DE3240234A1

DE3240234A1 - Oberflaechenprofil-interferometer

Info

Publication number: DE3240234A1
Application number: DE19823240234
Authority: DE
Inventors: Michael John Headley Down Hampshire Downs
Original assignee: Individual
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1981-10-30
Filing date: 1982-10-29
Publication date: 1983-05-11
Anticipated expiration: 2002-10-30
Also published as: US4534649A; JPH0319482B2; JPS5885103A; DE3240234C2

Description

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Beschreibung

Die Erfindunq bezieht sich auf ein Oberflächenprofil-Interferometer, d.h. ein Gerät zum Ermitteln der Oberflächenrauhigkeit bzw. der Höhe einer Dickenänderungsstufe, wie sie z.B. entsteht, wenn man einen Metallfilm auf ein Substrat aufbringt, um eine Leiterplatte oder eine integrierte Mikroschaltung herzustellen.

Im "Journal of Physics E", 1972, Bd. 5, S. 445-449, beschreiben King u.a. drei Verfahren zum Ermitteln der Dicke von Filmen durch Messen der Stufenhöhe am Rand eines Films. Bei einem Verfahren wird ein mechanischer Taststift über die auszumessende Fläche hinwegbewegt, doch muß die—

ser Taststift die Fläche berühren, so daß die Gefahr einer Beschädigung der Fläche besteht. Bei einem anderen Verfahren wird ein mit mehreren Strahlen oder Lichtbündeln arbeitendes Interferometer benutzt; hierbei dient eine Mikroskopanordnung dazu, von mehreren Strahlen herrührende Interferenzstreifen auf einem photographischen Film abzubilden, und das so aufgezeichnete Interferogramm wird ausgewertet, um die Stufenhöhe zu ermitteln. Bei dieser Anordnung besteht ein Nachteil darin, daß der photographische Film entwickelt werden muß, bevor die Messung der Stufenhöhe durchgeführt werden kann.

Bei einer dritten Anordnung, bei der von einem photoelektrischen Scherinterferometer Gebrauch gemacht wird, läßt man polarisiertes Licht durch einen Schlitz, ein Wollaston-Prisma und das Objektiv eines Mikroskops fallen, um zwei Bilder des Schlitzes zu erzeugen, die der Stufenhöhenänderung auf einer zu untersuchenden Fläche benachbart sind. Die durch die Fläche reflektierten Strahlen durchlaufen das Objektiv und das Prisma, und mit Hilfe von zwei rechtwinklig zueinander polarisierten Strahlen wird ein Bild erzeugt, wobei diese Strahlen eine Phasendifferenz aufweisen, die sich nach der Höhe der Stufe richtet. Um diese ^ Phasendifferenz zu messen, bewegt man mit der Hand eine schwache Linse quer zu dem Strahl, bis die Phasendifferenz genau ausgelöscht ist; das Vorhandensein dieses Zustandes wird mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators, eines Analysators, eines Photoelektronen-Vervielfachers und eines phasenempfindlichen Detektors festgestellt, die dazu dienen, die Lage der Phasengleichheit der beiden interferierenden Strahlen nachzuweisen. Die Genauigkeit dieses Systems richtet sich nach der Genauigkeit, mit der die lineare Bewegung der schwachen Linse gemessen werden kann. Außerdem handelt es sich um ein Gerät, bei dem sich die Lichtstrahlen nicht längs einer gemeinsamen Bahn fortpflanzen. Vielmehr pflanzen sich die beiden interferierenden

*° Strahlen längs räumlich getrennter optischer Wege fort, so daß das Meßergebnis durch jede Kippbewegung der zu untersuchenden Fläche beeinflußt wird.

Eine weitere Verwendungsmöglichkeit für einen elektroopti—

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sehen Modulator besteht auf dem Gebiet der Polarimetrie; siehe z.B. die Arbeit von King in "Photoelectric Spectrometry Group Bulletin" Nr. 16, Dezember 1965, S-. 487-492, gemäß welcher ein als Faraday-Zelle bekannter magnetooptischer Modulator benutzt wird, um eine direkte Kompensation der'Polarisationsdifferenz zu bewirken, wobei eine Messung

BAD ORIGfNAL

des Stroms erfolgt, der der Zelle zugeführt wird, um eine Drehung der Schwingungsebene eines eben polarisierten Strahls herbeizuführen, so daß sich ein erforderlicher Zustand ergibt, der mit Hilfe eines phasenempfindlichen Detektors nachgewiesen wird. Man kann eine solche Anordnung benutzen, um sehr kleine Änderungen bezüglich der Schwingungsebene von linear polarisiertem Licht zu ermitteln, die z.B. durch eine optische Rotationsdispersion oder Drehung hervorgerufen werden.

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Es sei bemerkt, daß von den beiden vorstehend geschilderten optischen Verfahren zum Messen der Stufenhöhe das In— ^N""' terferometer mit mehreren Strahlen bezüglich der Messung nicht von der Phasendifferenz zwischen zwei zueinander orthogonal polarisierten Strahlen abhängt und daß bei dem photoelektrischen Scherinterferometer zwar die Phasendifferenz zwischen zwei zueinander orthogonal polarisierten Strahlen gemessen wird, daß jedoch die Strahlen durch das Wollaston-Prisma seitlich gegeneinander versetzt werden, so daß bei dieser Anordnung das Interferometer keinen gemeinsamen Strahlenweg aufweist.

Im folgenden wird nunmehr eine Iηterferometeranordnung beschrieben, bei der sich die beiden interferierenden Strah_w. 25 i_en längs eines gemeinsamen Strahlenwegs fortpflanzen, so daß das Interferometer für Kippbewegungen eines zu prüfenden Gegenstandes unempfindlich ist, und bei dem Polarisationsverfahren angewendet werden, um eine äußerst hohe Meßempfindlichkeit zu erzielen. Bei bestimmten Ausführungs— ^ou beispielen wird durch die Erfindung erstmalig ein Polarisationsinterferometer geschaffen, bei dem tatsächlich ein gemeinsamer Strahlenweg vorhanden ist.

Zu einem erfindungsgemäßen Oberflächenprofil-Interferometer gehören die nachstehend genannten Elemente: eine

β a 4 en • · α ο * e

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Einrichtung zum Erzeugen eines gerichteten Strahls, der zwei zueinander orthogonal polarisierte Komponenten von gleicher Amplitude enthält, eine Einrichtung zum Richten des Strahls, ein doppelbrechendes Fokussiersystem zum Fokussieren von Strahlung in den beiden Polarisationsrichtungen an verschiedenen Punkten im Raum, eine Strahlumkehrungseinrichtung zwischen dem Fokussiersystem und der Position eines zu prüfenden Gegenstandes sowie eine Einrichtung zum Fühlen einer etwa vorhandenen Phasendifferenz zwischen den polarisierten Strahlungskomponenten; die Einrichtung zum Richten des Strahls ist so ausgebildet, daß sie mindestens einen Teil des gerichteten Strahls durchläßt, damit er auf das doppelbrechende Fokussiersystem fallen kann, daß die Einrichtung von der doppelbrechenden Fokussiereinrichtung Strahlung empfängt, die durch eine zu untersuchende Fläche reflektiert worden ist, wobei diese Strahlung der Phasenfühleinrichtung zugeführt wird, und daß im wesentlichen keine Phasendifferenz zwischen den Strahlungskomponenten in den beiden zueinander rechtwinkligen Richtungen hervorgerufen wird.

Bei der ersten Ausführungsform ist die Einrichtung zum Richten des Strahls als ebene reflektierende Fläche ausgebildet, die auf einer Seite der optischen Achse der interferometerstrahlung in dem einfallenden gerichteten Strahl angeordnet ist.

Die reflektierende Fläche ist unter 45 gegen die optische Achse geneigt, so daß der Einrichtung zum Ermitteln der

Phase Strahlung zugeführt wird, die mit Hilfe des doppelbrechenden Fokussiersystems von einer zu untersuchenden Fläche empfangen wird. Dies bedeutet in der Praxis, daß eine Hälfte der Interferometeröffnung ausgenutzt wird, und hierbei ergibt sich der Vorteil, daß es unmöglich ist, daß Energie in Richtung auf die Strahlungsquelle reflektiert wird.

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Bei einer zweiten Ausführungsform ist die Einrichtung zum Richten des Strahls als ein im wesentlichen nicht polarisierender Strahlenteiler ausgebildet, bei dem das Produkt aus dem Reflexionskoeffizienten bei der ersten Polarisationsrichtung und dem Übertragungskoeffizienten bei der zweiten Polarisationsrichtung im wesentlichen gleich dem Produkt des Reflexionskoeffizienten bei der zweiten Polarisationsrichtung und des Übertragungskoeffizienten bei der ersten Polarisationsrichtung ist. Ein zweifaches Hindurchleiten eines Strahls mit orthogonal polarisierten Komponenten durch einen solchen Strahlenteiler führt nicht zum Auftreten von Phasendifferenzen zwischen den Komponenten.

Das doppelbrechende Fokussiersystem ist so ausgebildet, daß es mit sich etwas unterscheidenden Fokussierleistungen auf orthogonal polarisierte Komponenten eines einfallenden Strahls wirkt. Die Strahlenumkehrungseinrichtung vertauscht die Polarisationszustände der Strahlkomponenten, so daß während eines zweiten Durchgangs des Strahls durch das ^Fokussiersystem nach der Reflexion durch eine zu untersuchende Fläche die Wirkung der unterschiedlichen Fokussierleistungen umgekehrt wird. Zu dem Fokussiersystem kann eine Sammellinse aus Calcid von relativ geringer Brechkraft gehören, es kann eine Sammellinse von relativ hoher Brechkraft vorhanden sein, und zu der Strahlumkehrungseinrichtung kann ein Viertelwellenlängenplättchen gehören, dessen Achsen unb

verlaufen.
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Achsen unter 45 zu den Achsen der doppelbrechenden Linse

Zu der Phasenfühleinrichtung können die folgenden Bestandteile gehören: ein elektrooptischer Wechselstrommodulator, ein elektrooptischer Kompensator, z.B. eine Faraday-Zelle, ein Photoionenvervielfacher und ein phasenempfindlicher Detektor, der geeignet ist, ein Ausgangssignal zu liefern,

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« M « * * »Ο O ο ft Q O

»****« ο*ο·ο α ο e * It α

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das in einer Beziehung zu jedem etwaigen Phasenunterschied zwischen den beiden orthogonal polarisierten interferierenden Strahlen steht, welche von dem Photoionenvervielfacher empfangen werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den optischen Teil sowie die elektrische Steuer- und Meßschaltung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Oberflächenprofil-Interferometers;

Fig. 2a, b, c, d und e jeweils eine von fünf möglichen Anordnungen zum Beleuchten einer zu untersuchenden Fläche;

Fig. 3a, b, c und d jeweils optische bzw. elektrische Signale, die an den verschiedenen Punkten des Geräts auftreten; und
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Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines Oberflächenprofil-Interf erometers nach der Erfindung.

Zunächst sei auf die Strahlenwege bei dem Gerät nach Fig. eingegangen; ein Helium-Neon-Laser 10 erzeugt einen monochromatischen Lichtstrahl, der eine Strahlspreizeinrichtung 12 durchläuft, um dann zu einem polarisierenden Strahlenteiler 14 zu gelangen, der einen Teil des einfallenden

Lichtes unter einem Winkel von 90 reflektiert«, Der gerichtete Strahl durchläuft ein Halbwellenplättchen 16 aus Glimmer und einen Polarisator 18 und gelangt dann zu einem Reflektor 20, der eine Hälfte des einfallenden Strahls zurückhält. Die von dem einfallenden Strahl abgewandte Seite 21 des Reflektors ist als Spiegel ausgebildet» Die Hälfte des Strahls, welche nicht durch den Reflektor zurückgehalten

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-ιοί wird, pflanzt sich nur auf einer Seite der optischen Achse des Geräts fort und fällt durch eine Sammellinse 22 aus Calcid, die in Berührung mit einer Zerstreuungslinse 24 aus Silica steht; danach durchläuft diese Hälfte des Strahls ein Viertelwellenlängenplättchen 26 aus Glimmer sowie ein Mikroskopobjektiv 28, um dann zu einer zu untersuchenden Fläche 30 zu gelangen. Das durch die Fläche 30 zurückgeworfene Licht pflanzt sich auf der anderen Seite der optischen Achse in der Gegenrichtung fort und fällt erneut durch das Objektiv 28, das Plättchen 26 und die Doppellinse 22, 24, bis es auf die reflektierende Fläche 21 trifft. Die Fläche 21 ist unter 45 gegen den zurücklaufenden Strahl geneigt, der so reflektiert wird, daß er durch eine Begrenzungsöffnung 32 fällt und über einen elektrooptisehen Phasenmodulator 34, ein Viertelwellenlängenplättchen 36, einen Kompensator 38 in Form einer Faraday—Zelle und einen zweiten Polarisator 40 zu einem Photoionenvervielfacher 42 gelangt.

Der elektrooptisch^ Phasenmodulator 34 ist an eine Modulatorsteuerschaltung 50 angeschlossen, die ein Eingangssignal einem phasenempfindlichen Detektor 52 zuführt. Das andere Eingangssignal wird durch den Photoionenmultiplikator 42 erzeugt, der durch eine Einrichtung 54 mit einer sehr hohen Spannung versorgt wird. Das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 52 wird einer Faraday-Zellen-Kompensatorschaltung 56 zugeführt, die ein Bezugsausgabe— signal 58 liefert, dessen Wert der Stärke des durch die

Spule der Faraday-Zelle fließenden Stroms entspricht. 30

Während des Betriebs erzeugt der Laser 10 einen eben polarisierten Lichtstrahl, der durch die Spreizeinrichtung 12 aufgespreizt wird. Der polarisierende Strahlenteiler 14 reflektiert den aufgespreizten Strahl so, daß er durch das Halbwellenlängenplättchen 16 aus Glimmer zu dem Polarisa-

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tor 18 gelangt, der so eingestellt ist, daß er die Polarisationsebene des aufgespreizten Eingangsstrahls dreht, bis Strahlen von gleicher Intensität vorhanden sind, die in zwei zueinander orthogonalen Richtungen P und S polarisiert sind, deren Lage durch die Achsen der doppelbrechenden Linse bestimmt ist. Das Halbwellenlängenplättchen 16 dient dazu, die Intensität des von dem Polarisator 18 durchgelassenen Lichtes durch Drehen der Polarisationsebene auf einen maximalen Wert zu bringen. Die nicht durch den Reflektor 20 zurückgehaltene Hälfte des Strahls durchläuft die Linse 22 aus Calcid und die Linse 24 aus Silica«

Eine Eigenschaft der Sammellinse 22 aus Calcid besteht darin, daß sie bei Licht von unterschiedlicher Polarisation unterschiedliche Brechzahlen aufweist. Bei einem einfallenden gerichteten Strahl, der die Komponenten P und S enthält, wird die eine Komponente stärker abgelenkt als die andere, so daß die Brennpunkte der Komponenten P und S verschieden weit von der Linse entfernt sind. Der Unterschied bezüglich der Sammelkraft für die Komponenten P und S ist gering und beträgt etwa 1 Diopter. Die Wirkung des Mikroskopobjektivs 28 besteht darin, daß eine relativ starke Fokussierwirkung von z.B. 100 Diopter hervorgerufen wird, daß jedoch ein Unterschied bezüglich der Samme1fähig— keit für die Komponenten P und S erhalten bleibt. Die Gesamtwirkung besteht darin, daß eine Komponente des Strahls, z.B. die Komponente P, genau auf die zu untersuchende Fläche 30 fokussiert wird, während die zweite Komponente auf einen anderen Abstand fokussiert wird, so daß sie von einem

größeren Teil der Fläche 30 zurückgeworfen wird. Die verschiedenen beleuchteten Flächen sind in Fig» 2a dargestellt. Die Komponente P wird genau als kleiner runder Fleck nahe der Auflösungsgrenze des Objektivs 28 fokussiert, während die Komponente S einen erheblich größeren Teil der zu un-Versuchenden Fläche einnimmt. Beispielsweise hat der Licht—

BAD. ORIGINAL.

fleck P bei einem Durchmesser des Objektivs von 8 mm einen Durchmesser von weniger als 1 Mikrometer, während die Flache bei der Komponente S einen Durchmesser von 100 Mikrometer haben kann. Somit liegt der Unterschied zwischen den

Flächen, durch welche die Strahlkomponenten reflektiert

4 v/erden, in der Größenordnung von 10 . Die Reflexion durch die Fläche 30 führt bei kleinen Einfallswinkeln nicht zu einer Änderung des Polarisationszustandes, doch führt die mittlere Höhenlage der Fläche, durch welche jede Strahl-

jQ komponente reflektiert wird, zu einer Veränderung der Beziehung zwischen den beiden Strahlkomponenten dadurch, daß sich ein Unterschied bezüglich des optischen Strahlenweges und daher eine Phasendifferenz des einen Strahls gegenüber dem anderen ergibt. Der scharf fokussierte Lichtfleck liefert eine Information über die Höhenlage der Fläche, die für einen sehr kleinen Teil der Fläche gilt, während man die große Fläche als Bezugsfläche betrachten kann, da die Information hier über einen relativ großen Teil der Fläche ausgemittelt wird und daher innerhalb der gesamten zu untersuchenden Fläche unveränderlich sein dürfte. Die beiden Strahlen pflanzen sich längs eines gemeinsamen Weges fort, so daß das System für Bewegungen der Fläche 30 im rechten Winkel zu ihrer Ebene unempfindlich ist, und dadurch, daß mit einer Koaxialmessung und Bezugsstrahlen gearbeitet wird, wird das System außerdem gegen Verkantungen der Fläche 30 unempfindlich. Die reflektierten Strahlen können benutzt werden, um Informationen zu gewinnen, z.B. über die Oberflächenrauhigkeit, d.h. die Höhenlage eines bestimmten Punktes gegenüber der Hauptfläche, oder um Änderungen der Profilhöhe zu untersuchen. Gewöhnlich wird die Fläche 30 quer zu den sie beleuchtenden Strahlen in einer von zwei zueinander orthogonalen Richtungen χ und y oder in beiden Richtungen abgetastet, wie es in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet ist, d.h. es wird der Objekttisch eines Mikroskops benutzt, und das elektrische Ausgangssignal des

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Geräts bildet ein Maß für die Oberflächenrauhigkeit oder Veränderungen der Profilhöhe«.

Gemäß Fig. 1 pflanzen sich die durch die Fläche 30 reflektierten Strahlen auf der anderen Seite der optischen Achse in der Gegenrichtung zu der Linse 22 aus Calcid und der Linse 24 aus Silica fort, nachdem sie ein zweites Mal das Viertelwellenlängenplättchen 26 durchlaufen haben, das gegen die Achsen der doppelbrechenden Linse unter 45 geneigt ist. Dieses doppelte Durchlaufen des Plättchens 26 hat zur folge, daß die Komponenten P und S gegenüber den ordentliehen und außerordentlichen Achsen der Calcidlinse 22 miteinander vertauscht werden und daß die Fokussierwirkung dieser Linse auf die Strahlkomponenten daher umgekehrt wird.

Die Strahlkomponente, die beim ersten Durchgang durch die Linse stärker gebrochen wurde als die andere, wird jetzt weniger stark gebrochen, und umgekehrt. Die Zerstreuungslinse aus Silica ist vorgesehen, damit die Linsenanordnung 22, 24 bei dem Eingangsstrahl, der in einem kleineren Abstand fokussiert wird, die Sammelleistung Null aufweist, so daß beide Komponenten durch das Linsenpaar auf geeignete Weise erneut gerichtet werden können« Das Linsenpaar gibt somit zwei gerichtete, orthogonal polarisierte Strahlen ab, deren Phasendifferenz direkt proportional zur Höhe der Fläche 3o innerhalb des kleinen Lichtflecks im Vergleich zur mittleren Oberflächenhöhe ist.

Durch die reflektierende Fläche 21 werden die Strahlen in Richtung auf die Detektoranordnung umgelenkt,» Bei dem Reflektor 20 kann es sich um ein mit Aluminium beschichtetes Glasprisma handeln; alternativ kann man eine dielektrische Spiegelbeschichtung benutzen. In beiden Fällen führt die Reflexion an der Fläche 21 nicht zu einer wesentlichen Veränderung der relativen Phasen der Komponenten P und S, vor-

&£> ausgesetzt daß die Komponenten und die reflektierende Fläche

fehlerfrei ausgerichtet sind. Alternativ kann man den Reflektor so beschichten, daß zwischen den orthogonal polarisierten Komponenten bei jeder beliebigen Lage eine Phasenänderung und eine Amplitudenänderung vom Wert Null eintritt.

Die durch die reflektierende Fläche 21 zurückgeworfenen Strahlen durchlaufen eine Begrenzungsöffnung 32 und gelangen dann zu dem elektrooptischen Phasenmodulator. Bei kohärenten Eingangsstrahlen von gleicher Amplitude bei orthogonaler Polarisation erhält man als Ergebnis der interferierenden Strahlen einen elliptisch polarisierten Strahl, dessen Hauptachse unter einem Winkel von 45 zu den Richtungen der Komponenten P und S verläuft. Die Achsen des Phasenmodulators 34 sind auf die P- und S-Richtungen eingestellt, und die Achsen des Viertelwellenlängenplättchens 36 verlaufen unter 45° zu den P- und S-Richtungen. Die Steuerschaltung 50 ist so ausgebildet, daß sie den Phasenmodulator 34 derart betätigt, daß die Polarisations— ebene des resultierenden Strahls um die 45°-Richtung symmetrisch um einen großen Winkel von z.B. 4-30° geschwenkt wird, wie es in F'ig. 3a und 3b gezeigt ist, wobei Fig. 3a als Polardiagramm die Winkel zwischen den Eingangsstrahlen und dem modulierten resultierenden Strahl wiedergibt, während Fig. 3b die zeitabhängige Veränderung der Winkellage des resultierenden Strahls erkennen läßt. Wenn dieser modulierte Strahl dem Photoionenvervielfacher 42 über den auf die 45°-Richtung ausgerichteten Analysator 40 zugeführt wird und wenn die Eingangsstrahlen bei dem Modulator 34 bei genau orthogonaler Polarisation ohne einen Strahlenwegunterschied die gleiche Amplitude haben, erhält der Multiplikator 42 Licht, dessen Intensität in Abhängigkeit von der Zeit in der aus Fig. 3c ersichtlichen Weise variiert (da eine Empfindlichkeit nicht für die Polarisationsrich— tung, sondern nur für die Lichtintensität vorhanden ist),

und es würde eine Reihe von Sinuswellen von gleicher Amplitude bei der doppelten Modulationsfrequenz nachgewiesen, so daß man ein im wesentlichen konstantes Ausgangssignal entsprechend der gestrichelten Linie in Fig. 3c erhält. Sind jedoch die interferierenden Strahlen phasenverschieden, ergibt sich bei 45° kein resultierender Strahl, und es erfolgt keine beiderseitige Schwenkbewegung um die 45°- Richtung, sondern man erhält eine Gewichtung oder Tendenz in Richtung auf die eine oder die andere Seite. Das Ausgangssignal des Multiplikators 42 "betrachtet" somit Sinuswellen beim Zweifachen der Modulationsfrequenz und bei unterschiedlichen Amplituden, wie es in Fig. 3d gezeigt ist, und am Ausgang des Multiplikators erscheint ein Fehlersignal mit der Modulationsfrequenz entsprechend der gestrichelten Kurve in Fig. 3d. Dieses Signal wird einem phasenempfindlichen Detektor zugeführt und mit der Phase der Modulation verglichen, so daß man ein Gleichspannungs-Ausgangssignal erhält, das in einer direkten Beziehung zur Phasendifferenz zwischen den beiden interferierenden Strahlen steht.

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät dient das Gleichstrom-Ausgangssignal zum Betätigen des {«Compensators 38 bzw. der Faraday-Zelle bei einem elektrooptischen Servosystem bekannter Art. Der durch die Faraday-Zelle fließende Strom ist direkt proportional zur Phasendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen.

Um das Gerät zum Gebrauch vorzubereiten, entfernt man das

Linsenpaar 22, 24 und verstellt das Mikroskopobjektiv 28 axial, bis es auf die zu untersuchende Fläche 30 fokussiert ist. Während der Analysator 40 auf 45° eingestellt ist, wird der Polarisator 18 gedreht, bis die gewünschten Amplituden die gleiche Größe haben, was dadurch angezeigt wird, daß sich bei dem Multiplikator 42 der Wert Null

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ergibt. Jetzt wird das Linsenpaar 22, 24 in seine Gebrauchsstellung gebracht. Da es eine erheblich schwächere Wirkung hat als das Objektiv 28, verändert es die Scharfstellung nur um einen kleinen Betrag. Jetzt wird das Objektiv 28 verstellt, bis die eine Strahlkomponente auf der Fläche 30 fokussiert ist. Die Faraday-Zelle 38 und eine Rückkopplungsschaltung werden eingeschaltet, woraufhin man durch Messen des Stroms der Faraday-Zelle, der gemäß Fig. 1 bei 58 erscheint, ein zur Oberflächenrauhigkeit direkt proportionales elektrisches Ausgangssignal erhält. Wird die Fläche 30 entsprechend abgetastet, erhalt man somit ein Maß für ihre Rauhigkeit.

Die Wirkungsweise des Geräts beruht auf einem Phasenunterschied zwischen den beiden in verschiedenen Richtungen polarisierten Komponenten; die Tatsache, daß die Amplituden nicht einander gleich zu sein brauchen, da sich hierbei nur der Interferenzkontrast verringern würde, erweist sich als vorteilhaft, wenn die beiden Teile der zu untersuchenden Fläche, die die Strahlenkomponenten reflektieren, ein unterschiedliches Reflexionsvermögen haben, z.B. an einer Stufe des Substrats eines integrierten Schaltkreises. Hieraus ergibt sich eine Ergänzung der Vorteile der Verwendung eines gemeinsamen Strahlenwegs für beide Strahlen, wobei außerdem das phasenempfindliche Polarimetrieverfahren, mit dem die Fühlschaltung arbeitet, eine hohe Genauigkeit gewährleistet.

Ein Hauptvorteil der Ausführungsform nach Fig. 1 besteht darin, daß der Reflektor eine Hälfte des einfallenden Laserstrahls zurückhält und den zurückkehrenden Strahl veranlaßt, sich längs eines versetzten optischen Weges fortzupflanzen, so daß der durch die zu untersuchende Fläche reflektierte Strahl nicht zu dem Laser zurückkehrt und daher auch nicht mit dem Ausgangsstrahl des Lasers interferiert. Bei einem

• «

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Gerät mit hoher Empfindlichkeit, z.B. dem Gerät nach der Erfindung, ist diese Verbesserung der Stabilität des Lasers sehr erwünscht.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind der einfallende und der zurückkehrende Strahl längs der optischen Achse einander benachbart. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, und die Strahlen könnten vollständig voneinander getrennt sein; jedoch vergrößert die Verwendung einander benachbarter Strahlen den nutzbaren Strahlenquerschnitt auf ein Maximum, so daß auch ein maximales optisches Eingangssignal für die elektrische Meßschaltung zur Verfügung steht und mit einem Pokussierfleck von minimaler Größe gearbeitet werden kann.

Um das Gerät zum Gebrauch vorzubereiten, wird der Reflektor 20 entfernt, so daß das durch die Fläche 30 reflektierte Licht durch den Polarisator 18 und das Plättchen 16 fallt, um zu dem Strahlenteiler 14 zu gelangen, von dem ^{aus e}iⁿ Teil des Strahls nach dem Durchlaufen eines Polarisators 44 zum Auge 46 eines Beobachters gelangt. Der zu beobachtende Strahl kann benutzt werden, um das Interferometer auf ein Merkmal innerhalb der 100-Mikrometer-Fläche eines polarisierten Strahls zu fokussieren»

Das Gerät kann auf unterschiedliche Weise weitergebildet werden. Mit Hilfe eines anderen doppelbrechenden Elements 22, z.B. eines Wollaston-Prismas oder einer Savart-Platte, kann man dafür sorgen, daß die Strahlkomponenten P und S in der gleichen Brennebene etwas gegeneinander versetzt fokussiert werden, jedoch so, daß sich die in Fig. 2b dargestellte Überlappung ergibt. Mit Hilfe eines stärkeren Prismas ist es möglich, die beiden Brennpunkte vollständig voneinander zu trennen,, wie es in Fig. 2c dargestellt ist.

Anstelle eines runden Strahls kann man auch einen recht-

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eckigen Strahl verwenden, und zwar entweder unter teilwei— ser Trennung (Fig. 2d) oder unter vollständiger Trennung (Fig. 2e), wobei bekannte Filterverfahren angewendet werden. Bei solchen Anordnungen gehen jedoch die Vorteile verloren, die ein Interferometer bietet, bei dem tatsächlich ein gemeinsamer Strahlenweg vorhanden ist. Soll eine zylindrische Fläche untersucht werden, kann man einen fokussier— ten Schlitz benutzen, der parallel zur Achse des Zylinders verläuft.
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In Fig. 2a unterscheiden sich die durch die Strahlen P und

4 S beleuchteten Flächen um einen Faktor von etwa 10 , der anwendbar ist, wenn die Rauhigkeit einer Oberfläche gemessen werden soll. In manchen Fällen kann sich jedoch auch ein kleinerer Faktor von z.B. 10 als ausreichend erweisen. Wenn man eine Meßfläche mit einem Durchmesser von etwa 0,75 Mikrometer und eine Bezugsfläche mit einem Durchmesser von etwa 3 Mikrometer verwendet, unterscheiden sich die beiden Flächen um den Faktor 16. Es hat sich gezeigt, daß eine solche Anordnung dann besonders zweckmäßig ist, wenn die Einzelmerkmale einer Stufenhöhenänderung untersucht werden sollen; beispielsweise kann die Schärfe einer Stufenänderung eines Merkmals auf einem mikroelektronischen Schaltkreis von Interesse sein.

In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die in zahlreichen Einzelheiten der Ausführungsform nach Fig. 1 ähnelt, weshalb die betreffenden Elemente jeweils mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind.

Der Unterschied zu der Anordnung nach Fig. 1 besteht darin, daß der Reflektor 20 nach Fig. 1 mit der geneigten reflektierenden Fläche 21 durch einen nicht polarisierenden Strahlenteiler 60 ersetzt ist und daß die volle Öffnung des Systems ausgenutzt wird.

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Zu dem nicht polarisierenden Strahlenteiler 60 gehören zwei Prismen 62 mit einem Querschnitt in Form eines rechtwinkligen Dreiecks aus ungespanntem Glas, die so miteinander verkittet sind, daß sie einen Würfel bilden, bei dem sämtliche Außenflächen mit eine Reflexion verhindernden Stoffen beschichtet sind. Die Hypotenusenfläche des einen Prismas ist mit einer Aluminiumschicht mit einer Dicke von 10 nm versehen, und diese Fläche ist mit der entsprechenden Fläche des anderen Prismas verkittet, das beschichtet ist, um eine Reflexion an der Grenzfläche des Kitts zu verhindern. Die Beschichtungen und der Kitt sind in Fig. nicht eigens dargestellt. Gewöhnlich hat ein spannungsfreies Glas einen hohen Brechungsindex von z.B. 1,84, während bei einem Glaskitt der höchste bis jetzt bekannte Brechungsindex etwa 1,58 beträgt. Daher ist es wichtig, auch auf den verkitteten Flächen Beschichtungen vorzusehen, die eine Reflexion verhindern.

Ein solcher Strahlenteiler hat die Eigenschaft, daß die Produkte der Reflexions- und Durchlässigkeitskoeffizienten R und T der orthogonal polarisierten Komponenten die Bedingung erfüllen, daß R T annähernd gleich R T ist, wenn P die Komponente ist, die parallel zur Einfallsebene schwingt, während S die Komponente ist, die im rechten Winkel zur Einfallsebene schwingt. Daher bewirkt das zweifache Hindurchlaufen des Strahls durch den Strahlenteiler nicht, daß die relativen Phasen der Komponenten P und S innerhalb des Strahls verändert werden. Zwar kann man die Amplituden der Komponenten P und S durch Drehen des PoIarisators 18 einander angleichen, doch ist das Gerät gegen Änderungen der Amplitude praktisch unempfindlich.

Die P— und S—Achsen des Strahlenteilcrs 50 worden so eingestellt, daß sie mit den entsprechenden Achsen der doppelbrechenden Linse 22 zusammenfallen.

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der Anordnung nach Fig. 4 befinden sich die auf die zu untersuchende Fläche fallenden bzw. von ihr zurückgeworfenen Strahlen in Deckung miteinander, und es wird von der vollen öffnung des Geräts Gebrauch gemacht. Zwar kann ein gewisser Teil der Strahlung in Richtung auf den Laser 1.0 zurückgeworfen werden, doch kann sich dies als zulässig erweisen.

Das Gerät läßt sich ferner in der nachstehend beschriebe^non Weise weiterbilden:

Bei dem doppolbrochenden Element kann es sich anstelle eines Linsenpaares um eine einzige doppelbrechende Linse mit positiver oder negativer optischer Wirkung handeln; es ist ferner möglich, interferometrische Überlagerungsverfahren anzuwenden, um die Phasendifferenz zwischen den interferierenden orthogonal polarisierten Strahlen zu messen, doch würde sich hierbei der Nachteil ergeben, daß es erforderlich ist, einen frequenzstabilisierten Laser roit einer Zeeman-Strahlenteilungseinrichtung zu verwenden.

Bei einem für Licht durchlässigen System zur Verwendung bei einem transparenten Gegenstand muß man in dem durchgelassenen Strahl ein zusätzliches doppelbrechendes Fokussiersystem anordnen, das die gleiche optische Leistung hat wie das dem einfallenden Strahl zugeordnete; alternativ kann man die Amplituden der durchgelassenen Strahlen auf photometrischem Wege analysieren.

Zwar könnte man den elektrooptischen 'Phasenmodulator 12 durch eine Faraday-Wechselspannungszelle ersetzen, doch würde das System dann von den relativen Amplituden der interferierenden Strahlen abhängig werden.

Da die Kohärenzlänge durch die Stufenhöhenänderung oder die Rauhigkeit der ::u untersuchenden Fläche bestimmt wird,

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ist sie relativ kurz, so daß es bei dem Laser nicht auf eine große Kohärenzlänge ankommt. Somit kann man den Laser lO durch eine gefilterte Quelle für weißes Licht und entsprechend auch den Photoionenmultiplikator durch einen für weißes Licht empfindlichen Siliziumdetektor ersetzen.

Wird mit einem automatischen Fokussiersystem gearbeitet, kann man eine Fokuseinstelleinrichtung benutzen, um eine Relativbewegung zwischen der Brennebene der Position des fokussierten polarisierten Strahls und der zu untersuchenden Fläche herbeizuführen, wobei sich Informationen über das Oberflächenprofil dadurch gewinnen lassen, daß man die Signale des Photodetektors mit der Abtastfrequenz untersucht.

Man kann dieses Verfahren zum Analysieren der interferierenden Strahlen anstelle der Anordnung mit einer Faraday-Zelle anwenden, doch benötigt man umfangreiche Rechenarbeiten, um das Ausgangssignal auszuwerten, und es ist nicht unempfindlich für die relativen Amplituden der interferierenden Strahlen.

Bei sämtlichen Ausführungsformen der Erfindung besteht ein Vorteil darin, daß ein Unterschied bezüglich der optischen Strahlenweglänge durch Drehen einer Schwingungsebene gemessen wird. Ein Längenunterschied des Strahlenweges, der einer halben Wellenlänge entspricht, ist einer Änderung der Phase zwischen den interferierenden Strahlen um 180 gleichwertig und führt zu einer Drehung der Polarisationsebene des re— sultierenden Strahls um 90 · (Hierzu sei bemerkt, daß eine Änderung des Strahlenwegunterschiedes um λ./2 durch eine Änderung der Höhenlage der Fläche um λ/4 hervorgerufen wird. Bei einem Helium-Neon-Laser, der bei 632,8 Mikrometer betrieben wird, entspricht eine Drehung um 90° einer Änderung der Höhenlage der Fläche um 158,2 Mikrometer. Auf

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dem Gebiet der Polarimetrie ist es üblich, Drehbewegungen mindestens mit einer Genauigkeit von 0,01 zu messen, was 0,01 nm entspricht, woraus sich die hohe Genauigkeit erklärt, die sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Geräte ervielen läßt.

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Der Patentanwalt

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Claims

Dipl.-lng. H. MlTSCHERGttH"* "' °'°* ""* "" D-8000 MÖNCHEN 22 Dipi.-I ng. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10

Dr. rer. not. W. KÖRBER ^ ⁽⁰⁸⁹⁾ ' ²⁹⁶⁶⁸⁴

Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS PATENTANWÄLTE

29. Oktober 82

MICHAEL JOHN DOWNS Karibu, Furze Hill Road Headley Down

Hampshire /England

Oberflächenprofi!-Interferometer

Ansprüche

(ly Oberflächenprofil-Interferometer, gekennzeiche t durch Einrichtungen (10, 12, 14, 16, 18) zum Er-

zeugen eines gerichteten Strahlungsbündels, das Komponenten von gleicher Amplitude in zwei zueinander orthogonalen Polarisationsrichtungen enthält, eine Einrichtung (28, 21) zum Richten des Strahls, eine doppelbrechende Fokussiereinrichtung (22, 24, 28) zum Fokussieren von Strahlung in den beiden Polarisationsricfttungen an voneinander getrennten Punkten im Raum, eine Strahlumkehrungseinrichtung (26) zwischen der doppelbrechenden Fokussiereinrichtung und der Position eines zu untersuchenden Gegenstandes (30) sowie phasenempfindliche Einrichtungen (34, 36,. 38, 40, 42, 5 2) zum Fühlen eines etwa vorhandenen Phasenunterschiedes zwischen den polarisierten Strahlungskomponenten, wobei die Einrichtung zum Richten des Strahls so aufgebaut ist, daß sie mindestens einen Teil des gerichteten Strahls zu der doppelbrechenden Fokussiereinrichtung gelangen läßt, daß sie von der doppelbrechenden Fokussiereinrichtung Strahlung emp-

fängt, die durch den zu untersuchenden Gegenstand reflektiert worden ist, und daß sie die Strahlung zu der Phasenfühleinrichtung gelangen läßt, jedoch im wesentlichen keinen Phasenunterschied zwischen den Strahlungskomponenten in den beiden zueinander orthogonalen Polarisationsrichtungen hervorruft.
2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Fokussiereinrichtung (22, 24,

28) unterschiedliche Brennweiten für Strahlung in den zueinander orthogonalen Polarisationsrichtungen aufweist.
3. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Fokussiereinrichtung (22, 24,

28) so ausgebildet ist, daß in der Brennebene der Strahlung mit der einen Polarisationsrichtung das Strahlenbündel in der orthogonalen Polarisationsrichtung eine Querschnittsfläche hat, die größer ist als die Querschnittsfläche des fokussierten Strahls, und zwar mindestens um den Faktor 10.
4. Interferometer nach Anspruch 2 oder 3,, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl mit der größeren Querschnittsfläche den fokussierten Strahl in der Brennebene umgibt.
5. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Fokussiereinrichtung so ausgebildet ist, daß die Strahlen mit zueinander orthogonalen Polarisationsrichtungen in gleich großen axialen Abstän— den und an verschiedenen Punkten quer zur optischen Achse fokussiert werden.
6. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Einrichtung (20, 21) zum Richten des Strahls eine ebene reflektierende Fläche (21)

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1' gehört, die auf einer Seite der optischen Achse so angeordnet ist, daß sie die Strahlung auffängt, die in dem gerichteten Strahl auf der genannten Seite der optischen Achse enthalten ist, und daß diese Fläche auf der genann- · ten Seite der optischen Achse von der doppelbrechenden PoTcussiereinrichtung kommende Strahlung in Richtung auf die phasenempfindliche Einrichtung reflektiert.
7. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Richten des Strahls als Strahlenteiler (60) ausgebildet ist, der die; Eigenschaft hat, daß das Produkt des Reflexionskoeffizienten bei der ersten Polarisationsrichtung und des Transmissionskoeffizienten bei der orthogonalen Polarisationsrichtung gleich dem Produkt des Transmissionskoeffizienten bei der ersten Polarisationsrichtung und des Reflexionskoeffizienten bei der orthogonalen Polarisationsrichtung ist.

8, Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die phasenempfindliche Einrichtung in Form einer Reihenschaltung einen elektrooptischen Wechselstrommodulator (34) umfaßt, ferner einen elektrooptischen Kompensator (38), einen Photoionenvervielfacher

(42) sowie einen phasenempfindlichen Detektor (52), wobei der phasenempfindliche Detektor so ausgebildet ist, daß er ein elektrisches Ausgangssignal liefert, das in einer Beziehung zu einem etwa vorhandenen Phasenunterschied zwischen den beiden orthogonal zueinander polarisierten interferierenden Strahlen steht, die von dem Rhotoionenmultiplikator empfangen werden.

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