DE2636498C2 - Verfahren zur interferometrischen Oberflächenmessiing - Google Patents

Description

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!deinen Abstände bei weitem nicht aus, um bei Massen- vorbeibewegt werden können. Darüber hinaus soll die messungen, wie sie bei der Steuerung von automat!- Meßgenauigkeit bei Abweichungen des Abstandes zwischen Fertigungsstraßen zur Herstellung von inte- sehen zu prüfender Fläche und Meßgerät von ±10% grierten Schaltungen unerläßlich sind, die Gefahr von noch keine wesentliche Beeinträchtigung erfahren. Beschädigungen der Meßobjekte oder der Meßgeräte 5 Weiterhin soll es möglich sein, die auszuwertenden mit der erforderlichen Sicherheit auszuschließen. Interferenzmuster bei geringstem apparativem Auf-

Um solche Beschädigungen mit der erforderlichen wand mit großer Geschwindigkeit und gutem Kontrast

Sicherheits auszuschließen, muß bei der Durchführung zu erzeugen, so daß sowohl eine automatische als auch

von Massenmessungen vor jeder Zuführung eines neuen eine visuelle Auswertung möglich ist.

Testobjekts entweder die gesamte Prismenanordnung io Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch ge-

nach oben weggekippt oder der Objektträger kennzeichnete Erfindung gelöst

abgesenkt bzw. herausgeschwenkt werden. Abgesehen Gegenüber den bekannten Verfahren und Vorrich-

von dem hierzu erforderlichen zusätzlichen konstruk- tungen dieser Art zeichnet sich das erfindungsgemäße

tiven und zeitlichen Aufwand können dabei Dejustie- Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung vor

rangen auftreten, die die Zuverlässigkeit der ganzen 15 allem durch einen außerordentlich guten Kontrast und

Messung in Frage stellen. ein sehr großes Format der erzeugten Interferenzbilder

In den Literaturstellen »Lloyd Interferometer sowie durch einen sehr geringen technischen Aufwand Applied to Flatness Testing« von RH. Langen- aus. Weitere Vorteile gegenüber den vorbekannten beck, Applied Optics, Oktober 1967, Vol. 6, Nr. 10, Verfahren und Vorrichtungen bestehen vor allem darin, S. 1707 bis 1714, und »High-Order Lloyd Interfero- 20 daß der Abstand zwischen Meßkon^f und Meßobjekt meter« von P. H. Langenbeck. Applied Optics, zwischen 5 und 50 cm betragen kann end daß. geeignete August 1970, VoL 9, Nr. 8, S. 1838 bis 1841 wird eine Randbedingungen vorausgesetzt, Vibrationen und Weiterentwicklung des Lloyd'schen Experiments zur Lageveränderungen des Meßobjekts die Genauigkeit Ebenheitsmessung sehr großflächiger ebener Objekte der Meßergebnisse kaum beeinträchtigen. beschrieben. Bei diesem Verfahren fällt die von einer 25 ^Eir> weiterer Vorteil ist vor allem auch darin zu Lichtquelle ausgehende kohärente Strahlung teils erblicken, daß die Vorrichtung durch den Wegfall streifend auf die zu untersuchende Fläche und teils jeglicher Referenzflächen — anstelle der bei bekannten senkrecht oder angenähert senkrecht auf eine zur zu Vorrichtungen erforderlichen Referenzflächen treten untersuchenden Fläche senkrecht liegende Auswert- die ebenen Wellenfronten eines Par&llellichtbündels — ebene, in der, eine vollkommen ebene Objektfläche 30 gegen Erschütterungen, DeJustierungen und Vervorausgesetzt, sehr dicht nebeneinander verlaufende schmutzungen weitgehend unempfindlich ist äquidistante Interferenzlinien entstehen. Um die Gegenüber den zuletzt besprochenen Verfahren Beobachtung dieser Interferenzlinien zu ermöglichen zeichnet sich die Erfindung neben ihrer großen und ihre Interpretation zu erleichtern, werden diese Einfachheit und geringen Störanfälligkeit vor allem durch ein in oder hinter der Auswertebene angeord- 35 auch durch ihre Verzerrungsfreiheit und den hohen netes Transmissionsgitter in ein Moire-Linienfeld trans- Kontrast der erzeugten Interferenzlinienfelder aus, was formiert Da dieses durch zahlreiche störende Linien auf die Abwesenheit von abbildenden Elementen und überlagerte Moir6-Linienfeld nur sehr schwer ausge- Blenden zurückzuführen ist Als Folge des einfachen wertet werden kann, wird in der zuletzt genannten Strahlenverlaufs sind die erzeugten, aus Höhenünien Literaturstelle vorgeschlagen, hinter dem Transmis- 40 bestehenden Interferenzfelder ohne Schwierigkeiten sionsgitter eine Linse und hinter dieser eine Lochblende auswertbar. Die Zuordnung der einzelnen Bereiche zur Unterdrückung störender Beugungsordnungen und eines Interferenzlinienfeldes zu den entsprechenden anderer, z. B. durch das durchsichtige Trägerelement Bereichen der untersuchten Fläche ist im Gegensatz zu des Transmissionsgitters verursachter Störungen vor- den zuletzt beschriebenen Verfahren eindeutig. zusehen. ₄₅ oj_e Erfindung wird anschließend anhand der Figuren

Wie aus einer Analyse der verschiedenen mög- näher erläutert Es zeigt

liehen Strahlengänge bei Lloyd Interferometem, aber F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung

auch aus der Diskussion der Ergebnisse hervorgeht ist des erfindungsgemäßen Verfahrens,

das beschriebene Verfahren wegen der durch die relativ F i g. 2 die Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels

große Zahl der benötigten optischen Elemente beding- 50 der Erfindung.

ten geringen Helligkeit der Moire-Linienfelder und der Bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung wird ein

Schwierigkeit ihrer Interpretation für den praktischen Reflexionsgitter 9 und ein Meßobjekt 10 gleichzeitig

Einsatz, insbesondere für die Überwachung und von einem monochromatischen und kohärenten Paral-

Steuerung der Massenproduktion von integrierten lellichtbündel 5 beaufschlagt. Die Vorrichtung ist so

Halbleiterschaltuirgen, nicht geeignet. 55 getroffen, daß ein Teil 7 des Lichtbündels 5 unmittelbar

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Ver- auf das Reflexionsgitter 9 fällt, während ein anderer Teil

fahren zur kontaktlosen, interferometrischen Ober- g dieses Lichtbündels erst nach Reflexion bzw. Streuung

, flächenmessung mit streifendem Lichteinfall und einem am Meßobjekt 10 auf die gleichen Bereiche des

zur Fläche des Meßobjekts senkrechten oder nahezu Reflexionsgitters 3 fällt Der Einfallswinkel β der

senkrechten Gitter, insbesondere zur Ebenheitsmessung 60 Strahlen 7 und der Einfallwinkel 90-Θ der am

von Oberflächen sowie eine Anordnung zur Durchfüh- Meßobjekt 10 reflektierten Strahlen auf das Refexions-

rung dieses Verfahrens anzugeben, bei dem unter Ver- _gj_tter 9 sind so bemessen, daß die erste Üeugungsord-

wendung weniger, relativ einfacher, vor allem aber _nung der unmittelbar auf das Meßobjekt einfallenden

keine Abbildungsfehler und keine Lichtverluste verur- Strahlen 7 parallel zur ersten Beugungsordnung der am

sachender optische Elemente die zu prüfenden Flächen 65 Meßobjekt reflektitrien oder gestreuten Strahlen 8r

in relativ großem Abstand, mindestens in der Größen- verläuft und beide Beugungsordnungen miteinander

Ordnung von 10 bis 5tfcm, von der Meßvomchtung interferieren. In Fig. 1 sind die 1. Beugungsordnungen

angeordnet bzw. mit großer Geschwindigkeit an dieser der Strahlen 7 und Hr durch die beiden Linien Si bzw. 5,

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 IS gezeigt, daß, bedingt durch den Unterschied zwischen der Hypotenuse Xi und der Kathete X₁ die Interferenzbedingung für die beiden durch je eine ausgezogene und eine gestrichelte Linie angedeuteten Komponenten St und S2 sich bei jeder Lageänderung des Meßobjekts ändern. Die Überlagerung dieser beiden in Richtung der Gitternormalen verlaufenden Komponenten S\, S2 führt zu einem Interfutnzlinierifeld mit einem Streifenabstand A/2 cos Θ, 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

FnlQfphnncr nnrj Hip pnrrn

[ntprfprpny|inipnfpIr]pQ

4 ■ .-7
I Φ = —- · I /ι · cos θ

So können die zwei Komponenten wie folgt beschrieben werden:

5₁ — S₁

Die Überlagerung führt zu

S = S₁ + S₂ = S₁ (1 +

Daraus resultiert die Intensität:
/ = i is|²=S, (I+COS2.1/rK-cos«) (5)

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

2 I/i · K cos (-) = (2/1 + 1).7. » = 0,1,2... (6) und Intensitätsmaxima (helle Streifen) für:

2 I /1 ■ K cos H = 2m-7. /1 = (). 1. 2 . . . (7)

Der Abstand der dunklen Streifen Ml; v.is (6) für

4 ■ τ
. · cos (-> ■ Λ = 2 -7

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 5Ί und 52 überlagert. Dabei entsteht S\ 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 Dai stellung eines Wellenfeldes

u ir. I) = Re Is (r) · c""' !
sir) = A(r) c ·"■''>

A = Amplitude
<I> = Phase
r = Ortsvektor von P

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

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

A', = .Y, ■ cos (180 - 2 (■)) = - ,Y₂ cos 2 (-) X₂ = I /i/cos (-)
also

,1 =

2 cos (■)

Werden alle Punkte Her zu untersuchenden Oberflä cht- betrachtet, so ergibt sich für die gesamte Oberflächt ein Interferenzlinienmuster mit Linienabständen, die einer Höhenänderung des Objekts um A/2 cos € entsp^r<;chen.

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

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

sin ji = cos (-)„ = »1 ■ -- .

/. = Lichtwellenlänge.
g = Gitterkonstante.

Die Kombination von (7) und (8) ergibt

m = 1,2.3

. /2 IA K cos«

Die Empfindlichkeit des Verfahrens kann also durcl entsprechende Wahl der Gitterkonstanten g und de Einfallsrichtung Q_m von A/2 bis unendlich variier werden.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispie der Erfindung wird ein durch eine beispielsv .-iise al: Laser ausgebildete Lichtquelle 1 erzeugter monochro matischer und kohärenter Lichtstrahl 4 durch die Linsei 2 und 3 aufgeweitet und fällt als aus ebenei Wellenfronten bestehender Strahl 5 auf einen Spiegel 6

(2) Ein Teil 7 des am Spiegel 6 reflektierten Strahles 5 fäll unmittelbar auf ein Reflexionsgitter 9, während eir anderer Teil 8 des am Spiegel 6 reflektierten Strahle; mit streifendem Einfall auf ein Meßobjekt 10 auftritt unc von dort auf die gleichen Bereiche des Reflexionsgitten 9 reflektiert bzw. gestreut wird.

(3) Wie im Zusammenhang mit der Beschreibung vor F i g. 1 erläutert, verlaufen die ersten Ordnungen Si unc S₂ der am Reflexionsgitter 9 gebeugten Strahlen 7 bzw Sr zueinander parallel und erzeugen auf einen Beobachtungsschirm 11 ein fnterferenziinienmuster, dai die Oberfläche des Meßobjektes 10 wiedergibt Da, wie

(4) schon oben angedeutet, die ebenen Wellenfronten dei

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 Beobachtungsturm ti entstehenden Interferenzlinienmuster auf, eine Veränderung der Gestalt dieser Muster tritt jedoch nicht ein. Durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch Abbildung dieser Muüter 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 Verschie-

bungen 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 ίο 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.

Hier/u 2 Blatt Ziiichmiimen

Claims (8)

1 2 dadurch gekennzeichnet, daß die durch di\s Vidikon Patentansprüche: erzeugten elektrischen Signale elektronisch zur Lagestabilisierung des auf dem Monitor erzeugten

1. Verfahren zur interferometrischen Oberflä- Bildes verarbeitet werden.

chenmessung mit streifendem Lichteinfall und einem 5 9, Vorrichtung nach einem oder mehreren der zur Fläche des Meßobjekts senkrechten oder nahezu Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der senkrechten Gitter, insbesondere zur Ebenheits- Beobachtungsschirm (11) zur automatischen Ausmessung von Oberflächen, dadurch gekenn- wertung der Interferenzstreifenmuster ein Vielfachzeichnet, daß ein aus ebenen Wellenfronten fotodiodenraster enthält

bestehender kohärenter Lichtstrahl (5) zu einem Teil io 10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der (7) unmittelbar auf ein Reflexionsgitter (9) fällt, Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch ein während ein anderer Teil (8) des Lichtstrahles (5) mit zwischen Gitter (9) und Beobachtungsschirm (11) streifendem Einfall auf das Meßobjekt (10) trifft und angeordnetes abbildendes System, von dort auf die gleichen Bereiche des Reflexionsgitters (9) reflektiert bzw. gestreut wird, wobei die 15 *

Einfallswinkel (β, 90-Θ) der beiden Teilstrahlen (7,8)

so gewählt sind, daß jeweils eine Beugungsordnung

(S,) der unmittelbar auf das Reflexionsgitter (9) ge- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ünterfero-

nchteten Strahlung (7) und eine Beugungsordnung metrischen Oberflächenmessung mit streifendem Licht-

(S₂) der das Reflexionsgitter (9) nach Reflexion oder 20 einfall und einem zur Fläche des Meßobjekts senk-

Streuung am Meßobjekt (10) beaufschlagenden rechten oder nahezu senkrechten Gitter, insbesondere

Strahlung {Sr) parallel zueinander verlaufen und die _zur Ebenheitsmessung von Oberflächen.

beiden Beugungsordnungen (Si, S₂) miteinander zur Auf vielen Gebieten der Technik werden Vorrich-

Interferenz in einer Auswertebene (11) gebracht tungen zur Längen-, Abstands-und Ebenhetlsmessung

werden. 25 benötigt, deren Meßgenauigkeit im Submikronbereich

2. Verfahren zur interferometnschen Oberfla- und deren Meßbereich zwischen 0,1 um und 2ID μηι liegt chenmessung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- insbesondere bei der Herstellung von integrierten zeichnet, daß jeweils die erste Beugungsordnung ($) Halbleiterschaltungen müssen nicht nur die Ebenheit der auf das Gitter (9) direkt gerichteten Strahlung (7) _{der mr} Verarbeitung vorgesehenen Halbleiterplätt- und d.e erste Beugungsordnung (S₂) der das Gitter _{30 chen> son}dern auch die Ebenheit und die Oberflächen-(9) nach Region oder Streuung am Meßobjekt (10) beschaffenheit dieser Plättchen zwischen und vor den beaufschlagenden Strahlung (Sr) parallel zueinander _einzei_nen Verfahrensschritten mit großer Genauigkeit verlaufen. _und Geschwindigkeit kontaktlos überprüft werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- _Die empfindlichsten bisher bekannten Vorrichtungen zeichnet, daß jeweils die konjugiert gleichen _{35 zum} kontaktiosen Messen, die Interferometer und Inter-Beugungsordnungen der unmittelbar auf das Gitter ferenzkomparatoren, arbeiten mit senkrechter Objektiv gerichteten Strahlung (7) und der das Gitter (9 beleuchtung und setzen im wesentlichen hocfarefiektienach Reflexion oder Streuung am Meßobjekt (10) _rende objektflächen voraus. Ebenheits- und Abstandsbeaufschlagenden Strahlung {Sr) zueinander parallel _messungen an diffus streusnden Objekten werden verlaufen. 40 neuerdings mit holographischen Interferenz- und

4. Verfahren zur interferometrischen Oberflä- Moireverfahren oder ellipsometrischen Verfahren, wie chenmessung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch _sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung gekennzeichnet, daß die miteinander interferieren- _{26 16 H1} beschrieben sind, durchgeführt die jedoch den Beugungsordnungen senkrecht zur Gitterfläche _{einen sehr hohen appara}tiven Aufwand erfordern und verlaufen. 45 _deren Auswertung, insbesondere bedingt durch den

5. Verfahren zur interferometrischen Oberflä- geringen Kontrast der auftretenden Interferenzmuster, chenmessung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch _{sehr schw}ierig und zeitaufwendig ist. gekennzeichnet, daß die das Gitter (9) und das Meßgeräte für streuende Oberflächen mit einstell-Meßobjekt (10) beaufschlagende Strahlung kolline- _baren Empfindlichkeiten bezüglich der Auflösung, die ar, kohärent und monochromatisch ist _{J0 nach} herkömmlichen Interferenzverfahren mit Refe-

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens _renzflächen über dem Testobjekt arbeiten, wie sie beinach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch _s?j_elsweise in der DE-AS 25 37 162 beschrieben werden,

l! eine vorzugsweise als User ausgebildete Lichtquelle benutzen Prismen mit einem auf der Hypotemusenfläche

υ (1), eine Vorrichtung (2, 3) zur Aufweitung des von aufgebrachten Gitter. Dabei wird von der Tatsache

Ϊ der Lichtquelle erzeugten Strahls (4), einen Spiegel _{55 Ge}b_rauch gemacht, daß bei sehr schräger Objektbe-

(6), der den aufgeweiteten Strahl (5) gleichzeitig auf |_eUchtung auch rauhe Oberflächen als gute Reflektoren

j-¹ ein Reflexionsgitter (9) und auf das Meßobjekt (10) _wi_rk_ea Normalerweise wird dabei die Hypotenusen-

f, ζ"·" weiteren Reflexion zum Reflexionsgitter (9) _{näche in} Kontakt _mj_t der zu messenden Fläche

« richtet, und durch einen die durch Interferenz der am gebracht. Diese Verfahren arbeiten selbst mit stark ver-

|] Gitter (9) gebeugten Ordnungen (S,, S₂) beider 60 _mindertem Kontrast und stark verminderter Intensität

Strahlkomponenten (7, Sr) erzeugten Interferenz!)- _der Interferenzstreifenfelder bis höchstens im Abstän-

|i nienfelder sichtbar machenden Beobachtungs- _{den Von 100 μη1 zw}j_schen Hypotenusenfläche und zu

'■ ^sch,^irm11· _{LA UIJJ} . . prüfender Fläche.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- Abgesehen von der Tatsache, daß die Intensitäten der zeichnet, daß das Interferenzmuster auf der Fotoka- 65 interferierenden Meß- und Referenzstrahlen bei Abthode eines Vidikons erzeugt wird und die _ständen in der genannten Größenordnung nicht ange-

, Beobachtung mittels eines Fernsehmonitors erfolgt. _{paßt wer}d_en können, was zu Interferenzlinien mit

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, schlechtem Kontrast führt reichen die obengenannten