DE2533906A1

DE2533906A1 - Beruehrungslose oberflaechen-pruefvorrichtung

Info

Publication number: DE2533906A1
Application number: DE19752533906
Authority: DE
Inventors: Alvin Herbert Rosenfeld; Carl Andrew Zanoni
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 1974-07-29
Filing date: 1975-07-29
Publication date: 1976-02-19
Also published as: US3885875A

Description

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dlpl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-Ing F. KUnciseiserv - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE

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8 MÜNCHEN 2.

BRÄUHAUSSTRASSE 4

6/Li Z 13

ZYGO CORPORATION, Middlefield, Conn.,USA

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Berührungslose Oberflächen-Prüfvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine berührungslose Oberflächen-Prüfvorrichtung, die insbesondere für eine genaue Messung entweder des Profils einer Oberfläche oder der ersten Ableitung des Oberflächenprofils oder beides bestimmt ist. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem berührungslosen elektro-optischen Gerät für eine solche Messung, bei der das Profil und der Profilverlauf von Reflexionsflächen gemessen werden, welche nicht genau zueinander ausgerichtet zu sein brauchen.

Zum genauen Messen des Oberflächenprofils von weichen, empfindlichen, heißen oder sich bewegenden Gegenständen müssen berührungslose Sensoren verwendet werden. Bisherige

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Vorrichtungen dieser Art enthalten kapazitive Meßeinrichtungen, Wirbelstrommeßeinrichtungen, Luftmeßeinrichtungen und optische Sensoren. Nur die optischen Sensoren können mit ausreichender Empfindlichkeit über Strecken arbeiten, die größer als ein kleiner Bruchteil eines Zolls sind. Die nicht optischen Meßeinrichtungen weisen eine mechanische Abtastung einer Oberfläche entlang vorgegebener Bahnen auf, um das Oberflächenprofil exakt bestimmten zu können.

Optische Sensoren weisen aufgrund der Eigenschaft des Lichts verschiedene Vorteile auf. Die Hauptvorteile sind:

(1) Es ist keine unmittelbare mechanische Berührung zwischen dem Sensor und dem zu messenden Gegenstand erforderlich.

(2) Der Abstand zwischen dem Sensor und dem zu messenden Gegenstand kann entsprechend groß gewählt werden.

(3) Die Ansprechzeit ist durch jene des Photodetektors und seiner Elektronik bestimmt.

(4) Lichtschwaricungen sind direkt in elektrische Signale umformbar.

(5) Die Messungen sind unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des Gegenstandes.

(6) Ein Lichtstrahl kann schnell und präzis abtastend geführt werden.

(7) Das Licht greift die zu prüfende Oberfläche weder chemisch an noch tritt eine Verformung auf.

Bekannte optische Sensoren sind beispielsweise- Autokollimatoren, berührungslose Fühler, Bildunschärfen-Detektoren, Interferrometer und Vorrichtungen, die nach dem Prinzip der Moire-Streifenbilder arbeiten.

Autokollimatoren ermöglichen sehr empfindliche Messungen des Oberflächengefälles bzw.des Oberflächenverlaufs; wenn jedoch mehr als ein bestimmter Bereich einer Oberfläche geprüft werden soll, ist es erforderlich, entweder den Autokollimator oder

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den zu messenden Gegenstand mechanisch abzutasten.

Bei einem optischen Fühler ist eine präzise mechanische Abtastung entweder des Fühlers oder des zu messenden Gegenstandes erforderlich.

Aus bestimmten Gründen kann eine präzise mechanische Abtastung nicht durchgeführt werden. Zum einen ist die Meßgeschwindigkeit ziemlich gering, da zur mechanischen Abtastung viel Zeit benötigt wird. Aus diesem Grunde sind diese Meßmethoden zum Messen einer großen Anzahl von Gegenständen nicht anzuwenden. Zum anderen ist eine gleichmäßige Durchführung des Meßvorgangs sehr schwierig, wenn eine mechanische Abtastung vorgesehen ist.

Eine Vorrichtung zum automatischen Messen der Ebenheit von Spiegelreflexionsflächen ist in der US-PS 3 761 179 beschrieben. Mit dieser Vorrichtung kann eine große Anzahl von Gegenständen gemessen werden, und der Meßvorgang basiert auf der BildunschärfenbeStimmung. Insbesondere ist zur Messung ein photoelektrischer Foulcault-Messerschneidensensor vorgesehen. Die Lichtintensitätsanderungen aufgrund der Unebenheit der zu prüfenden Spiegelfläche werden hierbei ermittelt. Diese Vorrichtung ist jedoch sowohl in optischer, mechanischer und elektronischer Hinsicht kompliziert aufgebaut, da die Messung auf Lichtintensitätsänderungen basiert, welche einen Rückschluß auf die Unebenheit zulassen.

Ein weiterer berührungsloser, optischer Sensor zum Messen von Oberflächenprofilen ist das optische Interferometer. Interferometer weisen eine hohe Empfindlichkeit auf, und als Meßdaten werden sogenannte Streifenbilder bestimmt, die einer Anzahl von Oberflächenkonturen entsprechen. Wenn jedoch die Oberflächenfehler einen Bruchteil der Wellenlänge des Lichts überschreiten, ergibt sich ein Streifenbild, das so komplex ist, daß keine einfache Auswertung und quantitative Bestimmung möglich ist.

Wird die Phase bei dem Streifenbild photoelektrisch bestimmt, können die oben aufgezeigten Schwierigkeiten überwunden werden, jedoch sind ein komplizierter Aufbau und entsprechend hohe Kosten in Kauf zu nehmen.

Für viele Prüfvorrichtungen ist ein Interferometer zu empfindlich. Die Empfindlichkeit eines Interferometers kann dadurch reduziert werden, daß große Einfallwinkel auf die Oberfläche des zu messenden Gegenstandes gewählt werden. Um eine entsprechende Empfindlichkeitsabnahme zu erreichen, ist ein sehr grosser Einfallswinkel erforderlich, z.B. 80 bis 85°. Die Interferometrie eines auftreffenden Lichtstrahles ist bei Prüfungen mit Vignettierung geeignet; da jedoch meistens eine variable Empfindlichkeit erforderlich ist, kann sie häufig nicht Verwendung finden.

Mit Meßmethoden, die auf Moire-Streifenbildern basieren, können Konturen von Oberflächen bestimmt werden. Obwohl die Meßmethode, die auf Moire-Streifenbilder basiert, weniger empfindlich als die Methode, die auf der optischen Interferometrie basiert, ist, liegt zwischen beiden ein großer Anwendungsbereich, für die beide Meßmethoden nicht geeignet sind.

Die bekannten Meßmethoden zum Messen von Oberflächenprofilen sind für einige Messungen geeignet, bei genauen Messungen jedoch bei und während der Herstellung von Gegenständen oftmals ungeeignet. Im Elektronikbereich müssen das Oberflächenprofil und die Unebenheit über eine Anzahl von Durchmessern der Siliziumwafer oder der Siliziumschalterdecks bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen gemessen werden. Ebenfalls im Elektronikbereich müssen das Oberflächenprofil und die Unebenheit über eine Anzahl von Durchmessern' der Glasphotomasken gemessen werden, die im photolitographischen Abschnitt des Herstellungsvorgangs benötigt werden. Bei beiden Beispielen liegt die Oberflächenunebenheit in einem Bereich von ungefähr

0,0000125 Ms 0,00125 cm (0,000005 inch bis 0,0005 inch), d.h. zwischen A/5 bis 25 ."K ,wobei j\ = 6328 Ϊ ist, wobei die Oberflächen SpLegelref lektoren darstellen und eine große Anzahl von Gegenständen gemessen bzw. geprüft werden müssen.

In Harrison - IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 13, Nr.3, August 1970, S. 789 und 790 ist vorgeschlagen, einen Spiegel zu einer Halbspiegelreflexionsfläche mit einem parallelen Laserstrahl abzutasten und die Verschiebung des reflektierten Strahls mit einem photoelektrischen Positionssensor zu messen. Hierbei soll das Oberflächenprofil der Fläche gemessen werden. Diese Vorgehensweise ist für diesen Problemkreis geeignet, jedoch ist das von Harrison vorgeschlagene Vorgehen mit Schwierigkeiten im mechanischen und optischen Bereich verbunden. Um ein exaktes Meßergebnis zu erzielen, muß die Oberfläche senkrecht zu dem einfallenden Lichtstrahl stehen, sonst ist das Profilmeßergebnis mit der Schräglage oder der Neigung der Ober-· fläche behaftet. Da.hierbei eine exakte Einjustierung vorgesehen sein muß, ist diese Vorgehensweise bei schnellen Messungen ungeeignet, da jegliche Neigungsänderung von Probe zu Probe bei der Einjustierung berücksichtigt werden muß. Insbesondere ist bei diesem Verfahren eine achsentfernte Messung bezüglich der Kollimationslinse vorgesehen, so daß die Meßergebnisse mit einem beträchtlichen Meßfehler behaftet sind.

Die Erfindung zielt darauf ab, eine elektro-optische Oberflächen-Prüfvorrichtung so auszubilden, daß das Oberflächenprofil und die Unebenheit der Oberfläche vieler Gegenstände unabhängig von der Schräglage der Fläche oder deren Neigung schnell gemessen werden können.

Vorzugsweise ist die OberflächenprUfvorrichtung so ausgelegt, daß die Messung bei variabler Empfindlichkeit und extrem hoher Genauigkeit durchführbar ist. Ein elektro-optische Oberflächen-Prüfvorrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß durch eine einen schmalen Paralel 1 ichtstrahl erzeugende Strahlungsenergiequelle,

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vorzugsweise zum Erzeugen von polarisiertem Licht von einem Laser,durch eine Einrichtung zum Fokussieren des Strahls auf eine sich gleichförmig drehende Reflexionsfläche, durch eine Kollimationseinrichtung für den reflektierten Strahl zur Bildung eines linearen Abtastlichtstrahls, welcher über einen reflektierenden Prüfgegenstand abtastend geführt ist, durch eine Einrichtung zum Sammeln des linearen Abtastlichtstrahls, nachdem dieser an der Oberfläche des Prüfgegenstandes reflektiert worden ist und zum Fokussieren des reflektierten Lichtstrahls auf einen phötoelektrischen Positionssensor, durch eine Verarbeitungseinrichtung für den Ausgang des Positionssensors zur Bestimmung eines Ausgangs, der die erste Ableitung des Oberflächenprofils des Prüfgegenstandes entlang der Schnittlinie des linearen Abtastlichtstrahls und der Oberfläche des Prüfgegenstandes darstellt, durch eine weitere Verarbeitungseinrichtung für den Ausgang, an dem die erste Ableitung anliegt, zum Erzeugen eines Ausganges, der das Oberflächenprofil des Prüfgegenstandes entlang der Schnittlinie des linearen Abtastlichtstrahls und der Oberfläche des Prüfgegenstandes darstellt, und eine weitere Bestimmungseinrichtung am Ausgang des Positionssensors zurErmittlung der ersten Ableitung des Oberflächenprofils und des Oberflächenprofils, unabhängig von der Neigung oder Ausrichtung der Oberfläche des Prüfgegenstandes in bezug auf die Vorrichtung, aus.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Draufsicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung, die jener in Fig. 1 gezeigten ähnlich ist;

Fig. 3 ist eine Schnittansieht entlang der Linie 3-3 in Fig. 1;

6 0 9 R G 8 / Π 7 U 7

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm der Schaltung zur Ermittlung der ersten Ableitung und des Oberflächenprofils.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm der Schaltung zur Ermittlung der ersten Ableitung und des Oberflächenprofils, unabhängig von der Ausrichtung der Prüffläche bezüglich der Vorrichtung.

Die vorliegende Erfindung ist für Strahlungsquellen bestimmt, und die nachstehende Beschreibung bezieht sich beispielsweise auf eine optische Meßanordnung. Die Bezeichnung "Strahlungsenergie" beinhaltet hier insbesondere elektromagnetische Energie aller Frequenzbereiche.

Bezugnehmung auf Fig. 1 sind eine Lichtquelle, wie z.B. eine Wolfram-Glühlampe, eine Xenon-Glühlampe, eine Leuchtdiode, oder andere Strahlungsenergiequellen, insbesondere ein Gaslaser 10 vorgesehen, welche optische Energie für einen schmalen, nahezu parallelen, linear polarisierten Strahl 11 in Fig. 1 erzeugt. Der Spiegel 12 reflektiert den Strahl 11, so daß der reflektierte Strahl parallel zu der optischen Achse der Linse 13 verläuft. Die Linse 13 wandelt den parallelen Strahl 11 in einen konvergierenden Strahl 14 um und fokussiert den Strahl 14 auf einem sich gleichförmig drehenden Abtastprisma 17, nachdem der Strahl die Polarisationsstrahl-Tßileinrichtung . 16 passiert hat. Eine Polarisationsstrahl-Jeil einrichtung überträgt die "p"Polarisationskomponente des EingangsStrahls und reflektiert die "s" Polarisationskomponente des Eingangsstrahls. Mit "p" ist die Polarisationskomponente in der Ebane bezeichnet, die durch den auftreffenden Lichtstrahl und durch die Normale zu der Strahltei l.ungsflache bestimmt ist. Mit "s" ist die Polarisationskomponente bezeichnet, die senkrecht zu der Ebene steht, die durch den auftreffenden Strahl und die Normale der Strahlteil ungsf lache bestimmt ist. Die Polarisationsorientierung des linear polarisierten Lichts 14 ist so getroffen, daß überwiegend die "p" Komponente vorherrscht. Aus diesem Grunde wird der Strahl 14 vollständig über die Polarisationsstrahl-Ieilein-

S Π Q R 0 B / Π 7 4 7

richtung 16 übertragen. Da bei der Reflexion an der Oberfläche des sich drehenden Prismas der Polarisationszustand des Lichtstrahls unverändert bleibt, wird der von der Spiegelfläche des Prismas reflektierte Strahl 19 nahezu vollständig über die Polarisationsstrahl-. Tei]einrichtung 16 parallel zur optischen Achse der Linse 13 übertragen. Eine Verzögerungsplatte 15 für eine Viertelwelle weist eine optische Achse auf, die unter 45° zu der Polarisationsrichtung des auftreffenden Strahls 19 liegt. Das linear polarisierte Licht wird folglich in ein zirkulär polarisiertes Licht umgeformt. Da eine Polarisationestrahl- Teileinrichtung in Verbindung mit einer Verzögerungsplatte für eine Viertel Welle vorgesehen ist, tritt ein geringer Strahlenenergieverlust an der Strahl teil einrichtung auf. Bei einer solchen Anordnung ist die Lichtdurchsatzleistung ungefähr um einen Faktor von 4 größer als bei einer bekannten 50-50 Strahl te ileinrichtung für einen linear polarisierten Einfallsstrahl.

Der an dem Abtastprisma 17 reflektierte Lichtstrahl ist ein divergierendes Bündel 19, der eine Winkelabtastung in einer Ebene orthogonal zu der Drehachse des Prismas 17 ermöglicht. Das Prisma 17 dreht sich gleichförmig mit Hilfe eines elektromechanischen Wandlers 18, der einen Motor und eine entsprechende Lagerung enthält. Wenn eine ausreichende Gleichmäßigkeit der Winkelgeschwindigkeit während der Abtastung des zu messenden Gegenstandes sichergestellt ist, kann eine galvanometrische Abtasteinrichtung vorgesehen sein. Die Linse 13 wandelt das divergierende Bündel 19 in ein paralleles Bündel 20 um und gleichzeitig das sich drehende, divergierende Abtaststrahlbündel 19 in einen gleichmäßigen linearen Abtaststrahl 20 um. Der Strahl 20 ist zirkulär polarisiert. Der Strahl 20 trifft auf die Oberfläche des Prüfgegenstandes 21 auf. Die zu prüfende Oberfläche ist vorzugsweise spiegelreflektorisch, nahezu eben und ungefähr senkrecht zu dem Abtaststrahl 20. Der an der Oberfläche 21 reflektierte Strahl wird mit der Linse 13 gesammelt, die ein konvergierendes Bündel liefert, das die Verzögerungsplatte 15

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passiert. Da bei der Reflexion an der Fläche 21 die zirkuläre Polarisation ins Gegenteil verkehrt wird,weist der reflektierte Strahl überwiegend eine "s" Polarisation nach Durchgang durch die Verzögerungsplatte 15 auf. Aus diesem Grunde wird der Strahl total an der Polarisationsstrahl- Teileinichtung reflektiert, und es entsteht ein Strahl 25, der auf den photoelektrischen Positionssensor 26 fokussiert wird. Der Positionssensor 26 weist einen Ausgang auf, der die Position des Lichtflecks auf seiner photosensitiven Oberfläche kennzeichnet.

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, mit der eine höhere Genauigkeit erzielbar ist. Eine Verstärkungslinse 27 ist im Strahlengang des Strahls 25 vor dem Positionssensor 26 angeordnet, wodurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung zunimmt und eine größere Genauigkeit sichergestellt ist.

•Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird das Profil der Prüffläche entlang der Linie mit Hilfe des Abtaststrahls 20, der mit y(x) dargestellt ist, abgetastet. Die Position D(x) des Lichtflecks in x-Richtung auf dem Positionssensor 26 ergibt sich durch folgende Gleichung

D(_X) π2·φ .J ' . .(1)

wobei f die Brennweite der Linse 13 und m die Winkelabweichung, d.h. die Schräglage der Fläche 21 in bezug zu der exakten senkrechten Lage zum Strahl 20 bezeichnet ist. m ist eine Konstante, wenn die Vorrichtung und der Prüfgegenstand relativ zueinander feststehen. Nach Umformung der Gleichung (1) ergibt sich

6038*38/0747

[Di*) 3/(2f) - -η . "(2)

Somit ist D(x) und f von ^ abhängig und enthält eine unbekannte Konstante m. Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird beschrieben, wie die unbekannte Konstante m, welche von Messung zu Messung veränderlich ist, gemessen und kompensiert werden kann. Durch Integration der Gleichung (2) ergibt sich das Oberflächenprofil y(x) zu

■)äx'--nfc,. (3).

wobei k eine Integrationskonstante ist. Bei einem linearen Abtaststrahl 20 beträgt die Abtastgeschwindigkeit V = 2·0 *i\wobei 9_m die Winkelgeschwindigkeit des Abtastprismas 17 und f die Brennweite der Linse 13 bezeichnet. Da θ eine Konstante ist, gilt χ = V »t, wobei t die Zeit bezeichnet ist. Folglich ist

irr = V . Die oben aufgeführten Gleichungen sind folglich als Gleichungen mit d als unabhängige Variable anstatt in Abhängigkeit von der Raumkoordinate χ durch folgende Substitution darstellbar: χ = V »t und dx/dt = V . Aus Gleichung (3) ergibt sich

Z )df ink ■

2f

Für die Abweichung der zu prüfenden Unebenheit ist der Tangens eines Winkels ungefähr gleich dem Winkel im Bogenmaß als ausreichend genau angenommen.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm der Schaltung zur Bestimmung der ersten Ableitung und des Oberflächenprofils am Ausgang. Der photoelektrische Positionssensor 26 ist als ein fertiges Bau-

6 η 9 B ■(] 8 / 0 7 U 7

teil im Handel beispielsweise unter der Bezeichnung PIN-SC/10 von United Detector Technology, Inc. erhältlich und weist zwei Ausgänge auf. In Fig. 4 sind die Ausgänge mit 30 und 31 bezeichnet. An den Ausgängen 30 und 31 liegen Lichtströme an. Die Größe jedes Lichtstroms ist proportional zu der Position des Lichtflecks relativ zu der Null-Position und zu der Lichtleistung, die an dem Lichtfleck in Watt angegeben ist. Wenn der Lichtfelck in der Null-Position eingestellt ist, sind die beiden Lichtströme 30 und 31 gleich. Bewegt sich der Fleck nach einer Seite von der Null-Position, nimmt der Lichtstrom an dieser Seite in Abhängigkeit von der Distanzverschiebung zu, und der Lichtstrom der anderen Seite nimmt in Abhängigkeit von der Distanzverschiebung ab. Demzufolge stellt die Differenz zwischen den beiden Lichtströmen des Sensors eine Meßgröße für den Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Lichtflecks und der Null-Position dar. Die Proportionalitätskonstante ist eine direkte Funktion der Lichtleistung am Lichtfleck. Wenn folglich entweder die Ausgangsleistung des Lasers oder die Reflexion an dem Prüfkörper sich ändern oder sich auch beide ändern, ergibt sich eine Ungenauigkeit in der quantitativen Bestimmung der Position des Flecks in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den beiden Lichtströmen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird als Meßgröße das Verhältnis zwischen der Differenz und der Summe der beiden Lichtströme bestimmt, die eindeutig die Position des Lichtflecks wiedergibt.

In Fig. 4 dienen die Vorverstärker 32 und 33 zur Widerstandsanpassung, und die Spannungsausgänge sind proportional zu den beiden Lichtströmen 30 und 31. Die Summe, J!E ,38 und die Differenz & I 39 liegen am Eingang der Frequenzteilerschaltung 40 an, mit der das Verhältnis von Differenz zu Summe gebildet wird. Am Ausgang 41 der Frequenzteilerschaltung liegt eine Größe an, die direkt proportional zu der Position des Lichtflecks auf dem Sensor 26 ist. Demzufolge ist D(x) in Gleichung (2) proportional zum Ausgang 41. Liegt der Ausgang 41 am Eingang des Integrators

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42 an, ergibt sich ein Ausgang 43, der y(t) in Gleichung 4 entspricht.

Der Ausgang 43 kann an einer Kathodenstrahlröhre CRT, die mit 44 bezeichnet ist, aufgezeichnet werden. Ein bekanntes Oszilloskop oder ein Kathodenstrahl-Röhrenmonitor ist als Anzeigeeinrichtung vorgesehen.

Die Empfindlichkeit des Kathodenstrahlmonitors ist dadurch leicht veränderbar, daß die Verstärkung an der entsprechenden Skala einstellbar ist. Der Ausgang 41 ist linear proportional zu der ersten Ableitung des Oberflächenprofils dy/dx. Es tritt eine Konstante auf, die der Gesamtneigung der Prüffläche 21 entspricht, die als Additionsgröße in die obigen Beziehungen eingeht (vergl. Gleichungen 1- und 2). Die Ausgänge 41 und 43 enthalten eine Information über das Oberflächenprofil, nur wenn die Oberfläche 21 senkrecht zu dem Abtaststrahl 20 liegt. Die Ausrichtung der Fläche 21 senkrecht zu dem Strahl 20 kann manuell durchgeführt werden, jedoch ist eine solche Vorgehensweise für die meisten Anwendungsgebiete ungeeignet. Aus diesem Grunde ist für die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise eine Verarbeitungseinrichtung für den Ausgang 41, der in Fig.5 gezeigt ist, vorgesehen.

Da der Ausgang 41 proportional zu der ersten Ableitung des Oberflächenprofils und der Neigung der Fläche des zu prüfenden Gegenstandes ist, kann mit der Vorrichtung zuerst die Neigung mit einer ersten Abtastung bestimmt werden, dieser Wert wird gespeichert und diese Konstante wird vom Ausgang bei der nächsten Abtastung abgezogen. Auf diese Art und Weise wird ein Ausgang erhalten, der direkt proportional zu der ersten Ableitung des Oberflächenprofils unabhängig von der Neigung der Fläche ist.

In Fig. 5 liegt der Ausgang 41 2L/£. bei jeder Abtastung

6 ti s .ρ o e / ο ι ui

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wechselweise am Eingang des Integrators *1 52 und der Differenzschaltung 57 an.

Der Schalter und die Schaltung 50 sind für diese Funktion bestimmt. Mit dem Schalter 50 wird der Ausgang 41 an den Eingang des Integrators *1 52 bei einer Abtastung angelegt. Der Integrator*52 weist eine Integrationszeit auf, um das durchs schnittliche Gefälle bei der Abtastung zu bestimmen. Der Wert des durchschnittlichen Gefälles, Ausgang 53, wird in der Tastspeicherschaltung 54 gespeichert. Bei der nächsten Abtastung wird der Ausgang 41 über den Sehalter 50 an einen Eingang der Differenzschaltung 57 angelegt. Der Ausgang der Tastspeicherschaltung 54 liegt am anderen Eingang der Differenzschaltung 57 an. Der Ausgang 58 der Differenzschaltung ist folglich proportional zu der ersten Ableitung des Oberflächenprofils, unabhängig von der Neigung bzw. Schräglage der Fläche 21. Der Ausgang 58 wird mit dem Integrator *2 59 integriert und ■liefert einen Ausgang 60, der das Oberflächenprofil unabhängig von der Schräglage der Fläche 21 angibt. Der Ausgang 60, an dem das Oberflächenprofil anliegt, wird auf einem Kathodenstrahlgerät CRT 61 aufgezeichnet.

Erforderlichenfalls kann der Ausgang 58 der Differenzschaltung 57 an einem Detektor zur Bestimmung des Verhältnisses von Minimum-zu-Maximum-Amplitude angelegt sein, der mit 70 bezeichnet ist und einen ersten Komparator 71 enthält, so daß eine Beziehung bezüglich der Steilheit des Gefälles der Oberfläche entlang der Abtastzeile bestimmbar ist. Auf diese Art und Weise kann eine Profiltiefenbestimmung durchgeführt werden. Wird ein bestimmter Soll-Wert für das Gefälle vorgegeben, wird der Ausgang 65 des Komparators mit einem Selektionsschalter verbunden, mit dessen Hilfe eine Gut-Schlecht-Auswertung des zu prüfenden Gegenstandes vorgenommen wird, so.daß die Prüfgegestände automatisch durchgelassen oder als Ausschuß ausgeschieden werden.

6 Π 9-ft Qß /Ό7Α7

Ähnlich kann der Ausgang 60 des zweiten Integrators 59 an einem zweiten Detektor 62 zur Bestimmung des Verhältnisses von Minimum-zu-Maximum-Amplitude bzw. zur Bestimmung der Rauhtiefe anliegen,und ein zweiter Komparator 63 ist angeordnet, so daß Abweichungen von der Ebenheit über die gesamte Abtastzeile hinweg bestimmbar sind. Der Ausgang 64 dieses Komparators liegt an einem Selektionsschalter an, mit dem eine Auswahl nach dem Gut-Schlecht-Prinzip getroffen wird, so daß die Prüfgegenstände automatisch durchgelassen oder als Ausschuß in Abhängigkeit von der Abweichung von der Ebenheit ausgeschieden werden.

Da eine Abtastung über eine Oberfläche,beispielsweise eines Siliziumwafers, innerhalb einer 5Otel bis lOOtel Sek. durchgeführt ; werden kann, kann die Oberfläche mit 50 bis 100 Zeilen abgetastet werden, und ein Durchsatz von 60 Wafers pro Minute ist erzielbar. Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist somit eine automatische und schnelle Prüfung in großem Umfange bezüglich der Ebenheit mehrerer Gegenstände durchführbar.

Wenn mit ζ die Koordinate senkrecht zu der x-y-Ebene in Fig. 3 bezeichnet und wenn ein Zweiachspositionssensor vorgesehen ist, kann dy/dz gleichzeitig mit dy/dx bestimmt werden, so daß Informationen in zwei unabhängigen Richtungen gleichzeitig ermittelbar sind. Die Verarbeitung erfolgt über weitere getrennte Schaltungen, wie sie in den Fig. 4 und 5 dargestellt und anhand der entsprechenden Beschreibung erläutert sind.

6 Π 9 «0ß / 0 1

Claims

Patentansprüche

1.) Oberflächen-Prüfvorrichtung zum Messen des Oberflächen-"w/ profils und der ersten Ableitung des Oberflächenprofils eines nahezu ebenen, reflektierenden Gegenstandes, gekennzeichnet durch eine einen schmalen Strahl erzeugende Strahlungsenergiequelle, welche einen schmalen, parallelen Strahl liefert, durch eine Einrichtung zum Fokussieren des Strahls auf eine sich gleichförmig drehende Reflexionsfläche zur Erzeugung eines Reflexionsstrahls mit einer optischen Achse, die einer Einrichtung zur Umwandlung des reflektierten Strahls in einen linear abtastend geführten Strahl entspricht, der über die Oberfläche des Prüfgegenstandes abtastend geführt ist und von dort reflektiert wird, durch eine Einrichtung zum Sammeln des an dem Prüfgegenstand reflektierten Strahls und zum Fokussieren dieses Strahls auf einem photoelektrischen Positionseensor, durch eine Verarbeitungseinrichtung für den Ausgang des Positionssensors zur Bestimmung der ersten Ableitung des Oberflächenprofils des Prüfgegenstandes entlang einer Schnittlinie des linear abtastend geführten Strahls und der Oberfläche des Prüfgegenstandes, durch eine Verarbeitungseinrichtung für die erste Ableitung zur Bestimmung des Oberflächenprofils des Prüfgegenstandes entlang dieser Schnittlinie und eine Verarbeitungseinrichtung für den Ausgang des Positionssensors, wobei die erste Ableitung und das Oberflächenprofil unabhängig von der Schräglage oder der Ausrichtung der Fläche des Prüfgegenstandes bezüglich der Vorrichtung bestimmbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlunsenergiequelle ein Gaslaser ist, der einen

f! fl 3 R G R / 0 7 4 7

schmalen, parallelen Strahl eines polarisierten Lichtes liefert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Sammeln und Fokussieren des am Prüfgegenstand reflektierten Strahls eine Linse, eine Verzögerungsplatte, durch die der Strahl auf eine Polarisationsstrahlteil einrichtung in einer einzigen Polarisationsebene auftrifft, die nahezu total an der Strahl teil©inrichtung reflektiert wird und eine Linse zum Fokussieren des an der Strahlte i!.einrichtung reflektierten Strahls auf einen photoelektrischen Positionssensor aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung für den Ausgang des Positionssensors zur Ermittlung eines Meßergebnisses unabhängig von der Ausrichtung der Oberfläche des Prüfgegenstandes einen ersten Schalter, über den nach einer ersten Abtastung der Ausgang, an dem die erste Ableitung des Oberflächenprofils des Prüfgegenstandes mit einem Integrator verbunden ist, welcher das mittlere Gefalle über die Abtaststrecke bestimmt, wobei der Ausgang des Integrators an einerAbtastspeichereinrichtung und an einer Differenzschaltung anliegt, aufweist und wobei in einer anderen Schalterstellung bei der nächsten Abtastung der Ausgang, an dem die erste Ableitung des Oberflächenprofils des Prüfgegenstandes anliegt, direkt mit der Differenzschaltung verbunden ist, wobei der Ausgang proportional zu der ersten Ableitung des Oberflächenprofils des Prüfgegenstandes, unabhängig von der Ausrichtung der Fläche, ist.

fi Π 9 fl Π B / fl 7 /₊ 7