DE2636498B1

DE2636498B1 - Verfahren zur interferometrischen oberflaechenmessung

Info

Publication number: DE2636498B1
Application number: DE19762636498
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl-Phys Dr Jaerisch; Guenter Dipl-Phys Makosch
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1976-08-13
Filing date: 1976-08-13
Publication date: 1977-05-12
Also published as: FR2361630A1; JPS5322763A; GB1538811A; JPS616921B2; FR2361630B1; DE2636498C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur interferometrischen Oberflächenmessung mit streifendem Lichteinfall, insbesondere zur Ebenheitsmessung von Oberflächen.

Auf vielen Gebieten der Technik werden Vorrichtungen zur Längen-, Abstands- und Ebenheitsmessung benötigt, deren Meßgenauigkeit im Submikronbereich und deren Meßbereich zwischen 0,1 μπι und 20 μηι liegt. Insbesondere bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen müssen nicht nur die Ebenheit der zur Verarbeitung vorgesehenen Halbleiterplättchen, sondern auch die Ebenheit und die Oberflächenbeschaffenheit dieser Plättchen zwischen und vor den einzelnen Verfahrensschritten mit großer Genauigkeit und Geschwindigkeit kontaktlos überprüft werden.

Die empfindlichsten bisher bekannten Vorrichtungen zum kontaktlosen Messen, die Interferometer und Interferenzkomparatoren, arbeiten mit senkrechter Objektbeleuchtung und setzen im wesentlichen hochreflektierende Objektflächen voraus. Ebenheits- und Abstandsmessungen an diffus streuenden Objekten werden neuerdings mit holographischen Interferenz- und Moireverfahren oder ellipsometrischen Verfahren, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 26 16 141 beschrieben sind, durchgeführt, die jedoch einen sehr hohen apparativen Aufwand erfordern und deren Auswertung, insbesondere bedingt durch den geringen Kontrast der auftretenden Interferenzmuster, sehr schwierig und zeitaufwendig ist.
Meßgeräte für streuende Oberflächen mit einstellbaren Empfindlichkeiten bezüglich der Auflösung, die nach herkömmlichen Interferenzverfahren mit Referenzflächen über dem Testobjekt arbeiten, wie sie beispielsweise in der DT-AS 25 37162 beschrieben werden, benutzen Prismen mit einem auf der Hypotenusenfläche aufgebrachten Gitter. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß bei sehr schräger Objektbeleuchtung auch rauhe Oberflächen als gute Reflektoren wirken. Normalerweise wird dabei die Hypotenusenfläche in Kontakt mit der zu messenden Fläche gebracht.

Diese Verfahren arbeiten selbst mit stark vermindertem Kontrast und stark verminderter Intensität der Interferenzstreifenfelder bis höchstens zu Abständen von 100 μπι zwischen Hypotenusenfläche und zu prüfender Fläche.

Abgesehen von der Tatsache, daß die Intensitäten der interferierenden Meß- und Referenzstrahlen bei Abständen in der genannten Größenordnung nicht angepaßt werden können, was zu Interferenzlinien mit schlechtem Kontrast führt, reichen die obengenannten kleinen Abstände bei weitem nicht aus, um bei Massenmessungen, wie sie bei der Steuerung von automatischen Fertigungsstraßen zur Herstellung von integrierten Schaltungen unerläßlich sind, die Gefahr

von Beschädigungen der Meßobjekte oder der Meßgeräte mit der erforderlichen Sicherheit auszufließen.

Um solche Beschädigungen mit der erforderlichen Sicherheit auszuschließen, muß bei der Durchführung von Massenmessungen vor jeder Zuführung eines neuen Testobjekts entweder die gesamte Prismenanordnung nach oben weggekippt oder der Objektträger abgesenkt bzw. herausgeschwenkt werden. Abgesehen von dem hierzu erforderlichen zusätzlichen konstruktiven und zeitlichen Aufwand können dabei Dejustierungen auftreten, die die Zuverlässigkeit der ganzen Messung in Frage stellen.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren zur kontaktlosen Oberflächeninterferometrie, insbesondere zur Durchführung kontaktloser Ebenheitsmessungen sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, bei dem die zu prüfenden Flächen in relativ großem Abstand, mindestens in der Größenordnung von 10 bis 50 cm, von der Meßvorrichtung angeordnet bzw. mit großer Geschwindigkeit an dieser vorbei bewegt werden können. Darüber hinaus soll die Meßgenauigkeit bei Abweichungen des Abstandes zwischen zu prüfender Fläche und Meßgerät von ±10% noch keine wesentliche Beeinträchtigung erfahren. Weiterhin soll es möglich sein, die auszuwertenden Interferenzmuster bei geringstem apparativem Aufwand mit großer Geschwindigkeit und gutem Kontrast zu erzeugen, so daß sowohl eine automatische als auch eine visuelle Auswertung möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Gegenüber den bekannten Verfahren und Vorrichtungen dieser Art zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung vor allem durch einen außerordentlich guten Kontrast und ein sehr großes Format der erzeugten Interferenzbilder sowie durch einen sehr geringen technischen Aufwand aus. Weitere Vorteile gegenüber den vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen bestehen vor allem darin, daß der Abstand zwischen Meßkopf und Meßobjekt zwischen 5 und 50 cm betragen kann und daß, geeignete Randbedingungen vorausgesetzt, Vibrationen und Lageveränderungen des Meßobjekts die Genauigkeit der Meßergebnisse kaum beeinträchtigen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist vor allem auch darin zu erblicken, daß die Vorrichtung durch den Wegfall jeglicher Referenzflächen — an Stelle der bei bekannten Vorrichtungen erforderlichen Referenzflächen treten die ebenen Wellenfronten eines Parallel-Iichtbündels — gegen Erschütterungen, Dejustierungen und Verschmutzungen weitgehend unempfindlich ist.

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

F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2 die Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung wird ein Reflexionsgitter 9 und ein Meßobjekt 10 gleichzeitig von einem monochromatischen und kohärenten Parallellichtbündel 5 beaufschlagt Die Vorrichtung ist so getroffen, daß ein Teil 7 des Lichtbündels 5 unmittelbar auf das Reflexionsgitter 9 fällt, während ein anderer Teil 8 dieses Lichtbündels erst nach Reflexion bzw. Streuung am Meßobjekt 10 auf die gleichen Bereiche des Reflexionsgitters 9 fällt Der Einfallswinkel β der Strahlen 7 und der Einfallwinkel 90-Θ der am Meßobjekt 10 reflektierten Strahlen auf das Reflexionsgitter 9 sind so bemessen, daß die erste Beugungsordnung der unmittelbar auf das Meßobjekt einfallenden Strahlen 7 parallel zur ersten Beugungsordnung der am Meßobjekt reflektierten oder gestreuten Strahlen 8r verläuft und beide Beugungsordnungen miteinander interferieren. In Fig. 1 sind die 1. Beugungsordnungen der Strahlen 7 und 8r durch die beiden Linien Si bzw. S2 beispielsweise veranschaulicht. Zur Veranschaulichung der Wirkung einer Verschiebung des Meßobjektes 10 in Richtung seiner normalen oder der Wirkung einer entsprechenden Unregelmäßigkeit seiner Oberfläche wird anhand des Dreiecks 15 gezeigt, daß, bedingt durch den Unterschied zwischen der Hypotenuse X₂ und der Kathete Xi die Interferenzbedingung für die beiden durch je eine ausgezogene und eine gestrichelte Linie angedeuteten Komponenten Si und S2 sich bei jeder Lageänderung des Meßobjekts ändern. Die Überlagerung dieser beiden in Richtung der Gitternormalen verlaufenden Komponenten Su S2 führt zu einem Interferenzlinienfeld mit einem Streifenabstand λ/2 cos 0, das auf einem entsprechend geneigten Beobachtungsschirm 11 ausgewertet wird. Die Auswertung kann entweder visuell, vorzugsweise über ein Vidikon und einen Bildschirm oder automatisch, beispielsweise mit Hilfe eines Mehrfach-Diodenrasters erfolgen. Die Entstehung und die Form des Interferenzlinienfeldes wird durch die weiter unten aufgeführten und erläuterten Beziehungen definiert.

Wie oben beschrieben, werden in einem beliebigen Punkt P des Gitters 9 in Richtung der Gitternormalen zwei Komponenten S\ und S₂ überlagert. Dabei entsteht Si durch Beugung des direkt einfallenden Lichtes am Gitter. Die Komponente Si resultiert aus der Beugung des vom Meßobjekt reflektierten und auf das Gitter 9 auftreffenden Lichtes.

Mit der üblichen komplexen Darstellung eines Wellenfeldes

u{r,t) = Re{sjr) · e^iojt
sXr) = A(tf

(D

A = Amplitude
Φ = Phase
r = Ortsvektor von P

können die im Punkt P überlagerten Komponenten beschrieben werden. Die Komponente Si wird als feste Referenz betrachtet

Die Phase der Komponente Si ändert sich mit der Höhenänderung Ahder Objekts gemäß:

X₂)

X₁ = X₂- cos (180^u- 2 Θ) = -X₂ cos 2 Θ X₂ = J /i/cos Θ

also 4-.τ
J φ = —-— - Ah ■ cos Θ

(2)

So können die zwei Komponenten wie folgt beschrieben werden:

Die Kombination von (7) und (8) ergibt

Qi2lhKcosß

Die überlagerung führt zu

S = S₁ + S₂ = S₁ (1 + e

i2 Ift-Kcosfti

Daraus resultiert die Intensität: / = -ISp=S₁ (1+ cos2 \h-K -cos (-))

Das ist eine periodische Funktion mit Intensitätsminima (dunkle Streifen) für:

2 \h· K-cosf) = (2n + l)rr, η = 0,1,2... (6) und Intensitätsmaxima (helle Streifen) für:

2 ih-K-cose = 2n-7i, h = 0, 1,2... (7)

Der Abstand der dunklen Streifen folgt aus (6) für —r— ■ cos C-) ■ t) = 2ζτ

Λ =

2 cos (-)

Werden alle Punkte der zu untersuchenden Oberfläche betrachtet, so ergibt sich für die gesamte Oberfläche ein Interferenzlinienmuster mit Linienabständen, die einer Höhenänderung des Objekts um λ/2 cos Θ entsprechen.

Durch entsprechende Anpassung der Gitterkonstanten können Einfallswinkel bis zu 90° realisiert werden.

Darüber hinaus können bei einem festen Gitter alle Einfallswinkel realisiert werden, die den Beugungsrichtungen des Gitters entsprechen, für die also gilt:

sin β = cos 0_m = m · —, m = 1,2,3 ... (8)

/. = Lichtwellenlänge,
g = Gitterkonstante.

g
2m'

= 1,2,3

Die Empfindlichkeit des Verfahrens kann also durch entsprechende Wahl der Gitterkonstanten g und der Einfallsrichtung Q_n, von λ/2 bis unendlich variiert werden.

Bei dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein durch eine beispielsweise als Laser ausgebildete Lichtquelle 1 erzeugter monochromatischer und kohärenter Lichtstrahl 4 durch die Linsen 2 und 3 aufgweitet und fällt als aus ebenen Wellenfronten bestehender Strahl 5 auf einen Spiegel 6. Ein Teil 7 des am Spiegel 6 reflektierten Strahles 5 fällt unmittelbar auf ein Reflexionsgitter 9, während ein anderer Teil 8 des am Spiegel 6 reflektierten Strahles mit streifendem Einfall auf ein Meßobjekt 10 auftritt und von dort auf die gleichen Bereiche des Reflexionsgitters 9 reflektiert bzw. gestreut wird.

Wie im Zusammenhang mit der Beschreibung von F i g. 1 erläutert, verlaufen die ersten Ordnungen S\ und & der am Reflexionsgitter 9 gebeugten Strahlen 7 bzw. 8r zueinander parallel und erzeugen auf einem Beobachtungsschirm 11 ein Interferenzlinienmuster, das die Oberfläche des Meßobjektes 10 wiedergibt. Da, wie schon oben angedeutet, die ebenen Wellenfronten der monochromatischen und kohärenten Strahlung 5 die sonst erforderlichen Referenzflächen ersetzen, ist die Anordnung weitgehend unempfindlich gegen Vibrationen oder Verschiebungen des Meßobjektes 10 in Richtung seiner Flächennormalen. Bei einer Verschiebung des Meßobjektes in Richtung seiner Flächennormalen tritt zwar eine Verschiebung der am Beobachtungsschirm 11 entstehenden Interferenzlinienmuster auf, eine Veränderung der Gestalt dieser Muster tritt jedoch nicht ein. Durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch Abbildung dieser Muster auf der Fotokathode eines Vidikons, einer Kompensation der seitlichen Verschiebungen durch elektronische Mittel und durch Wiedergabe des lagestabilisierten Bildes auf dem Bildschirm eines Monitors können diese Verschiebungen praktisch unschädlich gemacht werden.

Es hat sich gezeigt, daß der Abstand zwischen dem als Meßkopf dienenden Spiegel 6 und Gitter 9 zum Meßobjekt 10 sehr groß, beispielsweise 5 bis 50 cm, gemacht werden kann, ohne die Empfindlichkeit der Meßanordnung herabzusetzen.

Zur Erhöhung des Auflösungsvermögens kann bei dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen Gitter 9 und Beobachtungsschirm 11 ein abbildendes optisches Element angeordent werden.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die in den F i g. 1 und 2 eingezeichneten Einfallswinkel Θ zur Erleichterung der Darstellung wesentlich größer als bei streifendem Einfall dargestellt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur interferometrischen Oberflächenmessung mit streifendem Lichteinfall, insbesondere zur Ebenheitsmessung von Oberflächen, d a durch gekennzeichnet, daß ein aus ebenen Wellenfronten bestehender, kohärenter Lichtstrahl (5) zu einem Teil (7) unmittelbar auf ein Gitter (9) fällt, während ein anderer Teil (8) des Lichtstrahls (5) mit streifendem Einfall auf das Meßobjekt (10) trifft und von dort auf die gleichen Bereiches des Gitters (9) reflektiert bzw. gestreut wird, wobei die Einfallswinkel (ß, 9O-0,)der beiden Teilstrahlen (7,8) so gewählt sind, daß jeweils eine Beugungsordnung (S\) der unmittelbar auf das Gitter (9) gerichteten Strahlung (7) und eine Beugungsordnung (Sb) der das Gitter (9) nach Reflexion oder Streuung am Meßobjekt (10) beaufschlagenden Strahlung (8r) parallel zueinander verlaufen und die beiden Beugungsordnungen (Si, S2) miteinander zur Interferenz in einer Auswertebene (11) gebracht werden.

2. Verfahren zur interferometrischen Oberflächenmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die erste Beugungsordnung (Si) der auf das Gitter (9) direkt gerichteten Strahlung (7) und die erste Beugungsordnung (S2) der das Gitter (9) nach Reflexion oder Streuung am Meßobjekt (10) beaufschlagenden Strahlung (8r) parallel zueinander verlaufen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die konjugiert gleichen Beugungsordnungen der unmittelbar auf das Gitter (9) gerichteten Strahlung (7) und der das Gitter (9) nach Reflexion oder Streuung am Meßobjekt (10) beaufschlagenden Strahlung (8r) zueinander parallel verlaufen.

4. Verfahren zur interferometrischen Oberflächenmessung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander interferierenden Beugungsordnungen senkrecht zur Gitterfläche verlaufen.

5. Verfahren zur interferometrischen Oberflächenmessung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die das Gitter (9) und das Meßobjekt (10) beaufschlagende Strahlung kollinear, kohärent und monochromatisch ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise als Laser ausgebildete Lichtquelle (1), eine Vorrichtung (2, 3) zur Aufweitung des von der Lichtquelle erzeugten Strahls (4), einen Spiegel (6), der den aufgeweiteten Strahl (5) gleichzeitig auf ein Reflexionsgitter (9) und auf das Meßobjekt (10) zur weiteren Reflexion zum Reflexionsgitter (9) richtet, und durch einen die durch Interferenz der am Gitter (9) gebeugten Ordnungen (Si, S-?) beider Strahlkomponenten (7, 8r) erzeugten Interferenzlinienfelder sichtbar machenden Beobachtungsschirm 11.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzmuster auf der Fotokathode eines Vidikons erzeugt wird und die Beobachtung mittels eines Fernsehmonitors erfolgt.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Vidikon erzeugten elektrischen Signale elektronisch zur Lagestabilisierung des auf dem Monitor erzeugten Bildes verarbeitet werden.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Beobachtungsschirm (11) zur automatischen Auswertung der Interferenzstreifenmuster ein Vielfachfotodiodenraster enthält.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch ein zwischen Gitter (9) und Beobachtungsschirm (11) angeordnetes abbildendes System.