DE2758149B1 - Interferometrisches Verfahren mit lambda /4-Aufloesung zur Abstands-,Dicken- und/oder Ebenheitsmessung - Google Patents
Interferometrisches Verfahren mit lambda /4-Aufloesung zur Abstands-,Dicken- und/oder EbenheitsmessungInfo
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Description
Genaue Abstands-, Dicken- und Ebenheitsmessungen werden in der Regel mit Hilfe interferometrischer
Verfahren durchgeführt da diese Verfahren nicht nur zerstörungsfrei, relativ einfach und schnell sind, sondern
auch das höchste Auflösungsvermögen aufweisen. In letzter Zeit hat es sich jedoch gezeigt, daB das
Auflösungsvermögen dieser Verfahren für viele Anwendungen,
insbesondere bei der Entwicklung und Fertigung von integrierten Halbleiterschaltungen nicht
ausreichend war, da die zu messenden Werte wesentlich kleiner als die halbe Wellenlänge des sichtbaren Lichts
sind So sind beispielsweise die bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen in zahlreichen aufeinanderfolgenden
Verfahrensschritten aufzubringenden Photolackschichten in der Regel etwa 0,5 um bis
1,5 μπι dick. Aus verschiedenen Gründen, insbesondere
bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen im Submikronbereich, ist es erforderlich, diese
Dicken jeweils mit einer Genauigkeit von mindestens ± 10% einzuhalten. Da das Auflösungsvermögen aller
interferometrischer Verfahren in der Regel durch die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichtes begrenzt
ist, entstehen bei der Überwachung der einzelnen Parameter während der Massenherstellung von integrierten
Schaltungen Schwierigkeiten. Zwar wurden vielfach besondere Verfahren, beispielsweise Mehrfarbeninterferometrie
und Komparatorverfahren entwikkelt und vorgeschlagen, mit denen das Auflösungsvermögen
der Interferenzverfahren zum Teil ganz wesentlich erhöht werden konnte. Diese Verfahren
erfordern aber einen hohen apparativen Aufwand uns sind so kompliziert, langsam und störanfällig, daB sie nur
in relativ wenigen Fällen und unter besonderen Randbedingungen angewendet werden konnten. Ihre
Verwendung bei der Überwachung und Steuerung von groBindustriellen Produktionsvorgängen ist daher in
fast allen Fällen praktisch ausgeschlossen.
Es ist bereits in der DE-AS 26 36 211 ein interferometrisches
Verfahren mit A/4-Auflösung beschrieben, bei dem der Meßstrahl unter einem vorgegebenen kleinen
Winkel auf ein zur Meßebene paralleles Transmissionsgitter so gerichtet wird, daß eine am Gitter unmittelbar
reflexionsgebeugte und drei weitere an der Meßfläche reflektierte und am Gitter transmissionsgebeugte
ORfCMNAL
Beugungsordnungen in Beobachtungsrichtung verlaufen und durch ihre Überlagerung ein Interferenzlinienfeld
erzeugen, bei dem die Abstände zwischen den einzelnen Interferenzstreifen Abständen von einer
Viertel Wellenlänge der verwendeten Strahlung in der Objektebene entsprechen. Da das verwendete Gitter
sehr genau aufeinander und auf die Reflektivität der Meßfläche abgestimmte Reflexions- und Transmissionseigenschaften und eine auf die Einfallsrichtung des
Meßstrahls und die Beobachtungsrichtung abgestimmte Gitterkonstante haben und zu dem sehr nahe an
(maximal 1 mm) und sehr genau parallel zur Meßfläche angeordnet sein muß, sind die Einsatzmöglichkeiten für
dieses Verfahren begrenzt. Insbesondere eignet es sich nicht zur Verwendung im Zusammenhang mit der
Überwachung und Steuerung der Fabrikation integrierter Halbleiterschaltungen, da bei einer Überprüfung
großer Zahlen von Halbleiterplättchen durch die dabei unvermeidbaren Erschütterungen und Verschmutzungen
der Meßvorrichtung Meßfehler nicht auszuschlie-Ben sind Da insbesondere eine Verschmutzung des sehr
empfindlichen Gitters durch die in geringem Abstand mit großer Geschwindigkeit an ihm vorbeigeführten
Halbleiterplättchen praktisch nicht zu vermeiden ist, treten bei der Anwendung dieses bekannten Verfahrens
zur Produktionsüberwachung und -Steuerung zwangsläufig Schwierigkeiten auf, die einen Einsatz praktisch
unmöglich machen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Abstands-, jo
Dicken- und/oder Unebenheitsmessung mit besonders hohem Auflösungsvermögen anzugeben, das bei relativ
geringem apparativem Aufwand und geringen Anforderungen an die Geschicklichkeit der Bedienungsperson
weitgehend unempfindlich gegen Erschütterungen und Verschmutzungen ist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruchs 1
bzw. der entsprechenden Vorrichtungsansprüche 5 und 6 gelöst
Gegenüber den bisher vorgeschlagenen Vorrichtungen hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil,
daß der Abstand zwischen der Meßvorrichtung und der Meßfläche sehr groß — bis zu 1 m und mehr — sein
kann und daß somit zu Verschmutzungen und DeJustierungen führende Erschütterungen mit relativ
geringem Aufwand von der Meßvorrichtung ferngehalten werden können. Da beim erfindungsgemäßen
Verfahren keine an die jeweiligen Randbedingungen anzupassenden Komponenten verwendet werden, ist
die Anwendungsbreite dieses Verfahrens ungleich größer als bei den bekannten Verfahren. Auch ist es im
Gegensatz zu allen bisher bekannten interferometrischen Verfahren möglich, das Auflösungsvermögen
durch einfache Änderung des Auftreffwinkels des Meßstrahls von A/2 auf A/4 und umgekehrt zu
verändern. Bei Wahl genügend großer Auftreffwinkel des Meßstrahls auf das Objekt kann das erfindungsgemäße
Verfahren auch zur Prüfung von Objekten mit schlecht reflektierender oder diffus streuender Oberfläehe
verwendet werden.
Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnung näher erläutert
Es zeigt
Fig. IA und IB die schematische Darstellung von b5
Strahlengängen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Wie aus Fig. IA ersichtlich, wird eine aus ebenen
Wellen bestehende kohärente Strahlung 5b unter einem Winkel θΐ auf ein durchsichtiges, scheibenförmiges
Objekt 1 gerichtet und an dessen unterer und oberer Fläche als Strahlung 5, bzw. als Strahlung S2 reflektiert
Die durch Überlagerung der Komponenten 5Ί und & entstehende Strahlung S' wird durch nicht dargesteUte
Mittel, wie aus F i g. 1B ersichtlich, erneut auf das Objekt
1, diesmal unter einem Winkel Θ2, gerichtet und an
dessen unterer und oberer Fläche als Strahlung S3 bzw.
Si reflektiert. Die durch Überlagerung der Komponenten
entstehende Strahlung S wird somit durch die Interferenz der Komponenten Si, S2, S3 und S* gebildet
Ist die Dicke des Objektes 1 nicht konstant so enthält die Strahlung S' ein Fizeau-Interferenzlinienmuster,
dem ein Interferenzlinienmuster überlagert wird, das
durch die Reflexion der Strahlung 5'an der unteren und
oberen Fläche des Objektes 1 entsteht Die Differenz Θ2-Θ1 muß auf die Dicke tfdes Objekts 1 abgestimmt
sein.
Bei Dickenschwankungsmessungen an einer transparenten oder semitransparenten Schicht mit der bekannten
Fizeau-Interferenzmethode erklärt sich das über dem Objekt in Reflexion sichtbare Interferenzmuster
durch kohärente Überlagerung der an der Vorder- und Rückseite der Schicht reflektierten Teilbündel. Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein wie oben beschrieben erzeugtes Fizeau-Interferenzmuster
einer Meßschicht mittels einer optischen Abbildung ein zweites Mal auf die gleiche Meßschicht zu lenken und
somit ein zweites Interferenzbild der Schichtdickenschwankungen zu erzeugen. Bei gleichen Einfallswinkeln
der zwei Beleuchtungsstrahlungen sind die zwei erhaltenen Interferenzmuster gleich. Fällt jedoch das
zweite Beleuchtungslicht unter einem geringfügig anderen Winkel auf die Meßschicht so beobachtet man
Unterschiede zwischen dem zuerst erhaltenen Muster und dem zweiten Interferenzbild. Je nach Größe der
Winkeldifferenz, d.h. je nach Phasenänderung im zweiten Beleuchtungsstrahl, tritt eine Aufspaltung der
A/2-Fizeaulinien auf und zwar von A/2 über alle Zwischenzustände bis hin zu einem A/4-LJnienmuster
und bei weiterer Veränderung der Winkeldifferenz wiederum über alle Zwischenzustände bis zu einem
λ/2-Muster mit einer Umkehrung der Intensitäts-Verhältnisse zum ersten A/2-Bild.
Die Entstehung der Interferenzlinienmuster wird an Hand der folgenden Überlegungen erläutert
Die Überlagerung der beiden Komponenten S\ und S2, die durch Reflexion an der oberen und unteren
Grenzschicht des Objektes 1 entstehen, führt allgemein zu einem Fizeau-Interferenzlinienmuster mit dem
Streifenabstand A/2.
Mit der üblichen komplexen Darstellung eines Wellenfeldes
u(f,t)=
wobei
und &, die durch Reflexion entstehen, wie folgt
beschrieben werden:
51 = S0-e-"
52 = S0-e-'0"-""**
der zu messenden Schicht, k — ~ und Λ die
Die kohärente Oberlagerung dieser Teilkomponenten liefert ein resultierendes Wellenfeld:
10 Das so entstandene Wellenfeld S' wird durch geeignete optische Maßnahmen zum Testobjekt 1
zurückgeteitet, so daß ein Lichtstrahl, der bei der ersten
Reflexion im Punkt P der unteren Grenzfläche des Objektes reflektiert wurde, zum Punkt P zurückgelangt
Auf diese Weise wird, wie in Fig. IB skizziert, das
Testobjekt erneut mit einem parallelen Wellenfeld S' unter einem Winkel S2 beleuchtet Dabei entstehen
durch Reflexion an der oberen und unteren Grenzflache wieder zwei Anteile S3 und S*, die sich wie folgt
darstellen lassen:
S3 = Sb(i+e-/(2<UcosH'-:'))
15 +cos«,)!
S' = S1 + S2 =
ο ρ — i(2itrcosw>
+ ι) ι ο . _ -
S = S3 + S4 = S0(I +e-iaikaxH>-:')){i +e-iGJ
In der Richtung Θ2 entsteht dabei die Intensitätsverteilung:
-cos(2<i*cose1))(l-cos(2<ik cos<92))
Diese Funktion beschreibt die Intensität in einem beliebigen Punkt der oberen Grenzschicht, dessen
Abstand von der unteren Grenzschicht gleich rfist
Die in Fig.2 dargestellte Anordnung besteht aus
einem Laser 2, Linsen 3 und 4 zur Aufweitung des Laserstrahls 11, einer Linse S, einem Hohlspiegel 6,
sowie aus kleinen, verstellbar angeordneten, ebenen Spiegeln 7 und 8. Der vom Laser 2 erzeugte Strahl 11
wird in der aus den Linsen 3 und 4 bestehenden Anordnung aufgeweitet und durch den Spiegel 7 Ober
die Linse 5 als durch gestrichelte Linien angedeutetes Parallelstrahlenbündel 12 unter einen Einfallswinkel Θ2
auf das zu untersuchende Objekt 1 gerichtet Die an der unteren und der oberen Fläche des Objektes 1
reflektierten Komponenten des Strahlenbündels 12 gelangen, wie durch die mit Pfeilen versehene
ausgezogene Linie angedeutet über die Linse 5 zum Hohlspiegel 6 und werden von dort über die Linse 5 als
ein durch punktierte Linien angedeutetes Parallelstrahlenbündel 13 erneut auf das Objekt 1 gerichtet Der
Einfallswinkel θι dieses Strahles ist vom Einfallswinkel Θ2 des Strahles 12 verschieden. Die an der oberen und
unteren Fläche des Objekts 1 reflektierten Komponenten durchsetzen als ein durch strichpunktierte Linien so
angedeutetes Strahlenbündel 14 die Linse 5 und gelangen als konvergentes Strahlenbündel zu dem
Spiegel 8, von wo sie als divergentes Strahlenbündel zu einer Auswertebene 9 gelangen.
Wie aus den Erläuterungen der Fig. IA und IB
hervorgeht besteht der vom Objekt 1, Fig.2,
reflektierte und durch ausgezogene Linien dargestellte Strahl aus zwei miteinander interferierenden Komponenten, die als ein durch gestrichelte Linien angedeutetes
Strahlenbündel 13 erneut auf das Objekt 1 auf treffen.
Durch die Reflexion dieser ein Interferenzfeld bildenden Komponenten an der unteren und oberen Fläche des
Objektes 1 erfolgt eine Aufspaltung dieser Strahlung in zwei weitere Komponenten, die als ein durch strichpunktierte
Linien angedeutetes Strahlenbündel 14 fiber die Linse 4 und den Spiegel 8 zur Auswertebene 9
gelangen, wo sie ein aus vier Komponenten bestehendes Interferenzmuster bilden. Bei geeigneter Wahl der auf
die Dicke des Objektes 1 abgestimmten Einfallswinkel θι und S2 wird in der Auswertebene 9 ein Interferenzlinienmuster
sichtbar, bei dem die Abstände zwischen zwei benachbarten Linien jeweils Dickenunterschieden
von A/4 im Bereich des Objekts 1 entsprechen. Wie oben im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. IA
und IB erläutert geht das im Bereich der Auswertebene
9 entstehende, aus λ/4-Linien bestehende Interferenzmuster bei einer durch eine Kippung der Spiegel 7 und 8
auftretenden Veränderung der Winkel θι und S2 in ein
aus A/2-Linien bestehendes Interferenzmuster über, das bei einer weiteren Veränderung der Einfallswinkel θι
und Θ2 erneut in ein aus λ/4-Linien bestehendes Muster übergeht
Die in der Auswertebene entstehenden Interferenzmuster sind in den Fig.4 und 5 dargestellt Die
Abstände zwischen den in diesen Figuren dargestellten Interferenzlinien 41 entsprechen λ/4-Abständen in der
Objektebene, während die mit 40 bezeichneten Interferenzlinien λ/2-Abständen zugeordnet sind. In F i g. 5 ist
mit a ein λ/2-Interferenzlinienmuster, mit b ein
λ/4-Interferenzlinienmuster und mit c ein λ/2-Interferenzlinienmuster
dargestellt Aus Fig.4 ist der bei allmählicher Veränderung der Winkel θι und O2
stattfindende Übergang von einem aus λ/2-Interferenzlinien bestehenden Interferenzmuster zu einem aus
λ/4-Interferenzlinien 41 bestehenden Interferenzmuster
und der erneute Übergang zu einem aus λ/2-Interferenzlinien
bestehenden Muster ersichtlich. Das in F i g. 4 mit a bezeichnete Muster stellt ein reines λ/2-Interferenzlinienmuster
dar, dessen Linien sich, wie in den mit b und c bezeichneten Interferenzmuster langsam verbreitern
und aufspalten, um in ein aus reinen λ/4-Interferenzlinien
bestehendes Muster überzugehen, wie es beispielsweise im mit d bezeichneten Muster der F i g. 4
dargestellt ist Der Übergang des mit d bezeichneten Musters zu einem reinen λ/2-Interferenzlinienmuster
ergibt sich aus den in F i g. 4 mit e, /und £ bezeichneten
Mustern.
Die in Fig.3 dargestellte Anordnung besteht aus
einem Laser 22, Linsen 23 und 24, einem polarisationsunabhängigen Strahlenteiler 27, einem polarisatkmsab-
hängigen Strahlenteiler 28, einer Linse 25, einem Hohlspiegel 26 und einem λ/4-Plättchen 29. Der vom
Laser 22 erzeugte Strahl wird durch die Linse 23 in einen divergenten Strahl 31 umgewandelt, der durch die
Linse 24 in ein Parallelstrahlenbündel umgewandelt wird. Ein Teil dieses parallel zur Zeichnungsebene linear
polarisierten Strahlenbündeis durchsetzt den Strahlenteiler 27 und wird am polarisationsabhängigen Strahlenteiler
28 als durch gestrichelte Linien dargestelltes Parallelstrahlenbündel 32 durch das A/4-Plättchen 29 auf in
das Objekt 1 gerichtet. Die an der unteren und oberen Fläche des Objekts 1 reflektierten Komponenten des
Strahlenbündeis 32 durchsetzen das A/4-Plättchen 29 ein
zweites Mal und werden als senkrecht zur Zeichnungsebene linear polarisiertes Strahlenbündel durch die
Linse 25 auf den Hohlspiegel 26 gerichtet. Die am Hohlspiegel 26 reflektierte Strahlung wird durch die
Linse 25 in ein durch punktierte Linien 33 angedeutetes Parallelstrahlenbündel 33 nach Durchtritt durch das
A/4- Plättchen 29 auf das Objekt gerichtet. Beim Durchtritt durch das A/4-Plättchen 29 wird die senkrecht
zur Zeichnungsebene linear polarisierte Strahlung in eine zirkulär polarisierte Strahlung umgewandelt. Die
an der unteren und oberen Fläche des Objekts 1 reflektierten Komponenten des Strahlungsbündels 33
durchsetzen als ein durch strichpunktierte Linien angedeutetes Strahlenbündel 34 das λ/4-Plättchen 29
und werden dabei in ein parallel zur Zeichnungsebene linear polarisiertes Strahlenbündel umgewandelt, das
am polarisationsabhängigen Strahlenteiler 28 verlustlos nach rechts abgelenkt wird Beim Auftreten auf den
polarisationsunabhängigen Strahlenteiler 27 wird ein Teil dieses Strahlenbündeis nach unten abgelenkt und
erzeugt im Bereich einer Auswertebene 30 ein Interferenzlinienmuster, wie es beispielsweise in den
Fig.4 und 5 dargestellt ist Bei geeigneter Wahl der
Einfallswinkel der auf das Objekt 1 auftreffenden Strahlenbündel 32 und 33 besteht das in der
Auswertebene 30 entstehende Interferenzmuster aus A/4-Interferenzlinien, die bei einer Änderung der
Einfallswinkel der Strahlenbündel 32 und 33 kontinuierlich in A/2-, A/4-, A/2-, usw. Linien übergehen. Wie im
Zusammenhang mit den im Anschluß an die Beschreibung der Fig. IA und IB erläuterten Formeln
ersichtlich, müssen die Einfallswinkel in geeigneter Weise an die Dicke des Objekts angepaßt sein.
Bei Objekten mit schlecht reflektierenden oder diffus streuenden Flächen kann es zweckmäßig sein, die
Einfallswinkel so weit zu vergrößern, daß eine eine Reflexion annähernde Streuung auftritt.
909 507/502
Claims (8)
1. Interferometrisches Verfahren mit A/4-Auflösung
zur Abstands-, Dicken- und/oder Ebenheitsmessung von transparenten oder semitransparenten
Schichten, dadurch gekennzeichnet, daB eine kolfimierte, konvergente oder divergente
Strahlung (So) unter einem ersten Einfallswinkel (θι)
bzw. unter einem ersten Bereich von Einfallswinkeln ι ο (θι) auf das Meßobjekt (1) gerichtet wird, daß die an
der oberen und unteren Fläche des Meßobjektes reflektierten Komponenten (S\, S2) der Strahlung
(S0) zu eiber neuen Strahlung ^überlagert werden,
daß diese Strahlung (S^ unter einem zweiten, vom
ersten verschiedenen Einfallswinkel (θ2) bzw. unter
einem zweiten, vom ersten verschiedenen Bereich von Einfallswinkeln (θ2) erneut auf das Meßobjekt
(1) gerichtet wird, daß die an der oberen und unteren Fläche des Meßobjekts reflektierten Komponenten
(S3, S4) dieser Strahlung (S') mit den Komponenten
(S\, Si) der ersten Strahlung (So) zur Interferenz gebracht werden und das sich ergebende Interferenzlinienmuster
der durch die Überlagerung der Komponenten (Su S2.S3.S4) entstehenden Strahlung
^ausgewertet wird.
2. Interferometrisches Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Differenz der
beiden Einfallswinkel (Θ2-Θ1) der Strahlungen 50,
5'^ auf die Dicke (α) des Meßobjekts (1) abgestimmt
ist
3. Interferometrisches Verfahren nach den Ansprüchen
1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daB die Einfallswinkel (θι, θ2) der Strahlungen (S0, S')
zwecks Änderung des Auflösungsvermögens von A/2 zu A/4 und umgekehrt steuerbar veränderbar
sind
4. Interferometrisches Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einfallswinkel (θι, θ2) zwecks Anpassung an die
Reflektivität der Meßfläche (1) steuerbar veränderbar sind.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine als Laser ausgebildete Lichtquelle (2), Linsen (3,4) zur
Aufweitung des Strahlquerschnitts, einen Spiegel (7) zur Ablenkung des Lichtstrahls in Richtung einer
Linse (5), durch die ein auf das Meßobjekt (1) unter einem Einfallswinkel (θ2) fallendes Parallelstrahlenbündel
(12) erzeugt wird, einen Hohlspiegel (6), der die an der oberen und der unteren Fläche des
Meßobjekts (1) reflektierten Komponenten des Parallelstrahlenbündels (12) durch die Linse (5)
hindurch als Parallelstrahlenbfindel (13) unter einem Winkel (θι) erneut auf das Objekt (1) richtet, und
durch einen Spiegel (8), der die an der oberen und der unteren Fläche des Objekts (1) reflektierten
Komponenten dieses zweiten Parallelstrahlenbündels (13) als divergentes Strahlenbündel (14) zu einer
Auswertebene (9) lenkt
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine als
Laser ausgebildete Lichtquelle (22), Linsen (23, 24) zur Aufweitung des Laserstrahls, einen polarisationsunabhängigen
Strahlenteiler (27), einen polarisationsabhängigen Strahlenteiler (28), ein im Wege
des vom polarisationsabhängigen Strahlenteiler (28) abgelenkten Strahlenbündels (32) angeordnetes
A/4-Plättchen (29), eine die an der oberen und der
unteren Fläche des Objekts (1) reflektierten Komponenten des Strahlenbündels (32) auf einen
Hohlspiegel (26) übertragende Linse (25), die die am Hohlspiegel (26) reflektierte Strahlung als Parallelstrahlenbündel
(33) erneut nach Durchtritt durch das λ/4-Plättchen auf das Objekt (1) richtet, wobei die an
der oberen und unteren Fläche des Objekts reflektierten Komponenten dieses Strahlenbündels
(33) nach Durchsetzen des A/4-Plättchens (29) vom polarisationsabhängigen Strahlenteiler (28) in Richtung
des polarisationsunabhängigen Strahlenteilers (27) und von diesem in Richtung einer Auswertebene
(30) abgelenkt werden.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine in der Auswertebene (9,
30) angeordnete Fernsehkameraröhre.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine in der Auswertebene (9,
30) angeordnete Photodetektoranordnung.
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