DE102010007106B4

DE102010007106B4 - Verfahren zur Oberflächenmessung und Oberflächenmessgerät

Info

Publication number: DE102010007106B4
Application number: DE201010007106
Authority: DE
Inventors: Dr. Schulz Michael
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: DE102010007106A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenmessung, insbesondere zum Vermessen von nahezu planen oder auch gekrümmten Oberflächen, mit den Schritten: Richten eines Lichtstrahls (22) einer Ausrichtvorrichtung (18) auf einen Auftreffpunkt (P) einer zu vermessenden Oberfläche (16) eines Prüflings (14), Verändern einer Neigung (σ') des Prüflings (14) relativ zur Ausrichtvorrichtung (18), so dass eine lokale Oberfläche (16) des Prüflings (14) im Auftreffpunkt (P) unter einem vorgegebenen Winkel (α) zur Ausrichtvorrichtung (18) orientiert ist, und Messen der Neigung (σ', β) des Prüflings (14), insbesondere mittels eines optischen Winkelmessgeräts.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenmessung. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Oberflächenmessgerät mit einer Prüfling-Aufnahme zum Aufnehmen eines zu vermessenden Prüflings.
Es ist bekannt, hochgenaue Oberflächenmessungen an Prüflingen beispielsweise mit Autokollimatoren durchzuführen. Dabei wird der Autokollimator an einer Linearführung parallel zu einer zu vermessenden Oberfläche des Prüflings entlang bewegt. Diese Verfahren haben als zentrales Prinzip die Verwendung eines Autokollimators, der über ein bewegtes Pentagon-Prisma auf den Prüfling schaut und den Oberflächenwinkel misst.
Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass höchste Messgenauigkeiten beeinträchtigt werden durch die Wegabhängigkeit des Autokollimatorsignals und einen relativ großen Messfleck. Das gilt insbesondere dann, wenn stärker gekrümmte Oberflächen, zu vermessen sind. Ein Beispiel hierfür sind Synchrotonspiegel. Ein weiteres Beispiel sind EUV-Optiken (EUV, extrem ultraviolett), die in der Waferproduktion eingesetzt werden.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Topographie von gekrümmten Oberflächen sind aus der DE 198 42 190 C1 beschrieben. Dort wird das Messsystem so über den Prüfling bewegt, dass reflektierte Lichtstrahlen hinsichtlich einer Winkelveränderung untersucht werden können. Es hat sich gezeigt, dass höchste Genauigkeiten, wie sie beispielsweise für EUV-Optiken benötigt werden, und in einem derartigen Verfahren nur schwer erreicht werden können.
Aus der WO 2006 082 368 A2 ist ein metrologisches Instrument bekannt, das abschnittsweise misst. Danach wird der zu vermessende Körper verkippt und es wird eine weitere Messung durchgeführt. Die in den einzelnen Abschnitten aufgenommenen Messwerte werden anschließend winkelrichtig zusammengefügt.
Aus der US 5,729,337 A ist ein Verfahren zum Bestimmen der Neigung eines Objekts bekannt. Bei diesem Verfahren steht die Neigung einer Ausgleichsebene durch das Objekt im Vordergrund. Eine Vermessung der Oberfläche ist mit der Vorrichtung nicht möglich.
Aus der DE 10 2004 033 600 A1 ist eine Messanordnung und einer Mehrzahl von Abstandssensoren bekannt. Abstandssensoren sind relativ zueinander fest angeordnet, was eine Vermessung der Topografie einer Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
In der DE 198 54 942 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung der Topographie von sphärisch oder aspherisch gekrümmten Oberflächen beschrieben, bei dem die lokale Krümmung ermittelt werden und die Topographie nachfolgend aus den lokalen Krümmungen berechnet wird. Bei dem Verfahren ruht der Prüfling und der Messkopf wird verschwenkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messgenauigkeit bei der Oberflächenmessung zu verbessern.
Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Oberflächenmessgerät gemäß dem unabhängigen Sachanspruch.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die Neigung des Prüflings an einer Stelle stattfinden kann, die so gewählt ist, dass ein Messfehler aufgrund von zu vermessenden Oberflächenimperfektionen des Prüflings einen besonders geringen Fehler aufweist. Auf diese Weise kann eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht werden. So sind für flache Prüflinge Topografie-Genauigkeiten auf der Nanometerskala, insbesondere von weniger als +/–10 Nanometer erreichbar. Insbesondere sind Messungenauigkeiten von unter einem Nanometer erreichbar, was einen beträchtlichen Fortschritt gegenüber bestehenden Messsystemen darstellt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es zwar messtechnisch eleganter ist, wie im Stand der Technik angegeben nur ein Objekt zu bewegen, nämlich den Messkopf, dass sich aber höhere Genauigkeiten erzielen lassen, wenn der Prüfling so bewegt wird, dass seine lokale Oberfläche relativ zu einer ortsfesten Ausrichtvorrichtung gleich orientiert ist, und dass seine Neigung gemessen wird. Es ist dann möglich, eine relativ leichte Optik zum Abgeben des Lichtstrahls mittels einer hochgeraden Führung zu führen, und den möglicherweise schwereren Prüfling auf einer starren Unterlage zu lagern. Es ergeben sich so geringe Messfehler, da die Winkelmessung nicht durch Fehler der Führung verfälscht werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einer Ausrichtvorrichtung insbesondere jede Vorrichtung verstanden, die ausgebildet und eingerichtet ist, um den Prüfling unter einem festen Winkel zur Ausrichtvorrichtung einzustellen. In der Regel wird es sich dabei um einen rechten Winkel handeln. Die Ausrichtvorrichtung kann zum Regeln der Neigung des Prüflings auf den vorgegebenen Winkel, insbesondere auf den vorgegebenen rechten Winkel, eingerichtet sein.
Bei dem Lichtstrahl kann es sich um einen Laserstrahl handeln, das ist aber nicht notwendig. Mit Laserstrahlen lassen sich besonders kleine Messflecken bzw. hohe Messgenauigkeiten erreichen, grundsätzlich ist aber auch ein Strahl aus nicht-kohärentem Licht einsetzbar.
Unter dem Messen der Neigung des Prüflings wird insbesondere verstanden, dass die Neigung des Prüflings relativ zu einem im Prinzip frei wählbaren Nullpunkt gemessen wird. Günstig ist es, wenn der Prüfling vor Beginn der Messung so ausgerichtet wird, dass eine Ausgleichsebene durch die zu vermessende Oberfläche parallel zu einer Linearführung der Ausrichtvorrichtung verläuft. Der Winkel, den der Prüfling dann einnimmt, kann als Nullwinkel definiert werden.
Günstig ist es, wenn die Neigung des Prüflings abseits des Auftreffpunkts gemessen wird. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Neigung des Prüflings an einer Seite gemessen wird, die sich von der Seite unterscheidet, auf die der Lichtstrahl gerichtet ist.
Unter der Neigung wird insbesondere jede Änderung der Lage bezüglich zumindest einer Drehachse verstanden. Es ist möglich, dass die Neigung durch lediglich einen Neigungswinkel beschreibbar ist. Denkbar ist aber auch, dass es sich bei der Neigung um eine mehrachsige Neigung handelt, so dass zum Charakterisieren der Neigung zwei oder drei Winkel notwendig sind.
Unter dem Messen der Neigung des Prüflings wird insbesondere auch eine Messung einer Änderung der Neigung verstanden. Es handelt sich hierbei um den gleichen Vorgang, da der Nullpunkt, bei dem die Messung startet, beliebig festgelegt werden kann. Aus der Neigung kann dann der Böschungswinkel der zu vermessenden Oberfläche des Prüflings berechnet werden.
Das Verfahren ist für nahezu plane Oberflächen besonders gut geeignet, es kann jedoch auch für gekrümmte Oberflächen eingesetzt werden. Größere Krümmungen führen dazu, dass die Neigung des Prüflings stärker verändert wird. Größere Krümmungen können auch dadurch erfasst werden, dass der Neigungsmesser einen Winkelmesser umfasst, beispielsweise einen Drehtisch mit Winkelgeber.
Das Verfahren ist ein Verfahren zur topographischen Oberflächenmessung. Vorzugsweise wird das Verfahren an schwach gekrümmten, insbesondere an planen Oberflächen durchgeführt. Es kann aber auch für stärker gekrümmte Oberflächen verwendet werden. So ist es als Verfahren zur Oberflächenmessung an Optiken wie Synchroton-Spiegeln oder EUV-Optiken, insbesondere EUV3-Optiken, vorteilhaft einsetzbar.
Da es möglich ist, die Abstandsabhängigkeit aus dem komplexen Auswertealgorithmus zur Beurteilung der Oberfläche zu eliminieren, können große Prüflinge vermessen werden. Vorzugsweise wird das Verfahren daher an einem Prüfling mit einem großen Durchmesser durchgeführt. So kann die maximale Abmessung des Prüflings, beispielsweise sein Durchmesser, über 100 Millimeter betragen.
Die Ausrichtvorrichtung umfasst einen Ausricht-Kollimator. Die Autokollimation bezeichnet den Zustand, dass der auf die Oberfläche des Prüflings gerichtete Lichtstrahl in sich zurückreflektiert wird. In diesem Zustand sind Winkeländerungen mit besonders hoher Genauigkeit detektierbar. Es kann, insbesondere weil keine Kippung auftritt und das Reflexionssignal damit symmetrisch ist, eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht werden.
Das Verfahren umfasst die Schritte eines geführten Bewegens zumindest eines Teils der Ausrichtvorrichtung, so dass sich der Lichtstrahl relativ zum Prüfling über die zu vermessende Oberfläche bewegt, und eines Messens der Neigung des Prüflings, insbesondere mittels des Mess-Autokollimators, während des Bewegens. Trifft der Lichtstrahl der Ausrichtvorrichtung beispielsweise unter dem Winkel α in einem Auftreffpunkt P auf die zu vermessende Oberfläche, in dem die Oberfläche einen Böschungswinkel σ gegenüber der Ausgangslage hat, wobei σ ≠ 0 ist, so wird die Neigung des Prüflings um –σ geändert, so dass der Lichtstrahl unter dem gleichen Winkel α wie zuvor auf die lokale Oberfläche des Prüflings auftrifft. Das geschieht beispielsweise dadurch, dass eine Neigungsregelung des Prüflings einen Neigungsaktor der Ausrichtvorrichtung entsprechend ansteuert. Die Änderung der Neigung des Prüflings wird zeitgleich erfasst.
Günstig ist es, wenn während des Bewegens des zumindest einen Teils der Ausrichtvorrichtung der Weg, den die Ausrichtvorrichtung relativ zu einem vorgegebenen Nullpunkt zurückgeht, erfasst wird. Auf diese Weise wird eine Kurve erhalten, die den Böschungswinkel, der auch als Neigungswinkel der Oberfläche relativ zu einer Ausgleichsebene durch die Oberfläche bezeichnet werden kann, relativ zum Abstand vom frei gewählten Nullpunkt angibt. Es ist möglich, die Bewegung entlang einer Kurve durchzuführen, beispielsweise entlang einer Geraden. Es ist aber auch möglich, dass ein zweidimensionales Gebiet der Oberfläche erfasst, beispielsweise abgerastert wird.
Das Verändern der Lage des Prüflings umfasst ein Regeln. So kann die Ausrichtvorrichtung einen Aktor umfassen, der mit einer Steuervorrichtung der Ausrichtvorrichtung verbunden ist. Erfasst ein Sensor der Ausrichtvorrichtung, insbesondere der Ausricht-Autokollimator, eine Abweichung von dem voreingestellten Winkel, beispielsweise dem rechten Winkel, so wird der Aktuator so angesteuert, dass sich die Abweichung von dem voreingestellten Winkel verringert. Eine derartige Regelung kann mit sehr hoher Genauigkeit arbeiten, wodurch im Rahmen einer sehr geringen Messungenauigkeit sichergestellt ist, dass der voreingestellte Winkel α, beispielsweise 90°, stets eingehalten wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Oberflächenmessgerät kann der Neigungssensor Teil der Ausrichtvorrichtung sein. So ist es möglich, dass die Ausrichtvorrichtung ein optisches Winkelmessgerät umfasst, dessen Licht zwischen zwei Lichtpfaden umgeschaltet werden kann. Das Licht des ersten Lichtpfads wird dann auf die Oberfläche des Prüflings gelenkt, um die Neigung relativ zu diesem Lichtstrahl konstant zu regeln, beispielsweise so, dass der Lichtstrahl von der Oberfläche auf sich selbst zurückgeworfen wird. Das Licht des zweiten Lichtpfads dient dazu, die Neigung des Prüflings zu erfassen. Der Neigungsmesser kann einen Drehtisch mit Winkelgeber umfassen.
Vorzugsweise ist der Aktuator ausgebildet zum Neigen des Prüflings relativ zur Linearführung. Es ist dabei möglich, dass der Aktuator die Neigung lediglich um einen Neigungswinkel verstellen kann. Der Aktuator kann aber auch mehrere Teil-Aktuatoren aufweisen, so dass die Neigung des Prüflings um mehr als eine Drehachse geändert werden kann.
Die Ausrichtvorrichtung umfasst einen Ausricht-Autokollimator genannten Autokollimator. Auf diese Weise werden besonders hohe Messgenauigkeiten erreichbar. Alternativ kann der Ausricht-Autokollimator durch eine Laser- oder eine andere Einheit ersetzt werden, die einen besonders kleinen Lichtfleck auf der Oberfläche erzeugt. Beispielsweise ist die Ausrichtvorrichtung so ausgebildet, dass ein Lichtfleck mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter auf der Oberfläche entsteht. Dazu kann eine Blende verwendet werden.
Vorzugsweise umfasst der Mess-Autokollimator einen Planspiegel, der zum Befestigen am Prüfling ausgebildet ist. Auf diese Weise lassen sich besonders hohe Messgenauigkeiten erreichen.
Das Oberflächenmessgerät umfasst eine Regelung, die eingerichtet ist zum automatischen Regeln einer Neigung des Prüflings, so dass eine lokale Oberfläche des Prüflings in einem Auftreffpunkt des Lichtstrahls unter einem vorgegebenen Winkel, insbesondere unter einem rechten Winkel, zur Ausrichtvorrichtung orientiert ist. Die Regelung kann Teil einer Steuervorrichtung sein, die beispielsweise auch eine Bewegung eines Teils der Ausrichtvorrichtung oder der gesamten Ausführvorrichtung entlang der linearen Führung steuert. Wenn die Ausrichtvorrichtung einen Autokollimator umfasst, so ist die Regelung insbesondere eingerichtet zum Neigen des Prüflings so, dass der Ausricht-Autokollimator in exakte Autokollimation zur Oberfläche des Prüflings im Auftreffpunkt des Lichtstrahls ist.

Claims

Verfahren zur topographischen Oberflächenmessung, insbesondere zum Vermessen von nahezu planen oder auch gekrümmten Oberflächen, mit den Schritten: (a) Richten eines Lichtstrahls (22) einer Ausrichtvorrichtung (18) auf einen Auftreffpunkt (P) einer zu vermessenden Oberfläche (16) eines Prüflings (14), (b) geführtes Bewegen zumindest eines Teils (30) der Ausrichtvorrichtung (18), so dass sich der Lichtstrahl (22) relativ zum Prüfling (14) über die zu vermessenden Oberfläche (16) bewegt, (c) Regeln einer Neigung (σ') des Prüflings (14), so dass eine lokale Oberfläche (16) des Prüflings (14) im Auftreffpunkt (P) unter einem vorgegebenen Winkel (α) zur Ausrichtvorrichtung (18) orientiert ist, und (d) Messen der Neigung (σ', β) des Prüflings (14) während des Bewegens mittels eines Mess-Autokollimators oder mittels eines Drehtisches mit Winkelgeber, wobei (e) die Ausrichtvorrichtung (18) einen Ausricht-Autokollimator (32) umfasst und das Regeln so durchgeführt wird, dass der Lichtstrahl (22) in Autokollimation reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen der Neigung (σ', β) des Prüflings (14) während des Bewegens mittels eines optischen Winkelmessgeräts erfolgt.
Oberflächenmessgerät zur topographischen Oberflächenmessung, insbesondere von nahezu planen oder auch gekrümmten Flächen, mit (i) einer Prüfling-Aufnahme (12) zum Aufnehmen eines Prüflings (14), (ii) eine Ausrichtvorrichtung (18), die – eine Lichtquelle (20) zum Aussenden eines Lichtstrahls (22) auf den Prüfling (14), so dass eine Neigung des Prüflings (14) erfassbar ist, und – einen Aktuator (24), der angeordnet ist zum Verändern einer Neigung des Prüflings (14), – so dass der Prüfling relativ zu zumindest einem Teil der Ausrichtvorrichtung ausrichtbar ist, aufweist, und (iii) wobei die Ausrichtvorrichtung (18) einen Ausrichtkollimator (32) umfasst. (iv) eine Linearführung (28) zum Bewegen zumindest eines Teils der Ausrichtvorrichtung (18) so dass der Lichtstrahl (22) über eine Oberfläche (16) des Prüflings (14) bewegbar ist, (v) eine Regelung, die eingerichtet ist zum automatischen Regeln einer Neigung (σ', β) des Prüflings (14), so dass eine lokale Oberfläche (16) des Prüflings (14) in einem Auftreffpunkt (P) des Lichtstrahls (22) unter einem vorgegebenen Winkel (α) zur Ausrichtvorrichtung (18) orientiert ist, und (iv) einem Neigungsmesser (36) in Form eines Mess-Autokollimators der zum Messen der Neigung (σ', β) ausgebildet ist.
Oberflächenmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mess-Autokollimator einen Planspiegel (40) umfasst, der zum Befestigen am Prüfling (14) ausgebildet ist.
Oberflächenmessgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtvorrichtung (18) einen Strahlumlenker (30) umfasst, der ein Pentagon-Prisma oder entsprechendes Spiegelsystem umfasst.
Oberflächenmessgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungsmesser als Teil der Ausrichtvorrichtung (18) ausgebildet ist.
Oberflächenmessgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung eingerichtet ist zum automatischen Regeln einer Neigung (σ', β) des Prüflings (14), so dass die lokale Oberfläche (16) des Prüflings (14) in dem Auftreffpunkt (P) des Lichtstrahls (22) unter einem rechten Winkel zur Ausrichtvorrichtung (18) orientiert ist.