DE2658399A1 - Interferometrisches verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein inter ferometris ches Verfahren_f insbeson-j· dere ein Verfahren zur Untersuchung der Ebenheit von Flächen,

Auf fast allen Gebieten der Wissenschaft und Technik, vor allem aber im Zusammenhang mit der Produktion von miniaturisierten integrierten Halbleiterschaltungen sind Meßverfahren erforderlich, deren Genauigkeiten deutlich unterhalb einer Lichtwellenlänge liegen. Wegen der großen Anzahl der Messungen und der immer _; höher werdenden Anforderungen an die Genauigkeit sowie wegen ;

der extremen Empfindlichkeit der überwiegenden Mehrzahl aller

j Meßobjekte werden in letzter Zeit fast ausnahmslos interferome- j trische Meßverfahren nach Fizeau, Michelson oder anderen, Moirever-j· fahren oder holographische Verfahren verwendet.

Neben der hohen Genauigkeit, der Möglichkeit, berührungslose Messungen durchzuführen, der extrem hohen Meßgeschwindigkeit und der leichten Eichbarkeit haben diese Verfahren insbesondere im Zusammenhang mit Ebenheitsmessungen den großen Vorteil, daß mit einer einzigen Messung relativ große Bereiche gleichzeitig erfast, also praktisch eine Vielzahl von über die Fläche verteilten Meßpunkten in einem Parallelverfahren erfaßt werden können,

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Die zuletztgenannte Eigenschaft macht die interferometrischen Verfahren, insbesondere für die untersuchung von Werkstücken bei der Steuerung und überwachung des Fabrikationsprozesses von in großen Mengen herzustellenden Werkstücken, beispielsweise bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen, bes onders geei gnet.

Die bei der Durchführung von Messungen auszuwertenden Interferogramme haben jedoch den Nachteil, daß sie nur den Betrag der Steigung, nicht aber das Vorzeichen der Steigung einer geneigten Fläche anzeigen. Insbesondere zeigt ein System von Interferenzlinien nur an, daß Extrema, also Einbuchtungen oder Erhebungen in den betreffenden Flächenbereichen vorliegen. Eine Aussage darüber, ob es sich um ein Maximum (Erhebung, Berg) oder ein Minimum tEinbuchtung, Tal) handelt ist ohne besondere, zum Teil zeitraubende und die Qualität der Meßobjekte unter Umständen erheblich beeinträchtigende Maßnahmen in der Regel nicht möglich. Um diese Informationen zu erhalten, wird verschiedentlich in die zur Herstellung des Interferogramms verwendete Referenzfläche ein Steg oder eine Rinne als HilfsStruktur eingebracht, so daß im Interferenzliniensystem eine Stufe sichtbar wird, die dann entweder immer "aufwärts" oder "abwärts" weist. Dabei ist es nachteilig, daß diese HilfsStrukturen in bezug auf die Strukturen des Objektes unter Umständen mehrmals ausgerichtet werden müssen, daß Verwechslungen zwischen HilfsStruktur und Objektstruktur möglich sind, daß die Auswertung, insbesondere im Fall von !großen Meßzahlen, in der Regel eine erhebliche Konzentration der Bedienungsperson auf die Meßaufgabe erfordern und daß Irrtümer bezüglich des Vorzeichens der Steigungen (plus, minus) 'nicht mit der erforderlichen Sicherheit auszuschließen sind.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und ein interferometrisches Verfahren, insbesondere zur Untersuchung der Ebenheit von Flächen anzugeben, mit !dem außer den Steigungen einer untersuchten Fläche auch die Vor-

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jzeichen dieser Steigungen in einfacher und eindeutiger Weise ' sowohl bei visueller als auch bei automatischer Auswertung ermittelt werden können.

;Die Vorzeichen der durch ein Interferogramm wiedergegebenen !Steigungen können im Gegensatz zu den bisher benützten Verfahren, die umständlich, nicht hundertprozentig sicher und vor allem sehr zeitaufwendig waren, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl ;bei visueller als auch bei automatischer Auswertung in einfacher !Weise und mit hundertprozentiger Zuverlässigkeit in äußerst kurzer !Zeit ermittelt werden. Bei visueller Auswertung der Interferogramme: !kann die Bestimmung des Vorzeichens innerhalb weniger zehntel Seikunden erfolgen, während der erforderliche Zeitraum bei automatischer Auswertung Millisekunden unterschreiten kann. ί

jDie Erfindung wird anschließend anhand der Figuren erläutert.

iEs zeigen: j

JFig, 1 ein Ausführungsbeispiel zur Erläuterung des ; ; erfindungsgemäßen Verfaharens,

JFig. 2 die Schnittansicht durch eine zu untersuchende

I Fläche,

j ·-■■..

jFig. 3 ein die zu untersuchende Fläche darstellendes

Interferogramm.

JDas in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel besteht aus einem Jan sich bekannten Michelson-Interferometer und einem die eigentiliche Erfindung enthaltenden Objektträger.

per Querschnitt der von einer beispielsweise als Laser ausgebildeten Lichtquelle 1 ausgehenden Strahlung 2 wird von einer aus !Linsen 3 und 4 bestehenden Vorrichtung 5 zur Anpassung an die Größe der zu untersuchenden Fläche 12 eines Meßobjekts 13 aufge-

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weitet. Der dem Durchmesser des Meßobjektes angepaßte aufgeweitete Strahl 6 fällt auf eine an ihrer unteren Fläche halbdurchlässig verspiegelte Planplatte 7. Eine Teil der Strahlungsintensität durchsetzt diese Platte und fällt auf eine fest angeordnete reflektierende Fläche 9, von wo sie auf dem gleichen Wege zurückreflektiert und zum Teil an der halbdurchlässig verspiegelte Planplatte 7 über eine Linse 10 auf einen Beobachtungsschirm 11 gelenkt wird. Der andere Teil der Strahlungsintensität wird an der halbdurchlässig verspiegelten Fläche der Planplatte 7 auf die Fläche 12 eines Meßobjektes

13 reflektiert. Die an der Fläche 12 reflektierte Strahlung gelangt durch eine ggf. zum Ausgleich der optischen Weglängen

14 und 15 vorgesehene Planplatte 8, durch die Platte 7 und die Linse 10 zum Beobachtungsschirm 11 _f auf dem in an sich bekannter Weise ein die Unebenheiten der Fläche 12 wiedergebendes , aus Interferenzlinien bestehendes Interferogramm entsteht_f das beispielsweise die in Fig. 3 dargestellte Form hat. Bekanntlich ist es ohne zeitraubende, umständliche, in vielen Fällen das Meßobjekt gefährdende und unter Umständen die Meßgenauigkeit herabsetzende, in allen Fällen aber zeitaufwendige Kunstgriffe nicht möglich, festzustellen, wie die Interferenzlinienscharen Erhebungen oder Vertiefungen der Meßfläche zuzuordnen sind. Um diesen, insbesondere bei großen Anzahlen von Messungen sehr störenden Nachteil zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung ein das Meßobjekt haltender Meßtisch 16 auf einem piezoelektrischen, vorzugsweise aus keramischem Werkstoff bestehenden Körper befestigt, der seinerseits mit einer fest angeordneten Unterlage

verbunden ist. Der piezoelektrische Körper 17 ist über Leitungen 19, 20 mit einem Verstärker 21 und dieser über Leitungen 22, 23 mit einem Sägezahngenerator verbunden, der eine Sägezahnspannung mit einer Frequenz von etwa 3 Hz erzeugt. Der piezoelektrische Körner ist so ausgebildet und die Amplitude der über die Leitungen 19, zugeführten verstärkten Sägezahnspannung so bemessen, daß der Objekttisch und das auf ihm ggf. mit Hilfe von Ansaugkanälen 25 befestigte Meßobjekt 13 eine periodische, geradlinige Verschiebung in Richtung der Normalen der ausgemittelten Meßfläche 12 mit einer

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Amplitude gleich der halben Wellenlänge der von der Strahlungsquelle 1 erzeugten Strahlung ausführt.

!Bekanntlich ist jede auf dem Beobachtungsschirm 11 erzeugte ιInterferenzlinie einer Höhenschichtlinie der Fläche 12 vergleichbar, d.h., sie ist eine Linie, die alle Punkte der Fläche miteinander verbindet, die den gleichen Abstand zur reflektierenden Fläche 9 haben. Wird, wie in Fig. 2 dargestellt, das durch die ausgezogene Linie dargestellte Profil der Fläche 12 in die durch eine gestrichelte Linie 12A dargestellte Lage überführt, so ändert sich der Abstand jedes Punktes der Fläche 12 zur reflektierenden jFläche 9 um den gleichen Betrag. Das hat, wie aus Fig. 2 ersichtlich, zur Folge, daß die Schnittpunkte der Fläche 12 mit einer eine Höhenlinie definierenden Ebene 30 seitlich auswandern; ■ bei einer Abwärtsbewegung der Fläche 12 im Falle einer yertie- '·

■fung 31 zu tieferliegenden Bereichen hin; im Falle einer Erhöhung ; 32 von den höherliegenden Bereichen oder Stellen weg. Hat nun die vom Sägezahngenerator 24 erzeugte Sägezahnspannung einen solchen Verlauf, daß die Fläche 12 durch die Erregung des piezoelektrischen Körpers 17 langsam, beispielsweise innerhalb einer 1/3 Sekunde um einen der halben Wellenlänge der Strahlung 6 gleichen Betrag nach

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!oben und anschließend sehr schnell, beispielsweise innerhalb weniger ms nach unten verschoben wird, so sieht ein Beobachter ι aufgrund der Augenträgheit die Interferenzlinien am Beobachtungsschirm 11 im Falle von Vertiefungen in der Fläche 12 nach innen, im Falle von Erhebungen der Fläche 12 nach außen wandern, da nur die langsame Verschiebung der Interferenzlinien während der langsamen Aufwärtsbewegung der Fläche 12, nicht aber der schnelle Rücklauf während der schnellen Abwärtsbewegung der Fläche 12 gesehen wird. Bei automatischer Auswertung können entweder entsprechend träge Sensoren oder Sensoren verwendet werden, die entsprechend der Phasenlage der anregenden Wechselspannung gesteuert werden. Soll die Auswertung der Interferogramme nur automatisch erfolgen, ist es möglich, die Frequenz der Sägezahnspannung um Zehnerpotenzen zu erhöhen, beispielsweise 5 ms für die Aufwärtsbewegung und O,5 ms für die Abwärtsbewegung/Zur

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Anregung des piezoelektrischen Körpers sind auch andere, z.B. sinusförmige Spannungsverläufe möglich.

Selbstverständlich kann die Bewegung des Meßobjekts auch durch magnetostriktive Körper, elektromagnetische oder mechanische Vorrichtungen erfolgen. Steht ein ausreichender Hub zur Verfügung, so kann die langsame Flanke der Sägezahnspannung während der gesamten Beobachtungsdauer anstehen. Der Rücksprung kann z.B. während des Objektwechsels erfolgen.

Es ist selbstverständlich auch möglich, die Vorrichtung so auszubilden, daß die Fläche 12 relativ langsam nach unten und schnell nach oben verschoben wird. Auch Verschiebungen um andere Beträge, beispielsweise einem Vielfachen der Interferenzlinien- oder Moirelinienabstände können zweckmäßig sein. In allen Fällen bleibt die einer bestimmten Form der Fläche 12 zugeordnete Interferenzlinienzahl unter allen Umständen erhalten, da nur die : Richtung der Steigungen der einzelnen Bereiche der Fläche 12

durch seitliches Wandern der Interferenzlinien angezeigt wird, | Anstelle einer periodischen Verschiebung der zu untersuchenden j Fläche 12 ist es selbstverständlich auch möglich, die Referenzfläciie 9 entsprechend zu bewegen. In diesem Falle müßte _f wenn die Inter- j ferenzlinien bei Vertiefungen in der zu untersuchenden Fläche nach ι

,der tiefsten Stelle zuwandern sollen, die Sägezahnspannung umgekehrt oder der piezoelektrische Körper umgepolt werden.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Interferometrisches Verfahren, insbesondere zur Untersuchung der Ebenheit von Flächen, dadurch gekennzeichnet, ' daß durch eine oder mehrere, die zu untersuchende Fläche beaufschlagende Strahlungen (6) in an sich bekannter j Weise ein Interferenzlinienfeld oder ein Moirelinienfeld ' erzeugt und gleichzeitig eine periodisch?Relativbewegung zwischen der zu untersuchenden Fläche und der beaufschlagen-j den Strahlung bewirkt wird. !

   2. Interferometrisches Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ; gekennzeichnet, daß die räumliche Lage mindestens einer der das Interferenzlinienbild erzeugenden Strahlung durch eine Referenzfläche bestimmt wird,

   3. Interf erometrisches Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oderj 2, dadurch gekennzeichnet _f daß die periodische Relativ- j bewegung zwischen zu untersuchender Fläche und beaufschla- ^: gender Strahlung in Richtung der Normalen dieser Fläche erfolgt.

   4. Interferometrisches Verfahren nach den Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Relativ- j bewegung zwischen zu untersuchender Fläche und beaufschla-* j gender Strahlung in einer von der Normalen dieser Fläche abweichenden Richtung erfolgt.

   5. Interferometrisches Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Relativbewegung zwischen zu untersuchender Fläche und beaufschlagender Strahlung durch eine periodische Bewegung der zu untersuchenden Fläche bewirkt wird.

   6. Interferometrisches Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die

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   periodische Relativbewegung zwischen zu untersuchender Fläche und beaufschlagender Strahlung durch eine periodische Bewegung einer Referenzfläche (9) bewirkt wird.

   Interferometrisches Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Relativbewegung zwischen zu untersuchender Fläche und beaufschlagender Strahlung mit einer Frequenz von 2 bis 6 Hz erfolgt.

   Interferometrisches Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Relativbewegung zwischen zu untersuchender Fläche und beaufschlagender Strahlung mit einer Amplitude von X/fy der beaufschlagenden Strahlung erfolgt,

   9, Interferometrisches Verfahren nach einem oder mehreren ₍

   der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß j

   die Periode der Relativbewegung zwischen zu untersuchen- j

   der Fläche mit beaufschlagender Strahlung die Dauer einer !

   Objektbeobachtung hat, j

   10, Interferometrisches Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8_f dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen zu untersuchender Fläche und beaufschlagender Strahlung eine durch eine Sägezahnkurve definierten zeitlichen Verlauf aufweist,

   11, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10 _f gekennzeichnet durch einen den Meßtisch eines an sich bekannten Interferometers tragenden piezoelektrischen oder magnetostriktiven Körper (17)_f der durch eine elektrische Sinus- oder Sägezahnspannung erregt, dem auf dem Meßtisch befestigten Meßobjekt eine den zeitlichen Verlauf einer Sinus- oder einer Sägezahnkurv« entsprechende Bewegung in Richtung der Flächennormalen mitteilt.

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   12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den
   Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen die
   Referenzfläche (9) eines an sich bekannten Interferometers
   tragenden piezoelektrischen oder magnetostriktiven Körper
   (17), der durch eine Sinus- oder Sägezahnspannung erregt
   der Referenzfläche eine dem zeitlichen Verlauf einer Sinusoder einer Sägezahnkurve entsprechende Bewegung in Richtung
   der auf ihn auffallenden Strahlung mitteilt.

   Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
   oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 mit einer vorzugsweise als Laser ausgebildeten Lichtquelle (1), einer aus
   Linsen (3,4) bestehenden Vorrichtung (5) zur Aufweitung
   und Anpassung des Strahlquerschnittes an die Abmessungen
   eines zu untersuchenden Meßobjektes (13) _f mit einer zur
   aufgeweiteten Strahlung (6) unter einem Winkel von 45°
   angeordneten Planplatte (7), deren der Lichtquelle züge- ^; wandte Fläche halbdurchlässig verspiegelt ist, einer j im Verlauf der- die Planplatte (7) durchsetzenden Strahlung

   angeordneten reflektierenden Referenzfläche (9), einem j im Verlauf der an der reflektierenden Fläche der Planplatte j

   (7) reflektierten Strahlung angeordneten Meßtisch (16) und |

   j einem, die von einem auf dem Meßtisch befestigten Meßobjekt | reflektierte Strahlung sowie die von der Referenzfläche j (9) reflektierte und von der Planplatte (7) abgelenkte ι Strahlung aufnehmenden Beobachtungsschirm (11), dadurch ; gekennzeichnet, daß der Meßtisch (16) mit einem auf einer ! fest angeordneten Unterlage (18) verbundenen piezoelektri- ! sehen oder magnetostriktiven Körper (17) verbunden ist, der
   über Leitungen (19_f 20) durch eine Sinus- oder Sägezahnspan
   nung geeigneter Frequenz und Amplitude so erregt wird, daß
   das Meßobjekt (13) dem zeitlichen Verlauf einer Sinus- oder | Sägezahnkurve entsprechende periodische Bewegungen in Richtung seiner Flächennormalen ausführt.

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   14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Amplitude der periodischen Bewegung des Meßobjektes (13) gleich der viertel Wellenlänge der Strahlung (6) ist.

   15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der periodischen Bewegung des Meßobjektes 13 zwischen 2 und 6 Hz liegt.

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