DE19516842A1 - Bestimmung mechanischer Verschiebungsfelder an Siliziumobjekten - Google Patents
Bestimmung mechanischer Verschiebungsfelder an SiliziumobjektenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur
Ermittlung von mechanischen Verschiebungsfeldern und daraus
abgeleiteter Größen an diffus streuenden Festkörpern
mikroskopischer Dimension und zur effektiven Weiterverarbeitung
der Meßdaten für Aussagen über die Zuverlässigkeit von
Mikrobauteilen, insbesondere aus Halbleitern (z. B. Silizium).
Es ist bekannt, mittels der holographischen Interferometrie
mechanische Verschiebungsfelder zu messen (FMC-Series
No. 37, 1987, Akademie der Wissenschaften der DDR, Institut für
Mechanik, S. 16). Ebenfalls bekannt ist der Einsatz des
Phasenshift-Verfahren in der holographischen Interferometrie
(Marwitz, H.: Praxis der Holographie/Grundlagen, Standart- und
Spezialverfahren, expert verlag 1990) sowie eine Anordnung zur
Durchführung hologramminterferometrischer Auflichtmikroskopie
(FMC-Series No. 26, Karl-Marx-Stadt, 1987, Akademie der
Wissenschaften der DDR, Institut für Mechanik, S. 192).
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine
Anordnung anzugeben, mit denen mechanische Verschiebungsfelder
an diffus streuenden Festkörpern mikroskopischer Dimension mit
sehr hoher Qualität bestimmt werden können, um aus den
erhaltenen Meßwerten das Spannungsfeld des Meßobjektes (infolge
konstanter Belastung) ermitteln zu können. Spannungen können
dabei sowohl auf mechanischer Ursache oder auf thermischer
Ursache (bei fest angeordneten Meßobjekten) beruhen. Thermische
Beanspruchung bei mechanisch nicht verrückbaren oder keine
Ausdehnung erlaubenden Meßobjekten (beispielsweise
Verbindungsstege oder Bonding-Anordnungen) führen zwangsläufig
zu den - zu erfassenden - mechanischen Spannungen.
Mit Kenntnis dieses Spannungs-Feldes sind Aussagen über die
Zuverlässigkeit oder Belastung der Meßobjekte möglich.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch kohärent-optische
Meßverfahren, z. B. die holographische Interferometrie, in
Verbindung mit einer Phasenshift-Einheit und einem
Bildverarbeitungssystem gelöst (Anspruch 1, Anspruch 11).
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das zunächst
(mechanisch) unbelastete Meßobjekt über ein Auflichtsystem
(Planglasilluminator und Mikroskopobjektiv) mit kohärentem
Laserlicht bestrahlt wird, und das vom Meßobjekt reflektierte
Licht, welches die Information über das Objekt enthält, durch
die Abbildungsoptik des Auflichtmikroskops auf eine in der
Zwischenbildebene stehende Hologrammplatte vergrößert abgebildet
wird, dort mit dem Referenzstrahl I des holographischen
2-Referenzstrahlmoduls interferiert, und das entstehende
Interferenzmuster auf der Hologrammplatte gespeichert wird.
Diese enthält als Hologramm die vollständige optische
Information über das mechanisch unbelastete Meßobjekt.
Danach wird das Meßobjekt mechanisch belastet, und der Vorgang
wiederholt, wobei das vom belasteten Objekt kommende Licht
diesmal mit dem Referenzstrahl II interferiert, und das
Interferenzmuster auf derselben Hologrammplatte gespeichert wird
(Anspruch 13).
Nach der Entwicklung der Hologrammplatte - moderne
Hologrammplatten sind auch ohne Entwicklung stabilisierbar -
wird diese wieder an die Stelle wie bei der Aufnahme gesetzt,
und das Hologramm mit zwei Referenzwellen zugleich
rekonstruiert.
Die dabei entstehenden Wellenfelder, die sich durch die Out-of
plane Verschiebung des Objektes voneinander unterscheiden,
treten dabei zueinander in Interferenz und es entsteht das
vergrößerte dreidimensionale Bild des Meßobjektes überzogen mit
einem Interferenzstreifenmuster. Durch einen in einem
Referenzzweig eingebauten computergesteuerten Piezospiegel kann
sehr präzise die Phase eines Referenzstrahles linear geschoben
werden, was sich in einer Veränderung des Interferenzmusters auf
dem Interferogramm des Meßobjektes äußert. Das wird durch das
Phasenshiftverfahren ausgenutzt.
Über eine Videokamera werden drei holographische Interferogramme
des Meßobjektes bei drei unterschiedlichen relativen Phasen in
den Bildspeicher eines Bildverarbeitungssystems (BVS) gelesen
und mit einfachen Algorithmen wird durch das am BVS
angeschlossenen Rechnersystem mit geeigneter Software die
Interferenzphase des holographischen Interferogramms und daraus
das mechanische Verschiebungsfeld des Meßobjektes mit hoher
Genauigkeit berechnet.
Im Versuch wurden Spannungsfelder simuliert, durch Aufbringen
rein mechanischer Spannungen, die im tatsächlichen
Anwendungsbereich der Mikrosystemtechnik aber auch thermische
Ursachen haben können (Anspruch 12).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
erläutert und ergänzt.
Fig. 1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel mit dem die
mechanischen Verschiebungsfelder eines Meßobjektes 1
erfaßt werden können. Eine Hologrammplatte 6 wird
einerseits beleuchtet bzw. belichtet (4, 5, 14) und
andererseits (7, 8, 10) abgetastet bzw. ausgewertet. Das
BVS ist durch zwei Sichtschirme 10 repräsentiert.
Das diffus streuende Meßobjekt 1, das mit Hilfe einer
Belastungsvorrichtung 2 unter eine definierte mechanische
Belastung gesetzt werden kann, wird über einen
Planglasilluminator 4 (halbdurchlässiger Spiegel) und durch das
Mikroskopobjektiv 3 beleuchtet. Dies entspricht dem in der
konventionellen Auflichtmikroskopie bekannten Prinzip der
Objektauflichtbeleuchtung.
Als Lichtquelle dient ein leistungsstarker Nd:YAG-Laserkopf 20
mit großer Kohärenzlänge. Um ein paralleles Lichtbündel hoher
Reinheit zu erhalten, wird der Objektstrahl durch einen
Kollimator 13 geleitet, der sekundäre Interferenzerscheinungen,
die z. B. an Spiegeln 14, Linsen 14a oder Prismen 14b durch
Mehrfachreflektion des Laserstrahles entstehen können,
unterdrückt. Dieser von Raumfrequenzen freie Laserstrahl wird
über eine stufenlos verstellbare Blende 12 dem bildseitigen
Linsendurchmesser des Mikroskopobjektiv 3 angepaßt, um
Rückreflektionen vom Mikroskopobjektiv 3, die sich im Hologramm
störend bemerkbar machen zu unterdrücken.
Das vom Objekt 1 diffus gestreute und reflektierte Licht, wird
vom Auflichtmikroskop-Objektiv 3 in ein paralleles Lichtbündel
gewandelt und trifft auf die Tubuslinse 5, die es wieder in ein
divergentes Lichtbündel wandelt.
Das Verfahren des bildseitig parallelen Strahlengangs hat den
Vorteil, daß man diverse optische Elemente (z. B.
Planglasilluminator 4, Filter o. ä.) in den bildseitigen
Strahlengang setzen kann, ohne das die Qualität des
Zwischenbildes nachhaltig beeinträchtigt wird; der Abstand von
Mikroskopobjektiv 3 und Hologrammplatte 6 ist so in gewissen
Grenzen frei wählbar.
Durch die Tubuslinse 5 wird das Bildfeld vergrößert, was einer
Erhöhung der Auflösung gleichkommt, da das Auflösungsvermögen
eines Hologramms nur von der Anzahl der Linien, die an der
Speicherung der Objektinformation beteiligt sind, abhängt.
Die Hologrammplatte 6 befindet sich an der Stelle, wo das reelle
vergrößerte Zwischenbild des zunächst mechanisch unbelasteten
Meßobjektes 1 entsteht. Dieses Zwischenbild wird holographisch
aufgezeichnet, indem die vom Objekt 1 kommenden Lichtstrahlen
mit dem Referenzstrahl I interferieren, und das dabei
entstehende Interferenzmuster auf der Hologrammplatte 6
gespeichert wird.
Für die holographische Interferometrie nutzt man, auf der
Hologrammplatte 6 zwei und mehr Hologramme zu speichern, die
sich - wenn sie im gleichen Winkel aufgenommen wurden - bei der
Rekonstruktion überlagern.
Dementsprechend wird eine zweite holographische Aufnahme des
reellen vergrößerten Zwischenbildes von dem nun definiert
belasteten Objekt 1 auf derselben Hologrammplatte 6 gespeichert,
diesmal aber in Interferenz mit einem zweiten Referenzstrahl II.
Beide Referenzstrahlen strahlen unter 45° auf die
Hologrammplatte 6 ein.
Die Hologrammplatte 6 wird z. B. auf photochemischen Wege
entwickelt und zur Rekonstruktion wieder an die gleiche
Position (x, y) wie zur Aufnahme (der zwei Interferenzbilder)
gesetzt. Die Rekonstruktion erfolgt mit beiden Referenzwellen
zugleich.
Bei der Rekonstruktion treten die beiden gespeicherten
Hologramme, die sich durch das mechanische Verschiebungsfeld
unterscheiden, in Interferenz zueinander und das entstehende
Interferogramm wird mit der Videokamera 8 aufgenommen und in den
Bildspeicher eines Bildverarbeitungssystems 10 gelesen.
In dem Referenz-Strahlenweg (I oder II) wird ein Phasenschieber
(als Piezospiegel 11) angeordnet. Er wird über eine
Steuereinrichtung 9 angesteuert, die von dem
Bildverarbeitungssystem (BVS) 10 oder dem Programm gesteuert
werden kann, das die rechnerische Auswertung der mehrfach
belichteten Hologrammplatte 6 übernimmt.
Durch eine - z. B. über die Auswertesoftware des Rechners
definierte - Ansteuerung des Piezospiegels 11 werden in einem
der Referenzzweige definierte Phasenschiebungen durchgeführt.
Diese bewirken eine Veränderung des Interferenzmusters, das vom
Bildverarbeitungssystem (BVS) erfaßt wird.
In das Bildverarbeitungssystem 10 werden drei Bilder als jeweils
unterschiedliche Interferogramme eingelesen und zur Auswertung
herangezogen. Mit einfachen Algorithmen wird die
Interferenzphase und das mechanische Verschiebungsfeld bestimmt
und kann als 3-D-Plot dargestellt werden, wobei die Genauigkeit
optimal 1/200 der zur Aufnahme verwendeten Lichtwellenlänge
beträgt. Durch die einfachen Algorithmen läßt sich außerdem eine
hohe Geschwindigkeit bei der Auswertung erreichen. Die gesamte
Auswertung inklusive der Entwicklung der Hologrammplatte kann in
einer halben Stunde erfolgen.
Besonders eignet sich die berührungslose Messung der
Objektveränderungen unterhalb der Lichtwellenlänge für die
Mikro-Systemtechnik, z. B. die Verbindungstechniken (Bonding),
die Mikromechanik, die Mikroelektronik. Mechanische
Verschiebungen und thermisch verursachte Dehnungen können bei
geringem Zeitaufwand - heute schon ohne die Zwischenschaltung
einer Entwicklung der Hologrammplatte 6 - mit großer Genauigkeit
bestimmt werden, gegebenenfalls auch sichtbar gemacht werden.
Mit einer Verbesserung der Auflösung kann gerechnet werden, wenn
eine aktive Streifenstabilisierung - zur Kompensation der
Phasenvariationen durch Luftturbulenzen - eingesetzt wird.
Claims (13)
1. Verfahren zur berührungslosen Bestimmung (mechanischer)
Spannungsfelder an diffus streuenden Meßobjekten (1),
insbesondere mikroskopischer Dimension, bei dem
- (a) auf einer Hologrammplatte (6) die vollständige erste optische Information über das (mechanisch) unbelastete Meßobjekt (1) aufgezeichnet wird;
- (b) das Meßobjekt (1) mit einer Belastungseinrichtung (2) belastet (F) wird oder aufgrund von mechanischer oder thermischer Beanspruchung belastet wird und die vollständige zweite optische Information auf derselben Hologrammplatte (6) aufgezeichnet wird;
- (c) die im Bild stabilisierte Hologrammplatte - z. B. nach Entwicklung oder dergleichen - an der Stelle der Aufzeichnung gleichzeitig mit zwei Referenzstrahlen (I, II) bestrahlt wird, um mit einem Bildverarbeitungs-System (10) die sich durch Interferenz bildenden Interferenzstreifenmuster auf der 3-D-Abbildung des Meßobjektes (1) aufzuzeichnen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem einer der
Referenzstrahlen (I, II) bei der Messung gemäß (10) in seiner
Phasenlage verändert wird, um die Interferenzstreifenmuster
zu verändern.
3. Verfahren nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem die
vollständige erste optische Information das
Interferenzmuster aus dem vom Meßobjekt (1) - bei Bestrahlen
mit kohärentem Licht - reflektierten Licht und einem ersten
Referenzstrahl (I) ist, wobei die Interferenz in der
Zwischenbildebene einer Abbildungsoptik der
Bestrahlungseinrichtung (3, 4) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem die
vollständige zweite optische Information das
Interferenzmuster aus dem vom Meßobjekt (1) - bei Bestrahlen
mit kohärentem Licht - reflektierten Licht und einem zweiten
Referenzstrahl (II) ist, wobei die Interferenz in der
Zwischenbildebene einer Abbildungsoptik der
Bestrahlungseinrichtung (3, 4) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem
mehrere, insbesondere drei Interferenzbilder bei
verschiedenen relativen Phasenlagen des einen
Referenzstrahles im Bildsystem (10) aufgezeichnet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die verschiedenen
Phasenlagen äquidistant im 2π-Intervall der Lichtwellenlänge
liegen.
7. Verfahren nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem aus
den aufgezeichneten Interferenzstreifenmustern, insbesondere
den mehreren Interferenzbildern, im Bild-Verarbeitungssystem
das mechanische Verschiebungsfeld des Meßobjektes (1) im
belasteten Zustand gegenüber dem (thermisch oder mechanisch)
unbelasteten Zustand errechnet wird.
8. Verfahren nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem die
von dem belasteten oder unbelasteten Meßobjekt (1) kommenden
Strahlen in einer - der Mikroskop-Optik nachgeschalteten -
Tubuslinse (5) in ein divergentes Lichtbündel gewandelt
wird.
9. Verfahren nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem die
Interferometrie eine holographische Interferometrie ist.
10. Verfahren nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem die
beiden Referenzstrahlen (I, II) unter denselben Winkeln auf
die Hologrammplatte (6) einstrahlen.
11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
erwähnten Ansprüche, bestehend aus:
- (a) einer (mechanischen) Belastungseinrichtung (F, 2) mit der ein Meßobjekt (1) unter eine definierte mechanische Spannung setzbar ist oder entlastbar ist;
- (b) einem an die holographische Interferometrie angepaßten Auflichtmikroskop (3, 4, 12, 13), um das belastete oder unbelastete Meßobjekt (1) zu beleuchten;
- (c) einem 2-Referenzstrahl-Modul (14, 14b, 11, 9, 14, 14a), um einen der Referenzstrahlen eine definierte Phasenverschiebung gegenüber dem anderen zu geben;
- (d) einem Bild-Verarbeitungssystem (10) zur Aufnahme der Interferenzbilder der mit zwei holographischen Interferenzbildern versehenen Hologrammplatte (6).
12. Anordnung nach Anspruch 11, bei der die mechanische Spannung
Ursache einer thermisch oder mechanisch das Meßobjekt (1)
belastenden Belastungseinrichtung (2, F) ist.
13. Mehrfach belichtete Hologrammplatte (6) für eine Anordnung
nach Anspruch 11 oder 12 oder ein Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis 10, bei der zwei verschiedene Hologramme von
einem unterschiedlich belasteten mikroskopisch kleinem
Objekt (1) ineinander aufgezeichnet sind.
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WO2003062844A1 (de) * | 2002-01-25 | 2003-07-31 | Austria Wirtschaftsservice Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Verfahren und einrichtung zum optischen testen von halbleiterbauelementen |
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GB2018455A (en) * | 1978-04-03 | 1979-10-17 | Goodyear Tire & Rubber | Determining depth location of separations within a tyre |
DE3718327A1 (de) * | 1987-06-01 | 1988-12-22 | Rottenkolber Holo System Gmbh | Vorrichtung zur durchfuehrung von holographischer interferometrie |
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- 1995-05-08 DE DE19516842A patent/DE19516842C2/de not_active Expired - Fee Related
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