EP1929238A1 - Interferometrische messvorrichtung - Google Patents

Interferometrische messvorrichtung

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Publication number
EP1929238A1
EP1929238A1 EP06793175A EP06793175A EP1929238A1 EP 1929238 A1 EP1929238 A1 EP 1929238A1 EP 06793175 A EP06793175 A EP 06793175A EP 06793175 A EP06793175 A EP 06793175A EP 1929238 A1 EP1929238 A1 EP 1929238A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
scanning
interferometer
interfaces
evaluation
measuring device
Prior art date
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Ceased
Application number
EP06793175A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Schmidtke
Ulrich Kallmann
Sebastian Jackisch
Hartmut Spennemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
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    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers

Definitions

  • the invention relates to a measuring of layer structures from a plurality of layers arranged one behind the other in the depth direction with a scanning device which scans them automatically in their depth direction, by means of which an interference plane is displaceable relative to the layer structure, with a white-light interferometer and / or a wavelength-scanning interferometer Interferometer, which is supplied to the measurement of an irradiation unit, an input radiation which is divided by a beam splitter and supplied to a reference arm via a reference beam as reference beam to a reference arm and the other part via an object beam path as an object beam to a measuring the layer structure exhibiting arm, with an imager which picks up the interfering radiation returning from the reference arm and the object arm and converts it into electrical signals, and with a downstream evaluation Device for providing the measurement results, as well as an interferometric measuring method.
  • Such an interferometric measuring device is specified in DE 101 31 779 A1.
  • a surface structure of a measuring object in the depth direction (z direction) is scanned by means of a scanning device by changing the length of a reference light path relative to the length of an object light path, so that the interference plane, which results from the interaction of a reference beam guided by a reference arm and an object beam guided by an object beam, is displaced relative to the object surface.
  • a special feature of this known interferometric measuring device is that at the same time several surface areas of the measurement object are detected and scanned can, for which purpose a special optics, namely a so-called superposition optics or optics with a sufficiently large depth of field or a multi-focal optics is arranged in the object arm, with which simultaneously the different surface areas can be detected.
  • a special optics namely a so-called superposition optics or optics with a sufficiently large depth of field or a multi-focal optics is arranged in the object arm, with which simultaneously the different surface areas can be detected.
  • This structure is particularly suitable for scanning laterally adjacent surface areas, which may have different orientation or may be offset in the depth direction. Also a parallelism or thickness of the different surfaces can be measured.
  • the spatially separated areas are always detected at the same time, so that an adaptation of the optics in the object arm, which takes into account the relative positional relationship of the two areas to be measured, must be provided.
  • a further interferometric measuring apparatus shown in WO 01/38820 A1 which likewise is based on the principle of white-light interferometry, is constructed in such a way that thickness, distance and / or profile measurements are also carried out on successive layers, for example at Ophthalmological measurements Corneal thickness, anterior chamber depth, retinal layer thickness or retinal surface profile.
  • Ophthalmological measurements Corneal thickness, anterior chamber depth, retinal layer thickness or retinal surface profile.
  • different light paths are also formed in the object arm, which are assigned to different layers or interfaces in order to achieve the fastest possible measurement.
  • the object beams have different optical properties, such as different polarization direction or different wavelength; also a change in the detour of the various NEN object light paths in the object arm is possible, but leads to a loss of sensitivity, which is pointed out in this document.
  • A, (4): 832-843, 1996 is carried out as described with a special algorithm of detected intensity values according to the so-called FSA method (f ⁇ ve-sample adaptive method) the modulation M of a correlogram can be determined
  • FSA method f ⁇ ve-sample adaptive method
  • Another approach for identifying and evaluating a correlogram is to consider the interference contrast.
  • the object of the invention is to provide an interferometric measuring device and a method for measuring layer structures, which supplies the most reliable measurement results possible with as little effort as possible.
  • the scanning device is formed in such a way that at the same reference beam path and object beam path of the associated Abtastweg is at least as large as the expected or determined in a pre-measurement distance of at least two successively arranged to be detected boundary surfaces of the layer structure optionally plus an expected depth structure of the interfaces, and that in the formation of the interferometer with the irradiation unit asMinlichtferferometer the coherence length of the input radiation is chosen to be at most so large that the interference maxima of the depth sampling successive occurring correlograms are distinguishable at the interfaces to be detected, and / / or, if the interferometer part is formed with the irradiation unit as a wavelength-scanning interferometer, the irradiation unit with a narrow-band, tunable input terminal is formed, wherein the bandwidth of the input radiation is chosen so large that the smallest expected or by the pre-measurement till- - A -
  • the bandwidth of the input radiation is chosen so large that the smallest to be expected or estimated by the pre-measurement distance of the successive interface to be detected is resolvable.
  • the object beam in the depth scanning of all layers to be measured and their boundary surfaces, the object beam is guided in a scanning cycle over the same object beam path and the reference beam is guided over the same reference beam path and that when applying the method of white light interferometry, the coherence length of in the interferometer coupled input radiation is chosen to be at most so large that the interference maxima of the depth scanning successively occurring at the interfaces to be detected correlograms are distinguished and the application of the method of wavelength-scanning interferometry, the bandwidth of the input radiation is chosen so large that the smallest expected or estimated by Vorunk distance of the interfaces to be detected is resolved.
  • boundary surfaces of the layer structure including the outer boundary surface (surface) can be reliably detected and, if desired, precisely analyzed.
  • One possibility of using advance information on the layers in the evaluation is that there is an input unit operable by a user for entering the number of expected interfaces. On the basis of the number of interfaces, then e.g. the memory areas for the measured data to the interfaces are determined.
  • the evaluation device has a coarse value device with which the number of existing layers or boundary surfaces can be determined on the basis of a coarse definition of correlograms and that the evaluation device is designed in such a way that the number of determined layers is automatically taken over into an evaluation part or input by the user via the input unit.
  • the evaluation device has separate memory areas for the layers to be detected, to which data of the correlogram associated with the respective boundary surfaces can be assigned separately during a depth scan, the respective correlograms being related to their depth sampling position, then the result is relatively low Effort high efficiency in the evaluation and provision of measurement results.
  • the simple evaluation is thereby supported by the fact that the memory areas are designed as circulating memory areas.
  • a simple and rapid evaluation is further facilitated by the fact that for the recording of the interfacial correlograms there is a number of memory areas exceeding the number of interfaces by at least one, of which one memory area is an active memory area for writing current scan data during the depth scan and the others serve to record the determined correlogram data associated with the respective interfaces.
  • the measures also contribute to a reliable detection of the correlograms and measurement of the boundary surfaces in that the evaluation device has an evaluation region which is designed to calculate the modulation of the intensity values obtained from the electrical signals during the depth scanning and to detect the respective boundary surfaces. the correlograms from the modulation is formed.
  • a favorable structure for more accurate measurements consists in that the evaluation device has an evaluation module, with which a fine measurement of a respective interface structure can be carried out.
  • the evaluation device is designed in such a way that during the depth scanning, the tracks extending in the direction of the depth scanning at different laterally in xy direction directly or indirectly adjacent interface areas in a corresponding way se are evaluable.
  • the evaluation device may also be made for the evaluation device to be designed in such a way that interface data of the interface areas adjacent in the x-y direction can be related to each other and evaluated with respect to each other for a respective depth scan.
  • the measures are also advantageous in that, when the interferometer part is formed with a white light interferometer and wavelength-scanning interferometer, the evaluation device is designed in such a way that in a preliminary measurement the entire layer structure is involved in a depth scanning cycle for determining relevant regions the coarse scanning of the wavelength-scanning interferometer and in a subsequent measurement in a subordinate Tiefenabtastzyklus a fine measurement of the relevant regions with increased resolution.
  • a further advantageous embodiment of the measuring device is that the evaluation device for detecting streaks in the layer structure of an evaluation of the interference contrast or the phase shift at the caused by the streaks interfaces between Formed media different calculation indices, and further in that the evaluation device for detecting material changes or material transitions from an evaluation of the interference contrast or the phase shift at the caused by the material changes or material transitions interfaces or boundary layers, which are formed by different calculation indices, is formed, wherein Detecting the interference contrast change or the change of the phase shift laterally across the image field is included in the evaluation.
  • the measures are also advantageous in that, when the interferometer is designed as a wavelength-scanning interferometer, software-assisted dispersion compensation of the measured data is provided in the evaluation device, which precedes the actual measurement data evaluation.
  • the evaluation is further facilitated by the fact that a variable optical attenuator is introduced into the reference arm, by means of which the light intensity can be controlled or regulated to the light intensity in the object arm.
  • the data acquisition is facilitated by the fact that in the object arm arranged with a control device optics is arranged, which causes an adjustment of the focus to the just scanned area during the depth scan.
  • the irradiation unit has optically pumped photonic crystal fibers and / or at least one superluminescent diode and / or at least one ASE light source.
  • 3 is a white light interferometer in a schematic representation with a multi-interface layer structure and associated correlograms
  • Fig. 4 shows an intensity profile and an obtained therefrom with an F S A-algorithm
  • FIG. 6 is a schematic diagram for the measurement on a film having an oil film
  • FIG. 7 is a schematic diagram for writing intensity values into a circulating memory area
  • 11 shows a further illustration of an intensity profile and a modulation curve over the scanning path with correlograms and extended scanning length assigned to two separate memory areas
  • 12 shows a representation of a modulation course over the scanning path with three associated correlograms written in separate memory areas
  • FIG. 14 shows a further interferometric measuring device in combination with a tunable light source as a wavelength-scanning interferometer and with a
  • An interferometer part IT has a beam splitter ST, by means of which an input radiation EST, for example shown in FIG. 3, is split into the object beam OST guided by an object arm OA and a reference beam RST guided by a reference beam RST, in order to be superimposed by the superimposition of the reference beam RF Reference beam RST and the returned from the scanned layer structure of the object O object beam OST to generate an evaluable interference pattern, as known per se and described, for example, in the introductory cited documents.
  • the interference plane IE is arranged in the region of the measurement object O or the layer structure.
  • the interference plane IE is shifted relative to the layer structure in the depth direction z, whereby different interference patterns occur over the track of the depth scan.
  • the depth scanning of the layer structure of the interference plane IE can take place in various ways, namely by changing the optical path length of the reference beam, in particular by moving the reference mirror, by movement of the measurement object O in the depth direction or by movement of the objective in the depth direction or by movement of the entire sensor relative to the measurement object O.
  • an adjustment of the objective in the object arm OA is effected by means of an adjustment unit VE, for example a piezo stage, adjusted in discrete steps in the depth direction z.
  • the interference pattern is recorded with an image recorder BA and converted into corresponding electrical signals and evaluated in a subsequent evaluation device AW in order to obtain the measurement results to obtain information about the layer structures, in particular the interfaces.
  • the image recorder BA is preferably a camera which has pixel-wise xy-directional image recording elements and dissolves the imaged interference pattern areally, so that at the same time several of the individual pixels associated tracks of the layer structure can be detected and evaluated in the depth scan.
  • the measurement of the interfaces can advantageously be carried out according to the principle of white-light interferometry.
  • an irradiation unit or light source LQ (see Fig. 3) is used, which emits a short-coherent radiation, for example, one or more coupled superluminescent diodes SLDL ... SLD4 (see Fig. 13).
  • Interference occurs only when the optical path length difference between the reference beam RST and the object beam OST lies within the coherence length Ic of the radiation emitted by the radiation unit LQ.
  • the resulting interference signal is also referred to as correlogram in white-light interferometry.
  • a correlogram KG which includes the intensity profile over the scanning path (in the direction of depth z), and the associated envelope G.
  • a DC component GA the position of the optical path adjustment Z 0 , the phase .phi.o
  • Measure for the interference contrast IK as the difference between the maximum intensity I max and minimum intensity I mm, the central wavelength ⁇ o, the intensity I in arbitrary units and the path difference ⁇ z between the object and reference arm as a double difference of sampling position z and Z 0 in arbitrary units.
  • the interferometric measuring device is shown schematically, but wherein the scanning by displacement of the reference surface or in this case the reference plane RE is made.
  • the object beam OST has the intensity Ii
  • the reference beam RST the intensity I 2
  • the image recorder BA results in an intensity I d .
  • the irradiation unit in the form of the light source LQ emits an input radiation EST with a spectral characteristic SV of short coherence length.
  • the evaluation device AW is based on a special algorithm, namely the so-called FSA (f ⁇ ve-sample-adaptive) algorithm, which is based on the sampling of five successive intensity values of the interferogram and from which also the phase of the respective interferogram Scanning position in the scan z can be determined.
  • FSA f ⁇ ve-sample-adaptive
  • a peculiarity of the present interferometric measuring device and the measuring method lies in the fact that the scanning path z is chosen to be at least large enough to scan the entire area in which the boundary layers to be detected are present, the correlograms occurring at the various boundary surfaces being detected during the scanning to determine therefrom the presence of the interfaces by means of the evaluation device AW.
  • the areal registration via the image recording elements of the image recorder BA or the camera K at the same time permits the acquisition of the height measurement data via a plurality of laterally adjacent tracks (in the depth direction z), so that 3D height information of the respective boundary surfaces can be obtained.
  • FIG. 5 schematically illustrates the procedure for determining the interfaces and, if desired, further information thereof.
  • the evaluation is carried out in multiple stages, to which first the associated with the individual boundary layers
  • Correlograms KG can be identified from the calculation of the modulation M of the intensity profiles in a detection module EM. This is followed by a closer evaluation of the properties in an evaluation module AM of the evaluation device AW, if desired. Finally, there is still an assignment of the detected boundary surfaces and, if appropriate, closer properties thereof in an assignment module ZM, for example, the object surface OO and the substrate surface SO.
  • FIG. 6 shows, by way of example, a layer structure with a transparent layer in the form of an oil film on an underlying support.
  • the partial image a) shows the provided with an oil layer carrier, the partial image b) a measurement result in the edge region of the oil film on the support surface and the sub-image c) the calculated from the measurement result surface of the support under the oil film, while in the panel d) the clean Surface of the carrier is shown.
  • Another special feature of the present measuring device and the measuring method consists in the fact that in the evaluation device AW the measured data obtained during the depth scanning are stored in separate memory areas SB 1, SB 2, wherein a detection of the individual boundary surfaces takes place and an assignment to the different interfaces is made. This procedure is shown in FIGS. 7 to 12.
  • Fig. 7 shows the assignment of intensity values IW obtained during the depth scan via a track and their inscription in a circulating memory area SBO of a certain length. If the end of the memory area SBU is reached during the writing process of the intensity values IW, the first value is overwritten again and immediately. Thus, for each pixel x, y given by the picture elements of the image recorder BA, only a fixed number of successively sampled intensity values IW are stored in the memory and not the entire track.
  • FIG. 7 shows by way of example a circulating memory area for eight intensity values IW. After the first eight values are written, the ninth value overwrites the value at the first memory address and the tenth sampled value overwrites the second.
  • characteristic points of the layer structure ie interfaces between the layers or within the layers, eg material inclusions or the like, are to be detected by way of the depth scan.
  • This area of interest should then be written as completely as possible into the memory area.
  • the length of the circulating memory areas SBU is dimensioned according to the coherence length Ic and chosen to be so much larger that an associated correlogram is reliably detected over the so-defined scan length, as shown for example in FIGS. 8 to 12.
  • the circulating memory areas SBU into different memory areas namely an active memory area and passive memory areas, one of which forms a reserve memory area.
  • the active memory area the current intensity values IW are always written.
  • Which memory address is currently assigned to the active memory area is decided by an algorithm when renaming the memory areas.
  • the active memory area is always the memory area which contains the correlogram with the lowest modulation maximum of all memory areas SB 1, SB 2. If required, ie if the modulation maximum of the active memory area is exceeded during the depth scan, the sampled measurement data is also written into the reserve memory area parallel to the active memory area. For this write-in, the algorithm activates the spare memory area.
  • the correlogram with the second smallest modulation maximum is always stored.
  • the passive memory areas the highest-modulation correlograms are saved.
  • the active memory area is renamed after a successful acquisition of a modulation-rich correlogram in a passive memory area. If, therefore, a new complete correlogram is present in the active memory area, the writing to it is stopped and written further only in the reserve memory area. If another correlogram with stronger modulation follows, it is recorded in the reserve memory area. If it is completely captured, the other is rejected. Both memory areas exchange the function and the active memory area becomes the reserve memory area.
  • the depth scanning position assigned to it is stored and the memory areas are sorted according to maximum modulation.
  • the area designated as reserve memory area becomes the new active memory area because it contains the weakest modulation correlogram at that time. From the remaining memory areas, the one with the next weaker maximum modulation is selected and set as the new reserve memory area.
  • the method ensures that a weak modulation correlogram, which follows immediately one with stronger, is also completely detected within half the scan length, by the simultaneous detection in the reserve memory area.
  • the number of memory areas is selected such that N + 1 memory areas are allocated at N correlograms to be detected.
  • N 2 to be detected correlograms
  • the reserve memory area the correlogram with the second largest (N) and in the active memory area corresponding to the Kor- rogramme with the third largest (N + 1) modulation maximum is stored.
  • a counter saves the current progress of the acquisition.
  • the counter is initialized as the start value with half the sampling length and counted down to 0 per sampling step. It is started at maximum modulation or reinitialized at a new maximum value and restarted. He has the task of ensuring that after reaching the maximum modulation, the remaining data is still written into the memory area. This ensures that sufficient values are symmetrical about the maximum of the envelope of the correlogram in the circulating memory area SBU and the correlogram is completely detected.
  • the detection process ends with a data transfer.
  • the correlograms from the circulating memory areas are resorted in the middle of the memory area in the correct order of the sampling points with the modulation maximum.
  • the active memory area is deleted during this copying process.
  • the scanning position of the last sampling point is transmitted to the next module for each correlogram.
  • FIG. 8 shows the intensity and modulation curve over the scanning path z with two identified correlograms.
  • FIG. 9 shows a memory state upon detection of two correlograms, wherein a correlogram with greater modulation occurs before a correlogram with lower modulation.
  • Fig. 10 shows a memory state upon detection of two correlograms wherein a lower modulation correlogram occurs before a higher modulation correlogram.
  • FIG. 11 shows an adaptation of the scanning length with superimposed correlograms, as they occur on thin layers.
  • Fig. 12 shows a memory state upon detection of three correlograms.
  • a plurality of fiber-coupled superluminescent diodes LD1, LD2, LD3, LD4... Or ASE light sources can be used different, overlapping optical spectra are advantageously combined in the near infrared spectral range in a fiber coupler FK to form a radiation unit for introducing the input radiation into the interferometer part IT, as FIG. 13 shows.
  • Wavelength-scanning interferometers in the sense of the present invention are characterized in that the optical spectrum of their spectrally narrow-band, variably tunable light source or irradiation unit LQ is chosen such that the layer structures to be examined are partially transparent or if the optical spectrum of the broadband spectral irradiation unit is chosen such that the layer structures to be examined are partially transparent. Accordingly, the detector is adapted to the light source LQ in order to obtain the highest possible sensitivity in the spectral range used.
  • the choice of the light source LQ and of the detector or image recorder BA is therefore task-dependent as well as in the previously described white light interferometer WLI.
  • an InGaAs CCD camera is used in the wavelength-scanning interferometer with spectrally narrow-band, variable tunable light source as an image sensor.
  • the optics in the object-scanning arm OA of the wavelength-scanning interferometer are readjusted during the wavelength scan of the light source LQ (e.g., by a computer-controlled piezo unit) that the area of the object being scanned is always in focus of the optics. This ensures a sharp image on the image recorder BA or detector.
  • a wavelength-scanning interferometer WLSI is that it is designed with a spectrally broadband irradiation unit and a wavelength-scanning optical spectrum analyzer as a detector.
  • the bandwidth of the input radiation is selected to be so large that the smallest expected or pre-measured distance of the successive boundary surface to be detected can be resolved.
  • a variable optical attenuator in the reference arm for example in the form of a liquid crystal element, in order to control the light intensity Ii in the reference arm RA and via a closed control loop to match the light intensity I 2 in the object arm OA, so that the contrast and the quality of the interference signal are increased.
  • the quality of the measurement signal is increased, e.g. by compensation for aberrations or overexposure, and it is possible to measure specially shaped object shapes, such as e.g. curved surfaces or structured layer systems.
  • specially shaped object shapes such as e.g. curved surfaces or structured layer systems.
  • the same also applies to the interferometer part IT of the above-described white light interferometer.
  • An exemplary embodiment of an interferometric measuring device consists of a combined measuring system comprising a white-light interferometer WLI and a wavelength-scanning interferometer WLSI corresponding to the embodiments described above.
  • This combination is constructed as a measuring system by bringing the irradiation units or light sources LQ together via a fiber coupler FK (see Fig. 14) and introducing the light via a fiber into the interferometer part IT as shown in Fig. 14.
  • the further elements of the interferometer part such as the variable attenuator VA and a dispersion compensation DK, interfere with such a combination and a shared exploitation of the interferometer part IT in e.g. not consecutively connected in time.
  • the white light interferometer WLI For thin or non-highly dispersive layers or with experimental dispersion compensation, a measurement with the wavelength-scanning interferometer WLSI is generally faster and a measurement with the white-light interferometer WLI more accurate.
  • the dispersion in the data postprocessing can be compensated in the wavelength-scanning interferometer WLSI, so that the wavelength-scanning interferometer WLSI then supplies the more accurate measured data.
  • the interferometric measuring device When designing the interferometric measuring device as a white light interferometer WLI, care must be taken to ensure that the optical spectrum of its broadband light source LQ is selected so that the layer structures to be examined at least up to a lower opaque carrier light source. Gersubstrat are partially transparent. Accordingly, the image recorder BA or detector is adapted to the radiation unit or light source LQ in order to obtain the highest possible sensitivity in the spectral range used. The choice of the light source LQ and the detector is therefore task-dependent. In the near infrared spectral range (about 1000 nm to 1800 nm), an InGaAs CCD camera is used as the detector in areal measuring white light interferometers WLI.
  • ASE amplified spontaneous emission
  • PCF photonic crystal fibers
  • SLD superluminescent diodes
  • Crystal fibers are connected directly to the Interfereometerteil the white light interferometer WLI.
  • Dispersion effects in the whitish interferometer WLI result from different optical paths in the object and reference arm.
  • corresponding layers are also introduced into the beam path of the reference arm RA of the white light interferometer WLI. These layers are located at a distance from the reference surface RF, for example in the form of a reference mirror, in order to avoid overlapping multiple correlograms during the measurement. For example, such layers are introduced in a white light interferometer WLI in the Linnik structure between the beam splitter ST and the microscope objective.
  • pumped photonic crystal fibers superluminescent diodes and fiber-coupled, collimated superluminescent diodes, and experimental dispersion compensation are not limited to the near infrared spectral range.
  • the method performed with the interferometric measuring device can be applied to relatively uniform contiguous layers as well as to deformed layers having edges on an underlying layer, such as oil layers, surveying layered structures on substrates or under Si capped wafers, and also for surveying hidden structures within the layer structure can be used, including so for the measurement of wear protection layers, paint layers and semiconductors, as long as the inclination of the respective surface or boundary surface allows sufficient return reflection of the incident light wave in the image sensor BA.
  • the acquisition module EM and the evaluation module AM are adjoined by an assignment module ZM and possibly also analysis modules for a more precise examination.
  • the assignment module ZM ensures the assignment of distance values to the corresponding interfaces. This assignment is made in an oil-substrate arrangement according to the position of the correlations in the depth scan. For the assignment to the corresponding layers, a comparison of the position with the e.g. eight closest neighbors.
  • I R is the reflected intensity
  • Ii n is the intensity of the incident light beam.
  • the intensity detected in a white light interferometer WLI is composed of the reflected intensities of reference arm RA and object arm OA. Ideally, the reflected intensity from the reference arm RA is equal to the incident intensity I 1n . This is superimposed with the intensity I R reflected from the object arm OA.
  • the interference contrast is determined by the two refractive indices ni, n 2 .
  • the streaks can also be detected on the basis of a phase consideration, since the light beam at the interface undergoes a phase shift ⁇ , which is determined by the properties of the two media.
  • a phase shift in the object arm OA also affects the phase of the recorded correlogram KG.
  • This phase shift in the measurement signal is used in phase evaluation in order to detect and classify streaks with refractive index n 2 in a medium with refractive index ni.
  • the position and size of the streaks can also be determined with this evaluation method.
  • material changes and material transitions of the layer structure can also be detected by means of the interferometric measuring device, for which an evaluation of the interference contrast or an evaluation on the basis of a phase analysis are also suitable.
  • the interference contrast I K ⁇ n of the measurement signal obtained with the white light interferometer WLI is dependent on the two media which form the interface or boundary layer causing the signal. If the composition of the boundary layer changes over the image field of the white light interferometer WLI, the interference contrast also changes.
  • a change in the boundary layer composition is detected and measured via the interference contrast evaluation, for example a transition between a conductor track and the SiO 2 material under a Si cover layer.
  • phase analysis for the detection of material changes and material transitions of the layer structure in turn, it is used that the phase shift of the light source with the white light interference Depending on the different refractive indices of the media that form the signal-causing interface or boundary layer. If the composition of the boundary layer changes over the image field of the white-light interferometer WLI, the phase relationship of the correlograms also changes over the image field. When surveying hidden layers, a change in the boundary layer composition can thus also be detected and measured via the phase change of the interference signal.
  • the dispersion which has already been mentioned is due to the wavelength-dependent refractive index profile.
  • the dispersion effect worsens the measurement resolution of the wavelength-scanning interferometer WLSI with respect to closely spaced boundary layers, since the separation of successive correlograms is made more difficult.
  • the method also allows investigations on thick layers (d »10 ⁇ m).
  • a preliminary measurement of the total layer thickness is first performed with the wavelength-scanning interleaver WLSI with reduced triggering. Due to the measuring principle of a wavelength-scanning interferometer WLSI, this measurement is much faster than a corresponding measurement with a white-light interferometer WLI.
  • the subsequent measurement of the regions identified as relevant by the preliminary measurement is advantageously carried out with a white light interferometer WLI, for example, with a photonic crystal fiber (PCF) light source and, due to the measuring principle, yields a better resolution in terms of height and slice separation.
  • PCF photonic crystal fiber
  • the downstream measurement can be carried out with a wavelength-scanning interferometer WLSI in non-equidistant scanning.
  • the regions identified as relevant in the pre-measurement are substantially more densely sampled (for example by a denser frequency scan) than non-relevant regions lying between them.
  • a better resolution results in terms of height and layer separation due to the measuring principle.
  • the above-described structures of the interferometric measuring device and the methods performed therewith enable non-destructive both point-like and areal measurements, in particular of interfaces in optically partially transparent for the radiation Layer systems of various types, whereby streaks and material changes as well as material transitions can be detected and identified.
  • the measuring method can be followed by a production and process and / or quality control. It is then possible, for example, to check the tolerances directly after the processing of a functional area and to carry out a non-destructive process and / or quality control on relevant product parts.

Description

Beschreibung
Interferometrische Messvorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf eine zum Vermessen von Schichtstrukturen aus mehreren in Tiefenrichtung hintereinander liegenden Schichten mit einer diese automatisch in ihrer Tiefenrichtung abtastenden Abtastvorrichtung, mittels derer eine Interferenzebene relativ zur Schichtstruktur verschiebbar ist, mit einem ein Weißlichtinterferometer und/oder ein wellenlängenscannendes Interfe- rometer aufweisenden Interferometerteil, dem für die Messung von einer Einstrahlungseinheit eine Eingangsstrahlung zugeführt ist, welche mittels eines Strahlteilers aufgeteilt und zum einen Teil über einen Referenzstrahlengang als Referenzstrahl einem Referenzarm und zum anderen Teil über einen Objektstrahlengang als Objektstrahl einem beim Messen die Schichtstruktur aufweisenden Objektarm zugeführt ist, mit einem Bildaufnehmer, der die aus dem Referenzarm und dem Objektarm zurückkommende interferierende Strahlung aufnimmt und in elektrische Signale umwandelt, sowie mit einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung zum Bereitstellen der Messergebnisse, sowie auf ein interferometrisches Messverfahren.
Eine derartige interferometrische Messvorrichtung ist in der DE 101 31 779 Al angegeben. Bei dieser bekannten interferometrischen Messvorrichtung, die nach dem Messprinzip der so genannten Weißlichtinterferometrie arbeitet, wird eine Oberflächenstruktur eines Messobjektes in Tiefenrichtung (z-Richtung) mittels einer Abtastvorrichtung abgetastet, indem die Länge eines Referenzlicht- weges relativ zur Länge eines Objektlichtweges geändert wird, so dass sich die Interferenzebene, welche sich aus dem Zusammenwirken eines durch einen Referenzarm geführten Referenzstrahls und eines durch einen Objektarm geführten Objektstrahls ergibt, relativ zur Objektoberfläche verschoben wird. Eine Besonderheit dieser bekannten interferometrischen Messvorrichtung besteht darin, dass gleichzeitig mehrere Flächenbereiche des Messobjektes erfasst und abgetastet werden können, wozu eine besondere Optik, nämlich eine so genannte Superpositionsoptik oder aber eine Optik mit einer genügend großen Schärfentiefe oder eine Multifokaloptik im Objektarm angeordnet ist, mit denen gleichzeitig die verschiedenen Flächenbereiche erfasst werden können. Hierdurch ergeben sich für die verschiedenen zu vermessenden Flächenbereiche entsprechend unterschiedli- che Strahlengänge im Objektarm, so dass die Flächenbereiche dann unter relativer Änderung der optischen Länge des Objektlichtweges zu der optischen Länge des Referenzlichtweges, beispielsweise durch Verstellen eines Referenzspiegels in Tiefenabtastrichtung, hinsichtlich ihrer topographischen Oberflächenstruktur vermessen werden. Dieser Aufbau eignet sich insbesondere zum Abtasten lateral nebeneinander liegender Flächenbereiche, die unterschiedliche Orientierung haben können oder in Tiefenrichtung versetzt sein können. Auch eine Parallelität oder Dicke der verschiedenen Flächen kann gemessen werden. Stets werden dabei die räumlich voneinander getrennten Flächen gleichzeitig erfasst, so dass eine die relative Lagebeziehung der beiden zu vermessenden Flächen berücksichtigende Anpassung der Optik im Objektarm vorgesehen werden muss.
Auch bei einer in der DE 197 21 843 Cl gezeigten interferometrischen Messvorrichtung können verschiedene Oberflächenbereiche eines Objektes, insbesondere auch in engen Bohrungen, mittels eines teilweise gemeinsamen Objektarmes vermessen werden, wobei ebenfalls den verschiedenen Flächenbereichen zugeordnete Objektstrahlengänge gebildet werden. Hierbei liegen die vermessenen Flächenbereiche lateral voneinander getrennt, so dass z.B. die Rundheit einer Zylinderbohrung überprüft werden kann. Die verschiedenen Flächenbereiche werden auf der Grundlage unterschiedlicher Polarisationsrichtungen der zugeordneten Objektstrahlen unterschieden. Auch hierbei erfolgt die Abbildung der verschiedenen Flächenbereiche über den Objektarm gleichzeitig.
Eine in der WO 01/38820 Al dargestellte weitere interferometrische Messvorrichtung, die ebenfalls auf dem Prinzip der Weißlichtinterferometrie beruht, ist in der Weise aufgebaut, dass mit ihr Dicken-, Abstands- und/oder Profilmessungen auch an hintereinander liegenden Schichten vorgenommen werden, beispielsweise bei ophthalmologischen Messungen die Corneadicke, die Vorkammertiefe, die Retinaschichtdicke oder das Retinaoberflächenprofil. Hierzu sind in dem Objektarm ebenfalls verschiedene Lichtwege ausgebildet, die verschiedenen Schichten bzw. Grenzflächen zugeordnet sind, um eine möglichst schnelle Messung zu erreichen. Zum Unterscheiden und Zuordnen der verschiedenen gemessenen Oberflächen bzw. Grenzflächen besitzen die Objektstrahlen (Messstrahlen) unterschiedliche optische Eigenschaften, wie z.B. unterschiedliche Polarisationsrichtung oder unterschiedliche Wellenlänge; auch eine Veränderung des Umweges der verschiede- nen Objektlichtwege im Objektarm ist möglich, führt aber zu einem Empfindlichkeitsverlust, worauf in dieser Druckschrift hingewiesen ist.
Grundlegendere Ausführungen zur Weißlichtinterferometrie sind in T. Dresel, G. Häusler, H. Ven- zke, „Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar", Applied Optics Vol. 31, 919, 1992 und in P. de Groot et L. Deck, Journal of Modern Optics, „Surface profiling by analysis of white-light interferograms in the spatial frequency domain", Journal of Modern Optics, Vol. 42 389-501, 1995. In Kieran G. Larkin „Effϊcient nonlinear algorithm for envelope detection in white light interferometry", J. Opt. Soc. Am. A, (4):832-843, 1996 ist ausgeführt, wie mit einem besonde- ren Algorithmus aus erfassten Intensitätswerten nach der so genannten FSA-Methode (fϊve-sample- adaptive-Methode) die Modulation M eines Korrelogramms bestimmt werden kann. Eine andere Vorgehensweise zum Identifizieren und Auswerten eines Korrelogramms besteht in der Betrachtung des Interferenz-Kontrastes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Messvorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen von Schichtstrukturen, bereitzustellen, die bzw. das mit möglichst wenig Aufwand möglichst zuverlässige Messergebnisse liefert.
Vorteile der Erfindung Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 21 gelöst.
Bei der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Abtastvorrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass bei gleich bleibendem Referenzstrahlengang und Objektstrahlengang der zugehörige Abtastweg zumindest so groß ausgeführt ist wie der zu erwartende oder in einer Vormessung ermittelte Abstand mindestens zweier hintereinander angeordneter zu erfassender Grenzflächen der Schichtstruktur gegebenenfalls zuzüglich einer zu erwartenden Tiefenstruktur der Grenzflächen, und dass bei der Ausbildung des Interferometerteils mit der Einstrahlungseinheit als Weißlichtinterferometer die Kohärenzlänge der Eingangsstrahlung höchstens so groß gewählt ist, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander auftretenden Korrelogramme an den zu erfassenden Grenzflächen unterscheidbar sind, und/oder bei Ausbildung des Interferometerteils mit der Einstrahlungseinheit als wellenlängenscannendes Interferometer die Einstrahlungseinheit mit schmal- bandiger, durchstimmbarer Eingangsstrahlung ausgebildet ist, wobei die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt ist, dass der kleinste zu erwartende oder durch die Vormessung abge- - A -
schätzte Abstand der zu erfassenden hintereinander liegenden Grenzflächen auflösbar ist und/oder bei Ausbildung des Interferometerteils als wellenlängenscannendes Interferometer mit spektral breitbandiger Einstrahlungseinheit und einem wellenlängenscannenden optischen Spektrumanalysa- tor als Detektor die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt ist, dass der kleinste zu er- wartende oder durch die Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden hintereinander liegenden Grenzfläche auflösbar ist.
Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass bei der Tiefenabtastung aller zu vermessenden Schichten und der sie begrenzenden Grenzflächen der Objektstrahl in einem Abtastzyklus über denselben Objektstrahlengang geführt wird und der Referenzstrahl über denselben Referenzstrahlengang geführt wird und dass bei der Anwendung der Methode der Weißlichtinterferometrie die Kohärenzlänge der in das Interferometer eingekoppelten Eingangsstrahlung höchstens so groß gewählt wird, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander an den zu erfassenden Grenzflächen auftretenden Korrelogramme unterschieden werden und bei der Anwendung der Me- thode der wellenlängen-scannenden Interferometrie die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt wird, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden Grenzflächen aufgelöst wird.
Mit diesen Maßnahmen können Grenzflächen der Schichtstruktur einschließlich der äußeren Grenz- fläche (Oberfläche) zuverlässig detektiert und gewünschtenfalls genau analysiert werden. Dabei können beispielsweise auch Übergänge (Grenzflächen bzw. Grenzschichten) in kleineren Bereichen der Schichtstruktur während eines Durchlaufs des Abtastweges erfasst, und falls erwünscht, näher vermessen werden, da die Korrelogramme eindeutig festgestellt werden.
Grundsätzlich denkbar wäre es auch, ein Vorliegen mehrerer Grenzschichten aufgrund von Deformationen in überlagerten Korrelogrammen festzustellen; diese Vorgehensweise wäre jedoch störanfälliger und ungenauer.
Größere laterale Bereiche der Grenzflächen können relativ schnell und auch in Bezug aufeinander dadurch vermessen werden, dass der Empfänger eine flächige Auflösung in x-/y-Richtung besitzt, die höher ist als die Abbildung der örtlichen Höhenänderungen der Schichtoberfläche in x-/y- Richtung. Mit diesen Maßnahmen lassen sich zudem relative Änderungen der Schichtverläufe in Bezug aufeinander erkennen und auswerten. Eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Erfassung und Auswertung besteht darin, dass in der Auswerteeinrichtung Algorithmen programmiert sind, mit denen die einzelnen Schichten voneinander getrennt erfassbar sind, indem eine Zuordnung durch die Reihenfolge der an den Grenzflächen auftretenden Korrelogramme während eines Tiefenabtastzyklus erfolgt.
Eine Möglichkeit Vorinformationen zu den Schichten bei der Auswertung zugrunde zu legen, besteht darin, dass zum Eingeben der Anzahl zu erwartender Grenzflächen eine von einem Benutzer bedienbare Eingabeeinheit vorhanden ist. Auf der Basis der Grenzflächenanzahl können dann z.B. die Speicherbereiche für die Messdaten zu den Grenzflächen festgelegt werden.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung für die Auswertung besteht darin, dass die Auswerteeinrich- tung eine Grobauswerteeinrichtung aufweist, mit der auf der Basis einer Groberfassung von Korre- logrammen die Anzahl vorhandener Schichten oder Grenzflächen ermittelbar ist und dass die Aus- werteeinrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass die Anzahl ermittelter Schichten automatisch in einen Auswerteteil übernommen oder von dem Benutzer über die Eingabeeinheit eingebbar ist.
Ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung für die zu detektierenden Schichten getrennte Speicherbereiche aufweist, denen während einer Tiefenabtastung Daten des den jeweiligen Grenzflächen zugeordneten Korrelogramms getrennt zuordenbar sind, wobei die jeweiligen Korrelogramme mit ihrer Tiefenabtast-Position in Beziehung gebracht sind, so ergibt sich mit relativ geringem Aufwand eine hohe Effizienz bei der Auswertung und Bereitstellung der Messergebnisse.
Die einfache Auswertung wird dabei dadurch unterstützt, dass die Speicherbereiche als umlaufende Speicherbereiche ausgebildet sind.
Eine einfache und schnelle Auswertung wird weiterhin dadurch begünstigt, dass für die Aufnahme der mit den Grenzflächen zusammenhängenden Korrelogramme eine die Anzahl der Grenzflächen um mindestens eins überschreitende Anzahl von Speicherbereichen vorhanden ist, wovon ein Speicher- bereich als aktiver Speicherbereich zum Einschreiben aktueller Abtastdaten während der Tiefenabtastung dient und die übrigen zum Aufnehmen der ermittelten, den jeweiligen Grenzflächen zugeordneten Korrelogramm-Daten dienen. Zu einer zuverlässigen Erfassung der Korrelogramme und Vermessung der Grenzflächen tragen ferner die Maßnahmen bei, dass die Auswerteeinrichtung einen Auswertebereich aufweist, der zum Berechnen der Modulation der während der Tiefenabtastung aus den elektrischen Signalen erhaltenen Intensitätswerte ausgebildet ist und zum Erfassen der zu den jeweiligen Grenzflächen gehören- den Korrelogramme aus der Modulation ausgebildet ist.
Ein günstiger Aufbau für genauere Messungen besteht darin, dass die Auswerteeinrichtung ein Auswertungs-Modul aufweist, mit dem eine Feinmessung einer jeweiligen Grenzflächenstruktur durchführbar ist.
Um flächige Bereiche der Grenzflächen auszumessen, bestehen vorteilhafte weitere Maßnahmen darin, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass während der Tiefenabtastung gleichzeitig die in Richtung der Tiefenabtastung verlaufenden Spuren an verschiedenen lateral in x- y-Richtung unmittelbar oder mittelbar benachbarten Grenzflächenbereichen in entsprechender Wei- se auswertbar sind.
Um dabei nähere Erkenntnisse zu gewinnen, kann zudem vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass Grenzflächendaten der in x-y-Richtung benachbarten Grenzflächenbereiche für eine jeweilige Tiefenabtastung miteinander in Beziehung bringbar und in Bezug aufeinander auswertbar sind.
Für eine zuverlässige Auswertung und genaue Messungen sind des Weiteren die Maßnahmen von Vorteil, dass bei Ausbildung des Interferometerteils mit Weißlichtinterferometer und wellenlängenscannendem Interferometer die Auswerteeinrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass in einer Vor- ausmessung die gesamte Schichtstruktur bei einem Tiefenabtastzyklus zum Ermitteln relevanter Regionen mit dem wellenlängenscannenden Interferometer grob vermessen wird und in einer Nachmessung bei einem nachgeordneten Tiefenabtastzyklus eine Feinvermessung der relevanten Regionen mit erhöhter Auflösung erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Messvorrichtung besteht darin, dass die Auswerteeinrichtung zum Erfassen von Schlieren in der Schichtstruktur aus einer Auswertung des Interferenzkontrastes oder der Phasenverschiebung an den durch die Schlieren hervorgerufenen Grenzflächen zwischen Medien unterschiedlicher Berechnungsindizes ausgebildet ist, und ferner darin, dass die Auswerteeinrichtung zum Erfassen von Materialänderungen oder Materialübergängen aus einer Auswertung des Interferenzkontrastes oder der Phasenverschiebung an den durch die Materialänderungen oder Materialübergänge hervorgerufenen Grenzflächen oder Grenzschichten, die durch unterschiedliche Berechnungsindizes entstehen, ausgebildet ist, wobei zum Erfassen die Interferenzkontraständerung oder die Änderung der Phasenverschiebung lateral über das Bildfeld in die Auswertung einbezogen ist.
Zu einer erhöhten Genauigkeit der Messergebnisse trägt ferner bei, dass bei Ausbildung des Interfe- rometers als Weißlichtinterferometer eine Dispersionskompensation dadurch vorgenommen ist, dass in den Referenzarm entsprechende Schichten eingebracht sind wie in den Objektarm.
Um zuverlässige Messergebnisse zu erhalten, sind ferner die Maßnahmen von Vorteil, dass bei Ausbildung des Interferometers als wellenlängenscannendes Interferometer in der Auswerteeinrich- tung eine softwaregestützte Dispersionskompensation der Messdaten vorgesehen ist, die der eigentlichen Messdatenauswertung vorgelagert ist.
Die Auswertung wird ferner dadurch begünstigt, dass in den Referenzarm ein variabler optischer Abschwächer eingebracht ist, durch den die Lichtintensität gesteuert oder geregelt an die Lichtin- tensität im Objektarm anpassbar ist.
Die Datenerfassung wird dadurch begünstigt, dass im Objektarm eine mit einer Regeleinrichtung gekoppelte Optik angeordnet ist, die während der Tiefenabtastung eine Anpassung des Fokus an den gerade abgetasteten Bereich bewirkt.
Eine für eine zuverlässige Erfassung der Grenzflächen weitere günstige Ausgestaltung besteht darin, dass die Einstrahlungseinheit optisch gepumpte photonische Kristallfasern und/oder mindestens eine Superlumineszenzdiode und/oder mindestens eine ASE-Lichtquelle aufweist.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine interferometrische Messvorrichtung zum Vermessen von Schichtstrukturen in schematischer Darstellung,
Fig. 2 einen Intensitätsverlauf eines Interferenzsignals über dem Abtastweg in Tiefenrich- tung (z) als Korrelogramm und mit der Einhüllenden in schematischer Darstellung,
Fig. 3 ein Weißlichtinterferometer in prinzipieller Darstellung mit einer mehrere Grenzflächen aufweisenden Schichtstruktur und zugehörigen Korrelogrammen,
Fig. 4 einen Intensitätsverlauf und ein daraus mit einem F S A- Algorithmus gewonnenen
Modulationsverlauf über dem Abtastweg in prinzipieller Darstellung,
Fig. 5 verschiedene Auswertungsstufen einer Auswertungseinrichtung in modularem Aufbau,
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung zur Messung an einer einen Ölfilm aufweisenden Schichtstruktur,
Fig. 7 eine Prinzipdarstellung zum Einschreiben von Intensitätswerten in einen umlaufen- den Speicherbereich,
Fig. 8 einen Intensitätsverlauf und einen daraus gewonnenen Modulationsverlauf über dem Abtastweg mit zwei identifizierten Korrelogrammen,
Fig. 9 einen Intensitätsverlauf und einen zugehörigen Modulationsverlauf über dem Abtastweg mit zwei getrennten Speicherbereichen zugeordneten Korrelogrammen,
Fig. 10 eine weitere Darstellung eines Intensitätsverlaufes und eines Modulationsverlaufs über dem Abtastweg mit in zwei getrennten Speicherbereichen eingeschriebenen Korrelogrammen,
Fig. 11 eine weitere Darstellung eines Intensitätsverlaufes und eines Modulationsverlaufes über dem Abtastweg mit zwei getrennten Speicherbereichen zugeordneten Korrelogrammen und erweiterter Abtastlänge, Fig. 12 eine Darstellung eines Modulationsverlaufes über dem Abtastweg mit drei zugehörigen, in getrennten Speicherbereichen eingeschriebenen Korrelogrammen,
Fig. 13 mehrere über jeweilige Lichtleitfasern gekoppelte Superlumineszenzdioden zur
Bündelung und Einkopplung ihrer Spektren in ein Weißlichtinterferometer in schematischer Darstellung und
Fig. 14 eine weitere interferometrische Messvorrichtung in Kombination mit einer durch- stimmbaren Lichtquelle als wellenlängenscannendes Interferometer und mit einer
Lasergepumpten photonischen Kristallfaser als Weißlichtinterferometer in schematischer Darstellung.
Offenbarung der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine interferometrische Messvorrichtung, die zur Vermessung von Schichtstrukturen eines Messobjektes O mit mehreren in Tiefenrichtung hintereinander liegenden, für einen Objektstrahl OST transparenten Schichten ausgebildet ist. Ein Interferometerteil IT weist einen Strahlteiler ST auf, durch den eine z.B. in Fig. 3 gezeigte Eingangsstrahlung EST in den durch einen Objektarm OA geführten Objektstrahl OST und einen durch einen Referenzarm RA geführten Referenzstrahl RST aufgeteilt wird, um durch Überlagerung des an einer Referenzfläche RF zurückgeführten Referenzstrahls RST und des von der abgetasteten Schichtstruktur des Objekts O zurückgeführten Objektstrahls OST ein auswertbares Interferenzmuster zu erzeugen, wie an sich bekannt und z.B. in den einleitend genannten Druckschriften näher beschrieben. Bezüglich des Objektarms OA ist die Interferenzebene IE im Bereich des Messobjektes O bzw. der Schichtstruktur angeordnet. Bei der Tiefenabtastung der Schichtstruktur in Tiefenrichtung z wird die Interferenzebene IE relativ zur Schichtstruktur in Tiefenrichtung z verschoben, wodurch unterschiedliche Interferenzmuster über die Spur der Tiefenabtastung auftreten. Die Tiefenabtastung der Schichtstruktur der Interferenzebe- ne IE kann in verschiedener Weise erfolgen, nämlich durch Verändern der optischen Weglänge des Referenzstrahls, insbesondere durch Bewegung des Referenzspiegels, durch Bewegung des Messobjektes O in Tiefenrichtung oder durch Bewegung des Objektivs in Tiefenrichtung oder durch Bewegung des gesamten Sensors relativ zu dem Messobjekt O. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Verstellung des Objektivs im Objektarm OA mittels einer Verstellein- heit VE, beispielsweise einem Piezo- Versteller, in diskreten Schritten in Tiefenrichtung z verstellt. Zum Vermessen der Schichtstruktur wird das Interferenzmuster mit einem Bildaufnehmer BA aufgenommen und in entsprechende elektrische Signale umgewandelt und in einer anschließenden Auswerteeinrichtung AW ausgewertet, um die Messergebnisse zu erhalten, die Aufschluss über die Schichtstrukturen, insbesondere die Grenzflächen zu erhalten. Als Bildaufnehmer BA ist vorzugsweise eine Kamera vorgesehen, die pixelweise in x-y-Richtung nebeneinander liegende Bildaufnahmeelemente aufweist und das abgebildete Interferenzmuster flächenhaft auflöst, so dass bei der Tiefenabtastung gleichzeitig mehrere den einzelnen Bildelementen zugeordnete Spuren der Schichtstruktur erfasst und ausgewertet werden können.
Die Vermessung der Grenzflächen lässt sich vorteilhaft nach dem Prinzip der Weißlichtinterfero- metrie durchführen. Hierzu wird eine Einstrahlungseinheit bzw. Lichtquelle LQ (vgl. Fig. 3) eingesetzt, die eine kurzkohärente Strahlung abgibt, beispielsweise eine oder mehrere zusammengekoppelte Superlumineszenzdioden SLDl ... SLD4 (vgl. Fig. 13). Interferenz tritt dabei nur auf, wenn die optische Weglängendifferenz zwischen Referenzstrahl RST und Objektstrahl OST innerhalb der Kohärenzlänge Ic der von der Einstrahlungseinheit LQ abgegebenen Strahlung liegt. Das entstehende Interferenzsignal wird in der Weißlichtinterferometrie auch als Korrelogramm bezeichnet. Fig. 2 zeigt ein Korrelogramm KG, das den Intensitätsverlauf über dem Abtastweg (in Tiefenrichtung z) beinhaltet, sowie die zugehörige Einhüllende G. Als charakteristische Parameter sind weiterhin eingetragen ein Gleichanteil GA, die Position des optischen Wegabgleichs Z0, die Phase φo, ein Maß für den Interferenzkontrast IK als Differenz zwischen der maximalen Intensität Imax und minimalen Intensität Imm die Zentralwellenlänge λo, die Intensität I in beliebigen Einheiten und der Wegunterschied Δz zwischen Objekt- und Referenzarm als doppelte Differenz von Abtastposition z und Z0 in beliebigen Einheiten.
In Fig. 3 ist die interferometrische Messvorrichtung schematisch dargestellt, wobei jedoch die Abtastung durch Verschiebung der Referenzfläche bzw. vorliegend der Referenzebene RE vorgenommen wird. Der Objektstrahl OST besitzt die Intensität Ii, der Referenzstrahl RST die Intensität I2 und am Bildaufnehmer BA ergibt sich eine Intensität Id. Die Einstrahlungseinheit in Form der Lichtquelle LQ gibt eine Eingangsstrahlung EST mit einem spektralen Verlauf SV kurzer Kohärenzlänge ab. An dem Messobjekt sind zwei Grenzflächen, nämlich die äußere Objektoberfläche OO und eine darunter liegende Substratoberfläche SO vorhanden, die bei Abtastung in Tiefenrichtung z die damit zusammenhängenden Korrelogramme KG ergeben, welche in dem Intensitätsverlauf Id an den Bildaufnehmer BA enthalten sind. Für die genaue Erfassung und Zuordnung der Korrelogramme KG zu den jeweiligen Grenzflächen kann eine Auswertung auf der Grundlage der Interferenzkontraste erfolgen. Zur besseren Erfassung wird vorliegend jedoch die Modulation M ermittelt, wie sie in Fig. 4 zusammen mit dem zugehörigen Intensitätsverlauf über dem Abtastweg z dargestellt ist und auch in Fig. 1 anschaulich an einer Sichtanzeige wiedergegeben ist. Zum Ermitteln der Modulation M wird in der Auswerteeinrichtung AW ein spezieller Algorithmus zugrunde gelegt, nämlich der so genannte FSA (fϊve-sample-adaptive) Algorithmus, der auf der Abtastung von fünf aufeinander folgenden Intensitätswerten des Interferogramms beruht und aus dem auch die Phase der jeweiligen Abtastposition im Abtastweg z bestimmt werden kann. Zu näheren Einzelheiten des F S A- Algorithmus sei auf die eingangs genannte Druckschrift (Larkin) verwiesen.
Eine Besonderheit der vorliegenden interferometrischen Messvorrichtung und des Messverfahrens liegt darin, dass der Abtastweg z mindestens so groß gewählt ist, dass der gesamte Bereich abgetastet wird, in dem die zu erfassenden Grenzschichten vorliegen, wobei während der Abtastung die an den verschiedenen Grenzflächen auftretenden Korrelogramme erfasst werden, um daraus das Vorhandensein der Grenzflächen mittels der Auswerteeinrichtung AW zu bestimmen. Dabei kann neben der Groberfassung der Grenzflächen auch bereits eine Feinerfassung der Höhenstrukturen der einzelnen Grenzflächen vorgenommen werden. Die flächenhafte Erfassung über die Bildaufnahmeelemente des Bildaufnehmers BA bzw. der Kamera K lässt dabei gleichzeitig die Erfassung der Höhen-Messdaten über mehrere lateral nebeneinander liegende Spuren (in Tiefenrichtung z) zu, so dass 3D-Höheninfor-mationen der jeweiligen Grenzflächen gewonnen werden können.
In Fig. 5 ist die Vorgehensweise zum Ermitteln der Grenzflächen und, falls erwünscht, näherer Informationen derselben schematisch dargestellt. In der Auswerteeinrichtung AW läuft die Auswer- tung mehrstufig ab, wozu zunächst die mit den einzelnen Grenzschichten zusammenhängenden
Korrelogramme KG aus der Berechnung der Modulation M der Intensitätsverläufe in einem Erfassungsmodul EM identifiziert werden. Anschließend erfolgt eine nähere Auswertung der Eigenschaften in einem Auswertungsmodul AM der Auswerteeinrichtung AW, soweit dies erwünscht ist. Schließlich erfolgt noch eine Zuordnung der erfassten Grenzflächen und gegebenenfalls näheren Eigenschaften derselben in einem Zuordnungsmodul ZM, beispielsweise also der Objektoberfläche OO und der Substratoberfläche SO.
In Fig. 6 ist beispielhaft eine Schichtstruktur mit einer transparenten Schicht in Form eines Ölfilms auf einem darunter angeordneten Träger gezeigt. Durch die Abtastung kann beispielsweise am Randbereich des Ölfilms dessen Grenze festgestellt werden. Auch der Höhenverlauf kann ermittelt werden. Ist also beispielsweise von vornherein nicht bekannt, dass eine Verschmutzung oder gewollte Beschichtung eines Substrats vorliegt, kann die Eigenschaft der Schicht aufgrund des erhaltenen Messergebnisses erkannt werden. Das Teilbild a) zeigt den mit einer Ölschicht versehenen Träger, das Teilbild b) ein Messergebnis im Randbereich des Ölfilms auf der Trägeroberfläche und das Teilbild c) die aus dem Messergebnis rückgerechnete Oberfläche des Trägers unter dem Ölfilm, während in dem Teilbild d) die saubere Oberfläche des Trägers dargestellt ist.
Eine weitere Besonderheit der vorliegenden Messvorrichtung und des Messverfahrens besteht dar- in, dass in der Auswerteeinrichtung AW die während der Tiefenabtastung gewonnenen Messdaten in getrennten Speicherbereichen SB 1 , SB2 ... abgelegt werden, wobei eine Erfassung der einzelnen Grenzflächen stattfindet und eine Zuordnung zu den verschiedenen Grenzflächen vorgenommen wird. Diese Vorgehensweise ist in den Fig. 7 bis 12 dargestellt.
Fig. 7 zeigt die Zuordnung von Intensitätswerten IW, die während der Tiefenabtastung über eine Spur erhalten werden, und deren Einschreibung in einen umlaufenden Speicherbereich SBO einer bestimmten Länge. Wenn beim Einschreibvorgang der Intensitätswerte IW das Ende des Speicherbereiches SBU erreicht ist, wird der erste Wert wieder überschrieben und sofort. Somit sind für jeden durch die Bildelemente des Bildaufnehmers BA gegebenen Bildpunkt x, y nur eine festgeleg- te Anzahl nacheinander abgetasteter Intensitätswerte IW im Speicher abgelegt und nicht die gesamte Spur. In Fig. 7 ist beispielhaft ein umlaufender Speicherbereich für acht Intensitätswerte IW dargestellt. Nachdem die ersten acht Werte eingeschrieben sind, überschreibt der neunte Wert den auf der ersten Speicheradresse stehenden Wert und der zehnte abgetastete Wert überschreibt den zweiten. Über den Weg der Tiefenabtastung sollen insbesondere charakteristische Stellen der Schicht- struktur, d.h. Grenzflächen zwischen den Schichten oder innerhalb der Schichten, z.B. Materialein- schlüsse oder dgl., erfasst werden. Dieser interessierende Bereich soll dann möglichst vollständig in den Speicherbereich geschrieben werden. Mit Hilfe der umlaufenden Speicherbereiche SBU gelingt es, die interessierenden Bereiche bei der Tiefenabtastung der Schichtstruktur schnell und zuverlässig zu erfassen, wobei ein im Vergleich zu der Gesamtheit der über die Spur anfallenden Daten nur ein geringer Speicherplatzbedarf besteht. Die Länge der umlaufenden Speicherbereiche SBU wird dabei nach der Kohärenzlänge Ic bemessen und um soviel größer gewählt, dass ein zugehöriges Korrelogramm über die so definierte Abtastlänge zuverlässig erfasst wird, wie beispielsweise die Fig. 8 bis 12 zeigen. Die Anzahl der Speicherbereiche SBl, SB2 ... wird um 1 größer als die Anzahl der erwarteten oder in einer Vormessung ermittelten Grenzflächen gewählt. Dabei werden die umlaufenden Speicherbereiche SBU in verschiedene Speicherbereiche unterschieden, nämlich einen Aktiv-Speicherbereich und Passiv-Speicherbereiche, von denen einer einen Reserve- Speicherbereich bildet. In den Aktiv-Speicherbereich werden immer die aktuellen Intensitätswerte IW geschrieben. Welcher Speicheradresse der Aktiv-Speicherbereich gerade zugeordnet ist, ent- scheidet ein Algorithmus bei der Umbenennung der Speicherbereiche. Der Aktiv-Speicherbereich ist immer der Speicherbereich, der von allen Speicherbereichen SB 1 , SB2 ... das Korrelogramm mit dem niedrigsten Modulationsmaximum enthält. Bei Bedarf, d.h. wenn das Modulationsmaximum des Aktiv-Speicherbereiches während der Tiefenabtastung überschritten wird, werden die abgetasteten Messdaten parallel zum Aktiv-Speicherbereich auch in den Reserve-Speicherbereich geschrieben. Für diesen Einschreibvorgang aktiviert der Algorithmus den Reserve-Speicherbereich. Im Reserve-Speicherbereich ist immer das Korrelogramm mit dem zweitkleinsten Modulationsmaximum abgelegt. In den Passiv-Speicherbereichen werden die modulationsstärksten Korrelogramme gesichert. Der Aktiv-Speicherbereich wird nach erfolgreicher Erfassung eines modulationsstärkeren Korrelogramms in einen Passiv-Speicherbereich umbenannt. Liegt also im Aktiv-Speicherbereich ein neues vollständiges Korrelogramm vor, wird das Schreiben in ihn gestoppt und nur im Reserve- Speicherbereich weiter geschrieben. Folgt ein weiteres Korrelogramm mit stärkerer Modulation, wird es im Reserve-Speicherbereich erfasst. Ist es vollständig erfasst, wird das andere verworfen. Beide Speicherbereiche tauschen die Funktion und der Aktiv-Speicherbereich wird zum Reserve- Speicherbereich.
Ist ein Korrelogramm vollständig erfasst, wird die ihm zugeordnete Tiefenabtast-Position abgelegt und es erfolgt eine Umsortierung der Zuordnung der Speicherbereiche nach maximaler Modulation. Der mit Reserve-Speicherbereich benannte Bereich wird zum neuen Aktiv-Speicherbereich, da er zu diesem Zeitpunkt das Korrelogramm mit der schwächsten Modulation enthält. Aus den verblei- benden Speicherbereichen wird der mit der nächst schwächeren maximalen Modulation ausgewählt und als neuer Reserve-Speicherbereich gesetzt. Die Methode sichert, dass ein Korrelogramm mit schwacher Modulation, welches einem mit stärkerer unmittelbar folgt, noch innerhalb der halben Abtastlänge, durch die gleichzeitige Erfassung im Reserve-Speicherbereich ebenfalls vollständig erfasst wird.
Beispielsweise ist die Anzahl der Speicherbereiche so gewählt, dass bei N zu erfassenden Korre- logrammen N+l Speicherbereiche zugewiesen werden. Bei N=2 zu erfassenden Korrelogrammen gibt es so neben dem Aktiv- und dem Reserve-Speicherbereich noch einen weiteren Passiv- Speicherbereich. In den Passiv-Speicherbereichen sind die entsprechenden, bei N=2 also nur 1, Korrelogramme mit den größten Modulationsmaxima abgelegt. Im Reserve-Speicher-Bereich ist das Korrelogramm mit dem zweitgrößten (N) und im Aktiv-Speicherbereich entsprechend das Kor- relogramm mit dem drittgrößten (N+ 1) Modulationsmaximum abgelegt.
Ein Zähler sichert den aktuellen Fortschritt der Erfassung. Der Zähler wird als Startwert mit der halben Abtastlänge initialisiert und pro Abtastschritt bis 0 heruntergezählt. Er wird bei maximaler Modulation gestartet bzw. bei einem neuen Maximalwert reinitialisiert und erneut gestartet. Er hat die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass nach Erreichen des Modulationsmaximums die restlichen Daten noch in den Speicherbereich eingeschrieben werden. Dies stellt sicher, dass sich ausreichend Werte symmetrisch um das Maximum der Einhüllenden des Korrelogramms im umlaufenden Speicherbereich SBU befinden und das Korrelogramm vollständig erfasst wird.
Ist der gesamte Abtastweg abgetastet, endet der Erfassungsvorgang mit einer Datenübergabe. Für die anschließende präzise Auswertung werden die Korrelogramme aus den umlaufenden Speicherbereichen in der richtigen Reihenfolge der Abtastpunkte mit dem Modulationsmaximum mittig im Speicherbereich umsortiert. Der Aktiv-Speicherbereich wird bei diesem Kopiervorgang gelöscht. Zusätzlich zu den Intensitätswerten IW der Korrelogramme wird an das nächste Modul die Abtast- position des letzten Abtastpunktes für jedes Korrelogramm übergeben.
In Fig. 8 sind der Intensitäts- und Modulationsverlauf über den Abtastweg z mit zwei identifizierten Korrelogrammen dargestellt. Fig. 9 zeigt einen Speicherzustand bei Erfassung von zwei Korre- logrammen, wobei ein Korrelogramm mit größerer Modulation vor einem Korrelogramm mit ge- ringerer Modulation auftritt. Fig. 10 zeigt einen Speicherzustand bei Erfassung von zwei Korrelogrammen, wobei ein Korrelogramm geringerer Modulation vor einem Korrelogramm mit höherer Modulation auftritt.
In Fig. 11 ist eine Anpassung der Abtastlänge bei überlagerten Korrelogrammen gezeigt, wie sie an dünnen Schichten auftreten.
Fig. 12 zeigt einen Speicherzustand bei Erfassung von drei Korrelogrammen. Um einen größeren nutzbaren optischen Spektralbereich und somit eine verbesserte Höhenauflösung und Schichtentrennung bei der Vermessung einer n-schichtigen Struktur mit dem Weißlichtin- terferometer zu erhalten, können mehrere fasergekoppelte Superlumineszenzdioden LDl, LD2, LD3, LD4 ... - oder ASE-Lichtquellen - mit unterschiedlichen, sich überlappenden optischen Spektren vorteilhaft im nahen infraroten Spektralbereich in einem Faserkoppler FK zusammengeführt werden, um eine Einstrahlungseinheit zum Einführen der Eingangsstrahlung in den Interfero- meterteil IT zu bilden, wie Fig. 13 zeigt.
Eine weitere interferometrische Messvorrichtung zum Abtasten einer Schichtstruktur in Tiefenrich- tung besteht darin, dass anstelle eines Weißlichtinterferometers ein wellenlängenscannendes Inter- ferometer WLSI eingesetzt wird. Wellenlängenscannende Interferometer im Sinne vorliegender Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass das optische Spektrum ihrer spektral schmalbandigen, variabel durchstimmbaren Lichtquelle bzw. Einstrahlungseinheit LQ so gewählt ist, dass die zu untersuchenden Schichtstrukturen teiltransparent sind oder dass das optische Spektrum der spektral breitbandigen Einstrahlungseinheit so gewählt ist, dass die zu untersuchende Schichtstrukturen teiltransparent sind. Entsprechend ist der Detektor an die Lichtquelle LQ angepasst, um im verwendeten Spektralbereich eine möglichst hohe Sensitivität zu erhalten. Die Wahl der Lichtquelle LQ und des Detektors bzw. Bildaufnehmers BA ist daher aufgabenabhängig wie auch bei den vorangehend beschriebenen Weißlichtinterferometer WLI. Im nahen Infrarot-Spektralbereich (etwa 1000 nm bis 1800 nm) wird beim wellenlängenscannenden Interferometer mit spektral schmalbandiger, variable durchstimmbarer Lichtquelle als Bildaufnehmer eine InGaAs-CCD-Kamera verwendet. Bei Messungen in und durch Schichten wird die Optik im Objektarm OA des wellenlängenscannenden Interferometers während des Wellenlängen- Scans der Lichtquelle LQ so nachgeregelt (z.B. durch eine computergesteuerte Piezo-Einheit), dass sich der gerade abgetastete Bereich des Objekts immer im Fokus der Optik befindet. So wird eine scharfe Abbildung auf den Bildaufnehmer BA bzw. Detektor sichergestellt.
Eine alternative Ausführung eines wellenlängenscannenden Interferometers WLSI besteht darin, dass dieses mit spektral breitbandiger Einstrahlungseinheit und einem wellenlängenscannenden optischen Spektrumanalysator als Detektor ausgebildet ist. Für die Messung ist die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden hintereinander liegenden Grenzfläche auflösbar ist. Im Übrigen ist vorteilhaft, wie es entsprechend auch beim Interferometerteil des Weißlichtinterfe- rometers der Fall ist, in dem Referenzarm ein variabler optischer Abschwächer z.B. in Form eines Flüssigkristall-Elements eingebracht, um in dem Referenzarm RA die Lichtintensität Ii zu steuern und über eine geschlossene Regelschleife an die Lichtintensität I2 im Objektarm OA anzupassen, so dass der Kontrast und die Qualität des Interferenzsignals erhöht werden.
Durch die Verwendung von anwendungsspezifisch angepassten Referenzflächen/-Schichten im Interferometerteil IT anstatt eines Referenzspiegels bzw. einer Referenzebene RE wird die Qualität des Messsignals erhöht, z.B. durch Kompensation von Abbildungsfehlern oder einer Überbelichtung, und es ist möglich, besonders geformte Objektformen zu vermessen, wie z.B. gewölbte Flächen oder strukturierte Schichtsysteme. Entsprechendes gilt auch für den Interferometerteil IT des vorstehend beschriebenen Weißlichtinterferometers.
Ein Ausführungsbeispiel für eine interferometrische Messvorrichtung besteht in einem kombinierten Messsystem aus einem Weißlichtinterferometer WLI und einem wellenlängenscannenden Inter- ferometer WLSI entsprechend den vorstehend beschriebenen Ausführungen. Diese Kombination wird als ein Messsystem aufgebaut, indem die Einstrahlungseinheiten bzw. Lichtquellen LQ über einen Faserkoppler FK (vgl. Fig. 14) zusammengeführt werden und das Licht über eine Faser in den Interferometerteil IT eingebracht wird, wie in Fig. 14 gezeigt. Die weiteren Elemente des Interfe- rometerteils, wie der variable Abschwächer VA und eine Dispersionskompensation DK behindern sich bei einer derartigen Kombination und einem gemeinsamen Ausnutzen des Interferometerteils IT in z.B. zeitlich hintereinander geschalteten Messungen nicht. Dadurch ist es möglich, die Vorteile des Weißlichtinterferometers WLI und des wellenlängenscannenden Interferometers zu kombi- nieren. Für dünne oder nicht hoch dispersive Schichten oder mit experimenteller Dispersionskompensation ist in der Regel eine Messung mit dem wellenlängenscannenden Interferometer WLSI schneller und eine Messung mit dem Weißlichtinterferometer WLI genauer. Bei dispersiven Schichten und ohne experimentelle Dispersionskompensation kann in dem wellenlängenscannenden Interferometer WLSI die Dispersion in der Datennachbearbeitung kompensiert werden, so dass dann das wellenlängenscannende Interferometer WLSI die genaueren Messdaten liefert.
Bei der Ausbildung der interferometrischen Messvorrichtung als Weißlichtinterferometer WLI ist darauf zu achten, dass das optische Spektrum ihrer breitbandigen Lichtquelle LQ so gewählt ist, dass die zu untersuchenden Schichtstrukturen zumindest bis auf ein unteres undurchsichtiges Trä- gersubstrat teiltransparent sind. Entsprechend ist der Bildaufhehmer BA bzw. Detektor an die Ein- strahlungseinheit bzw. Lichtquelle LQ angepasst, um im verwendeten Spektralbereich eine möglichst hohe Sensitivität zu erhalten. Die Wahl der Lichtquelle LQ und des Detektors ist daher aufgabenabhängig. Im nahen Infrarot-Spektralbereich (ca. 1000 nm bis 1800 nm) wird bei flächenhaft messenden Weißlichtinterferometern WLI als Detektor eine InGaAs-CCD-Kamera verwendet. Als Lichtquellen LQ im nahen Infrarot-Spektralbereich werden so genannte ASE (amplifϊed spontane- ous emission-)Lichtquellen (z.B. Lasergepumpte Er-Fasern), Lasergepumpte photonische Kristallfasern (PCF) oder Superlumineszenz-Dioden SLD verwendet. ASE-Lichtquellen und Superlumi- neszenz-Dioden werden über Freistrahl oder durch eine Lichtleitfaser in das Weißlichtinterferome- ter WLI eingekoppelt. Photonische
Kristallfasern werden direkt an den Interfereometerteil des Weißlichtinterferometers WLI angeschlossen.
Zur Verbesserung der Höhenauflösung und Schichtentrennung bei Messungen in und durch Schich- ten wird eine experimentelle Dispersionskompensation eingeführt. Dispersionseffekte im Weißlich- tinterferometer WLI entstehen durch unterschiedliche optische Wege in Objekt- und Referenzarm. Um diese Effekte bei Messungen durch Schichten zu kompensieren, werden in den Strahlengang des Referenzarmes RA des Weißlichtinterferometers WLI ebenfalls entsprechende Schichten eingebracht. Diese Schichten befinden sich in einem Abstand von der Referenzfläche RF, beispiels- weise in Form eines Referenzspiegels, um sich überlagernde Mehrfach-Korrelogramme bei der Messung zu vermeiden. Beispielsweise werden derartige Schichten bei einem Weißlichtinterfero- meter WLI im Linnik-Aufbau zwischen Strahlteiler ST und Mikroskop-Objektiv eingebracht.
Der Einsatz von gepumpten photonischen Kristallfasern, Superlumineszenz-Dioden und faserge- koppelten, gebündelten Superlumineszenz-Dioden sowie die experimentelle Dispersionskompensation sind nicht auf den nahen Infrarot-Spektralbereich beschränkt.
Das mit der interferometrischen Messvorrichtung durchgeführte Verfahren kann sowohl bei relativ gleichmäßigen, zusammenhängenden Schichten als auch bei deformierten Schichten mit Rändern auf einer darunter liegenden Schicht, wie z.B. Ölschichten, Vermessung von Schichtstrukturen auf Substraten oder unter Si-Kappenwafern und auch zum Vermessen von verborgenen Strukturen innerhalb der Schichtstruktur eingesetzt werden, u. a. also auch zur Vermessung von Verschleißschutzschichten, Lackschichten und Halbleitern, solange die Neigung der betreffenden Oberfläche bzw. Grenzfläche eine ausreichende Rückreflexion der auftreffenden Lichtwelle in den Bildaufnehmer BA zulässt.
Bei der Erfassung von überlagerten Doppelkorrelogrammen an dünnen Schichten (z.B. < lOμm) werden in der Auswerteeinrichtung AW Algorithmen genutzt, die z.B. eine Anpassung der Abtastlänge (Bereich innerhalb des gesamten Abtastweges, insbesondere eines interessierenden Korre- logramms) ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann in einer Vorabtastung die zu erwartende Anzahl der Korrelogramme bestimmt und die Anzahl der Speicherbereiche entsprechend angepasst werden.
Wie vorstehend ausgeführt, schließen sich innerhalb der Auswerteeinrichtung AW an das Erfassungs-Modul EM und das Auswertungs-Modul AM noch ein Zuordnungs-Modul ZM und gegebenenfalls noch Analyse-Module für eine genauere Untersuchung an. Das Zuordnungs-Modul ZM sorgt für die Zuordnung von Abstandswerten zu den entsprechenden Grenzflächen. Diese Zuordnung erfolgt bei einer Öl-Substrat-Anordnung nach der Lage der Korrelogramme bei der Tiefenabtastung. Für die Zuordnung zu den entsprechenden Schichten findet ein Vergleich der Lage mit den z.B. acht nächsten Nachbarn statt.
Mit der interferometrischen Messvorrichtung können auch Schlieren in Schichten erfasst werden, wobei ebenfalls eine Interferenzkontrast- Auswertung geeignet ist. Trifft ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes ni und n2, wird ein Teil des Lichtstrahls an der Grenzfläche reflektiert. Die Größe des reflektierten Anteils wird bestimmt durch die beiden Brechungsindizes. Für senkrechten Lichteinfall gilt dabei
IR = Iin (n2 - ni) / (n2 + ni),
wobei IR die reflektierte Intensität und Iin die Intensität des einfallenden Lichtstrahls ist. Die in einem Weißlichtinterferometer WLI detektierte Intensität setzt sich zusammen aus den reflektierten Intensitäten aus Referenzarm RA und Objektarm OA. Im Idealfall ist die reflektierte Intensität aus dem Referenzarm RA gleich der einfallenden Intensität I1n. Diese wird mit der aus dem Objektarm OA reflektierten Intensität IR überlagert. Das während der Vermessung einer Grenzfläche mit dem Weißlichtinterferometer WLI in einem Bildelement (Pixel) aufgezeichnete Korrelogramm besitzt einen maximalen Intensitätswert Imax = I1n + IR und einen minimalen Intensitätswert Imm = I1n - IR. Betrachtet man den Interferenzkontrast IKθn, so ergibt sich
Iκon = (Imax ~ Imm) / (Imax + Imm) = IR / Iln = (n2 ~ ^l) I (n2 + ni)
d.h. dass der Interferenzkontrast durch die beiden Brechungsindizes ni, n2 bestimmt wird. Durch Auswertung des Interferenzkontrastes des Korrelogrammes der Weißlicht- interferometrischen Messung können so in einem Medium mit Brechungsindex ni Schlieren mit Brechungsindex n2 detek- tiert werden sowie die Art der Einschlüsse durch Bestimmung von n2 mit Hilfe des Interferenzkon- trastes klassifiziert werden. Gleichzeitig werden bei der weißlicht- interferometrischen Messung Lage und Größe der Schlieren bestimmt.
Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien kann die Erfassung der Schlieren auch aufgrund einer Phasenbetrachtung erfolgen, da der Licht- strahl an der Grenzfläche eine Phasenverschiebung ΔΦ erfährt, die bestimmt ist durch die Eigenschaften der beiden Medien. Bei der weißlicht- interferometrischen Messung wirkt sich eine derartige Phasenverschiebung im Objektarm OA auch auf die Phase des aufgezeichneten Korrelogramms KG aus. Diese Phasenverschiebung im Messsignal wird bei der Phasenauswertung genutzt, um in einem Medium mit Brechungsindex ni Schlieren mit Brechungsindex n2 zu detektieren und zu klas- sifizieren. Gleichzeitig können auch bei dieser Auswertemethode Lage und Größe der Schlieren bestimmt werden.
Ferner können mittels der interferometrischen Messvorrichtung auch Materialänderungen und Materialübergänge der Schichtstruktur erfasst werden, wozu ebenfalls eine Auswertung des Interfe- renzkontrasts oder eine Auswertung aufgrund einer Phasenbetrachtung geeignet sind. Wie vorste- hend beschrieben, ist der Interferenzkontrast IKθn des mit dem Weißlichtinterferometer WLI erhaltenen Messsignals abhängig von den beiden Medien, die die das Signal verursachende Grenzfläche bzw. Grenzschicht bilden. Ändert sich die Zusammensetzung der Grenzschicht über das Bildfeld des Weißlichtinterferometers WLI, so ändert sich auch der Interferenzkontrast. Bei der Vermessung verborgener Schichten wird so über die Interferenzkontrastauswertung eine Änderung der Grenz- Schichtzusammensetzung detektiert und vermessen, beispielsweise ein Übergang zwischen einer Leiterbahn und dem SiO2-Material unter einer Si-Deckschicht.
Bei der Phasenbetrachtung zur Erfassung von Materialänderungen und Materialübergängen der Schichtstruktur wird wiederum genutzt, dass die Phasenverschiebung des mit dem Weißlichtinterfe- rometer WLI erhaltenen Messsignals abhängig ist von den unterschiedlichen Brechungsindizes der Medien, die die das Signal verursachende Grenzfläche bzw. Grenzschicht bilden. Ändert sich die Zusammensetzung der Grenzschicht über das Bildfeld des Weißlichtinterferometers WLI, so ändert sich auch die Phasenlage der Korrelogramme über das Bildfeld. Bei der Vermessung verborgener Schichten kann so auch über die Phasenänderung des Interferenzsignals eine Änderung der Grenzschichtzusammensetzung detektiert und vermessen werden.
Bei dem wellenlängenscannenden Interferometer WLSI kommt es aufgrund des wellenlängenabhängigen Brechungsindexverlaufs zu der bereits angesprochenen Dispersion. Der Dispersionseffekt verschlechtert die Messauflösung des wellenlängenscannenden Interferometers WLSI hinsichtlich dicht untereinander liegender Grenzschichten, da die Trennung aufeinander folgender Korrelogramme erschwert wird. Durch die ebenfalls bereits genannte software-gestützte Datenaufbereitung in der Auswerteeinrichtung vor der eigentlichen Datenauswertung im Frequenzraum wird der Dispersionseffekt bei bekanntem Brechungsindexverlauf kompensiert und die Messauflösung bei Messungen in den und durch die Schichten der Schichtstruktur erhöht.
Das Verfahren ermöglicht auch Untersuchungen bei dicken Schichten (d»10μm). Bei Messungen in dicken Schichten wird zunächst eine Vorausmessung der gesamten Schichtdicke mit dem wellenlängenscannenden Interfereometer WLSI mit reduzierter Auslösung durchgeführt. Diese Messung erfolgt aufgrund des Messprinzips eines wellenlängenscannenden Interferometers WLSI deutlich schneller als eine entsprechende Messung mit einem Weißlichtinterferometer WLI. Die nachgeschaltete Vermessung der durch die Vorausmessung als relevant identifizierten Regionen erfolgt vorteilhaft mit einem Weißlichtinterferometer WLI beispielsweise mit photonischer Kristallfaser- (PCF-)Lichtquelle und ergibt aufgrund des Messprinzips eine bessere Auflösung hinsichtlich Höhe und Schichtentrennung. Ebenso kann die nachgeschaltete Messung mit einem wellenlängenscannenden Interferometer WLSI in nicht-äquidistanter Abtastung erfolgen. Hierbei werden die in der Vorausmessung als relevant identifizierte Regionen wesentliche dichter abgetastet (bspw. Durch eine dichtere Frequenzabtastung) als dazwischen liegende nicht relevante Regionen. Auch hier ergibt sich aufgrund des Messprinzips eine bessere Auflösung hinsichtlich Höhe und Schichtentren- nung.
Die vorstehend beschriebenen Aufbauten der interferometrischen Messvorrichtung und die damit durchgeführten Verfahren ermöglichen eine zerstörungsfreie sowohl punkthafte als auch flächenhafte Messung insbesondere von Grenzflächen in für die Strahlung optisch teiltransparenten Schichtsystemen verschiedener Art, wobei auch Schlieren und Materialänderungen sowie Materialübergänge detektiert und identifiziert werden können. Das Messverfahren kann einer Fertigung und Prozess- und/oder Qualitätskontrolle nachgeschaltet werden. Dann ist es möglich, direkt nach der Bearbeitung einer Funktionsfläche z.B. die Toleranzen zu prüfen und eine zerstörungsfreie Prozess- und/oder Qualitätskontrolle an relevanten Erzeugnisteilen durchzuführen.

Claims

A n s p r ä c h e
1. Interferometrische Messvorrichtung zum Vermessen von Schichtstrukturen aus mehreren in Tiefenrichtung hintereinander liegenden Schichten mit einer diese automatisch in ihrer Tiefenrichtung (Z) abtastenden Abtastvorrichtung, mittels derer eine Interferenzebene (IE) re- lativ zur Schichtstruktur verschiebbar ist, mit einem ein Weißlichtinterferometer (WLI) und/oder ein wellenlängenscannendes Interferometer (WLSI) aufweisenden Interferometer- teil, dem für die Messung von einer Einstrahlungseinheit (LQ) eine Eingangsstrahlung zugeführt ist, welche mittels eines Strahlteilers (ST) aufgeteilt und zum einen Teil über einen Referenzstrahlengang als Referenzstrahl (RST) einem Referenzarm (RA) und zum anderen Teil über einen Objektstrahlengang als Objektstrahl (OST) einem beim Messen die Schichtstruktur aufweisenden Objektarm (OA) zugeführt ist, mit einem Bildaufnehmer (BA), der die aus dem Referenzarm (RA) und dem Objektarm (OA) zurückkommende interferierende Strahlung aufnimmt und in elektrische Signale umwandelt, sowie mit einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung (AW) zum Bereitstellen der Messergebnisse, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastvorrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass bei gleich bleibendem Referenzstrahlengang und Objektstrahlengang der zugehörige Abtastweg zumindest so groß ausgeführt ist wie der zu erwartende oder in einer Vormessung ermittelte Abstand mindestens zweier hintereinander angeordneter zu erfassender Grenzflächen der Schichtstruktur gegebenenfalls zuzüglich einer zu erwartenden Tiefenstruktur der Grenzflächen, und dass a) bei Ausbildung des Interferometerteils (IT) mit der Einstrahlungseinheit als Weiß- lichtinterfereometer (WLI) die Kohärenzlänge (lc) der Eingangsstrahlung höchstens so groß gewählt ist, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander auftretenden Korrelogramme an den zu erfassenden Grenzflächen unterscheidbar sind, und/oder b) bei Ausbildung des Interferometerteils (IT) mit der Einstrahlungseinheit als wellenlängenscannendes Interferometer (WLSI) die Einstrahlungseinheit mit schmalbandiger, durch- stimmbarer Eingangsstrahlung ausgebildet ist, wobei die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt ist, dass der kleinste zu erwartende oder durch die Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden hintereinander liegenden Grenzflächen auflösbar ist, und/oder c) bei Ausbildung des Interferometerteils (IT) als wellenlängenscannendes Interfe- rometer (WLSI) mit spektral breitbandiger Einstrahlungseinheit und einem wellenlängenscannenden optischen Spektrumanalysator als Detektor die Bandbreite der Eingangsstrah- lung so groß gewählt ist, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abge- schätzte Abstand der zu erfassenden hintereinander liegenden Grenzflächen auflösbar ist.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger eine flächige Auflösung in x-/y-Richtung besitzt, die höher ist als die Abbildung der örtlichen Höhenänderungen der Schichtoberfläche in x-/y-Richtung.
3. Messvorrichtung nach Anspruch loder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinrichtung (AW) Algorithmen programmiert sind, mit denen die ein- zelnen Schichten voneinander getrennt erfassbar sind, indem eine Zuordnung durch die
Reihenfolge der an den Grenzflächen auftretenden Korrelogramme während eines Tiefen- abtastzyklus erfolgt.
4. Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Eingeben der Anzahl zu erwartender Grenzflächen eine von einem Benutzer bedienbare Eingabeeinheit vorhanden ist.
5. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) eine Grobauswerteeinrichtung aufweist, mit der auf der Basis einer Groberfassung von Korrelogrammen die Anzahl vorhandener Schichten oder Grenzflächen ermittelbar ist und dass die Auswerteeinrichtung (AW) in der Weise ausgebildet ist, dass die Anzahl ermittel- ter Schichten automatisch in einen Auswerteteil übernommen oder von dem Benutzer über die Eingabeeinheit eingebbar ist.
6. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) für die zu detektierenden Schichten getrennte Speicherbereiche (SBl, SB2 ...) aufweist, denen während einer Tiefenabtastung Daten des den jeweiligen Grenzflächen zugeordneten Korrelogramms getrennt zuordenbar sind, wobei die jeweiligen Korrelogramme mit ihrer Tiefenabtast-Position (z) in Beziehung gebracht sind.
7. Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherbereiche (SBl, SB2 ...) als umlaufende Speicherbereiche (SBU) ausgebil- det sind.
8. Messvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufnahme der mit den Grenzflächen zusammenhängenden Korrelogramme eine die Anzahl der Grenzflächen um mindestens eins überschreitende Anzahl von Speicherbereichen (SBl, SB2 ...) vorhanden ist, wovon ein Speicherbereich als aktiver Speicherbereich zum Einschreiben aktueller Abtastdaten während der Tiefenabtastung dient und die übrigen zum Aufnehmen der ermittelten, den jeweiligen Grenzflächen zugeordneten Korrelogramm-Daten dienen.
9. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) einen Auswertebereich aufweist, der zum Berechnen der Modulation (M) der während der Tiefenabtastung aus den elektrischen Signalen erhal- tenen Intensitätswerte (I) ausgebildet ist und zum Erfassen der zu den jeweiligen Grenzflächen gehörenden Korrelogramme aus der Modulation (M) ausgebildet ist.
10. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) ein Auswertungs-Modul aufweist, mit dem eine Feinmessung einer jeweiligen Grenzflächenstruktur durchführbar ist.
11. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) derart ausgebildet ist, dass während der Tiefenabtastung gleichzeitig die in Richtung der Tiefenabtastung (Z) verlaufenden Spuren an verschie- denen lateral in x-y-Richtung unmittelbar oder mittelbar benachbarten Grenzflächenbereichen in entsprechender Weise auswertbar sind.
12. Messvorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) in der Weise ausgebildet ist, dass Grenzflächendaten der in x-y-Richtung benachbarten Grenzflächenbereiche für eine jeweilige Tiefenabtastung miteinander in Beziehung bringbar und in Bezug aufeinander auswertbar sind.
13. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Interferometerteils mit Weißlichtinterferometer (WLI) und wellenlängenscannendem Interferometer (WLSI) die Auswerteeinrichtung (AW) in der Weise ausgebildet ist, dass in einer Vorausmessung die gesamte Schichtstruktur bei einem Tiefen- abtastzyklus zum Ermitteln relevanter Regionen mit dem wellenlängenscannenden Interfe- rometer (WLSI) grob vermessen wird und in einer Nachmessung bei einem nachgeordneten
Tiefenabtastzyklus eine Feinvermessung zumindest der relevanten Regionen mit erhöhter Auflösung erfolgt.
14. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) zum Erfassen von Schlieren in der Schichtstruktur aus einer Auswertung des Interferenzkontrastes oder der Phasenverschiebung an den durch die Schlieren hervorgerufenen Grenzflächen zwischen Medien unterschiedlicher Berechnungs- indizes ausgebildet ist.
15. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) zum Erfassen von Materialänderungen oder Materialübergängen aus einer Auswertung des Interferenzkontrastes oder der Phasenverschiebung an den durch die Materialänderungen oder Materialübergänge hervorgerufenen Grenzflächen oder Grenzschichten, die durch unterschiedliche Berechnungsindizes entstehen, ausgebildet ist, wobei zum Erfassen die Interferenzkontraständerung oder die Änderung der Phasenverschiebung lateral über das Bildfeld in die Auswertung einbezogen ist.
16. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Interferometers als Weißlichtinterferometer (WLI) eine Dispersionskompensation dadurch vorgenommen ist, dass in den Referenzarm (RA) entsprechende Schichten eingebracht sind wie in den Objektarm (OA).
17. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Interferometers als wellenlängenscannendes Interferometer (WLSI) in der Auswerteeinrichtung (AW) eine softwaregestützte Dispersionskompensation der Messdaten vorgesehen ist, die der eigentlichen Messdatenauswertung vorgelagert ist.
18. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Referenzarm (RA) ein variabler optischer Abschwächer eingebracht ist, durch den die Lichtintensität gesteuert oder geregelt an die Lichtintensität im Objektarm (OA) an- passbar ist.
19. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Objektarm (OA) eine mit einer Regeleinrichtung gekoppelte Optik angeordnet ist, die während der Tiefenabtastung eine Anpassung des Fokus an den gerade abgetasteten Bereich bewirkt.
20. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlungseinheit optisch gepumpte photonische Kristallfasern und/oder mindestens eine Superlumineszenzdiode und/oder mindestens eine ASE-Lichtquelle aufweist.
21. Verfahren zum interferometrischen Vermessen von Schichtstrukturen mehrerer in Tiefen- richtung (Z) hintereinander liegender Schichten, bei dem eine Interferenzebene (IE), die durch die optische Weglänge eines in einem Objektstrahlengang geführten Objektstrahls und durch die optische Weglänge eines in einem Referenzstrahlengang geführten Referenzstrahls bestimmt ist, zur Tiefenabtastung der Schichtstruktur in Tiefenrichtung (Z) relativ zur Lage der Schichtstruktur verschoben wird, ein Interferenzmuster mit Methoden der Weißlichtinterferometrie oder einer wellenlängenscannenden Interferometrie erzeugt und das Interferenzmuster mittels eines Bildaufnehmers (BA) aufgenommen und mittels einer Auswerteeinrichtung (AW) automatisch ausgewertet wird, um die Grenzflächen der Schichtstruktur betreffende Messergebnisse darzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Tiefenabtastung aller zu vermessenden Schichten und der sie begrenzenden
Grenzflächen der Objektstrahl in einem Abtastzyklus über denselben Objektstrahlengang geführt wird und der Referenzstrahl über denselben Referenzstrahlengang geführt wird und dass bei der Anwendung der Methode der Weißlichtinterferometrie die Kohärenzlänge (lc) der in das Interferometer eingekoppelten Eingangsstrahlung höchstens so groß gewählt wird, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander an den zu erfassenden Grenzflächen auftretenden Korrelogramme unterschieden werden und bei der Anwendung der Methode der wellenlängenscannenden Interferometrie die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt wird, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden Grenzflächen aufgelöst wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass den zu erfassenden Grenzflächen in der Auswerteeinrichtung (AW) getrennte Speicherbereiche (SBl, SB2 ...) zugewiesen werden und während der Tiefenabtastung mit den Grenzflächen zusammenhängende Korrelogramme auf der Grundlage maximaler Modulation der sich aus den Interferenzmustern ergebenden Intensitäten ermittelt und den Speicherbereichen (SBl, SB2 ...) zugeordnet werden.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung der Methode der wellenlängenscannenden Interfereometrie eine softwaregestützte Dispersionskompensation in der Auswerteeinrichtung durchgeführt wird, bevor die eigentliche Auswertung der Messdaten erfolgt.
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