DE102013005187A1

DE102013005187A1 - Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und/oder Topographiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie

Info

Publication number: DE102013005187A1
Application number: DE201310005187
Authority: DE
Inventors: Matthias Vaupel; Helmut Lippert
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2014-09-25
Also published as: US20140285814A1; US9097518B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und/oder Topographiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie, insbesondere von flachen Proben, basierend auf einem Shearing – Polarisationsinterferometrischen Ablauf mit einem mikroskopischen „TIC” Modul („Total Interference Contrast Modul") eines Mikroskops, wobei das Verfahren sowohl polychromatisch als auch monochromatisch durchführbar ist und mindestens zwei verkippte Wellenfronten erzeugt werden, die nach Reflexion oder Transmission an einer Probe zwei zueinander versetzte und miteinander interferierende Bilder in Form von Streifenmustern (15, 16, 17, 20) von dieser Probe (11) erzeugen, aus denen durch Bildauswertung Rauheitswerte und Höhentopographien der Oberfläche der Probe ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und/oder Topograhiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie, insbesondere von flachen Proben, basierend auf einem Shearing – Polarisationsinterferometrischen Ablauf mit einem mikroskopischen „TIC” Modul („Total Interference Contrast Modul”) eines Mikroskops, wobei das Verfahren sowohl polychromatisch als auch monochromatisch durchführbar ist.
Eine Methode der berührungslosen und großflächigen Schichtdickenmessung, die gleichzeitig Informationen über die Schichtmorphologie und die Schichtdicke liefert, ist die TIC Mikroskopie. Die Abkürzung TIC steht für „Total Interference Contrast”. Es handelt sich bei dieser Technologie um ein Shearing – Polarisationsinterferometrisches Verfahren, welches in der Regel mit zirkular-polarisierten und polychromatischen Licht arbeitet und beispielsweise in „Schey et al., Photonik 3,42 (2004)" näher beschrieben wird. Ein derartiges TIC-Modul wird seit einiger Zeit von Carl Zeiss angeboten. Will man diese Topographien oder Oberflächenrauheiten von relativ flachen Proben bestimmen, so bietet sich als Standardverfahren die „Phaseshifting-Interferometrie”, welche jedoch eine gewisse Sensibilität gegenüber Umgebungsvibrationen aufweist. Dies ist ein Messverfahren, das in der Optik (Interferometrie, Streifenprojektion) und Elektronik verwendet wird, um die Phasenlage eines modulierten Signals durch punktweise Intensitätsmessungen zu bestimmen.
Ähnliche Probleme hat man auch bei konfokalen Messmethoden, die auf der sequentiellen Aufnahme mehrerer Bilder basieren.
Diese Probleme umgeht man bei Methoden, wie beispielsweise der Digitalen Holographischen Mikroskopie, welche auf einer interferometrischen Einschuss-Messung basieren. Jedoch ist der apparative Aufwand hier sehr groß.
In US 4534649 wird ein Polarisationsinterferometer zur Profilerfassung beschrieben, in welchen auch ein Lateralversatz, das heißt ein „Shearing” angesprochen wird. Nähere Angaben dazu werden nicht gemacht.
Ferner wird in Jabr, Optics Letters 10, 526 (1985) ein Mikroskop beschrieben, welches mit „TIC” verwandt ist und hier speziell zur Ermittlung von Oberflächenrauheiten benutzt wird, wobei die Rauheitsdaten von Intensitätsvariationen abgeleitet werden, was eine gewisse Fehleranfälligkeit, beispielsweise hinsichtlich Detektorrauschen mit sich bringt.
Ausgehend von den Nachteilen der Lösungen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und Topographiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie dahingehend weiter zu bilden, dass mit relativ geringem Aufwand neben der Rauheitsauswertung auch die Erfassung von ein- und zweidimensionalen Topographiedaten ohne eine komplexen Interferometeraufbau möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben.
Erfindungsgemäß werden über eine Positionsveränderung eines TIC-Prismas zwei verkippte Wellenfronten erzeugt werden, die nach Reflexion oder Transmission an einer Probe zwei zueinander versetzte und miteinander interferierende Bilder in Form von Streifenmustern von dieser Probe erzeugen, aus denen durch Bildauswertung Rauheitswerte und/oder Höhentopographien der Oberfläche der Probe ermittelt werden.
Das Verfahren kann sowohl vorteilhafterweise mit zirkularpolarisierten oder mit linear-polarisierten Licht durchgeführt werden.
Die Bewegung des TIC-Prismas ermöglicht einen durchstimmbaren Phasenshift und/oder eine Prismenrotation sowie die Ausrichtung der Interferenzstreifen relativ zur Probe. Hierdurch ist gegenüber den Lösungen nach dem Stand der Technik eine bessere Flexibilität in der Kombination mit einem Standard-Mikroskop sowie hinsichtlich der Probengeometrie gegeben.
Ferner sind als wesentliche Vorteile die geringe Komplexität sowie die Option einer Einschuss-Messung gekoppelt mit einer geringen Störanfälligkeit (geringe Anfälligkeit gegen Vibrationen) zu nennen. Es kann dabei mit Standardlichtquellen, auch polychromatisch gearbeitet werden.
Vorteilhafterweise wird eine Kalibrierung von Höhendaten mittels eines optischen Models zur Umrechnung einer gemessenen Phase in eine Höhe oder in andere optische Parameter der Probe vorgenommen. Die Kalibrierung ist robust gegen Schwingungen.
Zum Zwecke der Schwerpunktauswertung einzelner Linienprofile mit direkter Ermittlung von Höhentopographien wird vorher eine Referenz definiert, während bei einer statistischen Auswertung einzelner Höhenlinien Vergleiche und Summationen mit anderen Höhenlinien vorgenommen werden.
Zweckmäßigerweise wird zum Zwecke einer direkten Ermittlung der Topographiedaten eine integrale Auswertung senkrecht zu den Streifenmustern vorgenommen.
Bei einer flächigen Auswertung der Topographiedaten ist es von Vorteil, eine Fourieranalyse vorzunehmen.
Zur Erfassung zweidimensionaler Topographiedaten erfolgt ein Scannen der Streifenmuster entlang einer definierten Richtung durch einen definierten Phasenshift zwischen den Wellenfronten durch den an sich bekannten Mechanismus der Verschiebung des TIC-Prismas und/oder durch Verschieben der Probe selbst vorgenommen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigen:
1: eine typische Darstellung des Strahlenverlaufes eines mit einem „TIC” Modul ausgestatteten Mikroskops,
2a: eine Darstellung eines mikroskopischen Auflichtbildes einer Probe mit einer flachen Oberfläche,
2b: eine Darstellung eines monochromatischen TIC-Bildes,
3: eine Darstellung des Höhenprofils und
4a: eine Darstellung eines Interferenzmusters und
4b: eine weitere Darstellung eines Interferenzmusters.
1 zeigt einen typischen Aufbau, wie er normalerweise Verwendung findet. Kennzeichnend ist das TIC-Prisma 5, welches in der Regel als doppelbrechendes polarisationsoptisches Element ausgeführt ist und zwei verkippte Wellenfronten erzeugt, die nach Reflexion an einer nicht dargestellten Probe letztlich in der Ebene 10 zwei um den Betrag „s” zueinander versetzte und miteinander interferierende Bilder der Probe erzeugen. Die Interferenz zeigt sich aufgrund der Verkippung in Form eines Streifenmusters.
Dazu passiert das von einer Lichtquelle 1 ausgehende Licht eine Beleuchtungslinse 2 und wird von einem Zirkularpolarisator 3 zirkular polarisiert. Ein Planglas 4 reflektiert das zirkular polarisierte Licht teilweise zum TIC Prisma 5. Dieses bewirkt eine auf die Objektebene 7 bezogene Aufspaltung s, die ein Vielfaches der Auflösungsgrenze beträgt (Erzeugung eines deutlich sichtbaren Doppelbildes). Auf diese Weise entsteht ein doppeltes Pupillenbild und als Resultat ein Interferenzstreifensystem. Nach der Reflexion an einer nicht dargestellten Probe passieren die beiden gegeneinander geneigten Teilbündel erneut das Objektiv 6, werden vom TIC Prisma 5 wieder vereinigt und passieren einen Zirkularanalysator 8. Ein auf diese Art und Weise entstehendes sichtbares Interferenzstreifensystem wird über eine Tubuslinse 9 in der Ebene 10 abgebildet.
Das Wirkprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der 2, 3 und 4 erläutert.
2a skizziert zunächst exemplarisch das mikroskopische Auflichtbild der Probe mit flacher Oberfläche 11 und hierauf in Form eines Beschichtungsfeldes aufgebrachter rauher Oberfläche 13. Zum besseren Verständnis sei mit 12 auch ein „Dreckartefakt”, beispielsweise in Form eines Staubkorns angedeutet. Ein monochromatisches TIC-Bild wird in dargestellt. Zu erkennen ist zunächst der Doppelbildcharakter, beispielsweise anhand eines gedoppelten Artefakts 14. Weiterhin ist die Figur durch Interferenzmuster 15, 16, 17 gekennzeichnet.
Basiert die Interferenz auf Lichtanteilen, die lediglich von der flachen, nicht-rauen Oberfläche stammen, so sind die Streifen wie bei 14 sehr regelmäßig ausgeprägt. Der Streifenabstand p ist durch die Wellenlänge sowie den Verkippungswinkel der Wellenfronten bestimmt. Im Bereich der rauen Beschichtung existieren Streifen, die entweder aus Lichtanteilen der rauen und der flachen Oberfläche oder aus Lichtanteilen 16, beziehungsweise 17 lediglich von der rauen Oberfläche generiert werden (2b). In beiden Fällen weichen die Streifen von der idealen Linienform ab, was der Rauheit geschuldet ist. Anhand des Streifens 16 kann, falls 11 als ideal flache Referenzfläche angenommen wird, sofort das 1D-Oberflächenprofil der Probe abgeleitet werden. Hierzu kann beispielsweise entlang der x-Richtung für jedes Streifenelement die Schwerpunktskoordinate entlang y (Shearing-Richtung) bestimmt werden. Die Abweichungen von einer idealen Geraden entlang der x Richtung (senkrecht zur Shearing-Richtung) ergeben dann nach Umrechnung sofort den Höhenwert z. Die Shearing-Richtung sowie der Umrechnungsfaktor müssen zuvor natürlich, beispielsweise anhand des idealen Streifenmusters bestimmt werden (durch Bestimmung der Ausrichtung der Streifen sowie des Abstandes p).
Das aus 16 abgeleitete Höhenprofil ist exemplarisch in 3 dargestellt. Für Streifen 17 ist ein adäquates Vorgehen nicht ohne weiteres möglich, da sich die Abweichungen von der idealen Geraden aus Höhenvariationen in zwei Punkte ergeben. Für die Ermittlung der Rauheit der Oberfläche ist dies jedoch nicht erheblich, da diese nach Verrechnung mit einem Faktor 1/2^0.5 direkt mit der Varianz der Abweichungen entlang der x Richtung gekoppelt ist.
2b stellt zunächst den monochromatischen Fall dar. Im Allgemeinen kann aber auch eine polychromatische Lichtquelle zum Einsatz kommen.
Wie in den 4a und 4b gezeigt, ist das Interferenzmuster 20 hier nicht homogen über das Bildfeld ausgeprägt, was letztlich mit der für diesen Fall verminderten Kohärenzlänge zusammenhängt. Die Streifen sind jenseits des Interferenzzentrums nicht mehr hinreichend ausgeprägt und „verschmieren” zu einem Farbsaum. Dennoch ist eine Auswertung der zentralen Streifen wie oben beschrieben möglich.
In 4a ist darüber hinaus anhand des Pfeils 21 angedeutet, dass auch Relativbewegungen zwischen Probe und Interferenzstreifen möglich sind. Hierzu kann einerseits das TIC-Prisma oder andererseits die Probe bewegt werden. Die Möglichkeiten der Bewegung sind nicht auf eine Translation beschränkt. Auch eine Rotation ist denkbar. Auf diese Weise lässt sich letztlich sowohl für Streifen der Art 16 als auch für Streifen der Art 17 die 2D-Gesamt-Topographie der Probe sequentiell ermitteln. Zwar verliert man dabei den Vorteil der Einschuss-Messung. Jedoch ist der Aufbau verglichen mit Standardverfahren vergleichsweise einfach.
Es sei noch erwähnt, dass die bislang offenbarte TIC-Anwendung auf die Auswertung der Streifenverschiebung q aus 2b abzielt. Aus dieser kann die Dicke der Beschichtung 13 abgeleitet werden. Eine Erweiterung zur Vermessung von Rauheiten und Topographien existiert bislang nicht.
Bezugszeichenliste

1: Lichtquelle
2: Beleuchtungslinse
3: Zirkularpolarisator
4: Planglas
5: TIC Prisma
6: Objektiv
7: Objektebene
8: Zirkularanalysator
9: Tubuslinse
10: Ebene
11: Probe
12: Dreckartefakt
13: Oberfläche
14: gedoppelter Artefakt
15: Interferenzmuster (Lichtanteil)
16: Interferenzmuster (Lichtanteil)
17: Interferenzmuster (Lichtanteil)
18: P (Streifen)
19: q (Streifenverschiebung)
20: Interferenzmuster
21: Pfeil (Richtung)
x: Richtung
y: Richtung (Shearing-Richtung)
z: Richtung (Höhenwert)
s: Abstand zueinander vesetzter interferierender Bilder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4534649 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Schey et al., Photonik 3,42 (2004)” [0002]
Jabr, Optics Letters 10, 526 (1985) [0006]

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und/oder Topographiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie, insbesondere von flachen Proben, basierend auf einem Shearing – Polarisationsinterferometrischen Ablauf mit einem mikroskopischen „TIC” Modul („Total Interference Contrast Modul”) eines Mikroskops, wobei das Verfahren sowohl polychromatisch als auch monochromatisch durchführbar ist und mindestens zwei verkippte Wellenfronten erzeugt werden, die nach Reflexion oder Transmission an einer Probe zwei zueinander versetzte und miteinander interferierende Bilder in Form von Streifenmustern (15, 16, 17, 20) von dieser Probe (11) erzeugen, aus denen durch Bildauswertung Rauheitswerte und Höhentopographien der Oberfläche der Probe ermittelt werden.
Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und/oder Topographiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit zirkularpolarisierten Licht durchgeführt wird.
Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und/oder Topographiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierung von Höhendaten mittels eines optischen Models zur Umrechnung einer gemessenen Phase in eine Höhe (z) oder in andere optische Parameter der Probe (11) vorgenommen wird.
Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und/oder Topographiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Schwerpunktauswertung einzelner Linienprofile mit direkter Ermittlung von Höhentopographien vorher eine Referenz definiert wird.
Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und/oder Topographiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der statistischen Auswertung einzelner Höhenlinien Vergleiche und Summationen mit anderen Höhenlinien vorgenommen werden.
Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und/oder Topographiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der direkten Ermittlung der Topographiedaten eine integrale Auswertung senkrecht zu den Streifenmustern (15, 16, 17, 20) vorgenommen wird.
Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und/oder Topographiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine flächige Auswertung der Topographiedaten mit einer Fourieranalyse vorgenommen wird.
Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und/oder Topographiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Erfassung zweidimensionaler Topographiedaten ein Scannen der Streifenmuster entlang einer definierten Richtung durch einen definierten Phasenshift zwischen den Wellenfronten durch den an sich bekannten Mechanismus der Verschiebung des TIC-Prismas (5) und/oder durch Verschieben der Probe selbst vorgenommen wird.
Verfahren zur Ermittlung von Rauheit- und/oder Topographiedaten von Oberflächen in der Materialmikroskopie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich dem TIC-Prisma (5) eine Rotationsbewegung zugeführt wird.