DE10236692A1

DE10236692A1 - Ellipso-Höhentopometer zur Messung der Höhen und Materialeigenschaften von Oberflächen

Info

Publication number: DE10236692A1
Application number: DE2002136692
Authority: DE
Inventors: Klaus Leonhardt
Original assignee: Leonhardt Klaus Prof Dr
Current assignee: Leonhardt Klaus Prof Dr
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-08-10
Also published as: DE10236692B4

Abstract

Die bisherigen Geräte und Verfahren zur Oberflächentopometrie messen entweder nur die Höhentopographie oder über getrennte Geräte und Verfahren die Materialeigenschaften. Für eine umfassende Information in Form von abgeleiteten Topographien für Oberflächen mit Materialwechsel wird ein Topometer beschrieben, das auf demselben Pixelraster zusätzlich die Topographien der ellipsometrischen Winkel misst, so dass zusammengehörige Topographiesätze zur gegenseitigen Verrechnung und zur Erstellung weiterer Topographien und Materialkarten zur Verfügung stehen. DOLLAR A Dazu wird ein Mikrointerferometer nach Linnik oder nach Mirau so modifiziert, dass durch eine außeraxiale Anordnung eines Lichtquellenbildes S in der Austrittspupille AP in der hinteren Brennebene der Mikroskopobjektive MO ein schräger Einfall auf das Objek erzeugt wird. Zur optimalen Anpassung an unterschiedliche Materialien kann der Einfallswinkel PHI¶0¶ durch Verschieben des Teilerwürfels NBS um d in Richtung senkrecht zur Mikroskopachse verschoben werden. Es werden mindestens zwei Z-Scanns der Interferenzen für die Durchlassrichtungen parallel und senkrecht zur Einfallsebene auf die Objektoberfläche durch Drehen des Analysators A bzw. A' durchgeführt.

Description

Anwendungsgebiete
Die bisher bekannten optische Verfahren zur Oberflächentopometrie sind entweder Verfahren zur Messung der Höhentopographie und der Rauheit, oder andererseits rein ellipsometrische Verfahren zur Erkennung des Materials oder aufgebrachter Schichten. Sie werden jeweils in getrennten Geräten verwirklicht. In Zukunft werden jedoch bei materialstrukturierten Objekten, bei denen zwei oder mehr unterschiedliche Materialien in der Oberfläche vorkommen, ganze Topographiesätze der Höhen H(x, y), der reflektierten Intensität I(x, y) und der ellipsometrischen Winkel Ψ(x, y) und Δ(x, y) wichtig werden. Die Topographiesätze müssen sich exakt auf dasselbe Pixelraster wie das der Höhentopographie beziehen. Durch gegenseitige Verrechnungen dieser Topographiesätze können dann weitere, abgeleitete Topographien der komplexen Brechzahl N(x, y) = n(x, y) – k(x, y)i und der lokalen Struktur von Schichten und ihrer Schichtdicke t(x, y) berechnet werden. In der zukünftigen topometrischen Messtechnik werden daher Geräte und Verfahren zur Erfassung sowohl der Höhen als auch der Materialwerte auf demselben Pixelraster gefragt sein. Durch die unterschiedlichen Phasen der Reflexion bei beim Übergang von einem Material zum anderen ergeben sich Fehler in der gemessenen Höhe H(x, y). Sie können mit den Topographien der Materialwerte zur wahren Höhentopographie h(x, y) korrigiert werden: h(x, y) = H(x, y) – ΔH(x, y), (1) wobei ΔH(x, y) über das Argument des komplexen Kontrastes, arg{S}, /2/ aus den Ψ – Δ Topopgraphien ermittelt werden kann. Die vorliegende Patentanmeldung bezieht sich auf eine derartige erweiterte Topometrie die hier Ellipso-Höhentopometrie genannt werden soll.
Stand der Technik
Verfahren zur Ellipso-Höhentopometrie sind bisher erst im Bereich der Forschung bekannt geworden. Ein punktförmig abtastendes Verfahren wurde unter /1/ zum Patent eingereicht. Ein flächenhaft messendes Verfahren ist als Laboraufbau realisiert und in der Literatur beschrieben /3/, /4/. Es misst, wie oben dargelegt, zusammenhängende Topographiesätze der lokalen Höhe H(x, y), der ellipsometrischen Winkel Ψ(x, y) und Δ(x, y) und der Intensität I(x, y). Die Messung der Höhentopographie wird dort durch eine Mikro-Streifenprojektion unter schrägem Einfall realisiert /5/ und die ellipsometrischen Winkel durch Phasenschieben der orthogonalen Komponenten des unter schrägem Einfall reflektierten Lichtes an der Oberfläche mit einem elektrooptischen Modulator.
Das Prinzip der Weißlichtinterferometrie hat sich in den vergangenen Jahren zur Messung der Höhentopographie etabliert /6/, /7/, /8/, /9/, /10/. Es benötigt einen größeren Aufwand bei der Datenaufnahme und Verarbeitung, hat jedoch Vorteile, besonders für Objekte mit großer Tiefenausdehnung. Von diesem Prinzip ausgehend, wird hier ein neues Ellipso-Höhen-Topometrieverfahren beschrieben, das die Vorteile der Weißlichtinteferometrie mit einer einfachen Messmöglichkeit für die Materialgrößen im Sinne der Ellipso-Höhentopometrie verbindet.
Beschreibung des neuen Ellipso-Weißlichtinterferometers
Bild 1 zeigt das Prinzip des neuen Verfahrens. Wesentlich ist ein schräger Einfall auf das Objekt, entsprechend dem Einfallswinkel ϕ₀, der einheitlich für das gesamte Objektfeld gilt. Dies ist zur Messung der ellipsometrischen Topometrien notwendig. Am Beispiel eines Linnik-Zweistrahl Mikrointerferometers wird das Prinzip und den Aufbau des neuen Verfahrens gezeigt. Vom Beleuchtungsstrahlengang herkommend tritt das Licht bei B in das Interferometer ein. Ein Strahlenteiler NBS teilt das Licht in den Objektstrahlengang, der über das Mikroskopobjektiv MO und über das zu messende Objekt Obj läuft, und in den Referenzstrahlengang, der über das Referenzobjektiv RO und den Referenzspiegel RP läuft. Nach der Strahlvereinigung am NBS durchlaufen die Strahlen den Analysator A und die Tubuslinse TL. Sie werden durch einen Bildaufnehmer, hier eine CCD- Kamera, zur Digitalisierung und Verrechnung in einen Computer aufgenommen. Alle vorgegebenen Einstellungsänderungen am Analysator und im Beleuchtungsstrahlengang ändern nicht den Bezug zwischen einem bestimmten Objektpunkt und dem entsprechenden Pixelort des Bildaufnehmers, so dass alle Topographien pixelweise miteinander verrechnet werden können. Ein Einfallswinkel ϕ₀, der über das gesamte Objektfeld konstant ist, wird dadurch erreicht, dass die Eintrittspupille des Interferometers als sekundäre Lichtquelle S exakt in die hintere Brennebene des Mikroskopobjektives abgebildet wird, jedoch um den Abstand d seitlich versetzt. Die Strahlachse des Beleuchtungsstrahlenganges bleibt dabei parallel zur Tubusachse der mikroskopischen Abbildung, die durch Mikroskopobjektiv MO und Tubuslinse TL definiert ist. Beleuchtung und Abbildung sind telezentrisch. Dieselbe Strahlenführung gilt genauso für den Referenzstrahl. Durch eine Verschiebung des Strahlenteilers senkrecht zur Mikroskopachse in Richtung der Strahlachse des Beleuchtungsstrahlenganges kann der Abstand d verändert werden. Damit lassen sich unterschiedliche Einfallsswinkel ϕ₀ einstellen.
Entsprechend den bekannten Prinzipien der Weißlichttopometrie, siehe z. B. /10/, wird eine Tiefendiskriminierung durch die Auswertung eines Stapels von Interferogrammen erzielt. Dazu wird das Objekt durch den Piezotranslator rechnergesteuert in bekannten Schritten von Δz in Richtung der Mikroskopachse z verschoben und dabei jeweils ein Interferenzstreifenbild gespeichert. Durch Auswertung des gesamten Stapels von Interferenizstreifenbilder erhält man die Topographie der gemessenen Höhen H(x, y).
Auch für andere Anordnungen der Interferenzmikroskopie wie der Anordnung nach Mirau, /11/, /12/ ist das neue Prinzip der Strahlenführung mit dem Schrägeinfall der Hauptstrahlen durch außeraxiale Justierung der Strahlachse entsprechend dem Abstand d und durch exakte Justierung der Pupille in die hintere Brennebene des Mikroskopobjektives möglich. 2 zeigt die neue Strahlenführung für ein Mirau system.
Ebenfalls neu ist die Messung der ellipsometrischen Winkel. Dazu werden, wie oben beschrieben, mit Hilfe des Analysators A jeweils eine vollständige Stapelauswertung für die beiden orthogonalen Polarisationen parallel und senkrecht bezogen auf die Einfallsebene auf dem Objekt durchgeführt. Es entstehen für jeden Objektpunkt zwei Interferogrammstapel, die unterschiedliche Interferenzphasen, unterschiedliche absolute Modulationen und unterschiedlichen Kontrast aufweisen, sich jedoch auf dieselbe Verschiebungsachse z beziehen und dieselbe Zuordnung zu den Messpunkten P(x, y) des Objektes aufweisen. 2 zeigt einen Ausschnitt aus den Interferogrammenpaar I_p(z) und I_s(z) für die beiden orthogonale Polarisationen parallel und senkrecht zur Einfallsebene in einem Objektpunkt P(x, y).
Die ellipsometrischen Winkel Δ und Ψ sind bei der Reflexion des Lichtes an einer Grenzfläche unter schrägem Einfall mit dem Einfallswinkel ϕ definiert als Phasendifferenz der beiden Reflexionskoeffizenten r_P und r_s für Schwingung parallel und senkrecht zur Einfallsebene und als arctan des Verhältnises der Beträge:
Bestimmung von Δ(x, y)
Für isotrope Objekte und für spannungsfreie isotrope Interferometerkomponenten kann der ellipsometrische Winkel Δ(x, y) für jeden Messpunkt als Differenz der Phasen Δ_p und Δ_s der Interferogramme I_p und I_s ermittelt werden, Bild 3. Diese beiden Phasen müssen aus den Interferogrammen in der Umgebung der zentralen Stelle durch geeignet modifizierte Phasenmessmethoden gegen einen beliebigen sinnvoll gewählten Nullpunkt gemessen werden: Δ = Δp – Δs – Δ'. (4)
Die additive Konstante Δ' ist nicht vom zu messenden Objekt, sondern von den Komponenten des Ausbaues abhängig, und kann durch einen Kalibriervorgang ermittelt und von den jeweiligen Messungen abgezogen werden.
Bestimmung von Ψ(x, y)
Für jeden Messpunkt P(x, y) wird das Maximum des Kontrastes K_max(z) =((I_max – I_min)/(I_max + I_min))|_max in Abhängigkeit von der Axialverschiebung z aus den Interferogrammen I_p(z) und I_s(z) nach Bild 3 bestimmt. Man erhält unterschiedliche Werte für die beiden Analysatorstellungen: K_p = K_pmax(z) für die vom Analysator in Parallelstellung durchgelassene Komponente und K_s = K_smax(x) für die Senkrechtstellung. Für den ellipsometrischen Winkel Ψ ergibt sich aus den maximalen Kontrasten K_p und K_s
Messungen entsprechend Glg. (4) und (5) sind bisher in der Literatur nicht beschrieben. F ist eine objektunabhängige Konstante, die nur vom Gerät und seinen Bauteilen abhängt und durch einen Kalibriervorgang bestimmt werden kann. In /3/ und /4/ werden entsprechende Kalibrierverfahren beschrieben.
Für isotrope Oberflächen kann der Analysator A auch vor dem Strahlenteiler NBS angeornet werden (A' in Bild 1 und Bild 2). Für anisotope Oberflächen kann eine variable Phasenplatte, zum Beispiel ein elektrooptischer Modulator oder ein phasenschiebendes LCD vorgesehen werden. Sie sind im Lichtdurchlaufsinn hinter A' bzw. vor A anzuordnen (Bild 1 und Bild 2).
Literatur

/1/ Mikro-Ellipso-Profilometer, P 40 17 935.4 vom 02.06.1990.
/2/ K. Leonhardt und H. j. Tiziani, Optical toptometry of surfaces with locally changing materials... part 1: Topographic methods based on two-beam interferometry, Journal of Modern Optics 46 (1999) 101–114.
/3/ K. Leonhardt, U. Droste, and H. J. Tiziani, Topometry for locally changing materials, Optics Letters 23, (1998) 1772–1774.
/4/ K. Leonhardt, Ellipso-Height Topometrie, EHT: extended topometry of surfaces with locally changing materials, Optik 112 (2001) 413 420.
/5/ K. Leonhardt, U. Droste, and H. J. Tiziani, Microshape and rough-surface analysis by fringe projection, Applied Optics 33 (1994) 7477–7488.
/6/ P.A.Flourney et al., "White-light interferometric thickness gauge ", Appl. Opt. 31 (1972) 1907–1915.
/7/ B. S. Lee and T. C. Strand, Profilometry with a coherence scanning microscope. Appl. Optics 29 (1990) 3784–3788.
/8/ G. S. Kino and S. S. C. Chim, Mirau correlation microscope, Appl. Optics 29 (1990) 3775–3783.
/9/ T. Dresel, G. Häusler, H. Venzke, Three dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar, Appl. Optics 29 (1992) , 919–925.
/10/ H. J. Tiziani, R. Windecker, M. Wegner, K. Leonhardt, D. Steudle, M. Fleischer, Messung und Beschreibung von Mikrostrukturen unter Berücksichtigung materialspezifischer Eigenschaften, Technisches Messen, Vol. 66 (1999) 429–436.
/11/ W. Krug, J. Rienitz, G. Schulz, Beiträge zur Interferenzmikroskopie, Academie-Verlag, Berlin, 1961.
/12/ S. Tolansky, An Introduction to Interferometry, Longmans, 1955.
/13/ M. Born and E. Wolf, Principles of Optics, Pergamon Press, Oxford, 4. Ed. 1970.

Claims

Optisches Ellipso-Höhentopometer für die erweiterte Topometrie von Oberflächen, gekennzeichnet dadurch, dass zusätzlich zu der Topographie der Oberflächenerhebungen H(x, y) auch noch zugehörige Topographien der ellipsometrischen Winkel Δ(x, y) und Ψ(x, y), sowie daraus abgeleiteter Größen so erstellt werden können, dass alle Topographieorte x, y sich genau auf dieselbe Oberflächenstellen beziehen, und dadurch miteinander verrechnet werden können. Dies gilt insbesondere für die lokale komplexe Brechzahl N(x, y), oder die lokale Schichtdicke t(x, y) einer dünnen Schicht oder einer Überschichtung durch Verunreinigungen, Prozessrückständen, Oxidationen oder Schmiermittel. Es gilt auch für Korrekturen ΔH(x, y) der lokalen Oberflächenerhebungen H(x, y), die durch unterschiedliche Phasen der Reflexion bei lokalen Materialwechsel oder bei Überschichtungen bedingt sind.
Optisches Topometer nach 1) dadurch gekennzeichnet, dass wie bei den bekannten Verfahren der Weißlicht- oder Korrelationsinterferometrie /6,7,8,9/ durch einen Zscann ein Stapel von Interferenzfeldern aufgenommen wird, der im Rechner zur Erstellung der unter 1) aufgeführten Topographien ausgewertet wird.
Optisches Ellipso-Höhentopometer, dadurch gekennzeichnet, dass alle vorgegebenen Einstellungsänderungen am Analysator und im Beleuchtungsstrahlengang nicht den Bezug zwischen einem bestimmten Objektpunkt und dem entsprechenden Pixelort des Bildaufnehmers ändern
Optisches Topometer nach Anspruch 1) 2) und 3), dadurch gekennzeichnet, dass zur Erstellung der Topographiesätze eine Interferenzanordnung nach Linnik eingesetzt wird, wobei ein außeraxialer Durchgang der Teilstrahlen durch die Mikroskopobjektive eingeführt wird, so dass auf dem Objekt der einheitlicher Einfallswinkel ϕ₀ für das gesamte Objektfeld erreicht wird, wie er zur Messung der ellipsometrischen Winkel und der in 1) aufgeführten abgeleiteten Größen notwendig ist. Dies wird dadurch erreicht, dass in den Austrittspupillen in der hinteren Brennebene F der beiden Mikroskopobjektive nach 1 ein kleines Bild der Lichtquelle als wirksame Pupille justiert wird, das seitlich um den Abstand d verschoben ist.
Optisches Topometer nach Anspruch 1), 2) und 3), dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung des einheitlichen Einfallswinkels ϕ₀ ein außeraxialer Durchgang der Teilstrahlenbündel durch eine Modifikation einer Interferenzanordnung nach Mirau gemäß 2 eingeführt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass in den Austrittspupillen in der hinteren Brennebene F der beiden Mikroskopobjektive nach 1 ein kleines Bild der Lichtquelle S als wirksame Pupille justiert wird, das seitlich um den Abstand d verschoben ist.
Optisches Topometer nach Anspruch 1) bis 5), dadurch gekennzeichnet, dass für isotrope Oberflächen zur Ermittlung der ellipsometrischen Winkel Δ(x, y) und Ψ(x, y) ein polarisationsoptischer Analysator A drehbar im Raum zwischen Mikroskopobjektiv MO und Tubuslinse TL angeordnet wird, so dass jeweils ein Z-Scann mit Schwingungsrichtung des durchgelassenen Lichtes parallel zur Einfallsebene auf dem Objektes und senkrecht dazu durchgeführt werden kann und dadurch die Topographien der Winkel Δ(x, y) und Ψ(x, y) nach den Formeln in der Beschreibung berechnet werden können.
Optisches Topometer nach Anspruch 1) bis 6) dadurch gekennzeichnet, dass für isotrope Oberflächen zur Ermittlung der ellipsometrischen Winkel Δ(x, y) und Ψ(x, y) ein Polarisator A' im Strahlengang des eintretenden Lichtes drehbar angeordnet ist, so dass jeweils ein Z-Scann mit Schwingungsrichtung des durchgelassenen Lichtes parallel zur Einfallsebene auf dem Objektes und senkrecht dazu durchgeführt werden kann und dadurch die Topographien der Winkel Δ(x, y) und Ψ(x, y) nach den Formeln in der Beschreibung berechnet werden können.
Optisches Topometer nach Anspruch 1) bis 7) dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Topographien der anisotropen Größen (Doppelbrechung und Richtung der optischen Achsen oder äquivalenter abgeleiteter Größen) zwischen dem Strahlenteiler NBS und dem Analysator A nach 6) oder dem Polarisator A' nach 7) noch eine variable ansteuerbare Phasenplatte, z. B. ein elektrooptischer Modulator oder ein phasenschiebendes LCD angeordnet wird. Für die Mirau-Konfigwation erfolgt die Anordnung unmittelbar hinter A' oder unmittelbar vor A in Lichtdurchgangsrichtung.
Optisches Topometer nach Anspruch 1) bis 8), dadurch gekennzeichnet, der Einfallswinkel ϕ₀ des Gesamtfeldes des Gesamtfeldes durch Verschieben des Teilerwürfels senkrecht zur Mikroskopachse leicht verstellt werden kann und dadurch der seitliche Abstand und der Einfallswinkel des Gesamtfeldes variiert und an verschiedene Objekte angepasst werden kann.
Optisches Topometer nach Anspruch 1) bis 9 ) dadurch gekennzeichnet, dass eine Dekorrelation der interferierenden Teilstrahlen durch die außeraxiale Anordnung der Bilder der Lichtquellen bewirkt wird, die unabhängig von der spektralen Zusammensetzung des Lichtes, jedoch abhängig von der Ausdehnung der Lichtquelle und von der Scannhöhe Δz ist. Diese Dekorrelation wird nicht durch die zeitliche Kohärenz des Lichtes [9] beschrieben, wie dies bei allen bisherigen Verfahren der Weißlichtinterferometrie der Fall ist, sondern durch die räumliche Kohärenz. Die räumliche Kohärenz bewirkt bei außeraxialer Anordnung wie die zeitliche Kohärenz eine Einengung der Einhüllenden des Interferogrammes (Korrelogrammes). Sie kann zusätzlich zur Wirkung der zeitlichen Kohärenz oder auch für weitgehend monochromatisch Lichtquellen für sich allein wirken und führt dazu, dass die Auswahl geeigneter Lichtquellen für die Korrelationsinterferometrie entscheidend vergrößert wird. Insbe sondere wird es durch die außeraxiale Anordnung möglich, einfache, kostengünstige und langlebige Leuchtdioden einzusetzen.