DE4404154A1 - Verfahren und Vorrichtung zum optischen Untersuchen einer Oberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Untersuchen einer Oberfläche, bei dem spektral breit­ bandiges Licht in einen Referenzarm und einen Objektarm aufgeteilt wird, bei dem ein in dem Objektarm aus einem Auftreffbereich des Lichtes von der Oberfläche zurückge­ worfener Objektlichtanteil mit einem aus dem Referenzarm zurückgeworfenen Referenzlichtanteil überlagert und ein aus dem Objektlichtanteil und dem Referenzlichtanteil gebildetes Oberflächeninterferenzsignal detektiert wird, wobei das Oberflächeninterferenzsignal in Abhängigkeit einer veränderlichen optischen Weglänge wenigstens eines Armes aufgenommen wird.

Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zum optischen Untersuchen einer Oberfläche mit einer breit­ bandigen Lichtquelle, deren Ausgangslicht mit einer Strahlteilvorrichtung in einen eine Reflexionsvorrichtung aufweisenden Referenzarm und einen Objektarm aufteilbar ist, wobei das mittels der Strahlteil­ vorrichtung in den Objektarm geleitete Ausgangslicht die Oberfläche in einem Auftreffbereich beaufschlagt und ein von der Oberfläche zurückgeworfener Objektlichtanteil mit einem von der Reflexionsvorrichtung zurück­ geworfenen Referenzlichtanteil mit einer Überlagerungsvorrichtung zu einem einen lichtempfindlichen Detektor beaufschlagenden Oberflächeninterferenzlichtanteil überlagerbar ist, und mit wenigstens einer Verstellvorrichtung, mit der die optische Weglänge wenigstens eines Armes einstellbar ist, wobei ein Interferenzsignal in Abhängigkeit der optischen Weglängen in einer Aus­ werteeinheit abspeicherbar ist.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der US 4 818 110 bekannt. Ausgangslicht einer breitbandigen Lichtquelle mit einer kleinen Kohärenz­ länge wird in einem Zweistrahl-Interferenz-Mikroskop in einen Objektarm und einen Referenzarm aufgeteilt. Ein in den Objektarm eingekoppelter Objektstrahl wird auf eine Oberfläche eines zu untersuchenden integrierten Schalt­ kreises fokussiert. Die optischen Weglängen des Referenzarmes und des Objektarmes werden mittels Ver­ stellvorrichtungen verändert. Eine Grobverstell­ vorrichtung dient der Einstellung der optischen Weglänge des Referenzarmes, wobei die Grobverstellvorrichtung eine die optische Weglänge des Referenzarmes begrenzende Reflexionsvorrichtung verstellt. Die Verstellung der optischen Weglänge des Objektarmes wird mittels einer aus einem Piezokristall gebildeten Feinverstell­ vorrichtung vorgenommen, wobei die Oberfläche bezüglich der Strahlachse des Objektarmes verschiebbar ist.

Die Oberflächenstruktur des zu untersuchenden Prüf­ körpers ist dadurch erhältlich, daß die von der Ober­ fläche in den Objektarm und von der Reflexionsvorrichtung in den Referenzarm zurückgeworfenen Licht­ anteile mit einem Strahlteiler überlagert und einem lichtempfindlichen Flächendetektor zugeführt werden. Durch die Überlagerung eines Referenzlichtanteiles und eines Objektlichtanteiles innerhalb der Kohärenzlänge des Ausgangslichtes wird ein Interferenzmuster in der Ebene des Flächendetektors erzeugt. Das Interferenz­ muster wird von Objektlichtanteilen hervorgerufen, welche eine im wesentlichen gleiche optische Weglänge wie die Referenzlichtanteile durchlaufen haben. Objekt­ lichtanteile aus Oberflächenbereichen, für die Differenz der optischen Weglängen größer als die Kohärenzlänge ist, erzeugen hingegen im wesentlichen eine gleichmäßig beleuchtete Fläche.

Durch Aufnehmen der Interferenzmuster in Abhängigkeit von verschiedenen optischen Weglängen des Referenzarmes oder des Objektarmes wird über eine Signalverarbeitungs­ schaltung durch Auswertung der flächenhaften Inter­ ferenzmuster ein Bild der Oberfläche erzeugt.

Die Ortsauflösung der oben beschriebenen Vorrichtung ist durch die Größe des Auftreffbereiches des in den Objekt­ arm eingekoppelten Teiles des Ausgangslichtes auf die Oberfläche begrenzt. Weiterhin ist die Auswertung der von dem Flächendetektor aufgenommenen Interferenzmuster wegen des verhältnismäßig geringen Kontrastes über Algorithmen zur Mustererkennung insbesondere bei fein gegliederten Oberflächenstrukturen äußerst aufwendig und führt bei einem geringen Kontrast zu unscharfen Bildern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Substrukturen mit kleineren Dimensionen als der Auftreffbereich des in den Objektarm geleiteten Lichtanteiles auf die zu unter­ suchende Oberfläche bei einer einfachen Datenaufnahme und Signalverarbeitung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß die optische Weglänge in einem Bereich verändert wird, in dem ein von einer Substruktur mit einer kleineren Oberflächendimension als der Auf­ treffbereich zurückgeworfener Substrukturlichtanteil mit einem Referenzlichtanteil überlagert als ein Sub­ strukturinterferenzsignal detektiert wird, und daß das Substrukturinterferenzsignal zur Bestimmung von Eigen­ schaften der Substruktur ausgewertet wird.

Diese Aufgabe wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, daß mit wenigstens einer der Verstell­ vorrichtungen die optische Weglänge wenigstens eines Armes in einem Bereich einstellbar ist, in dem ein von einer Substruktur mit einer kleineren Oberflächendimension als der Auftreffbereich zurückgeworfener Substrukturlichtanteil mit einem Referenzlichtanteil überlagert mittels des Detektors als ein Substruktur­ interferenzsignal detektierbar ist, und daß eine Signal­ analyseeinrichtung zur Auswertung des Substruktur­ interferenzsignales vorgesehen ist.

Es hat dich gezeigt, daß beispielsweise auf integrierte Schaltkreise auftreffendes Weißlicht in Gräben mit Ab­ messungen im Submikrometerbereich wie in einen Wellen­ leiter einkoppelt, von den Grabenwänden geführt, am Grabenboden reflektiert wird und wieder an der Ober­ fläche austritt. Dieser Lichtanteil ist gegenüber dem direkt an der Oberfläche zurückgeworfenen Lichtanteil in dem Objektarm verzögert. Durch das Abstimmen der optischen Weglängen des Referenzarmes und des Objekt­ armes auf den von der Substruktur zurückgeworfenen Substrukturlichtanteil ist ein von dem Graben hervor­ gerufenes Substrukturinterferenzsignal aufnehmbar.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch den Verstellbereich der optischen Weglänge zusätzlich zu der Detektion des von der Oberfläche erzeugten Oberflächeninterferenz­ signales ein von einer Substruktur mit einer kleineren Dimension als der Auftreffbereich des Anteiles des Ausgangslichtes auf die Oberfläche hervorgerufenes Substrukturinterferenzsignal detektiert wird, ist das örtliche Auflösungsvermögen deutlich erhöht und das Substrukturinterferenzsignal zur Bestimmung beispiels­ weise der Weite und Tiefe der Substruktur als ein so­ genanntes Weißlicht-Interferogramm in einfacher Weise detektierbar und auswertbar.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zu Beginn der Messung der Auftreffbereich auf einem sub­ strukturfreien Teil der Oberfläche positioniert. Durch Verstellen dem optischen Weglänge des Referenzarmes mit einer Referenzarmverstellvorrichtung in groben Schritten sind die optischen Weglängen des Referenzarmes und des Objektarmes aufeinander abstimmbar, indem nach Detek­ tieren eines Interferenzsignales die optische Weglänge des Referenzarmes mit einer vorbestimmten Länge festge­ halten wird. Anschließend ist mit einer Objektarmver­ stellvorrichtung die optische Weglänge des Objektarmes in einem vorbestimmten Bereich einstellbar, der wenigstens den Dimensionen der Strukturen der Oberfläche wie beispielsweise Stufen oder Gräben entspricht. Das Verstellen der optischen Weglänge des Objektarmes er­ folgt im Verhältnis zu der Periodizität der Interferenz­ signale in kleinen Schritten.

Handelt es sich bei den zu untersuchenden Oberflächen­ strukturen um Gräben, die abschnittsweise in einer Richtung verlaufen, ist es zweckmäßig, zum Erhöhen des Pegels des Substrukturinterferenzsignales den Auftreff­ bereich des Objektstrahles auf diese Vorzugsrichtung mittels einer Schlitzblende mit einer länglichen Aus­ dehnung auszurichten. Mit einer derartigen Schlitzblende ist andererseits an einer Position auf der Oberfläche über das Feststellen des maximalen Pegels des Sub­ strukturinterferenzsignales bei Veränderung der Aus­ richtung der Schlitzblende der Verlauf eines detek­ tierten Grabens ohne eine Relativbewegung zwischen der Substruktur und dem Objektarm erfaßbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nach­ folgenden Figurenbeschreibung. Es zeigt:

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Vor­ richtung zum optischen Untersuchen einer Ober­ fläche, bei der die optischen Weglängen sowohl eines Objektarmes als auch eines Referenzarmes getrennt einstellbar sind und

Fig. 2 eine Anordnung einer Schlitzblende in einer Vorrichtung gemäß der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zum optischen Untersuchen einer Oberfläche. Eine thermische Weißlichtquelle 1 emittiert breit­ bandiges Ausgangslicht 2. Mit einer Fokussierlinse 3 ist das über Rückreflektoren gerichtete Ausgangslicht 2 der Weißlichtquelle 1 in eine Ausnehmung einer Nahfeldloch­ blende 4 zum Festlegen eines kleinen Emissionsbereiches der Weißlichtquelle 1 als Punktlichtquelle abbildbar. Das durch die Ausnehmung der Nahfeldlochblende 4 durch­ getretene Ausgangslicht 2 beaufschlagt eine Kollimationslinse 5, die mit dem Abstand ihrer Brenn­ weite von der Nahfeldlochblende 4 angeordnet ist. Das nach Durchtritt durch die Kollimationslinse 5 parallele Ausgangslicht 2 der Lichtquelle 1 durchläuft ein Spektralfilter 6.

Der transmittierte Lichtanteil 7 durchtritt eine Fern­ feldblende 8 mit einer rundlichen Ausnehmung 9 und fällt auf einen Strahlteiler 10, mit dem der Lichtanteil 7 in einen Referenzarm 11 und einen Objektarm 12 aufteilbar ist.

Ein von dem Strahlteiler 10 in den Referenzarm 11 ein­ geleiteter paralleler Referenzstrahl 13 ist mit einer Referenzarmlinse 14 auf einen in der Brennebene der Referenzarmlinse 14 vorgesehenen Referenzarmspiegel 15 fokussierbar. Bei einem sehr breitbandigen trans­ mittierten Lichtanteil 7 ist es zweckmäßig, zum Ver­ meiden von Abbildungsfehlern die Referenzarmlinse 14 als eine achromatische Abbildungsvorrichtung auszuführen. Die Referenzarmlinse 14 und der Referenzarmspiegel 15 sind in einem festen Abstand als eine Reflexionsvorrichtung 16 verbunden. Die Reflexionsvorrichtung 16 ist an einer Referenzarmverstellvorrichtung 17 an­ gebracht, mit der die optische Weglänge des Referenz­ armes 11 einstellbar ist.

Ein von dem Strahlteiler 10 in den Objektarm 12 ge­ leiteter Objektstrahl 18 trifft auf einen ersten Ablenk­ spiegel 19, der in einem Winkel von etwa 45 Grad zu dem einfallenden Objektstrahl 18 an einem feststehenden Ablenkspiegelhalter 20 angebracht ist. Das durch den ersten Ablenkspiegel 19 um 90 Grad in Bezug auf den einfallenden Objektstrahl 18 abgelenkte Licht fällt auf einen ersten Rücklenkspiegel 21, der an einem Rücklenk­ spiegelhalter 22 angebracht ist. Der erste Rücklenk­ spiegel 21 lenkt das einfallende Licht um etwa 90 Grad um, so daß dieses auf einen zweiten, ebenfalls an dem Rücklenkspiegelhalter 22 angebrachten Rücklenkspiegel 23 fällt. Das auf den zweiten Rücklenkspiegel 23 fallende Licht trifft nach einer Reflexion um etwa 90 Grad auf einen zweiten Ablenkspiegel 24, der so angeordnet ist, daß das von dem zweiten Rücklenkspiegel 23 einfallende Licht wieder die gleiche Strahlachse wie das auf den ersten Ablenkspiegel 19 einfallende Licht hat.

Der Rücklenkspiegelhalter 22 mit den an ihm befestigten Rücklenkspiegel 21, 23 ist mit einer Objektarmverstell­ vorrichtung 25 verbunden. Mit der Objektarmverstell­ vorrichtung 25 ist die optische Weglänge des Objektarmes 12 einstellbar. Vorzugsweise ist für ein hochgenaues Verstellen der optischen Weglänge des Objektarmes 12 die Objektarmverstellvorrichtung 25 als ein Piezoelement ausgeführt. Die Spiegel 19, 21, 23, 24 bilden zusammen mit den Spiegelhaltern 20, 22 eine Umlenkeinheit 26.

In einer nicht dargestellten abgewandelten Ausführungs­ form weist die Umlenkeinheit 26 ein Ablenkprisma und ein Rücklenkprisma auf. Das Ablenkprisma ist auf einer dem Strahlteiler 10 zugewandten äußeren Seitenfläche von dem Objektstrahl 18 beaufschlagt, wobei diese den Objekt­ strahl 18 auf die rechtwinklig zu dem einfallenden Licht gestellte Basisfläche des Rücklenkprisma lenkt. Das über die Basisfläche in das Rücklenkprisma eingetretene Licht wird an den Innenseiten der Seitenflächen des Rücklenk­ prismas reflektiert, tritt gegenüber dem einfallenden Licht versetzt wieder über die Basisfläche aus dem Rücklenkprisma aus und beaufschlagt die zweite äußere Seitenfläche des Ablenkprismas, welche das von dem Rücklenkprisma einfallende Licht in die gleiche Strahl­ achse wie den von dem Strahlteiler 10 abgelenkten Objektstrahl 18 lenkt. Die optische Weglänge des Referenzarmes 11 ist mit optischen Ausgleichselementen bezüglich der optischen Eigenschaften der Prismen in dem Objektarm 12 kompensiert. Diese Ausführungsform der Umlenkeinheit 26 zeichnet sich durch einen besonders kompakten Aufbau aus.

Der Objektstrahl 18 beaufschlagt nach Durchlauf der Umlenkeinheit 26 eine Objektarmlinse 27, die den Objekt­ strahl 18 auf eine strukturierte Oberfläche 28 eines Prüfkörpers 29 fokussiert. Die Referenzarmlinse 14 und die Objektarmlinse 27 sind optisch gleichwirkend aus­ geführt, so daß der Referenzarm 11 und der Objektarm 12 bezüglich ihrer optischen Eigenschaften, insbesondere der Dispersion, kompensiert sind.

Die Oberfläche 28 weist beispielsweise wie in Fig. 1 schematisch dargestellt eine Stufe 30 und Gräben 31, 32 auf. Der Prüfkörper 29 ist mit einer Probenverstell­ vorrichtung 33 verbunden, mit der über drei Verstell­ elemente 34, 35, 36 der Prüfkörper 29 in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen verstellbar ist.

Ein von einem Auftreffbereich 37 von der Oberfläche 28 des Prüfkörpers 29 rückgeworfener Oberflächenlichtanteil des Objektstrahles 18 läuft in dem Objektarm 12 zurück und wird an dem als Überlagerungsvorrichtung wirkenden Strahlteiler 10 mit dem von dem Referenzarmspiegel 15 rückreflektierten Lichtanteil des Referenzstrahles 13 in einem Interferenzstrahl 38 zu einem Oberflächen­ interferenzsignal überlagert.

Ein weiterer Anteil des auf die Oberfläche 28 auf­ treffenden Objektstrahles 18 koppelt in der in Fig. 1 dargestellten Stellung des Prüfkörpers 29 in den Graben 31 wie in einen Wellenleiter ein. Der in den Graben 31 eingekoppelte Lichtanteil wird teilweise an den Be­ grenzungen des Grabens 31 geführt, am Boden des Grabens 31 reflektiert und tritt als ein Substrukturlichtanteil wieder aus dem Graben 31 aus. Dieser Substrukturlicht­ anteil läuft in dem Objektarm 12 ebenfalls auf den Strahlteiler 10 zurück und bildet bei einer im wesent­ lichen gleichen optischen Weglänge wie bei einem zugeordneten Referenzlichtanteil ein in dem Inter­ ferenzstrahl 38 enthaltenes Substrukturinterferenz­ signal. Der Interferenzstrahl 38 ist mit einer Sammel­ linse 39 auf einen lichtempfindlichen Detektor 40 ab­ bildbar. Die Transmissionscharakteristik des Spektral­ filters 6 ist so ausgeführt, daß das Ausgangssignal des Detektors 40 im Frequenzbereich einer im wesentlichen gaußförmigen Intensitätsverteilung des detektierten Lichtes bei einer Mittenwellenlänge von in diesem Aus­ führungsbeispiel etwa 1 Mikrometer entspricht.

Durch Verstellen der optischen Weglängen des Referenz­ armes 11 und/oder des Objektarmes 12 in einem Bereich, der sowohl Oberflächenlichtanteile als auch Substruktur­ lichtanteile mit zugeordneten Referenzlichtanteilen kohärent zur Überlagerung bringt, ist durch Detektieren des Oberflächeninterferenzsignales und des Substruktur­ interferenzsignales, die durch Interferenz innerhalb der Kohärenzlänge einander zugeordneter Lichtanteile ent­ stehen, das Substrukturinterferenzsignal zum Bestimmen von Eigenschaften der durch die Gräben 31, 32 gebildeten Substruktur auswertbar.

Die Referenzarmverstellvorrichtung 17 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Piezoelement ausgeführt, das über einen einstufigen Steuerspannungswandler 41 zur Grobverstellung der optischen Weglänge des Referenzarmes 11 an einen zentralen Datenprozessor 42 angeschlossen ist. Die ebenfalls aus einem Piezoelement gebildete Objektarmverstellvorrichtung 25 ist über einen weiteren einstufigen Steuerspannungswandler 43 zur Feinver­ stellung der optischen Weglänge des Objektarmes 12 an den zentralen Datenprozessor 42 angeschlossen. Die Verstellelemente 34, 35, 36 der Probenverstellvor­ richtung sind gleichfalls aus Piezoelementen gebildet und über einen dreistufigen Steuerspannungswandler 44 mit dem Datenprozessor 42 verbunden. Das Ausgangssignal des Detektors 40 ist mit einem Verstärker 45 verstärkbar und über einen Signalfilter 46 zum Abtrennen von mechanisch und/oder elektrisch erzeugten Störsignalen dem Datenprozessor 42 zuführbar.

Mit dem Datenprozessor 42 ist der Ablauf des Meß­ vorganges steuerbar. Zu Beginn der Messung ist durch Beaufschlagen des dreistufigen Steuerspannungswandlers 44 mit Steuersignalen und einer Umsetzung der Steuer­ signale in Hochspannungsstellsignale durch den Steuer­ spannungswandler 44 der Prüfkörper 29 mittels der Probenverstellvorrichtung 33 auf eine Anfangsposition verfahrbar. Zweckmäßigerweise weist die Oberfläche 28 an dieser Anfangsposition einen glatten, unstrukturierten Auftreffbereich 37 auf.

Bei einer Vorjustierung der Vorrichtung mittels in Fig. 1 nicht dargestellter mechanisch betätigbarer Einstell­ elemente sind die optischen Weglängen des Referenzarmes 11 und dem Objektarmes 12 bis auf etwa 1 Millimeter gleich lang eingestellt. Durch eines der Verstell­ elemente 34, 35, 36 ist die Oberfläche 28 an der Anfangsposition in Bezug auf die Richtung des ein­ fallenden Objektstrahles 18 in dem Fokalbereich der Objektarmlinse 27 positionierbar.

Dann ist mit einer Grobmessung bei konstant gehaltener optischer Weglänge des Objektarmes 12 durch Steuer­ signale auf den Steuerspannungswandler 41 und von diesem erzeugte Hochspannungsstellsignale auf die Referenzarm­ verstellvorrichtung 17 die optische Weglänge des Referenzarmes 11 in groben Schritten von typischerweise etwa 0,3 Mikrometer veränderbar. Nach Verstellen der optischen Weglänge des Referenzarmes 11 über einen vorbestimmten Bereich wird die optische Weglänge des Referenzarmes 11 beispielsweise auf den der größten detektierten Signalintensität des Interferenzsignales entsprechenden Längenwert eingestellt und in dieser Referenzeinstellung festgehalten.

Anschließend ist vorgesehen, die Vorrichtung mit einem im Auftreffbereich 37 angeordneten Referenzkörper in einer Grundeinstellung einzujustieren. Der Referenz­ körper weist eine Oberfläche mit einer lateralen Struktur auf, die mit der Apertur der Objektarmlinse 27 und der spektralen Zusammensetzung des Objektstrahles 18 auflösbar ist und die eine hohe Reflektivität besitzt, so daß ein besonders rauscharmes Interferenzsignal erreichbar ist. In einem ersten Schritt wird mit den Verstellelementen 34, 35, 36 die Oberfläche des Referenzkörpers genau in der Fokalebene der Objektarm­ linse 27 angeordnet, wobei hierzu für eine besonders präzise Justage in Fig. 1 nicht dargestellte optische Justiervorrichtungen vorgesehen sind. In einem ab­ gewandelten Ausführungsbeispiel erfolgt die visuelle Beobachtung der Fokussierung mittels des Detektors 45.

Dann wird bei der festgehaltenen optischen Weglänge des Referenzarmes 11 in der Referenzeinstellung die optische Weglänge des Objektarmes 12 über die Objektarmverstell­ vorrichtung 25 in kleinen Schritten von höchstens etwa 100 Nanometer variiert, so daß der Maximalwert des Oberflächeninterferenzsignales des Referenzkörpers bestimmbar ist. In der somit festgelegten Grundein­ stellung mit definierten optischen Weglängen des Referenzarmes 11 und des Objektarmes 12 sowie dem in der Fokalebene der Objektarmlinse 27 angeordneten Referenz­ körper ist nunmehr ein Prüfkörper 29, der eine Ober­ fläche 28 mit beispielsweise einer Stufe 30 aufweist, in einfacher Weise dadurch in die Grundeinstellung justier­ bar, daß bei festgelegten optischen Weglängen des Referenzarmes 11 und des Objektarmes 12 die Grundein­ stellung durch alleiniges Bestimmen des Maximalwertes des Oberflächeninterferenzsignales der Prüfkörper 29 in der Fokalebene der Objektarmlinse 27 positionierbar ist. Diese Vorgehensweise ist insbesondere für eine automati­ sche Fokussierung zweckmäßig.

Bei dem Beginn der Feinmessung mit fest eingestellter optischer Weglänge des Referenzarmes 11 durch Verstellen der optischen Weglänge des Objektarmes 12 über die Objektarmverstellvorrichtung 25 in kleinen Schritten von typischerweise etwa 50 Nanometer beispielsweise von einem Maximalwert zu einem Minimalwert überlagern sich die aus dem Referenzarm 11 und dem Objektarm 12 stammenden Wellenzüge auf dem Detektor 40 bei einer Differenz der optischen Weglängen, die größer als die Kohärenzlänge des transmittierten Lichtanteiles 7 ist, im wesentlichen zu einer gleichbleibenden Referenz­ intensität. Durch Verändern der optischen Weglänge des Objektarmes 12 tritt ab einer bestimmten Differenz der optischen Weglängen eine teilweise kohärente Über­ lagerung von durch den Strahlteiler 10 getrennten Licht­ anteilen mit gleicher durchlaufener optischer Weglänge auf.

Liegt wie in Fig. 1 dargestellt in dem Auftreffbereich 37 eine beispielsweise durch einen Graben 31 gebildete Substruktur mit einer kleineren Dimension als die Größe des Auftreffbereiches 37, ist durch Verändern der optischen Weglänge des Objektarmes 12 mit der Objektarm­ verstellvorrichtung 25 eine Überlagerung des durch den Graben 31 rückgeworfenen Substrukturlichtanteiles in den Objektarm 12 mit dem zugehörigen rückreflektierten Lichtanteil aus dem Referenzarm 11 zu einem Substruktur­ interferenzsignal durchführbar.

Diese nunmehr kohärent mit unterschiedlichen Phasenver­ schiebungen bei verschiedenen optischen Weglängen innerhalb der Kohärenzlänge überlagerten Lichtanteile erzeugen ein mit der optischen Weglänge des Objektarmes 12 korreliertes Ausgangssignal des Detektors 40, das der Intensität des Oberflächeninterferenzsignales oder des Substrukturinterferenzsignales entspricht.

Tritt im Verlauf der Feinmessung beispielsweise eine Änderung der Höhe der Oberfläche 28 durch die Stufe 30 ein, ist dies durch ein gegenüber der Referenzlage wegverschobenes Weißlicht-Interferogrammes der Ober­ fläche 28 erfaßbar. Diese Verschiebung des Weißlicht- Interferogrammes ist durch Nachfahren des Prüfkörpers 29 durch Verfahren beispielsweise des für die Verschiebung in Richtung des Objektstrahles 18 vorgesehenen Verstell­ elementes 36 korrigierbar. Der Verstellweg des Verstell­ elementes 36 ist in dem Datenprozessor 42 mit Bezug auf den Ort des Auftreffbereiches 37 abspeicherbar und entspricht in diesem Ausführungsbeispiel der Höhe der Stufe 30.

Nach Abschluß der Feinmessung bei in diesem Ausführungs­ beispiel fester optischer Weglänge des Referenzarmes 11 ist in dem Datenprozessor 42 das verstärkte und ge­ filterte Ausgangssignal des Detektors 40 als ein so­ genanntes Weißlicht-Interferogramm des Oberflächeninter­ ferenzsignales und des Substrukturinterferenzsignales abgespeichert, bei dem die Intensität des Ausgangs­ signales des Detektors 40 gegen die eingestellte Weg­ länge des Objektarmes 12 abgelegt ist. Durch Auswertung des Weißlicht-Interferogrammes der Interferenzsignale ist mit einer in dem Datenprozessor 42 integrierten Signalverarbeitungsschaltung 47 ist beispielsweise der Ort der größten Signalintensität als eine Bezugsgröße festlegbar.

Die durch die Objektarmverstellvorrichtung 25 veränder­ bare Weglänge des Objektarmes 12 entspricht wenigstens der größten Höhendifferenz auf der Oberfläche 28, bei­ spielsweise der Höhe der Stufe 30 sowie der Tiefe des Grabens 31. Zweckmäßigerweise beträgt der Stellweg der Objektarmverstellvorrichtung 25 das etwa Fünffache einer zu erwartenden Höhendifferenz, um auch größere Toleranzen beispielsweise bei einer Qualitätsüberwachung sicher erfassen zu können.

Insbesondere bei verhältnismäßig schwachen Substruktur­ interferenzsignalen und/oder einem verhältnismäßig langsamen verstellen der optischen Weglängen im Bereich von weniger als etwa einem Mikrometer pro Sekunde ist es zweckmäßig, in dem Strahlengang des Objektarmes 12 eine in Fig. 1 nicht dargestellte Vorrichtung zum Unter­ brechen des Objektstrahles 18 mit einer festen Frequenz mit einigen 10 Hertz vorzusehen, die an einen Frequenz­ speiseeingang eines synchronisierten Verstärkers, eines sogenannten Lock-In-Verstärkers, angeschlossen ist. Der Signaleingang des Lock-In-Verstärkers ist mit dem Detek­ tor 40 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel werden mit dem Lock-In-Verstärker bei dem Verstellen der optischen Weglänge des Objektarmes 12 die Interferenz­ signale mit einem hohen Signal/Rausch-Verhältnis detek­ tiert, wobei die Meßzeit durch das Anwenden der Lock-In- Technik in nur einem Meßschritt verhältnismäßig kurz ist.

Die Differenz der Weglängen zwischen dem Oberflächen­ interferenzsignal und dem Substrukturinterferenzsignal sowie die Form des Substrukturinterferenzsignales sind mit einer Substruktursignalanalyseeinrichtung 48 des Datenprozessors 42 auswertbar. Beispielsweise ist bei einer durch den Graben 31 gebildeten Substruktur der Wegunterschied im wesentlichen durch die Tiefe des Grabens 31 und die Form des durch das Substrukturinter­ ferenzsignal gebildete Weißlicht-Interferogrammes durch die Weite und die Dispersion des als Wellenleiter wirkenden Grabens 31 bestimmt und beispielsweise über eine Fouriertransformation auswertbar, die Informationen über die Geometrie des Grabens 31 enthält. Es ist vor­ gesehen, als aus der Form des Substrukturinterferenz­ signales abgeleitete Größen beispielsweise die Breite der Einhüllenden, die Periode sowie die Abfolge von Maxima und Minima zur Bestimmung der Geometrie und/oder Dispersion der Substruktur zu bestimmen. Durch die Intensitätsverteilung des Lichtanteiles 7 ist nach Detektion durch den Detektor 40 ein besonders gut auf­ lösbares Substrukturinterferenzsignal und damit eine zuverlässige Tiefenauflösung erreicht.

Nach Auswertung der Oberflächeninterferenzsignale und der Substrukturinterferenzsignale nach dem Abrastern der Oberfläche 28 ist in einer an den Datenprozessor 42 an­ geschlossenen Ausgabeeinheit 49, beispielsweise auf einem Farbbildschirm, mit einer Farbkodierung die Struktur und Substruktur der Oberfläche 28 darstellbar.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Fernfeldblende 8 mit einer rechteckigen Fernfeldaus­ nehmung 50. Der Fernfeldblende 8 mit der Fernfeld­ ausnehmung 50 ist eine in Fig. 2 nicht dargestellte Nahfeldblende 4 mit einer gegenüber der Fernfeld­ ausnehmung 50 um 90 Grad gedrehten rechteckigen Nahfeld­ ausnehmung zugeordnet. Ein Teil des durch die Fernfeld­ ausnehmung 50 transmittierten Lichtanteiles 7 ist mit der Objektarmlinse 27 auf die Oberfläche 28 des Prüf­ körpers 29 fokussierbar. In der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist die Fernfeldausnehmung 50 so ausgerichtet, daß der von der Fernfeldblende 8 transmittierte Licht­ anteil des Objektstrahles 18 in der Längsrichtung des Grabens 31 verläuft. Die Fernfeldblende 8 ist, wie durch einen Drehpfeil 51 angedeutet, mit einer in Fig. 2 nicht dargestellten Drehvorrichtung um die Achse 52 des Objektstrahles 18 drehbar. Mit der Drehvorrichtung ist entsprechend dem Drehwinkel der Fernfeldblende 8 die Nahfeldausnehmung der Nahfeldblende 4 so nachführbar, daß die Ausnehmungen konjugiert um 90 Grad versetzt zueinander ausgerichtet sind. In einem nicht dar­ gestellten Ausführungsbeispiel entfällt die Fernfeld­ blende 8 bei einer hohen optischen Qualität der Ab­ bildung des transmittierten Lichtanteiles 7.

In der in Fig. 2 dargestellten Ausrichtung der Fernfeldausnehmung 50 ist das durch den Graben 31 hervorgerufene Substrukturinterferenzsignal maximal, während bei einer Drehung der Fernfeldausnehmung 50 und der Nahfeldausnehmung gleichsinnig um jeweils 90 Grad das Substrukturinterferenzsignal minimal ist. Auf diese Weise ist bei einer Position des Prüfkörpers 29 der Längsverlauf des Grabens 31 zwischen zwei Meßpunkten auf der Oberfläche 28 bestimmbar. Daher ist die für ein genaues Untersuchen der Oberfläche 28 notwendige Dichte der Meßpunkte und damit die im wesentlichen von der durch das Verändern der optischen Weglängen bestimmten Meßzeit reduzierbar, da nunmehr zwischen zwei weiter entfernten Meßpunkten der Verlauf des Grabens 31 inter­ polierbar ist.

Claims (16)

1. Verfahren zum optischen Untersuchen einer Oberfläche (28), bei dem spektral breitbandiges Licht (2, 7) in einen Referenzarm (11) und einen Objektarm (12) aufgeteilt wird, bei dem ein in dem Objektarm (12) aus einem Auftreffbereich (37) des Lichtes (2, 7) von der Oberfläche (28) zurückgeworfener Objekt­ lichtanteil mit einem aus dem Referenzarm (11) zurückgeworfenen Referenzlichtanteil überlagert und ein aus dem Objektlichtanteil und dem Referenzlicht­ anteil gebildetes Oberflächeninterferenzsignal detektiert wird, wobei das Oberflächeninterferenz­ signal in Abhängigkeit einer veränderlichen optischen Weglänge wenigstens eines Armes (11, 12) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge in einem Bereich verändert wird, in dem ein von einer Substruktur (31, 32) mit einer kleineren Oberflächendimension als der Auftreff­ bereich (37) zurückgeworfener Substrukturlichtanteil mit einem Referenzlichtanteil überlagert als ein Substrukturinterferenzsignal detektiert wird, und daß das Substrukturinterferenzsignal zur Bestimmung von Eigenschaften der- Substruktur (31, 32) aus­ gewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Licht (7) mit einer Intensitätsverteilung in den Referenzarm (11) und den Objektarm (12) aufgeteilt wird, die bei Detektion zu einem Ausgangssignal führt, das einer im Frequenzbereich gaußförmigen Intensitätsverteilung des detektierten Lichtes entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Abgleich der optischen Weglängen des Referenzarmes (11) und des Objektarmes (12) die optische Weglänge des Referenzarmes (11) verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge des Referenzarmes (11) an einem vorbestimmten Wert festgehalten wird und die optische Weglänge des Objektarmes (12) in einem vorbestimmten Bereich zum Detektieren des Ober­ flächeninterferenzsignales und des Substrukturinter­ ferenzsignales verändert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge des Objektarmes (12) ausgehend von einer Grundeinstellung verändert wird, wobei die Grundeinstellung durch den Maximalwert des Oberflächeninterferenzsignales definiert ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferenzsignale bei einem optischen Unterbrechen des Objektarmes (12) mit einer festen Frequenz mit einem synchronisierten Verstärker detektiert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung die Differenz der Weglängen zwischen dem Oberflächeninterferenz­ signal und dem Substrukturinterferenzsignal bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrukturinterferenzsignal zur Auswertung fouriertransformiert wird.

9. Vorrichtung zum optischen Untersuchen einer Ober­ fläche (28), insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer breitbandigen Lichtquelle (1), deren Ausgangslicht (2, 7) mit einer Strahlteilvorrichtung (10) in einen eine Reflexionsvorrichtung (16) aufweisenden Referenzarm (11) und einen Objektarm (12) aufteilbar ist, wobei das mittels der Strahlteilvorrichtung (10) in den Objektarm (12) geleitete Ausgangslicht (2, 7) die Oberfläche (28) in einem Auftreffbereich (37) be­ aufschlagt und ein von der Oberfläche (28) zurück­ geworfener Objektlichtanteil mit einem von der Reflexionsvorrichtung (16) zurückgeworfenen Referenzlichtanteil mit einer Überlagerungs­ vorrichtung (10) zu einem einen lichtempfindlichen Detektor (40) beaufschlagenden Oberflächeninter­ ferenzlichtanteil überlagerbar ist, und mit wenig­ stens einer Verstellvorrichtung (17), mit der die optische Weglänge wenigstens eines Armes (11, 12) einstellbar ist, wobei ein Interferenzsignal in Ab­ hängigkeit der optischen Weglängen in einer Aus­ werteeinheit (42) abspeicherbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit wenigstens einer der Verstell­ vorrichtungen (17, 25) die optische Weglänge wenig­ stens eines Armes (11, 12) in einem Bereich ein­ stellbar ist, in dem ein von einer Substruktur (31, 32) mit einer kleineren Oberflächendimension als der Auftreffbereich (37) zurückgeworfener Substruktur­ lichtanteil mit einem Referenzlichtanteil überlagert mittels des Detektors (40) als ein Substrukturinter­ ferenzsignal detektierbar ist, und daß eine Signal­ analyseeinrichtung (48) zur Auswertung des Sub­ strukturinterferenzsignales vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangslicht (2) der breitbandigen Licht­ quelle (1) eine Filtervorrichtung (6) beaufschlagt, wobei das von der Filtervorrichtung (6) trans­ mittierte Licht (7) zu einem Ausgangssignal des Detektors (40) führt, das einer im Frequenzbereich gaußförmigen Intensitätsverteilung entspricht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reflexionsvorrichtung (16) mit einer Referenzarmverstellvorrichtung (17) und die optische Weglänge des Objektarmes (12) mittels einer mit einer Objektarmverstellvorrichtung (25) zu­ sammenwirkenden Umlenkeinheit (26) veränderbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umlenkeinheit (26) eine Strahl­ ablenkvorrichtung (19, 20, 24) aufweist, mit der der Lichtanteil (18) in dem Objektarm (12) einer Rückreflexionsvorrichtung (21, 22, 23) zuführbar ist, wobei die Rückreflexionsvorrichtung (21, 22, 23) mit einem seitlichen Abstand von der Strahlablenkvorrichtung (19, 20, 24) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Raumfilter­ vorrichtung (3, 4, 5, 8) vorgesehen ist, mit der der Auftreffbereich (37) des Lichtanteiles (18) auf die Oberfläche (28) in seinen geometrischen Gestalt einstellbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Raumfiltervorrichtung eine Blende (4) mit einer rechteckigen Ausnehmung und zwei Sammellinsen (3, 5) aufweist, wobei in den zu­ sammenfallenden Brennebenen der Sammellinsen (3, 5) die Blende (4) mit der Ausnehmung in den zusammen­ fallenden Fokalbereichen der Sammellinsen (3, 5) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blende (4) drehbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an jeder Meßposition die Blende (4) mit einer Drehvorrichtung in einem Winkelbereich einstellbar ist.