten in Tiefenrichtung Z verstellt. Zum Vermessen der C-Schicht CS 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 Schichtdicke der C-Schicht geben.At the in 1 In the embodiment shown, an adjustment of the reference mirror RF in the reference arm RA is adjusted in discrete steps in the depth direction Z by means of an adjusting unit VE, for example a piezoelectric adjusting unit VE. For measuring the C-layer CS, the interference pattern is recorded with an image recorder BA and converted into corresponding electrical signals and evaluated in a subsequent evaluation device AW to obtain the measurement results that provide information about the layer thickness of the C-layer.

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.When Image recorder BA is preferably a camera provided, the pixel by pixel Having in side-by-side image pickup elements in the x-y direction and areal dissolves the imaged interference pattern so that in depth scanning simultaneously several individual pixels assigned tracks of the layer structure are detected and evaluated can.

Die Vermessung der Grenzflächen der C-Schicht CS lässt sich vorteilhaft nach dem Prinzip der Weißlichtinterferometrie durchführen. Hierzu wird eine Einstrahlungseinheit bzw. Lichtquelle LQ eingesetzt, die eine kurzkohärente Strahlung abgibt, beispielsweise eine oder mehrere zusammengekoppelte Superlumineszenzdioden SLD1 ... SLD4. Interferenz tritt dabei nur auf, wenn die optische Weglängendifferenz zwischen Referenzstrahl RST und Objektstrahl OST innerhalb der Kohärenzlänge LC der von der Einstrahlungseinheit LQ abgegebenen Strahlung liegt. Das entstehende Interferenzsignal wird in der Weißlichtinterferometrie auch als Korrelogramm KG bezeichnet.The measurement of the boundary surfaces of the C-layer CS can advantageously be carried out according to the principle of white-light interferometry. For this purpose, a radiation unit or light source LQ is used which emits a short-coherent radiation, for example one or more coupled superluminescent diodes SLD1... SLD4. Interference occurs only when the optical Weglän gendifferenz between reference beam RST and object beam OST within the coherence length LC of the radiation emitted by the radiation unit LQ radiation. The resulting interference signal is also called correlogram KG in white-light interferometry.

Erfindungsgemäß dringt dabei der Objektstrahl OST zumindest teilweise in die C-Schicht CS ein und wird sowohl an der oberen Grenzfläche (z.B. Luft/C-Schicht CS) und an der unteren Grenzfläche (C-Schicht CS/Objektoberfläche OO des Objektes O) reflektiert und erzeugt mit dem überlagerten Referenzstrahl RST am Bildaufnehmer BA für jeden Bildpunkt ein Oberseitensignal OSS und ein Unterseitensignal USS, welche getrennt oder teilweise überlappend detektiert und ausgewertet und daraus unter Berücksichtigung des Brechungsindexes die Schichtdicke d bestimmt werden können.According to the invention penetrates while the object beam OST at least partially in the C-layer CS at both the upper interface (e.g., air / C layer CS) and at the lower interface (C-layer CS / object surface OO of the Object O) reflected and generated with the superimposed reference beam RST at the image recorder BA for each pixel has a top signal OSS and a bottom signal USS, which detected separately and partially overlapping and evaluated and from this under consideration of the refractive index, the layer thickness d can be determined.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Weißlichtinterferometers WLI zur flächenhaften Vermessung von Schichtdicken C-Schichten. Der grundsätzliche Aufbau entspricht der interferometrischen Messanordnung, die in 1 dargestellt ist. 2 shows a schematic representation of a white light interferometer WLI for areal measurement of layer thicknesses C-layers. The basic structure corresponds to the interferometric measuring arrangement, which in 1 is shown.

Die Einstrahlungseinheit bzw. Lichtquelle LQ ist entsprechend der Messaufgabe als Lichtquelle mit einem nahinfraroten Spektralbereich (NIR) ausgebildet. Als Lichtquellen LQ im nahen Infrarot-Spektralbereich werden so genannte ASE (amplified spontaneous emission-) Lichtquellen (z.B. lasergepumpte Er-Fasern), lasergepumpte 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. Lasergepumpte photonische Kristallfasern werden direkt an den Interfereometerteil IT des Weißlichtinterferometers WLI angeschlossen.The Irradiation unit or light source LQ is according to the measurement task formed as a light source with a near-infrared spectral range (NIR). As light sources LQ in the near infrared spectral range are called ASE (amplified spontaneous emission) light sources (e.g., laser-pumped Er fibers), Laser-pumped photonic crystal fibers (PCF) or superluminescent diodes Used SLD. ASE light sources and superluminescent diodes are over free jet or coupled by an optical fiber in the white light interferometer WLI. Laser-pumped photonic crystal fibers are applied directly to the interferometer part IT of the white light interferometer WLI connected.

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. Als Bildaufnehmer BA wird im nahen Infrarot-Spektralbereich (ca. 1000 nm bis l 800 nm) bei flächenhaft messenden Weißlichtinterferometern daher eine InGaAs-CCD-Kamera verwendet. Dies ermöglicht auch, dass der Bildaufnehmer BA eine flächige Auflösung in x-/y-Richtung besitzt, die höher ist als die Abbildung der örtlichen Höhenänderungen der Schichtoberfläche in x-/y-Richtung.at the formation of the interferometric measuring device as a white light interferometer WLI is careful to ensure that the optical spectrum of their broadband Light source LQ chosen so is that the layer structures to be examined at least up to a lower opaque carrier substrate are partially transparent. Accordingly, the image recorder BA or Detector adapted to the irradiation unit or light source LQ, to obtain the highest possible sensitivity in the spectral range used. As image recorder BA is in the near infrared spectral range (approx. 1000 nm to l 800 nm) in areal measuring white light interferometers Therefore, an InGaAs CCD camera is used. This also allows the imager BA a two-dimensional resolution in has x- / y-direction, the higher is considered the picture of the local altitude changes the layer surface in the x / y direction.

Der Tiefenscan wird im gezeigten Beispiel mit einem im Referenzarm RA auf einem Piezokristall montierten Referenzspiegel RS durchgeführt, der als Referenzfläche RF dient. Der Piezokristall stellt die Verstelleinheit VE dar, die beispielsweise mittels eines Computers angesteuert werden kann und daher sehr genau den Referenzspiegel in Position bringen kann. Der Objektarm OA weist daher keine beweglichen Teile auf.Of the Depth scan is in the example shown with a reference arm RA performed on a piezoelectric crystal mounted reference mirror RS, the as a reference surface RF serves. The piezoelectric crystal represents the adjustment unit VE, the can be controlled for example by means of a computer and Therefore, you can position the reference mirror very accurately. Of the Object arm OA therefore has no moving parts.

Der Referenzarm RA und der Objektarm OA weisen Linsensysteme LS2, LS3 auf, die im gezeigten Beispiel als NIR-Mikroskopobjektive ausgebildet sind. Die Linsensysteme LS1 und LS4 dienen zur Einkopplung der Eingangsstrahlung bzw. zur Fokussierung des Objektstrahls OST mit dem überlagerten Referenzstrahl RST auf den Bildaufnehmer BA.Of the Reference arm RA and the object arm OA have lens systems LS2, LS3 on, which are formed in the example shown as NIR microscope objectives. The lens systems LS1 and LS4 are used for coupling the input radiation or for focusing the object beam OST with the superimposed reference beam RST on the imager BA.

In der dem Bildaufnehmer BA nachgeschalteten Auswerteeinrichtung AW sind Algorithmen programmiert, mit denen die Grenzflächen der Schicht voneinander getrennt erfassbar sind, indem eine Zuordnung durch die Reihenfolge der an den Grenzflächen auftretenden Korrelogramme KG während eines Tiefenabtastzyklus erfolgt. Die Intensitätsverläufe der Korrelogramme KG werden dabei pixelweise während der Tiefenabtastung mittels des Bildaufnehmers BA aufgenommen und in einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung AW gespeichert.In the downstream of the imager BA evaluation AW are algorithms programmed with which the interfaces of the Layer are separated from each other by an assignment by the order of the correlations occurring at the interfaces KG during a Tiefenabtastzyklus done. The intensity curves of the correlograms KG become doing pixelwise during the depth scan recorded by means of the image recorder BA and stored in a downstream evaluation AW.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass bei der Tiefenabtastung der zu vermessenden Schicht und der sie begrenzenden Grenzflächen der Objektstrahl OST in einem Abtastzyklus über denselben Objektstrahlengang geführt wird und der Referenzstrahl RST über denselben Referenzstrahlengang geführt wird. Bei der Anwendung der Methode der Weißlichtinterferometrie wird die Kohärenzlänge LC der in das Interferometer eingekoppelten Eingangsstrahlung einer Einstrahleinheit LQ höchstens so groß gewählt, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander an den zu erfassenden Grenzflächen auftretenden Korrelogramme KG unterschieden werden. Bei der Anwendung der Methode der wellenlängenscannenden Interferometrie wird die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt wird, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden Grenzflächen aufgelöst wird. Dabei wird ein Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit LQ gewählt, bei dem die zu messende Schicht zumindest teilweise durchstrahlt werden kann.The inventive method provides that in the depth scan of the to be measured Layer and the boundary surfaces limiting the object beam OST in one sampling cycle over guided the same object beam path and the reference beam RST over the same reference beam path is performed. In the application the method of white light interferometry the coherence length LC becomes the into the interferometer coupled input radiation of a Einstrahl unit LQ at most chosen so big that the interference maxima of the depth scan in succession at the interfaces to be detected can be distinguished occurring correlograms KG. In the application the method of wavelength-scanning interferometry the bandwidth of the input radiation is chosen so large that the smallest expected or estimated by pre-measurement of the distance to be recorded interfaces is resolved. This will be a wavelength spectrum the injection unit LQ is selected, in which the layer to be measured radiates at least partially can be.

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 bevorzugt jedoch die Modulation M ermittelt, wie sie zusammen mit dem zugehörigen Intensitätsverlauf über den Abtastweg in Tiefenrichtung Z dargestellt wird. Zum Ermitteln der Modulation M wird in der Auswerteeinrichtung AW ein spezieller Algorithmus zugrunde gelegt, nämlich der so genannte 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 bestimmt werden kann. Zu näheren Einzelheiten des FSA-Algorithmus sei auf die eingangs genannte Druckschrift (Larkin) verwiesen.For the exact detection and assignment of the correlograms KG to the respective interfaces, an evaluation based on the interference contrasts can take place. For better detection, however, the modulation M is preferably determined, as it together with the associated Intensi tätsverlauf over the Abtastweg in the depth direction Z is shown. To determine the modulation M, the evaluation device AW is based on a special algorithm, namely the so-called FSA (five-sample-adaptive) algorithm, which is based on the sampling of five successive intensity values of the interferogram and from which also the phase of the respective interferogram Scanning position can be determined in the scanning. For further details of the FSA algorithm, reference is made to the document cited (Larkin).

Eine Besonderheit der vorliegenden interferometrischen Messvorrichtung und des Messverfahrens liegt darin, dass der Abtastweg in Tiefenrichtung 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 Höhen strukturen der einzelnen Grenzflächen vorgenommen werden. Die flächenhafte Erfassung über die Bildaufnahmeelemente des Bildaufnehmers BA bzw. der Kamera 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.A Specificity of the present interferometric measuring device and the measuring method lies in that the scanning path in the depth direction Z is chosen at least as large that the entire area is scanned, in which the boundary layers to be detected be present while during sampling the correlograms occurring at the various interfaces be detected to determine the presence of the interfaces by means of to determine the evaluation device AW. It can in addition to the coarse version the interfaces also already a fine recording of the height structures of the individual interfaces be made. The areal Capture via the image pickup elements of the image recorder BA or the camera leaves it at the same time the acquisition of the height measurement data over several laterally adjacent tracks (in the depth direction Z) too, so that 3D height information the respective interfaces can be won.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Intensitätsverläufe der Korrelogramme KG in der Auswerteeinrichtung AW getrennten Speicherbereichen SB1, SB2 ... zugewiesen werden und während der Tiefenabtastung die mit den Grenzflächen zusammenhängende Korrelogramme auf der Grundlage maximaler Modulation M der sich aus den Interferenzmustern ergebenden Intensitäten ermittelt und den Speicherbereichen SB1, SB2 ... zugeordnet werden, wobei die jeweiligen Korrelogramme mit ihrer Tiefenabtast-Position in Beziehung gebracht werden.there it can be provided that the intensity profiles of the correlograms KG in the evaluation device AW separate memory areas SB1, SB2 ... to be assigned and during depth scanning the interfacial correlograms based on maximum modulation M resulting from the interference patterns resulting intensities determined and assigned to the memory areas SB1, SB2 ..., where the respective correlograms are with their depth sampling position be related.

Während der Tiefenabtastung werden in der Auswerteeinrichtung AW für jeden Bildpunkt getrennt zwei aufeinander folgende Korrelogramme KG detektiert und aus der Lage der Korrelogramme die optische Schichtdicke der Schicht bestimmt. Die genaue Lage der Korrelogramme kann einerseits mittels einer Schwerpunktbestimmung einer Einhüllenden der Korrelogramme KG bestimmt werden. Bei sich zwei teilweise überlappenden Korrelogrammen KG kann bei der Trennung der Intensitätssignale zur Bestimmung der Lage eine gegenseitige Beeinflussung der Signale berücksichtigt werden.During the Depth scanning will be in the evaluation AW for each Pixel separated two consecutive correlations KG detected and from the position of the correlograms the optical thickness of the Determined layer. The exact location of the correlograms can on the one hand by means of a center of gravity determination of an envelope of the correlograms KG be determined. With two partially overlapping correlograms KG can be used in the separation of the intensity signals to determine the Location considered a mutual influence of the signals become.

Durch Differenzbildung der Lage der Korrelogramme bezogen auf die Abtastung in Tiefenrichtung Z kann für jeden Bildpunkt die optische Schichtdicke berechnet werden. Mittels eines zuvor bestimmten Brechungsindexes der Schicht kann in einem weiteren Rechenschritt aus der optischen Schichtdicke eine tatsächliche Schichtdicke der Schicht für jeden Bildpunkt berechnet werden. Der Brechungsindex der Schicht kann beispielsweise zuvor mittels einer teilbeschichteten Referenzprobe bestimmt und bereits in der Auswerteeinrichtung AW gespeichert werden.By Difference of the position of the correlograms relative to the scan in the depth direction Z can for every pixel the optical layer thickness is calculated. through a predetermined refractive index of the layer can be in a further calculation step from the optical layer thickness an actual Layer thickness of the layer for every pixel can be calculated. The refractive index of the layer For example, can be previously by means of a partially coated reference sample determined and already stored in the evaluation AW.

3 zeigt eine Beispielsmessung des Intensitätsverlaufs eines Pixels einer InGaAs-CCD-Kamera bei der Vermessung einer C-Schicht. 3 shows an example measurement of the intensity profile of a pixel of an InGaAs CCD camera in the measurement of a C-layer.

In Abhängigkeit von dem Abtastweg in Tiefenrichtung Z ist die Intensität dargestellt. Die Figur zeigt zwei Korrelogramme KG, die sich im gezeigten Beispiel teilweise überlappen. Von der oberen Grenzfläche (Luft/C-Schicht CS) und an der unteren Grenzfläche (C-Schicht CS/Objektoberfläche OO des Objektes O) resultiert das Oberseitensignal OSS und das Unterseitensignal USS, woraus aus der Lage und unter Berücksichtigung des Brechungsindexes die Schichtdicke d der C-Schicht für diesen Bildpunkt bestimmt werden kann.In dependence from the scanning path in the depth direction Z, the intensity is shown. The figure shows two correlograms KG, which in the example shown partially overlap. From the upper interface (Air / C layer CS) and at the lower interface (C layer CS / object surface OO of the Object O) results in the top signal OSS and the bottom signal USS, resulting from the situation and taking into account the refractive index the Layer thickness d of the C-layer for this pixel can be determined.

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 Schichten, insbesondere von auf Kohlenstoff basierenden Verschleißschutzschichten. Damit können tomografisch die Ober- und die Unterseite derartiger C-Schichten vermessen und damit die Schichtdicke der C-Schicht zerstörungsfrei ermittelt werden, was eine nachgeschaltete Prozess- und/oder Qualitätskontrolle an relevanten Erzeugnisteilen, wie beispielsweise Common-Rail-Injektor-Düsennadelspitzen, ermöglicht.The above-described structures of the interferometric measuring device and the done with it Allow procedure a non-destructive both punctual and areal Measurement of interfaces in particular in for the radiation optically partially transparent layers, in particular of carbon-based wear-resistant coatings. This can be tomographic measured the top and bottom of such C-layers and so that the layer thickness of the C-layer non-destructive be determined what a downstream process and / or quality control on relevant product parts, such as common rail injector nozzle needle tips, allows.

Claims

Interferometric measuring device for measuring layer thicknesses of semitransparent layers on substrates with a scanning these automatically in their depth direction (Z) scanning, by means of which an interference plane (IE) relative to the layer structure is displaceable, with a white light interferometer (WLI) and / or a wavelength-scanning interferometer (WLSI) having interferometer part (IT), which is supplied for the measurement of an irradiation unit (LQ) an input radiation, which by means of a beam splitter (ST) divided and partly via a reference beam as a reference beam (RST) a reference arm (RA) and on the other hand, via an object beam path as object beam (OST), an ob having the layer structure when measuring jektarm (OA) is supplied with an image sensor (BA), which receives from the reference arm (RA) and the Objektarm (OA) returning interfering radiation and converted into electrical signals, and with a downstream evaluation device (AW) for providing the measurement results , characterized in that the scanning device is formed in such a way that at the same reference beam path and object beam path of the associated Abtastweg is at least as large as the expected or determined in a pre-measurement distance of at least two successively arranged to be detected boundary surfaces of the layer structure optionally plus one expected depth structure of the interfaces, and that a) when forming the interferometer part (IT) with the irradiation unit (LQ) as a white light interferometer (WLI), the coherence length (LC) of the input radiation is selected to be at most so large that the interference maxima at the T and / or b) when forming the interferometer part (IT) with the irradiation unit as a wavelength-scanning interferometer (WLSI), the irradiation unit (LQ) is designed with narrow-band, tunable input radiation, the bandwidth of the Input radiation is chosen so large that the smallest to be expected or estimated by the Vormessung distance of the detected successive interfaces is resolvable, and / or c) when forming the Interferometerteils (IT) as a wavelength-scanning interferometer (WLSI) with spectrally broadband irradiation unit and a Wavelength-scanning optical spectrum analyzer as a detector, the bandwidth of the input radiation is chosen so large that the smallest expected or pre-measured by the distance of the measured to be detected successive interfaces dissolve sbar, and d) the wavelength spectrum of the irradiation unit (LQ) used is adapted with respect to the spectral transparency of the layer to be measured such that it is at least partially transilluminable.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the layers to be measured are carbon-based wear protection layers (C-layers) are and the wavelength spectrum of the injection unit (LQ) lies in the near-infrared spectral range (NIR).

Measuring device according to claim 1 or 2, characterized that the wavelength spectrum the irradiation unit (LQ) is in the range of 1100 nm to 1800 nm.

Measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the irradiation unit (LQ) is a laser-pumped photonic crystal fiber (PCF).

Measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the image recorder (BA) a surface resolution in has x- / y-direction, the higher is considered the picture of the local altitude changes the layer surface in the x / y direction.

Measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the imager (BA) is an InGaAs CCD camera is.

Measuring device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the reference arm (RA) as a reference surface (RF) having trained sliding reference mirror (RS).

Measuring device according to claim 7, characterized in that that the reference surface (RF) by means of a piezoelectric adjusting unit (VE) displaceable is.

Measuring device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the reference arm (RA) and / or the Object Arm (OA) Lens Systems (LS2, LS3) feature as NIR microscope objectives are formed.

Measuring device according to one of claims 1 to 9, characterized in that in the evaluation device (AW) Algorithms are programmed with which the interfaces of the Layer are separated from each other by an assignment by the order of the correlations occurring at the interfaces (KG) during a Tiefenabtastzyklus done.

Method for the interferometric measurement of layer thicknesses of partially transparent layers on substrates, wherein an interference plane (IE) determined by the optical path length of an object beam path (OST) in an object beam path and by the optical path length of a reference beam (RST) guided in a reference beam path , is moved relative to the position of the layer for depth scanning of the layer structure in the depth direction (Z), generates an interference pattern using methods of white-light interferometry or wavelength-scanning interferometry and the interference pattern is recorded by means of an image recorder (BA) and evaluated automatically by means of an evaluation device (AW), in order to represent measurement results relating to the boundary surfaces of the layer structure, characterized in that, in the case of depth scanning, the measurement to be measured Layer and the limiting boundary surfaces of the object (OST) is guided in a scanning cycle over the same object beam path and the reference beam (RST) is guided over the same reference beam path and that when applying the method of white light interferometry, the coherence length (LC) of the input radiation coupled into the interferometer a Einradhleinheit (LQ) is selected to be at most so large that the interference maxima of the depth sampling successive occurring at the interfaces to be detected correlograms (KG) are distinguished and the application of the method of wavelength-scanning interferometry, the bandwidth of the input radiation is chosen so large that the smallest expected or estimated by Vormessung distance of the interfaces to be detected is resolved, wherein a wavelength spectrum of the irradiation unit (LQ) is selected, in which the layer to be measured at least partially irradiated w can ground.

Method according to claim 11, characterized in that that for the measurement of carbon-based wear protection layers be introduced into the object arm (OA) and that as input radiation the near-infrared spectral region (NIR) is used.

Method according to claim 11, characterized in that that the intensity curves of the Correlograms (KG) pixelwise during the depth scan by means of the image sensor (BA) and recorded stored in a downstream evaluation device (AW).

Method according to claim 13, characterized in that that the intensity curves of the Correlograms (KG) in the evaluation (AW) separate memory areas (SB1, SB2 ...) and during the depth scan the with the interfaces related Correlograms are based on maximum modulation determined the interference patterns resulting intensities and the memory areas (SB1, SB2 ...), with the respective correlograms be correlated with their depth sensing position.

Method according to one of claims 11 to 14, characterized that in the evaluation device (AW) during the depth scan for each Pixel separated two consecutive correlograms (KG) detected and from the position of the correlograms the optical layer thickness the layer is determined.

Method according to claim 15, characterized in that that the location of the correlograms by means of a focal point determination an envelope of the correlograms (KG) is determined.

Method according to one of claims 11 to 16, characterized that in determining the location of two partially overlapping ones Correlograms (KG) at the separation of the intensity signals a mutual influence of the signals is taken into account.

Method according to one of claims 11 to 17, characterized that by means of a previously determined refractive index of the layer from the optical layer thickness, an actual layer thickness of the layer for each Pixel is calculated.

Method according to claim 18, characterized that the refractive index of the layer by means of a partially coated Reference sample is determined.