DE2537162B1

DE2537162B1 - Verfahren zum beruehrungslosen messen der unebenheiten von oberflaechen

Info

Publication number: DE2537162B1
Application number: DE19752537162
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Phys. Dr.; Schmackpfeffer Arno Dipl.-Phys. Dr.; 7030 Böblingen Järisch
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1975-08-21
Filing date: 1975-08-21
Publication date: 1976-09-23
Also published as: DE2537162A1

Description

Gegenstand des Hauptpatents 21 39 836 ist ein Verfahren zum berührungslosen Messen das Unebenheiten von Oberflächen durch Erzeugung eines periodilchen Lichtmusters mittels eines durch einen parallelen Lichtstrahl unter einem bestimmten Winkel beleuchteten, in Abstand und parallel zu der zu untersuchenden Oberfläche angeordneten, aus periodisch auftretenden, abwechselnd unterschiedliche Absorptions- oder Beugungseigenschaften aufweisenden linienförmigen Bereichen bestehenden Elements. Dabei wird durch Bestrahlung eines Beugungsgitters ein Interferenzfeld erzeugt, das an der zu untersuchenden Fläche zum Beugungsgitter zurückgespiegelt oder zurückgestreut und dort erneut gebeugt wird. Die nach zweimaligem Durchtritt durch das Gitter gebeugte Strahlung weist in der Beobachtungsrichtung eine Intensitätsverteilung auf, die durch die Modulation einer bestimmten Beugungsordnung des an der zu messenden Fläche reflektierten oder gestreuten Interferenzfeldes bei dessen Durchtritt durch das Gitter bestimmt wird. Diese durch die Modulation des Interferenzfeldes bei seinem Durchtritt durch das Gitter erzeugte Intensitätsverteilung wird von einem Liniensystem überlagert, das durch die Interferenz der am Gitter und an der zu messenden Fläche reflektierten Strahlungskomponenten erzeugt wird. Beide Liniensysteme stehen in keinem eindeutigen Verhältnis zueinander, da die Abstände des ersten Liniensystems vorwiegend durch die Gitterkonstante und die Breite der Gitterbalken, die Abstände des zweiten Systems vorwiegend durch die Wellenlänge der verwendeten Strahlung bedingt sind. Bei dieser Sachlage ist es zwar möglich, die Abstände des durch Unterbrechung einer bestimmten Beugungsordnui g durch die Gitterbalken erzeugten Liniensystems durch die angenähert Höhenunterschiede von λ/2 angebenden Abstände des' anderen Liniensystems zu eichen, eine Addition der den Linien der beiden Liniensysteme entsprechenden Wene, wie dies bei einem Dezimalmaßstab oder einem Nonius der Fall ist, kann aber niehl durchgeführt werden. Die beiden Liniensysteme sine darüber hinaus stark verwaschen und die Linien de; ersten Liniensystems so breit, daß sie in der Regel stet: mehrere Linien des zweiten, Höhenunterschiede vor angenähert λ/2 angebenden Systems verdeck'en. Da durch wird die Genauigkeit des Verfahrens verschlech tert und eine automatische Auswertung praktiscl unmöglich gemacht.

Diesen Nachteil vermeidet die Erfindung. Di< Erfindung geht von der Aufgabe aus, in Weiterbildunj des Verfahrens des Hauptpatents ein Verfahren bzw eine Vorrichtung anzugeben, bei dem die beidei Liniensysieme scharf wiedergegeben und die ihnei zugeordneten Werte zueinander addiert werden kön nen. Darüber hinaus soll es möglich sein, die bestimmte Höhenunterschieden der zu messenden Fläche zugeord neten Linienabstände — d. h. die Meßgenauigkeit de Verfahrens — in einfacher und definierter Weise ζ verändern.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 4 angegebene Erfindung gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es (ntglich, Unebenheiten in der Größenordnung von Bruchteilen von μπι festzustellen und mit großer Genauigkeit berührungsfrei zu messen. Der zur Durchführung des Verfahrens erforderliche technische Aufwand der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im Gegensatz zu allen eine ähnliche Genauigkeit aufweisenden bekannten Anordnungen äußerst gering. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen es auch, im Gegensatz zu allen eine vergleichbare Genauigkeit aufweisenden bekannten Verfahren und Vorrichtungen, den Maßstab, das Auflösungsvermögen und die Meßgenauigkeit in einfacher und definierter Weise zu verändern. Da eine feste Beziehung zwischen den beiden unterschiedlichen Höhen zugeordneter Liniensystemen besteht, können auch Profile gemessen werden, bei denen die Abstände der λ/2-Höhen zugeordneten Interferenzstreifen unter dem Auflösungsvermögen liegen. Wegen der Helligkeit und der Schärfe der bei Durchführung der Messungen auftretenden Linien ist auch eine automatische Auswertung durch Abtastung oder durch mosaikartige Photodetektoranordnungen möglich.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig.2 eine vereinfachte, die einzelnen Einfall-, Reflexions- und Beugungswinkel veranschaulichende Darstellung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1,

Fig.3 und 4 die Darstellung der bei der Messung einer unregelmäßigen Fläche und einer keilförmigen Fläche entstehenden Interferenzmuster.

Die in F i g. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem 90°-Prisma 1 mit einer Hypotenusenfläche 3 und Kathetenflächen 2 und 4. Die Hypotenusenfläche ist mit einem auf photolithographischen Wege hergestellten Gitter 5 versehen, das parallel oder nahezu parallel mit einer zu messenden Fläche 6 verläuft. Der Abstand zwischen der mit dem Gitter 5 versehenen Hy potenus^nf lache 3 und der zu messenden Fläche 6 beträgt etwa 250 um. Ein He-Ne-Laser L erzeugt eine monochromatische Strahlung, deren Querschnitt in einer optischen Vorrichtung O vergrößert oder aufgeweitet wird. Die aus dieser Vorrichtung O austretende parallele monochromatische Strahlung 7 wird unter einem solchen Winkel β (siehe F i g. 2) auf die Hypotenusenfläche 3 gerichtet, daß beim Durchtritt durch das Gitter 5 eine fast senkrecht auf die zu messende Fläche 6 unter einem Winkel αϊ auftretende + lte Beugungsordnung /17-und eine auf diese Fläche nahezu streifend unter einem Winkel <%o auftretende 0-te Beugungsordnung /orentsteht. Die an der zu messenden Fläche 6 reflektierte oder gestreute Strahlung /1 r wird beim Durchtritt durch das Gitter 5 in mindestens zwei Ordnungen gebeugt, von denen die 0-te Ordnung (hör) parallel zur +Hen Ordnung (/_)Ä) der am Gitter reflexionsgebeugten Strahlung verläuft. Das dabei entstehende Interferenzfeld ist in Richtung des Pfeiles 13 sichtbar und besteht aus hellen scharfen Interferenzstreifen 14, deren Abstände Höhenunterschieden von λ/2 auf der zu messenden Fläche 6 entsprechen, vorausgesetzt, es findet ein fast senkrechter Lichteinfall von /1 rauf die Meßfläche 6 statt.

Wie schon gesagt, entsteht beim Durchtritt der 7 durch das Gitter 5 auch eine 0-te Beugungsordnung /or, die auf die zu messende Fläche 6 unter einem sehr großen Winkel wo, am besten nahezu schleifend, auftrifft. Dieser Strahl wird nach Reflexion oder Streuung an der Fläche 6 beim Durchtritt durch das Gitter 5 wieder in eine »0.« und eine +1. Ordnung gebengt. Die +1. Ordnung hr dieses Strahls verläuft parallel zu den zu den Strahlen /i«und /lor·

/oi r erzeugt mit dem Strahl Z₁ or ein Interferenzfeld in Richtung des Pfeiles 13, dessen Linienabstände Höhenunterschieden von

1 - COS -X₀

entsprechen, bei streifendem Einfall also nahezu λ/2 Höhenunterschieden. Die beiden beschriebenen Interferenzfelder zwischen U r und /10 rund zwischen /οι rund Ao τ überlagern sich kohärent in einem einzigen Schwebungsfeld mit hellen scharfen Interferenzstreifen 14 (siehe Fi g. 3A), deren Abstände Höhenunterschiede von praktisch λ/2 auf der zu messenden Fläche 6 entsprechen. Das Schwebungsfeld ist zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß bei Höhenunterschieden von

COS

was einem Vielfachen der Wellenlänge entspricht, stets eine Interferenzlinie des Schwebungsfeldes 14 auftritt.

Zusätzlich zu diesem Schwebungsfeld erzeugt der Strahl /mrmit dem Strahl /_)R ein Interferenzfeld, dessen Linienabstände einem großen Vielfachen von λ/2 Höhenunterschieden, nämlich

cos «o

entsprechen. Die Linien dieses Interferenzfeldes fallen stets mit Linien des Schwebungsfeldes zusammen, so daß die Überlagerungslinien an den Orten 15 besonders intensiv erscheinen.

In Richtung des Pfeiles 13 ist daher ein λ/2-Höhenunterschieden entsprechendes, aus dicht nebeneinanderliegenden Linien bestehendes Interferenzfeld zu sehen, das von einem intensiven und wesentlich größere Abstände zwischen den einzelnen Linien 15 aufweisenden Interferenzmuster überlagert ist. Da, wie leicht einzusehen, eine mäßige Änderung des Einfallwinkels der Strahlung 7 die Weglänge des Strahles h_r "ur geringfügig, die Weglänge des Strahles /oraber um ein Vielfaches stärker beeinflußt, kann das Verhältnis der den Abständen der Interferenzlinien 14 zugeordneten Höhenunterschiede zu den den Abständen der Interferenzlinien 15 zugeordneten Höhenunterschiede sowie auch das Verhältnis der Streifenabstände selbst durch Änderung des Einfallwinkels β der Strahlung 7 in weiten Grenzen verändert werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, das Verhältnis der Linienabstände der Interferenzlinien 14 und 15 gleich 1 :10 zu machen. Dabei wird jeder zehnte, den Höhenunterschieden von λ/2 zugeordnete Interferenzlinie 14 mit einer den zehnfachen Höhenunterschieden entsprechenden Interferenzlinie 15 in Deckung sein, so daß ein Interferenzfeld nach Art eines Dezimalmaßstabes oder Dezimalnonius entsteht. Auch bei allen anderen Verhältnissen der

den Abständen zwischen den Linien 14 bzw. 15 zugeordneten Entfernungen wird stets eine Linie 15 mit einer Linie 14 zusammenfallen.

Gleichzeitig entsteht durch die 0. Beugungsordnung /or der am Gitter 5 reflektierten Strahlung und durch die 0. Beugungsordnung /oor der an der zu messenden Flache 6 mit großem Einfallswinkel reflektierten Beugungsordnung /orein helles, aus Interferenzlinien 17 bestehendes scharfgezeichnetes Interferenzfeld 20 mit großen Linienabständen, das dem in Richtung des Pfeiles 13 sichtbaren Interferenzfeld mit großen Linienabständen gleicht und Höhenunterschieden von

/,2 ■

COS,<o

entspricht.

Dieses Interferenzfeld wird durch ein zweites schwach sichtbares, aus Interferenzlinien 16 bestehendes Schwebungsfeld mit kleinen Linienabständen überlagert, das dem in Richtung des Pfeiles 13 sichtbaren Interferenzfeld mit kleinen Linienabständen entspricht. Es entsteht durch die kohärente Überlagerung des Interferenzfeldes zwischen den Strahlen /nr und /or und des Interferenzfeldes zwischen den Strahlen /iir und /oor, und hat wegen der Intensitätsunterschiede der beteiligten Strahlen nur einen geringen Kontrast.

Das Interferenzfeld mit hellen Interferenzstreifen 17 und großen Abständen und das Interferenzfeld mit dunklen Interferenzstreifen 16 und kleinen Abständen überlagert sich und bildet ein Interferenzmuster 20, das die gleichen Eigenschaften wie das Interferenzmuster 10 aufweist.

Im folgenden wird das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf F i g. 2 näher beschrieben.

Wie schon gesagt, dient als Objektbeleuchtungsslrahl der aufgeweitete parallele Strahl 7 eines Helium-Neon-Lasers L dessen Leistung einige mW beträgt.

πIo = Empfindlichkeits-Venniriderungsfaktoi bei Beobachtung in der 0. Beugungsordnung.

Das von den Strahlenbündeln /oor und kn erzeugte Interferenzfeld verminderter Empfindlichkeit, ergibt exakt die Topographie der Testfläche. Der Faktor n;o kiiP.r in der Pr?.xis 's nsch Prisrp.t?n\Viihl und Strahleinfallswinkel Werte zwischen 2 und 20 annehmen (s. Tabelle, in der Winkelangaben für Strahlengänge

ίο durch ein 90°-KiOnglasprisma mit /to.6328i.ni = 1.51. Gitterkonstante g=l,115nm und Ablenkwinkel Qo.632Sf,m ₌ 32° enthalten sind.) Bei Beleuchtung mit λ = 0.6328 μίτι kann somit der von zwei benachbarten !nterferenzlinien angezeigte Höhenunterschied auf entsprechenden Objektstellen zwischen etwa 0.5 und 10 μιη variiert werden.

Wegen vielfacher Reflexion des Strahlenbündels /or zwischen Prismenfläche und Prüffläche erhält man nicht die übliche cos²-Intensitätsveneilung von Interferenzstreifen, sondern schmale, scharfe Linien. Die Linienbreite ist abhängig von der Anzahl der Reflexionen, d. h. auch abhängig vom Abstand Referenzfläche — Prüffläche.

2. Beobachtet man das Interferenzbild, das im Licht der + 1. Beugungürichtung des Gitters erzeugt wird, so erscheint — wie oben beschrieben — ebenfalls ein kontrastreiches, Muster, entsprechend der Grobskala

11 · '"ο 2 ·

durch Interferenz der Strahlenbündel /irund /<r

35

b) Erzeugung der Feinskala

!n beiden Beobachtungsrichtungen wird durch die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Anordnung eine Feinskala erzeugt, mit der die Grobskala feingeteilt wird. Die Gitterkonstante

a) Erzeugung der Grobskala

1. In dem direkten Strahlengang, d.h. in der 0. Beugungsordnung, gestattet das Prisma eine Objektbeleuchtung unter sehr großen Winkeln λο, wenn die Winkel β nahe dem Totalreflexionswinkel β τ gewählt werden. So gilt z. B. für Kronglas mit einem Brechungsindex von π = 1,51:

sin ^i₇-sin90^c

Pt = 42,47*.

1 κ = ?i ■

· - mit m₀ =

2 cos

und damit der Abbeugungswinkel des Gitters sind se gewählt, daß das Lichtbündel der +1. Beugungsordnunj Λ τ nahezu senkrecht, d. h. unter sehr geringem Winke «, auf die Meßfläche trifft Für die Objekthöhenvaria tion Δ h über η Feinskaleninterferenzlinien ergibt sich

SS

Für die entsprechende Objekt-Höhenvariation Ah über π Interferenzlinien hinweg erhält man bei schräger Objektbeleuchtung in der 0. Beobachtungsrichtung

60

Winkel zwischen der FestflächeTinormalen und dem Einfallswinkel der am Gitter abgebeugten 0. Ordnung.

1 h - π m, ■ - mit nt, =

2 COSa₁

Für diesen Fall annähernd senkrechter Objektbe leuchtung nimmt der Faktor m\ Werte zwischen 1 un 23 an, wie aus der Tabelle I ersichtlich ist. Bi Beleuchtung mit λ = O.t5328 μπι entsprechen somit j nach Prismengeometrie und Einfallswinkel in diesei Interferenzmuster benachbarten Linien Objekthöhei änderungen zwischen 03 μπι und 0,8 μπι.

Von praktischer Bedeutung ist das Feinskalenfe besonders bei Beobachtung mit Licht der 1. Beugung Ordnung, denn es tritt dort mit höherer Intensität ur mit großem Kontrast auf.

ή =

COS <!,-,

5.33°	3,53°	41,47"	90.00°	_	_	1,80	33.44°	1156'	17.61
5.36°	3,55°	41,115°	88.32°	J4.1	56.32	1.74	32,83°	!2.17°	18.56
5.44°	3,6°	4U^C	86.95°	18.8	54.95°	1.67	32.06°	12.94°	19,76
5.59°	3.7°	413°	85.28°	12.2	53.28	1.63	31,48°	13.52°	20,67
5,74°	3.8°	4ΐ,;ί°	84.05°	^.7	52.05°	1.59	30.99°	14.0Γ	21,44
5,89°	3.9"	41.1°	83.04°	B.J	51,04°	1.56	30.56°	14.44°	22.12
6,05°	4.0°	41.0°	82.16°	7.3	50.16°	1.39	27,43°	17.57°	27.12
7.56°	5.0"	40.(1°	76.07"	4,2	44,07^c	1.30	25,12°	19.88°	30,90
9.08°	6.0"	39.0°	71,86°	3,2	39,86"	1,24	23,13°	21.87°	34.2a
10,60°	7.0°	18,0°	68,38^C	2,7	36.38°	1,20	21.34°	23.66	37.3C
12,13°	8.0°	37,0°	65.33°	"Ά	33.33°	1.16	19.68°	25.32°	^Λ0.27
13.66°	9,0°	36,0°	62.57°	2.2	30.57°	1,13	18.12°	26,38°	43.0t
1 5.20°	10.0°	35,0°	60.01°	2,0	28.01°	1.05	11.18°	33.82°	57.1 -
23,01°	15.0°	30.0°	49.03"	1.5	17,03 =	1,01	5,08°	39.92"	/S.t-¹
31,OT	20.0°	25,0°	19.65°	1.3	7.65	-1.00	-0°	-45°	-90
39.65°	25.0°	20.0°	31,09"	1,2	-0°

!κι/u 3 13lall Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum berührungslosen Messen der Unebenheiten von Oberflächen durch Erzeugung eines periodischen Lichtmusters mittels eines durch einen parallelen Lichtstrahl unter einem bestimmten Winkel beleuchteten, im Abstand und parallel zu der lu untersuchenden Fläche angeordneten, aus periodisch auftretenden, abwechselnd unterschiedliche Absorptions- oder Beugungseigenschaften aufweisenden linienförmigen Bereichen bestehenden Elements nach Patent 21 39 836, dadurch ge kennzeichnet, daß das Gitter (5) in einer Richtung bestrahlt wird, bei der mindestens zwei Ordnungen der am Gitter reflexionsgebeugten Strahlung (/o«, /iä) paarweise parallel verlaufen zu den einzelnen Transmissionsbeugungsordnungen -,on Strahlungen (/μγ, /n λ -¹Oi τ, hoi), die beim Durchtritt von mindestens zwei an der zu messenden Fläche (6) gestreuten oder reflektierten Transmissionsbeu- μ gungsordnungen (/or. /17) durch das Gitter (5) gebildet werden, derart, daß drei Interferenzfelder entstehen, von denen das erste durch die das Gitter (5) verlassende erste Reflexionsbeugungsordnung (/ir) und die beim zweimaligen Durchtritt durch das Gitter einmal als nullte Ordnung (/07) und dann als erste Ordnung gebeugte Strahlung (Ιο\τ) gebildet wird und Linienabstände aufweist, die einem Vielfachen von λ/2-Entfernungen zwischen der zu messenden Fläche (6) und der das Gitter (5) tragenden Fläche entsprechen, während die beiden anderen jeweils durch Interferenz der Strahlungen (/,07 und /017 bzw. /,« und /i_Or) gebildet werden und eine stationäre räumliche Schwebung erzeugen, deren Linienabstände angenähert λ/2-Entfernungen zwischen der zu messenden Fläche (6) und der das Gitter (5) tragenden Fläche entsprechen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Einfallwinkel (j3) der beleuchtenden Strahlung (7) auf das Gitter (5), bei dem die nullte Transmissionsbeugungsordnnng (/or) unter einem sehr großen Winkel (*o) und die erste Transmissionsbeugungsordnung (In) unter einem sehr kleinen Winkel (*i) auf die zu messende Fläche (6) auftrifft.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen Linien (15) des einem Vielfachen von λ/2-Entfernungen zugeordneten Interferenzfeldes ein ganzzahliges Vielfaches der Abstände zwischen den Linien (14) des λ/2-Entfernungen zugeordneten Interferenzfeldes betragen, und daß jeder Interferenzstreifen (15) des einen Interferenzfeldes jeweils mit einem Interferenzstreifen (14) des anderen, durch eine Schwebung gebildeten Interferenzfeldes räumlich koinzidiert.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3. gekennzeichnet durch ein 90°-Prisma (1), dessen Hypotenusenfläche (3) mit einem Gitter (5) versehen ist, auf das die durch eine der Kathetenflächen (2) einfallende Strahlung (7) auftrifft und nach Reflexion am Gitter (5) und an der zu messenden Fläche (6) durch die andere Kathetenfläche (4) austritt.