DE4321042C1

DE4321042C1 - Defekt-Klassifizierungs-Gerät

Info

Publication number: DE4321042C1
Application number: DE19934321042
Authority: DE
Inventors: Hendrik Dr Rothe; Peter Riedel
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: ROTHE, HENDRIK, UNIV.-PROF. DR.-ING. HABIL, 22043
Priority date: 1993-06-25
Filing date: 1993-06-25
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2013-06-26

Description

Die Erfindung betrifft ein Defekt-Klassifizierungs-Gerät, welches aus einer Laserlichtquelle, die eine Probe mit einem kreisförmigen Spot beleuchtet, einer Bewegungseinrichtung, die eine Abtastung der Probe in der Ebene der Probenoberfläche durch den Spot ermöglicht, einer Streulichterfassungseinheit zur Erfassung des von der Probe gestreuten Lichtes und einer Auswerteeinheit besteht.

Das Defekt-Klassifizierungs-Gerät findet bei der hochgenauen Prüfung von Oberflächen in der industriellen Fertigung Anwendung. Die Vorrichtung ist in der Lage, kleinste Kratzer, Risse, Grübchen oder Flecken zu erkennen, die Defekte auszuwerten und eine Gut-Schlecht-Beurteilung durchzuführen.

Die Erfindung findet speziell zur Prüfung von Präzisionsoptiken, Gläsern und Masken-Substraten in der Halbleiterindustrie Anwendung.

Die Funktionsweise bekannter Anordnungen zur Beurteilung von Oberflächen beruht auf der Messung und Auswertung der räumlichen winkelabhängigen Streulichtverteilung BRDF: Bidirectional Reflectance Density Function. Stand der Technik ist die Ermittlung der BRDF durch rechnergesteuerte Präzisionsfotogoniometer (Feingerätetechnik, Berlin (40) 1991, H. 2), (CASI Scatterometer, Firmenschrift TMA), (Laser Scatterometer 10020, Firmenschrift Huber). Diese Geräte sind technisch aufwendig und messen langsam (Minuten bis Stunden pro Scanpunkt), da die winkelabhängige Streulichtverteilung durch eine motorisierte Scanbewegung eines Goniometerarmes sequentiell aufgezeichnet wird.

Um die Meßzeit zu verkürzen, erfolgt eine Parallelanordnung von Empfängern in Form von Arrays. Industriell gefertigte Lichtempfänger-Arrays liegen jedoch stets in einer Ebene. Die BRDF kann deshalb nicht unmittelbar erfaßt werden. Dieses Problem wird durch die Sonderanfertigung eines gekrümmten Arrays aus Einzelfotoempfängern in Hybrid-Technologie gelöst. Diese Vorgehensweise ist in der Druckschrift DD 2 59 224 beschrieben. Durch die manuelle Fertigung des Sensors entstehen hohe Fertigungskosten.

Außerdem ist die Anzahl der integrierbaren Lichtempfänger und damit die Auflösung der Anordnung durch technologische Gegebenheiten stark eingeschränkt. Die Parameter von Goniometern können jedoch mit diesen Anordnungen nicht erreicht werden.

Beim Einsatz industriell gefertigter monolithischer Arrays muß die räumliche winkelabhängige Lichtverteilung in eine ebene laterale Verteilung transformiert werden. Wie in industriell hergestellten Rauhigkeitssensoren (DE 33 04 780 A1) üblich, kann dies durch ein fokussierendes Bauelement erreicht werden. Der erfaßte Winkelbereich wird hierbei auf etwa 10° eingeschränkt. Das ist für eine Beurteilung von Oberflächen durch ein Gerät zur Echtzeit-Defektklassifizierung bei weitem nicht ausreichend.

In den Druckschriften DD 2 52 236 A1, US 47 10 642, EP 0383244 A1 und EP 0 141 269 A2 wird vorgeschlagen, mittels einer halbkreisförmigen Anordnung aus Lichtleitfasern den Einzelempfängern das Licht nach Raumwinkelsegmenten geordnet zuzuleiten.

Die Herstellung einer solchen Anordnung ist mit zeitaufwendiger manueller Arbeit verbunden und deshalb sehr aufwendig. Die Reproduzierbarkeit der Herstellung eines solchen Sensors ist nur mit großem Aufwand realisierbar. Ebenso kann nicht gewährleistet werden, daß die Einzelfasern gleiche Krümmungen und damit gleiche Lichteigenschaften aufweisen.

Es soll das Problem gelöst werden, ein Gerät zur Defekt-Klassifizierung zu schaffen, das mit vergleichsweise geringem Aufwand, technologisch sicher beherrschbar eine Klassifizierung von Oberflächen an Prüfkörpern ermöglicht.

Die Messung und die Auswertung in Form einer Klassifizierung (z. B. gut/schlecht) soll in Echtzeitbetrieb in einem laufenden Fertigungsprozeß möglich sein. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder die Merkmale des Anspruchs 3 gelöst. Die auf der Oberfläche einer fiktiven Kugel angeordneten Enden von Glasfasern dienen der Erfassung der BRDF des Prüfkörpers. Durch geeignete Abtastung des Prüfkörpers und Signalverarbeitungsalgorithmen wird eine Auswertung der durch Empfänger ermittelten ungeordnet vorliegenden Streulichtdaten einer Messung erzielt.

Die erfindungsgemäße Lösung umgeht die Nachteile bekannter Anordnungen, da die zur Beurteilung der Oberfläche mittels Streulicht verwendeten Schätzer die Eigenschaft der Kommutativität aufweisen, und somit durch ungeordnete Faserbündel kostengünstig erfaßt werden können.

Die Erfindung beinhaltet eine Streulichterfassungseinheit zur Aufnahme von Streulichtcharakteristiken, eine Hardware zur Echtzeit-Meßdatenerfassung- und Übertragung an ein Computersystem und eine Software zur Echtzeit-Auswertung der Meßergebnisse und zur Klassifizierung.

Jeder Lichtblitz der Laserlichtquelle, vorzugsweise eine Laserdiode, belichtet einen Scanpunkt auf der Probenoberfläche. Der Durchmesser des Spots hat eine Größe von 100 bis 200 mal der minimalen zu detektierenden Defektgröße und ist einstellbar.

Die Laserlichtquelle ist vorzugsweise ein Halbleiterlaser mit wechselbarer Optik. Die Streulichterfassungseinheit besteht aus mindestens zwei Armen, die um eine Z- Achse verteilt entlang einer fiktiven halbkugelförmigen Hülle angeordnet sind. Zwei um 180 Grad versetzte Arme genügen zur Erfassung der Daten, wenn der Prüfkörper ein isotropes Verhalten hat.

In jeden Arm sind erste Enden der Glasfasern eines Glasfaserbündels so eingebettet, daß die Lichtaustrittsflächen senkrecht zu dem Lot auf den fiktiven Kugelmittelpunkt gerichtet sind. Die zweiten Enden der Glasfasern jedes Glasfaserbündels korrespondieren mit Detektorelementen.

Diese Art der Streulichterfassungseinheit erfaßt Streulicht im wesentlichen winkelaufgelöst. Die vorzugsweise sechs Arme erfassen drei Azimute.

Das Glasfaserbündel dient als Querschnittswandler und als Transformationselement, um Licht entlang einer viertelkreisförmigen Linie zu empfangen und in einer Ebene abzubilden. Die Glasfasern können an ihren Enden völlig ungeordnet gefaßt sein. Dies reduziert den Fertigungsaufwand und die technologischen Probleme bei der Fertigung erheblich.

Die Detektorelemente sind vorzugsweise in Form einer CCD-Matrix erzeugt, wobei jedes Glasfaserbündel mit mindestens einer Zeile der Detektormatrix korrespondiert. Aus den durch die Streulichterfassungseinheit jeweils ermittelten Meßwerten jeder Detektorzeile in den verschiedenen Meßpositionen werden Variable über einen Summationsprozeß ermittelt, die die Oberfläche eindeutig kennzeichnen.

Das Rechen- und Auswerteprogramm ermittelt statistische Momente. Diese Daten werden mit Hilfe eines Mustererkennungsverfahrens, das auf Prinzipien der Grundlage der Statistik, der Fuzzy-Logic oder der neuronalen Netze beruht, mit gespeicherten Daten, die bestimmte Fehlermuster repräsentieren, verrechnet.

Die Auswertung der von den jeweiligen Zeilen der Detektormatrix erfaßten N Meßwerte X erfolgt unabhängig vom verwendeten Mustererkennungsverfahren nach folgendem Algorithmus:

Zuerst erfolgt eine Berechnung von mindesten 3 kommutativen Schätzern (ausreichend für eine Gut-Schlecht-Beurteilung) für jeden Scanpunkt K:
(k=1 . . . P);

1. K-Mittelwerte X_M der N (N = Zahl der Glasfasern) Meßwerte X_i
(i = Nummer der Glasfaser):
2. K-Standardabweichungen δ der N Meßwerte X_i:
3. K-Werte der Schiefe s der N Meßwerte X_i:
4. K-Werte des Exzesses e der N Meßwerte X_i: und so weiter.

Die Hauptkomponententransformation der ermittelten kommutativen Schätzer für die P Scanpunkte führt zu einer Einteilung der Meßwerte in Gruppen. Im vorliegenden Fall ergeben sich P*4 kommutative Schätzer; P* Zahl der Schätzer <3* Zahl der Schätzer.

Nachfolgend wird ein Vergleich der Werte der ersten Id(G)-Hauptkomponenten mit den beim Anlernen des Systems erhaltenen Werten durchgeführt, wobei G die Gruppenzahl der zu detektierenden unterschiedlichen Defekte ist.

Nun erfolgt die Einordnung der ermittelten Werte in die Gruppen, im allgemeinen nach dem Vorzeichen der Id(G)-Hauptkomponenten bzw. nach dem Intervall, in dem sich die transformierten Werte befinden.

Im Ergebnis der Berechnungen werden eine Gut-Schlecht-Aussage und oder eine Bestimmung der Fehlerarten geliefert.

Proben mit verschiedenen bekannten Defekten dienen zum "Anlernen" des Gerätes zur Defekt-Klassifizierung.

Eine weitere Möglichkeit der Streulichterfassung besteht darin, daß durch die Ausbildung der Elemente zur Streulichterfassung als geschlossene Ringe mit verschiedenen Durchmessern und deren überlagerter Anordnung in einer oder in verschiedenen Ebenen parallel zur Oberfläche der Probe eine hohe azimutale Auflösung und eine geringe Streuwinkelauflösung des Streulichtes erfaßt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Prinzipaufbau des Defektklassifizierungsgerätes,

Fig. 2 Streulichterfassungseinheit,

Fig. 3 Aufbau eines Armes

Fig. 4 Weitere Ausführungsform der Streulichterfassungseinheit.

Gemäß Fig. 1 ist eine Streulichterfassungseinheit 2 etwa 0,1 mm über einer Probe 1 angeordnet.

Die Streulichterfassungseinheit 2 besteht aus einer Laserlichtquelle 4 und Elementen zum Messen des Streulichtes (Arme 3). Die Laserlichtquelle befindet sich in einem Zentrum der Anordnung der Elemente, die Streulicht erfassen in einer Aufnahme 16. Die Aufnahme 16 ermöglicht die Aufnahme von zwei, vier oder sechs Armen 3.

In Fig. 1 sind halbkreisförmige Arme 3 zur Erfassung des Streulichtes dargestellt. In die halbkreisförmigen Arme 3 sind Glasfasern 15 eines Glasfaserbündels 7 so eingebettet, daß die ersten Faserenden auf einem Radius und die Achsen der einzelnen Fasern zum Mittelpunkt der halbkreisförmigen Arme gerichtet sind. Gemäß Fig. 2 sind vorzugsweise sechs Arme 3 radial um die Laserlichtquelle 4 verteilt angeordnet. Mit dieser Anordnung der Glasfasern werden ein Streulichtwinkelbereich von nahezu 90 Grad und drei Azimute erfaßt. Die Probe 1 und die Streulichterfassungseinheit 2 werden durch ein nicht dargestelltes Bewegungssystem so bewegt, daß der Spot der Laserlichtquelle 4 die Oberfläche der Probe 1 abtasten kann.

Die zweiten Enden der Glasfasern 15 jedes Glasfaserbündels 7 sind mit Detektorelementen 6 verbunden. Das Glasfaserbündel 7 ist ein Querschnittswandler, der an die verschiedensten Detektorelemente 6 angepaßt werden kann. Für ein Glasfaserbündel 7 sind die Detektorelemente 6 vorzugsweise Zeilen einer CCD- Matrix.

Die von den Detektorelementen 6 erfaßten Signale werden einer Rechen- und Auswertungseinheit 5 zugeführt. Eine Recheneinheit 10 dient zur Ermittlung der kommutativen Schätzer. Diese werden einer lernfähigen Mustererkennungseinheit zugeführt, die beispielsweise eine Gut-Schlecht-Entscheidung liefert. Die Ergebnisse werden an einer Anzeigeeinrichtung 8 angezeigt und/oder einem Aktuator 9 zugeführt. Der Aktuator 9 sortiert beispielsweise die als "Schlecht" klassifizierten Proben 1 aus.

Fig. 3 zeigt den konstruktiven Aufbau der halbkreisförmigen Arme 3. Die Arme 3 bestehen aus einem Nutteil 12 und einem Andruckteil 13. In das Nutteil 12 sind radial verteilt V-förmige Nuten 14 zur Aufnahme der Glasfasern 15 eingearbeitet. Die Zahl der Nuten 14 und ihre Größe ist so bemessen, daß jede Glasfaser 15 des Glasfaserbündels 7 in je einer Nut Aufnahme findet.

Die Glasfasern 15 können völlig ungeordnet in die Nuten 14 eingebettet werden. Die ersten Enden der Glasfasern 15 werden am Innendurchmesser der Arme geschliffen und poliert, um hochwertige Einkoppelverhältnisse für das Streulicht zu erzeugen.

Der Aufwand zur Herstellung der Streulichterfassungseinheit ist vergleichsweise gering. Da die Glasfasern 15 nur in den Nuten liegen können ist der Positionieraufwand an den Fasern gering.

Der modulare Aufbau der Streulichterfassungseinheit ermöglicht eine einfache Fertigung der Einzelteile und ihre variable Zusammensetzung. Durch die wechselbaren Arme 3 sind Messungen in ein, zwei oder drei Azimuten möglich.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Streulichterfassungseinheit 2. Die Ausbildung der Elemente zur Erfassung des Streulichtes erfolgt als geschlossener, ebener Ring 17. Ringe 17 haben verschiedene Durchmesser und werden in einer oder in verschiedenen Ebenen parallel zur Oberfläche der Probe überlagert angeordnet. Mit dieser Ausführung wird eine hohe azimutale Auflösung und eine geringe Streuwinkelauflösung des Streulichtes erfaßt.

Bezugszeichenliste

1 Probe
2 Streulichterfassungseinheit
3 Arm
4 Laserlichtquelle
5 Rechen-und Auswerteeinheit
6 Detektorelement
7 Glasfaserbündel
8 Anzeigeeinrichtung
9 Aktuator
10 Verrechnungseinheit (zur Ermittlung von kommutativen Schätzern)
11 Mustererkennungseinheit (lernfähig)
12 Nutteil
13 Andruckteil
14 V-Nut
15 Glasfaser
16 Aufnahme
17 Ring

Claims

1. Defekt-Klassifizierungs-Gerät, bestehend aus einer Laserlichtquelle (4), die eine Probe (1) mit einem kreisförmigen Spot beleuchtet, einer Bewegungseinrichtung, die eine Abtastung der Probe (1) in der Ebene der Probenoberfläche durch den Spot ermöglicht, einer Streulichterfassungseinheit zur Erfassung des von der Probe gestreuten Lichtes, wobei

- die Streulichterfassungseinheit (2) aus mindestens zwei viertelkreisförmigen Armen (3) besteht, die
- - um eine Z-Achse paarweise einander gegenüberliegend halbkreisförmig über einer Probe (1) so angeordnet sind, daß sie eine halbkugelförmige Schale bilden,
- - in den Armen (3), in ihren Längenausdehnungen verteilt die ersten Enden von Glasfasern (15) jeweils eines Glasfaserbündels (7) verteilt eingebettet sind, weiterhin
- - die zweiten Enden der Glasfasern (15) jeweils eines Glasfaserbündels (7) mit Detektorelementen (6) korrespondieren,
- - die Detektorelemente (6) mit einer Rechen- und Auswerteeinheit (5) verbunden sind und die Rechen- und Auswerteeinheit (5) mit einer Anzeigeeinrichtung (8) und/oder mit einem Aktuator (9) verbunden ist, wobei
- die Auswertung der von den jeweiligen Zeilen der Detektormatrix erfaßten N Meßwerte X nach folgendem Algorithmus erfolgt:
- a) Berechnung von mindesten 3 kommutativen Schätzern (ausreichend für eine Gut- Schlecht-Beurteilung) für jeden Scanpunkt K:
  (k=1 . . . P);
  - - K-Mittelwert X_M der N (N = Zahl der Glasfasern) Meßwerte X_i (i = Nummer der Glasfaser):
  - - K-Standardabweichungen δ der N Meßwerte X_i:
  - - K-Werte der Schiefe s der N Meßwerte X_i:
  - - K-Werte des Exzesses e der N Meßwerte X_i:
- b) Hauptkomponententransformation der ermittelten kommutativen Schätzer für die P Scanpunkte,
- c) Vergleich der Werte der ersten Id(G)-Hauptkomponenten mit den beim Anlernen des Systems erhaltenen Werten, wobei G die Gruppenzahl der zu detektierenden unterschiedlichen Defekte ist,
- d) Einordnung der ermittelten Werte in die Gruppen, im allgemeinen nach dem Vorzeichen der Id(G)-Hauptkomponenten bzw. nach dem Intervall, in dem sich die transformierten Werte befinden.

2. Defekt-Klassifizierungs-Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der fiktiven Kugel im Winkel von 60 Grad um die Z-Achse verteilt sechs Arme angeordnet sind.

3. Defekt-Klassifizierungs-Gerät, bestehend aus einer Laserlichtquelle (4), die eine Probe (1) mit einem kreisförmigen Spot beleuchtet, einer Bewegungseinrichtung, die eine Abtastung der Probe (1) in der Ebene der Probenoberfläche durch den Spot ermöglicht, eine Streulichterfassungseinheit zur Erfassung des von der Probe gestreuten Lichtes, wobei

- die Streulichterfassungseinheit (2) aus mindestens zwei ebenen, geschlossenen Ringen (17) mit verschiedenen Durchmessern besteht, die in einer oder in verschiedenen Ebenen parallel zur Oberfläche der Probe zentrisch um die Laserlichtquelle (4) angeordnet sind,
- - in den Ringen (17), in ihrem Umfang verteilt die ersten Enden von Glasfasern (15) jeweils eines Glasfaserbündels (7) verteilt eingebettet sind, weiterhin
- - die zweiten Enden der Glasfasern (15) jeweils eines Glasfaserbündels (7) mit Detektorelementen (6) korrespondieren,
- - die Detektorelemente (6) mit einer Rechen- und Auswerteeinheit (5) verbunden sind und die Rechen- und Auswerteeinheit (5) mit einer Anzeigeeinrichtung (8) und/oder mit einem Aktuator (9) verbunden ist, wobei
- die Auswertung der von den jeweiligen Zeilen der Detektormatrix erfaßten N Meßwerte X nach folgendem Algorithmus erfolgt:
- a) Berechnung von mindesten 3 kommutativen Schätzern (ausreichend für eine Gut- Schlecht-Beurteilung) für jeden Scanpunkt K:
  (k=1 . . . P);
  - - K-Mittelwert X_M der N (N = Zahl der Glasfasern) Meßwerte X_i (i = Nummer der Glasfaser):
  - - K-Standardabweichungen δ der N Meßwerte X_i:
  - - K-Werte der Schiefe s der N Meßwerte X_i:
  - - K-Werte des Exzesses e der N Meßwerte X_i:
- b) Hauptkomponententransformation der ermittelten kommutativen Schätzer für die P Scanpunkte,
- c) Vergleich der Werte der ersten Id(G)-Hauptkomponenten mit den beim Anlernen des Systems erhaltenen Werten, wobei G die Gruppenzahl der zu detektierenden unterschiedlichen Defekte ist,
- d) Einordnung der ermittelten Werte in die Gruppen, im allgemeinen nach dem Vorzeichen der Id(G)-Hauptkomponenten bzw. nach dem Intervall, in dem sich die transformierten Werte befinden.

4. Defekt-Klassifizierungs-Gerät nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zentrum der Streulichterfassungseinheit (2) die Laserlichtquelle (4) so angeordnet ist, daß ein Spot in Richtung der Z-Achse auf die Oberfläche der Probe (1) fällt.

5. Defekt-Klassifizierungs-Gerät nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Enden des Glasfaserbündels (7) so in den Arm (3) oder in den Ring (17) eingebettet sind, daß die Achse jeder Glasfaser (15) zum Schnittpunkt der Z-Achse mit der Probe (1) (Spot auf der Oberfläche der Probe) gerichtet ist.

6. Defekt-Klassifizierungs-Gerät nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Enden jedes Glasfaserbündels (7) jeweils mit Empfängern einer Zeile einer Detektormatrix korrespondieren.

7. Defekt-Klassifizierungs-Gerät nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaserbündel (7) aus geordnet, ungeordnet oder teilweise geordneten Glasfasern (15) aufgebaut sind.