WO1995022040A1 - Verfahren und vorrichtung zum optischen untersuchen einer oberfläche - Google Patents

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WO1995022040A1
WO1995022040A1 PCT/DE1995/000140 DE9500140W WO9522040A1 WO 1995022040 A1 WO1995022040 A1 WO 1995022040A1 DE 9500140 W DE9500140 W DE 9500140W WO 9522040 A1 WO9522040 A1 WO 9522040A1
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WO
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arm
light
substructure
optical path
interference signal
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Application number
PCT/DE1995/000140
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Grisar
Wolfgang J. Riedel
Maurus Tacke
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO1995022040A1 publication Critical patent/WO1995022040A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/22—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring depth

Definitions

  • the invention relates to a method for optically examining a surface, in which spectrally broadband light with a coherence length which is in the range of a few multiples of the emitted wavelengths is divided into a reference arm and a specimen arm, in which an in the specimen arm from an impact region of the light reflected from the surface of the object light portion is overlaid with a reference light portion thrown back from the reference arm and a surface interference signal formed from the object light portion and the reference light portion is detected, the surface interference signal being recorded as a function of a variable optical path length of at least one arm.
  • the invention further relates to a device for optically examining a surface, in particular for carrying out the method, with a broadband light source, the coherence length of which is in the range of a few multiples of the emitted wavelengths and the output light of which can be split into a reference arm and a specimen arm having a reflection device , wherein the output light directed into the object arm by means of the beam splitting device impinges on the surface in an impact area, and an object light component reflected by the surface with a reference light component reflected by the reflection device with a superimposition device to a surface interference acting on a light-sensitive detector - Light portion is superimposed, and with at least one Adjustment device with which the optical path length of at least one arm can be adjusted, an interference signal depending on the optical path lengths being storable in an evaluation unit.
  • a broadband light source the coherence length of which is in the range of a few multiples of the emitted wavelengths and the output light of which can be split into a reference arm and a specimen arm
  • Such a method and such a device are known from US 5,112,129 and US 4,818,110.
  • Output light from a broadband light source with a small coherence length is divided into an object arm and a reference arm in a two-beam interference microscope.
  • An object beam coupled into the object arm is focused on a surface of an integrated circuit to be examined.
  • the optical path lengths of the reference arm and the object arm are changed by means of adjusting devices.
  • a coarse adjustment device is used to adjust the optical path length of the reference arm, the coarse adjustment device adjusting a reflection device that limits the optical path length of the reference arm.
  • the optical path length of the object arm is adjusted by means of a fine adjustment device formed from a piezo crystal, the surface being displaceable with respect to the beam axis of the object arm.
  • the surface structure of the test specimen to be examined can be obtained by superimposing the light components reflected by the surface in the object arm and by the reflection device in the reference arm with a beam splitter and feeding them to a light-sensitive area detector.
  • An interference pattern is generated in the plane of the surface detector by superimposing a reference light component and an object light component within the coherence length of the output light.
  • the interference Pattern is caused by object light components that have traveled an essentially the same optical path length as the reference light components. Object light portions from surface areas for which the difference in the optical path lengths is greater than the coherence length, on the other hand, essentially produce a uniformly illuminated surface.
  • an image of the surface is generated via a signal processing circuit by evaluating the areal interference pattern.
  • the spatial resolution of the devices described above is limited by the diffraction-limited size of the area of incidence of the part of the output light coupled into the object arm on the surface. Furthermore, computationally complex algorithms are provided for the recording and processing of the area images, which make it possible to examine substructures with smaller surface dimensions compared to the area of incidence of the light, but on the one hand a high computational effort is required to process the amount of data, on the other hand regarding the lateral resolution by the Diffraction limit given a lower limit in the resolution of the interference pattern. These restrictions are disadvantageous, for example, when examining surfaces with substructures that have smaller surface dimensions than the pixels that can be resolved due to the diffraction limitation.
  • An interferometer for wavefront analysis in the quality inspection of mirrors is known from US 4,946,280. When the wave fronts are superimposed, macroscopic irregularities in the mirror surface can be recognized by deformations in the interference patterns. An examination of microscopic substructures is not planned.
  • DE 41 08 944 A1 discloses a method and a device for the interferometric determination of the macroscopic shape of diffusely scattering surfaces.
  • speckies occurring under incoherent lighting Variation of a path length difference between the object arm and the reference arm, although a surface which diffuses due to a surface roughness in the region of the very small coherence length, can be examined, but the principle fails, for example, with polished, smooth surfaces.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus of the type mentioned, in which / in particular a series examination of surfaces, for example in quality control, with little outlay on equipment and a lateral resolution not restricted by the diffraction limitation is feasible.
  • the size of the impingement area of defined lateral resolution changes the optical path length in an area in which a substructure light component reflected by a substructure with a smaller surface dimension than the size of the impingement area is overlaid with a reference light component as a substructure interference signal , the substructure interference signal being formed by the signal intensity thrown back from the impingement area as a function of the variable optical path length, and that characteristic quantities of the substructure interference signal which changes as a function of the variable optical path length within the coherence length of the light Determination of properties of the substructure can be evaluated.
  • the lateral resolution of the detector corresponds to the fact that with at least one of the adjusting devices the optical path length of at least one arm can be adjusted in an area in which a substructure light portion reflected by a substructure with a smaller surface dimension than the size of the impact area is superimposed by means of a reference light portion of the detector can be detected as a substructure interference signal, the substructure interference signal being formed by the signal intensity reflected back from the impact area as a function of the variable optical path length, and in that a signal analysis device is provided for deriving characteristic variables from the substructure interference signal for determining properties of the substructure .
  • the complex detection and evaluation of flat interference patterns according to the prior art is completely dispensed with.
  • the integral signal intensity thrown back from the entire impact area is used to form the interference signals, the lateral resolution when detecting the surface interference signal being limited by the size of the impact area limited by diffraction due to the optics used, with a change in the optical Path length in a region going beyond the detection of the surface interference signal in the presence of a substructure, for example formed by a deeper trench, with a surface dimension smaller than the size of the impact region due to the waveguide-like interaction of the incident light, but a further substructure interference signal is detected. animal that can be evaluated, for example, to determine the width and depth of the trench.
  • a substructure interference signal caused by a substructure with a smaller dimension than the area of impact of the portion of the output light on the surface is detected by the adjustment range of the optical path length the local resolution is significantly increased compared to the diffraction-limited value and the substructure interference signal for determining, for example, the width and depth of the substructure, can be detected and evaluated in a simple manner as a so-called white light interferogram.
  • the optical path lengths of the reference arm and the object arm can be matched to one another, by detecting the optical path length of the reference arm with a predetermined length after detecting an interference signal.
  • the optical path length of the object arm can then be adjusted in a predetermined range using an object arm adjustment device, which corresponds at least to the dimensions of the structures of the surface, such as steps or trenches.
  • the optical path length of the object arm is adjusted in small steps in relation to the periodicity of the interference signals.
  • the surface structures to be examined are trenches that run in sections in one direction
  • it is expedient to increase the level of the substructure interference signal by aligning the area where the object beam strikes this preferred direction by means of a slit diaphragm with an elongated extension.
  • a slit diaphragm With such a slit diaphragm, on the other hand, the course of a detected trench can be detected at a position on the surface by determining the maximum level of the substructure interference signal when the orientation of the slit diaphragm is changed, without a relative movement between the substructure and the object arm.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of a device for optically examining a surface in which the optical path lengths are both an object arm and a reference arm are separately adjustable and
  • FIG. 2 shows an arrangement of a slit diaphragm in a device according to FIG. 1.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a device for optically examining a surface.
  • a thermal white light source 1 emits broadband output light 2. With a focusing lens 3, the output light 2 of the white light source 1 directed via rear reflectors can be imaged in a recess in a near field aperture 4 for defining a small emission range of the white light source 1 as a point light source.
  • the output light 2 which has passed through the recess of the near-field aperture 4 acts on a collimation lens 5 which is arranged at the distance of its focal length from the near-field aperture 4. After passing through the collimation lens 5, the parallel output light 2 of the light source 1 passes through a spectral filter 6.
  • the transmitted light portion 7 passes through a far field diaphragm 8 with a round recess 9 and falls on a beam splitter 10, with which the light portion 7 can be divided into a reference arm 11 and an object arm 12.
  • a parallel reference beam 13 introduced into the reference arm 11 by the beam splitter 10 can be focused with a reference arm lens 14 onto a reference arm mirror 15 provided in the focal plane of the reference arm lens 14.
  • a reference arm lens 14 it is expedient to use the reference arm lens 14 to avoid imaging errors perform an achromatic imaging device.
  • the reference arm lens 14 and the reference arm mirror 15 are connected at a fixed distance as a reflection device 16.
  • the reflection device 16 is attached to a reference arm adjusting device 17, with which the optical path length of the reference arm 11 can be adjusted.
  • An object beam 18 guided by the beam splitter 10 into the object arm 12 strikes a first deflecting mirror 19 which is attached to a fixed deflecting mirror holder 20 at an angle of approximately 45 degrees to the incident object beam 18.
  • the light deflected by the first deflecting mirror 19 by 90 degrees with respect to the incident object beam 18 falls on a first deflecting mirror 21 which is attached to a deflecting mirror holder 22.
  • the first remindlenk ⁇ mirror 21 deflects the incident light by about 90 degrees, so that it falls on a second, also attached to the scrublenkapthalter 22 22.
  • the light falling on the second deflecting mirror 23 strikes a second deflecting mirror 24, which is arranged such that the light incident from the second deflecting mirror 23 again has the same beam axis as the light incident on the first deflecting mirror 19 .
  • the rear-view mirror holder 22 with the rear-view mirror 21, 23 attached to it is connected to an object arm adjustment device 25.
  • the optical path length of the object arm 12 can be adjusted with the object arm adjustment device 25.
  • the object arm adjusting device 25 is preferably a piezo element executed.
  • the mirrors 19, 21, 23, 24 together with the mirror holders 20, 22 form a deflection unit 26.
  • the deflection unit 26 has a deflection prism and a deflection prism.
  • the deflecting prism is acted upon by the object beam 18 on an outer side surface facing the beam splitter 10, which directs the object beam 18 onto the base surface of the return prism set at right angles to the incident light.
  • the light that has entered the rear steering prism via the base surface is reflected on the inner sides of the side surfaces of the rear steering prism, emerges offset from the incident light again via the base surface from the rear steering prism and acts on the second outer side surface of the deflection prism, which is incident on the rear steering prism Directs light into the same beam axis as the object beam 18 deflected by the beam splitter 10.
  • the optical path length of the reference arm 11 is compensated for with optical compensation elements with regard to the optical properties of the prisms in the object arm 12.
  • This embodiment of the deflection unit 26 is distinguished by a particularly compact structure.
  • the object beam 18 acts on an object arm lens 27, which focuses the object beam 18 on a structured surface 28 of a test specimen 29.
  • the reference arm lens 14 and the object arm lens 27 are designed to have the same optical effect, so that the reference arm 11 and the object arm 12 are compensated for in terms of their optical properties, in particular the dispersion.
  • the surface 28 has, for example, as shown schematically in FIG. 1, a step 30 and trenches 31, 32.
  • the test specimen 29 is connected to a sample adjusting device 33, with which the test specimen 29 can be adjusted in three spatial directions orthogonal to one another via three adjusting elements 34, 35, 36.
  • a further portion of the object beam 18 striking the surface 28 couples into the trench 31 as in a waveguide in the position of the test specimen 29 shown in FIG. 1.
  • the light component coupled into the trench 31 is partially guided at the boundaries of the trench 31, reflected at the bottom of the trench 31 and emerges again from the trench 31 as a substructure light component.
  • This substructure light component also runs back to the beam splitter 10 in the object arm 12 and forms a substructure interference signal contained in the interference beam 38 in the case of an optical path length that is essentially the same as for an assigned reference light component.
  • the interference beam 38 can be imaged on a light-sensitive detector 40 with a converging lens 39.
  • the transmission characteristic of the spectral filter 6 is designed such that the output signal of the detector 40 in the frequency range of an essentially Gaussian intensity distribution of the detected Light corresponds to a center wavelength of approximately 1 micrometer in this exemplary embodiment.
  • the substructure interference signal can be evaluated to determine properties of the substructure formed by the trenches 31, 32.
  • the reference arm adjusting device 17 is designed as a piezo element, which is connected to a central data processor 42 via a single-stage control voltage converter 41 for rough adjustment of the optical path length of the reference arm 11.
  • the object arm adjustment device 25, which is likewise formed from a piezo element, is connected to the central data processor 42 via a further single-stage control voltage converter 43 for fine adjustment of the optical path length of the object arm 12.
  • the adjustment elements 34, 35, 36 of the sample adjustment device are likewise formed from piezo elements and are connected to the data processor 42 via a three-stage control voltage converter 44.
  • the output signal of the detector 40 can be amplified with an amplifier 45 and can be fed to the data processor 42 via a signal filter 46 for separating mechanically and / or electrically generated interference signals.
  • the sequence of the measurement process can be controlled with the data processor 42.
  • the test specimen 29 can be moved to an initial position by means of the sample adjustment device 33 by applying control signals to the three-stage control voltage converter 44 and converting the control signals into high-voltage control signals by the control voltage converter 44.
  • the surface 28 expediently has a smooth, unstructured impact area 37 at this initial position.
  • the optical path lengths of the reference arm 11 and of the object arm 12 are set to the same length up to approximately 1 millimeter.
  • the surface 28 can be positioned in the focal region of the object arm lens 27 at the initial position in relation to the direction of the incident object beam 18.
  • the optical path length of the reference arm 11 can be changed in rough steps of typically about 0.3 micrometers.
  • the optical path length of the reference arm 11 is set, for example, to the length value corresponding to the greatest detected signal intensity of the interference signal and recorded in this reference setting. It is then provided that the device is adjusted in a basic setting with a reference body arranged in the impingement area 37.
  • the reference body has a surface with a lateral structure which can be resolved with the aperture of the object arm lens 27 and the spectral composition of the object beam 18 and which has a high reflectivity, so that a particularly low-noise interference signal can be achieved.
  • the adjustment elements 34, 35, 36 are used to arrange the surface of the reference body exactly in the focal plane of the object arm lens 27, optical adjustment devices (not shown in FIG. 1) being provided for this purpose in a particularly precise adjustment.
  • the visual observation of the focusing takes place by means of the detector 45.
  • the optical path length of the object arm 12 is varied in small steps of at most about 100 nanometers via the object arm adjusting device 25, so that the maximum value of the surface interference signal of the reference body can be determined.
  • a test body 29 which has a surface 28 with, for example, a step 30 easily adjustable into the basic setting in such a way that, with fixed optical path lengths of the reference arm 11 and the object arm 12, the basic setting can be positioned in the focal plane of the object arm lens 27 simply by determining the maximum value of the surface interference signal of the test specimen 29.
  • This procedure is particularly expedient for automatic focusing.
  • step 30 changes the height of surface 28 in the course of the fine measurement
  • this can be detected by means of a white light interferogram of surface 28 which is shifted away from the reference position.
  • This displacement of the white light interferogram can be corrected by following the test specimen 29 by moving, for example, the adjustment element 36 provided for the displacement in the direction of the object beam 18.
  • the adjustment path of the adjustment element 36 can be stored in the data processor 42 with reference to the location of the impact area 37 and corresponds to the height of the step 30 in this exemplary embodiment.
  • the amplified and filtered output signal of the detector 40 is stored in the data processor 42 as a so-called white light interferogram of the surface interference signal and the substructure interference signal, in which the intensity of the output signal of the detector 40 is stored against the set path length of the object arm 12.
  • the location of the greatest signal intensity can be determined, for example, as a reference variable using a signal processing circuit 47 integrated in the data processor 42.
  • the path length of the object arm 12 which can be changed by the object arm adjustment device 25 corresponds at least to the greatest height difference on the surface 28, for example the height of the step 30 and the depth of the trench 31.
  • the travel of the object arm adjustment device 25 is expediently approximately five times that to be expected Height difference in order to be able to reliably detect larger tolerances, for example in quality monitoring.
  • the beam path of the object arm 12 it is expedient in the beam path of the object arm 12 to have a device (not shown in FIG. 1) for interrupting the To provide object beam 18 with a fixed frequency of a few 10 Hertz, which is connected to a frequency feed input of a synchronized amplifier, a so-called lock-in amplifier.
  • the signal input of the lock-in amplifier is connected to the detector 40.
  • the lock-in amplifier detects the interference signals with a high signal-to-noise ratio when the optical path length of the object arm 12 is adjusted, the measurement time being reduced by using the lock-in technique in only a measuring step is relatively short.
  • the difference in the path lengths between the surface interference signal and the substructure interference signal and the shape of the substructure interference signal can be evaluated with a substructure signal analysis device 48 of the data processor 42.
  • the The path difference is essentially determined by the depth of the trench 31 and the shape of the white light interferogram formed by the substructure interference signal by the width and the dispersion of the trench 31 acting as a waveguide and can be evaluated, for example, by a Fourier transformation, the information about the geometry of the trench 31 contains.
  • variables derived from the shape of the substructure interference signal for example, determine the width of the envelope, the period and the sequence of maxima and minima for determining the geometry and / or dispersion of the substructure. Due to the intensity distribution of the light portion 7, a particularly easily resolvable substructure interference signal and thus a reliable depth resolution is achieved after detection by the detector 40.
  • the structure and substructure of the surface 28 can be represented in an output unit 49 connected to the data processor 42, for example on a color screen, with a color coding.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a far-field diaphragm 8 with a rectangular far-field recess 50.
  • the far-field diaphragm 8 with the far-field recess 50 is a near-field diaphragm 4, not shown in FIG. 2, with a rotated 90 degrees with respect to the far-field recess 50 rectangular near-field recess assigned.
  • Part of the light portion 7 transmitted through the far field recess 50 can be focused with the object arm lens 27 onto the surface 28 of the test specimen 29.
  • the far field recess 50 is oriented that the light portion of the object beam 18 transmitted from the far field diaphragm 8 extends in the longitudinal direction of the trench 31.
  • the far field diaphragm 8 can be rotated about the axis 52 of the object beam 18 with a rotating device (not shown in FIG. 2).
  • the near-field recess of the near-field diaphragm 4 can be adjusted in accordance with the angle of rotation of the far-field diaphragm 8 in such a way that the recesses are aligned with one another in a conjugated manner by 90 degrees.
  • the far field diaphragm 8 is omitted with a high optical quality of the image of the transmitted light portion 7.
  • the substructure interference signal caused by the trench 31 is maximum, while when the far-field recess 50 and the near-field recess are rotated in the same direction by 90 degrees, the substructure interference signal is minimal.
  • the longitudinal course of the trench 31 between two measuring points on the surface 28 can be determined at a position of the test specimen 29. Therefore, the density of the measuring points required for a precise examination of the surface 28 and thus the measuring time essentially determined by changing the optical path lengths can be reduced, since the course of the trench 31 can now be interpolated between two further distant measuring points.

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum optischen Untersuchen einer Oberfläche werden die optischen Weglängen eines Referenzarmes (11) und eines Objektarmes (12) so eingestellt, daß neben einem durch einen von der Oberfläche (28) zurückgeworfenen Lichtanteil gebildetes Weißlicht-Interferogramm auch der von Substrukturen (31, 32) zurückgeworfene Lichtanteil in einem weiteren Substrukturinterferenzsignal detektierbar ist. Durch Auswertung des Substrukturinterferenzsignales ist beispielsweise die Tiefe von lateral mit herkömmlichen optischen Methoden nicht auflösbaren Substrukturen (31, 32) bestimmbar.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum optischen Untersuchen einer Oberfläche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Untersuchen einer Oberfläche, bei dem spektral breit- bandiges Licht mit einer Kohärenzlänge, die im Bereich einiger Vielfachen der emittierten Wellenlängen liegt, in einen Referenzarm und einen Objektarm aufgeteilt wird, bei dem ein in dem Objektarm aus einem Auftreff- bereich des Lichtes von der Oberfläche zurückgeworfener Objektlichtanteil mit einem aus dem Referenzarm zurück¬ geworfenen Referenzlichtanteil überlagert und ein aus dem Objektlichtanteil und dem Referenzlichtanteil ge- bildetes Oberflächeninterferenzsignal detektiert wird, wobei das Oberflächeninterferenzsignal in Abhängigkeit einer veränderlichen optischen Weglänge wenigstens eines Armes aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum optischen Untersuchen einer Oberfläche, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens, mit einer breitbandigen Lichtguelle, deren Kohärenzlänge im Bereich einiger Vielfachen der emittierten Wellenlängen liegt und deren Ausgangslicht mit einer Strahlteilvorrichtung in einen eine Reflektionsvorrichtung aufweisenden Referenzarm und einen Objektarm aufteilbar ist, wobei das mittels der Strahlteilvorrichtung in den Objektarm geleitete Aus¬ gangslicht die Oberfläche in einem Auftreffbereich be- -aufschlagt und ein von der Oberfläche zurückgeworfener Objektlichtanteil mit einem von der Reflektionsvorrich¬ tung zurückgeworfenen Referenzlichtanteil mit einer Überlagerungsvorrichtung zu einem einen lichtempfind¬ lichen Detektor beaufschlagenden Oberflächeninterferenz- lichtanteil überlagerbar ist, und mit wenigstens einer Versteilvorrichtung, mit der die optische Weglänge wenigstens eines Armes einstellbar ist, wobei ein Inter¬ ferenzsignal in Abhängigkeit der optischen Weglängen in einer Auswerteeinheit abspeicherbar ist.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der US 5,112,129 sowie der US 4,818,110 be¬ kannt. Ausgangslicht einer breitbandigen Lichtguelle mit einer kleinen Kohärenzlänge wird in einem Zweistrahl- Interferenz-Mikroskop in einen Objektarm und einen Referenzarm aufgeteilt. Ein in den Objektarm ein¬ gekoppelter Objektstrahl wird auf eine Oberfläche eines zu untersuchenden integrierten Schaltkreises fokussiert. Die optischen Weglängen des Referenzarmes und des Objektarmes werden mittels Versteilvorrichtungen ver¬ ändert. Eine Grobverstellvorrichtung dient der Ein¬ stellung der optischen Weglänge des Referenzarmes, wobei die Grobverstellvorrichtung eine die optische Weglänge des Referenzarmes begrenzende Reflektionsvorrichtung verstellt. Die Verstellung der optischen Weglänge des Objektarmes wird mittels einer aus einem Piezokristall gebildeten Feinverstellvorrichtung vorgenommen, wobei die Oberfläche bezüglich der Strahlachse des Objektarmes verschiebbar ist.
Die Oberflächenstruktur des zu untersuchenden Prüf¬ körpers ist dadurch erhältlich, daß die von der Ober¬ fläche in den Objektarm und von der Reflektions¬ vorrichtung in den Referenzarm zurückgeworfenen Licht- anteile mit einem Strahlteiler überlagert und einem lichtempfindlichen Flächendetektor zugeführt werden. Durch die Überlagerung eines Referenzlichtanteiles und eines Objektlichtanteiles innerhalb der Kohärenzlänge des Ausgangslichtes wird ein Interferenzmuster in der Ebene des Flächendetektors erzeugt. Das Interferenz- muster wird von Objektlichtanteilen hervorgerufen, welche eine im wesentlichen gleiche optische Weglänge wie die Referenzlichtanteile durchlaufen haben. Objekt¬ lichtanteile aus Oberflächenbereichen, für die Differenz der optischen Weglängen größer als die Kohärenzlänge ist, erzeugen hingegen im wesentlichen eine gleichmäßig beleuchtete Fläche.
Durch Aufnehmen der Interferenzmuster in Abhängigkeit von verschiedenen optischen Weglängen des Referenzarmes oder des Objektarmes wird über eine Signalverarbeitungs¬ schaltung durch Auswertung der flächenhaften Inter¬ ferenzmuster ein Bild der Oberfläche erzeugt.
Die Ortsauflösung der oben beschriebenen Vorrichtungen ist durch die beugungsbegrenzte Größe des Auftreff¬ bereiches des in den Objektarm eingekoppelten Teiles des Ausgangslichtes auf die Oberfläche begrenzt. Weiterhin sind zur Aufnahme und Verarbeitung der Flächenbilder rechenaufwendige Algorithmen vorgesehen, die zwar Sub- strukturen mit gegenüber dem Auftreffbereich des Lichtes kleineren Oberflächendimensionen untersuchbar machen, allerdings ist zum einen zum Verarbeiten der anfallenden Datenmenge ein hoher Rechenaufwand vonnöten, zum anderen bezüglich der lateralen Auflösung durch die Beugungs¬ begrenzung eine untere Grenze bei der Auflösung der Interferenzmuster gegeben. Diese Einschränkungen sind beispielsweise bei der Reihenuntersuchung von Ober¬ flächen mit SubStrukturen nachteilig, die kleinere Oberflächendimensionen als die aufgrund der Beugungs¬ begrenzung auflösbaren Bildpunkte aufweisen.
Aus der US 5,054,924 ist ein interferometrischeε Ver¬ fahren bekannt, bei dem durch Überlagerung von zwei mit verschiedenen Wellenlängen aufgenommenen Interfero- grammen die Differenzfrequenz zwischen den beiden Be¬ strahlungswellenlängen als Schwebungsfrequenz mittels einer räumlichen Fourier-Transformation zur Rekon¬ struktion von asphärischen Oberflächen ausgewertet wird. Durch das Gewinnen der Schwebungsfrequenz mit direkten optischen Methoden ist zwar die der Schwebungsfrequenz inhärente Information verhältnismäßig einfach mit hoher Genauigkeit ohne großen Rechenaufwand zugänglich, aller¬ dings ist der optische Aufwand mit Registrierung des Summeninterferogrammes auf einem hochauflösenden Film und anschließender Beleuchtung und räumlicher Fourier- Transformation bei Reihenuntersuchungen mit kurzen Taktzeiten nachteilig.
Aus der US 4,946,280 ist ein Interferometer zur Wellen- frontanalyse bei der Qualitätsuntersuchung von Spiegeln bekannt. Bei der Überlagerung der Wellenfronten sind makroskopische Unregelmäßigkeiten in der Spiegelober¬ fläche durch Deformationen in den Interferenzmustern erkennbar. Eine Untersuchung mikroskopischer Substruk- turen ist nicht vorgesehen.
Aus der DE 30 32 546 AI (Entgegenhaltung 5) ist eine Interferometeranordnung bekannt, bei der mittels eines Kreuzgitters die Ausrichtung eines strei enartigen Interferenzmusters mit hohem Kontrast auch bei ver¬ schiedenartigen Ausrichtungen von makroskopischen Ober¬ flächenstrukturen auswertbar ist. An eine Erfassung mikroskopischer SubStrukturen ist nicht gedacht.
Aus der DE 41 08 944 AI ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum interferometrischen Bestimmen der makro¬ skopischen Form von diffus streuenden Oberflächen be¬ kannt. Durch Auswerten des Kontrastes von bei inkohären- ter Beleuchtung auftretenden sogenannten "Speckies" bei Variation einer Weglängendifferenz zwischen dem Objekt¬ arm und dem Referenzarm ist zwar eine aufgrund einer Oberflächenrauhigkeit im Bereich der sehr kleinen Ko¬ härenzlänge diffus streuende Oberfläche untersuchbar, allerdings versagt das Prinzip beispielsweise bei polierten, glatten Oberflächen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem/der insbesondere eine Reihenunter¬ suchung von Oberflächen beispielsweise in der Qualitäts¬ kontrolle mit einem geringen apparativen Aufwand und einer von der Beugungsbegrenzung nicht eingeschränkten lateralen Auflösung durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß bei durch . die Größe des Auftreff- bereiches festgelegter lateraler Auflösung die optische Weglänge in einem Bereich verändert wird, in dem ein von einer Substruktur mit einer gegenüber der Größe des Auftreffbereiches kleineren Oberflächendimension zurück¬ geworfener Substrukturlichtanteil mit einem Referenz¬ lichtanteil überlagert als ein Substrukturinterferenz¬ signal detektiert wird, wobei das Substrukturinter- ferenzsignal durch die aus dem Auftreffbereich zurück¬ geworfene Signalintensität in Abhängigkeit der veränder¬ lichen optischen Weglänge gebildet ist, und daß charak¬ teristische Größen des sich in Abhängigkeit der verän¬ derlichen optischen Weglänge innerhalb der Kohärenzlänge des Lichtes ändernden Substrukturinterferenzsignales zur Bestimmung von Eigenschaften der Substruktur ausgewertet werden.
Diese Aufgabe wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, daß die laterale Auflösung des Detektors der Größe des Auftreffbereiches entspricht, daß mit wenigstens einer der VerStellvorrichtungen die optische Weglänge wenigstens eines Armes in einem Bereich ein¬ stellbar ist, in dem ein von einer Substruktur mit einer gegenüber der Größe des Auftreffbereiches kleineren Oberflächendimension zurückgeworfener Substrukturlicht- anteil mit einem Referenzlichtanteil überlagert mittels des Detektors als ein Substrukturinterferenzsignal detektierbar ist, wobei das Substrukturinterferenzsignal durch die aus dem Auftreffbereich zurückgeworfene Signalintensität in Abhängigkeit der veränderlichen optischen Weglänge gebildet ist, und daß eine Signal¬ analyseeinrichtung zum Ableiten charakteristischer Größen aus dem Substrukturinterferenzsignal zur Be- Stimmung von Eigenschaften der Substruktur vorgesehen ist.
Bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Er¬ findung ist auf das aufwendige Erfassen und Auswerten von flächigen Interferenzmustern gemäß dem Stand der Technik vollständig verzichtet. Statt dessen wird die aus dem gesamten Auftreffbereich zurückgeworfene inte¬ grale Signalintensität zur Bildung der Interferenz¬ signale verwendet, wobei die laterale Auflösung beim Detektieren des Oberflächeninterferenzsignales zwar durch die aufgrund der verwendeten Optik beugungsbe- grenzte Größe des Auftreffbereiches begrenzt ist, bei einer Veränderung der optischen Weglänge in einem zum Detektieren des Oberflächeninterferenzsignales hinaus- gehenden Bereich bei Vorhandensein einer beispielsweise durch einen tieferliegenden Graben gebildeten Sub¬ Struktur mit gegenüber der Größe des Auftreffbereiches kleineren Oberflächendimension aufgrund der wellen¬ leiterartigen Wechselwirkung des einfallenden Lichtes jedoch ein weiteres Substrukturinterferenzsignal detek- tierbar ist, das beispielsweise zum Bestimmen der Weite und der Tiefe des Grabens auswertbar ist.
Es hat sich gezeigt, daß beispielsweise auf integrierte Schaltkreise auftreffendes Weißlicht in Gräben mit -Ab¬ messungen im Submikrometerbereich wie in einen Wellen¬ leiter einkoppelt, von den Grabenwänden geführt, am Grabenboden reflektiert wird und wieder an der Ober¬ fläche austritt. Dieser Lichtanteil ist gegenüber dem direkt an der Oberfläche zurückgeworfenen Lichtanteil in dem Objektarm verzögert. Durch das Jastimmen der optischen Weglängen des Referenzarmes und des Objekt¬ armes auf den von der Substruktur zurückgeworfenen Substrukturlichtanteil ist ein von dem Graben hervor- gerufenes Substrukturinterferenzsignal aufnehmbar.
Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch den Verstellbereich der optischen Weglänge zusätzlich zu der Detektion des von der Oberfläche erzeugten Oberflächeninterferenz- signales ein von einer Substruktur mit einer kleineren Dimension als der Auftreffbereich des Anteiles des Ausgangslichtes auf die Oberfläche hervorgerufenes Substrukturinterferenzsignal detektiert wird, ist das örtliche Auflösungsvermögen gegenüber dem beugungs- begrenzten Wert deutlich erhöht und das Substruktur¬ interferenzsignal zur Bestimmung beispielsweise der Weite und Tiefe der Substruktur als ein sogenanntes Weißlicht-Interferogramm in einfacher Weise detektierbar und auswertbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zu
Beginn der Messung der Auftreffbereich auf einem sub- strukturfreien Teil der Oberfläche positioniert. Durch Verstellen der optischen Weglänge des Referenzarmes mit einer Referenzarmverstellvorrichtung in groben Schritten sind die optischen Weglängen des Referenzarmes und des Objektarmes aufeinander abstimmbar, indem nach Detek¬ tieren eines Interferenzsignales die optische Weglänge des Referenzarmes mit einer vorbestimmten Länge festge¬ halten wird. Anschließend ist mit einer Objektarmver- stellvorrichtung die optische Weglänge des Objektarmes in einem vorbestimmten Bereich einstellbar, der wenigstens den Dimensionen der Strukturen der Oberfläche wie beispielsweise Stufen oder Gräben entspricht. Das Verstellen der optischen Weglänge des Objektarmes er¬ folgt im Verhältnis zu der Periodizität der Interferenz¬ signale in kleinen Schritten.
Handelt es sich bei den zu untersuchenden Oberflächen¬ strukturen um Gräben, die abschnittsweise in einer Richtung verlaufen, ist es zweckmäßig, zum Erhöhen des Pegels des Substrukturinterferenzsignales den Auftreff¬ bereich des Objektstrahles auf diese Vorzugsrichtung mittels einer Schlitzblende mit einer länglichen Aus¬ dehnung auszurichten. Mit einer derartigen Schlitzblende ist andererseits an einer Position auf der Oberfläche über das Feststellen des maximalen Pegels des Sub¬ strukturinterferenzsignales bei Veränderung der Aus- richtung der Schlitzblende der Verlauf eines detek- tierten Grabens ohne eine Relativbewegung zwischen der Substruktur und dem Objektarm erfaßbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nach¬ folgenden Figurenbeschreibung. Es zeigt:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Vor¬ richtung zum optischen Untersuchen einer Ober- fläche, bei der die optischen Weglängen sowohl eines Objektarmes als auch eines Referenzarmes getrennt einstellbar sind und
Fig. 2 eine Anordnung einer Schlitzblende in einer Vorrichtung gemäß der Fig. 1.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zum optischen Untersuchen einer Oberfläche. Eine thermische Weißlichtquelle 1 emittiert breit- bandiges Ausgangslicht 2. Mit einer Fokussierlinse 3 ist das über Rückreflektoren gerichtete Ausgangslicht 2 der Weißlichtquelle 1 in eine Ausnehmung einer Nahfeldloch¬ blende 4 zum Festlegen eines kleinen Emissionsbereiches der Weißlichtquelle 1 als Punktlichtquelle abbildbar. Das durch die Ausnehmung der Nahfeldlochblende 4 durch¬ getretene Ausgangslicht 2 beaufschlagt eine Kollimationslinse 5, die mit dem .Abstand ihrer Brenn¬ weite von der Nahfeldlochblende 4 angeordnet ist. Das nach Durchtritt durch die Kollimationslinse 5 parallele Ausgangslicht 2 der Lichtquelle 1 durchläuft ein Spektralfilter 6.
Der transmittierte Lichtanteil 7 durchtritt eine Fern¬ feldblende 8 mit einer rundlichen Ausnehmung 9 und fällt auf einen Strahlteiler 10, mit dem der Lichtanteil 7 in einen Referenzarm 11 und einen Objektarm 12 aufteilbar ist.
Ein von dem Strahlteiler 10 in den Referenzarm 11 ein- geleiteter paralleler Referenzstrahl 13 ist mit einer Referenzarmlinse 14 auf einen in der Brennebene der Referenzarmlinse 14 vorgesehenen Referenzarmspiegel 15 fokussierbar. Bei einem sehr breitbandigen trans- mittierten Lichtanteil 7 ist es zweckmäßig, zum Ver- meiden von Abbildungsfehlern die Referenzarmlinse 14 als eine achromatische Abbildungsvorrichtung auszuführen. Die Referenzarmlinse 14 und der Referenzarmspiegel 15 sind in einem festen Abstand als eine Reflektions- vorrichtung 16 verbunden. Die Reflexionsvorrichtung 16 ist an einer Referenzarmverstellvorrichtung 17 an¬ gebracht, mit der die optische Weglänge des Referenz¬ armes 11 einstellbar ist.
Ein von dem Strahlteiler 10 in den Objektarm 12 ge- leiteter Objektstrahl 18 trifft auf einen ersten .Ablenk¬ spiegel 19, der in einem Winkel von etwa 45 Grad zu dem einfallenden Objektstrahl 18 an einem feststehenden Ablenkspiegelhalter 20 angebracht ist. Das durch den ersten Ablenkspiegel 19 um 90 Grad in Bezug auf den einfallenden Objektstrahl 18 abgelenkte Licht fällt auf einen ersten Rücklenkspiegel 21, der an einem Rücklenk¬ spiegelhalter 22 angebracht ist. Der erste Rücklenk¬ spiegel 21 lenkt das einfallende Licht um etwa 90 Grad um, so daß dieses auf einen zweiten, ebenfalls an dem Rücklenkspiegelhalter 22 angebrachten Rücklenkspiegel 23 fällt. Das auf den zweiten Rücklenkspiegel 23 fallende Licht trifft nach einer Reflektion um etwa 90 Grad auf einen zweiten Ablenkspiegel 24, der so angeordnet ist, daß das von dem zweiten Rücklenkspiegel 23 einfallende Licht wieder die gleiche Strahlachse wie das auf den ersten Ablenkspiegel 19 einfallende Licht hat.
Der Rücklenkspiegelhalter 22 mit den an ihm befestigten Rücklenkspiegel 21, 23 ist mit einer Objektarmverstell- Vorrichtung 25 verbunden. Mit der Objektarmverstell- vorrichtung 25 ist die optische Weglänge des Objektarmes 12 einstellbar. Vorzugsweise ist für ein hochgenaues Verstellen der optischen Weglänge des Objektarmes 12 die Objektarmverstellvorrichtung 25 als ein Piezoelement ausgeführt. Die Spiegel 19, 21, 23, 24 bilden zusammen mit den Spiegelhaltern 20, 22 eine Umlenkeinheit 26.
In einer nicht dargestellten abgewandelten Ausführungs- form weist die Umlenkeinheit 26 ein .Ablenkprisma und ein Rücklenkprisma auf. Das Ablenkprisma ist auf einer dem Strahlteiler 10 zugewandten äußeren Seitenfläche von dem Objektstrahl 18 beaufschlagt, wobei diese den Objekt¬ strahl 18 auf die rechtwinklig zu dem einfallenden Licht gestellte Basisfläche des Rücklenkprisma lenkt. Das über die Basisfläche in das Rücklenkprisma eingetretene Licht wird an den Innenseiten der Seitenflächen des Rücklenk¬ prismas reflektiert, tritt gegenüber dem einfallenden Licht versetzt wieder über die Basisfläche aus dem Rücklenkprisma aus und beaufschlagt die zweite äußere Seitenfläche des Ablenkprismas, welche das von dem Rücklenkprisma einfallende Licht in die gleiche Strahl¬ achse wie den von dem Strahlteiler 10 abgelenkten Objektstrahl 18 lenkt. Die optische Weglänge des Referenzarmes 11 ist mit optischen Ausgleichselementen bezüglich der optischen Eigenschaften der Prismen in dem Objektarm 12 kompensiert. Diese Ausführungsform der Umlenkeinheit 26 zeichnet sich durch einen besonders kompakten Aufbau aus.
Der Objektstrahl 18 beaufschlagt nach Durchlauf der Umlenkeinheit 26 eine Objektarmlinse 27, die den Objekt¬ strahl 18 auf eine strukturierte Oberfläche 28 eines Prüfkörpers 29 fokussiert. Die Referenzarmlinse 14 und die Objektarmlinse 27 sind optisch gleichwirkend aus¬ geführt, so daß der Referenzarm 11 und der Objektarm 12 bezüglich ihrer optischen Eigenschaften, insbesondere der Dispersion, kompensiert sind. Die Oberfläche 28 weist beispielsweise wie in Fig. 1 schematisch dargestellt eine Stufe 30 und Gräben 31, 32 auf. Der Prüfkörper 29 ist mit einer Probenverstell- vorrichtung 33 verbunden, mit der über drei Verstell- elemente 34, 35, 36 der Prüfkörper 29 in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen verstellbar ist.
Ein von einem Auftreffbereich 37 von der Oberfläche 28 des Prüfkörpers 29 rückgeworfener Oberflächenlichtanteil des Objektstrahles 18 läuft in dem Objektarm 12 zurück und wird an dem als Überlagerungsvorrichtung wirkenden Strahlteiler 10 mit dem von dem Referenzarmspiegel 15 rückreflektierten Lichtanteil des Referenzstrahles 13 in einem Interferenzstrahl 38 zu einem Oberflächen- interferenzsignal überlagert.
Ein weiterer Anteil des auf die Oberfläche 28 auf- treffenden Objektstrahles 18 koppelt in der in Fig. 1 dargestellten Stellung des Prüfkörpers 29 in den Graben 31 wie in einen Wellenleiter ein. Der in den Graben 31 eingekoppelte Lichtanteil wird teilweise an den Be¬ grenzungen des Grabens 31 geführt, am Boden des Grabens 31 reflektiert und tritt als ein Substrukturlichtanteil wieder aus dem Graben 31 aus. Dieser Substrukturlicht- anteil läuft in dem Objektarm 12 ebenfalls auf den Strahlteiler 10 zurück und bildet bei einer im wesent¬ lichen gleichen optischen Weglänge wie bei einem zugeordneten Referenzlichtanteil ein in dem Inter¬ ferenzstrahl 38 enthaltenes Substrukturinterferenz- signal. Der Interferenzstrahl 38 ist mit einer Sammel¬ linse 39 auf einen lichtempfindlichen Detektor 40 ab¬ bildbar. Die Transmissionscharakteristik des Spektral¬ filters 6 ist so ausgeführt, daß das Ausgangssignal des Detektors 40 im Frequenzbereich einer im wesentlichen gaußförmigen Intensitätsverteilung des detektierten Lichtes bei einer Mittenwellenlänge von in diesem Aus¬ führungsbeispiel etwa 1 Mikrometer entspricht.
Durch Verstellen der optischen Weglängen des Referenz- armes 11 und/oder des Objektarmes 12 in einem Bereich, der sowohl Oberflächenlichtanteile als auch Substruktur- lichtanteile mit zugeordneten Referenzlichtanteilen kohärent zur Überlagerung bringt, ist durch Detektieren des Oberflächeninterferenzsignales und des Substruktur- interferenzsignales, die durch Interferenz innerhalb der Kohärenzlänge einander zugeordneter Lichtanteile ent¬ stehen, das Substrukturinterferenzsignal zum Bestimmen von Eigenschaften der durch die Gräben 31, 32 gebildeten Substruktur auswertbar.
Die Referenzarmverstellvorrichtung 17 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Piezoelement ausgeführt, das über einen einstufigen Steuerspannungswandler 41 zur Grobverstellung der optischen Weglänge des Referenzarmes 11 an einen zentralen Datenprozessor 42 angeschlossen ist. Die ebenfalls aus einem Piezoelement gebildete Objektarmverstellvorrichtung 25 ist über einen weiteren einstufigen Steuerspannungswandler 43 zur Feinver¬ stellung der optischen Weglänge des Objektarmes 12 an den zentralen Datenprozessor 42 angeschlossen. Die Verstellelemente 34, 35, 36 der Probenverstellvor- richtung sind gleichfalls aus Piezoelementen gebildet und über einen dreistufigen Steuerspannungswandler 44 mit dem Datenprozessor 42 verbunden. Das Ausgangssignal des Detektors 40 ist mit einem Verstärker 45 verstärkbar und über einen Signalfilter 46 zum Abtrennen von mechanisch und/oder elektrisch erzeugten Störsignalen dem Datenprozessor 42 zuführbar. Mit dem Datenprozessor 42 ist der Ablauf des Me߬ vorganges steuerbar. Zu Beginn der Messung ist durch Beaufschlagen des dreistufigen Steuerspannungswandlers 44 mit Steuersignalen und einer Umsetzung der Steuer- signale in Hochspannungsstellsignale durch den Steuer¬ spannungswandler 44 der Prüfkörper 29 mittels der Probenverstellvorrichtung 33 auf eine Anfangsposition verfahrbar. Zweckmäßigerweise weist die Oberfläche 28 an dieser Anfangsposition einen glatten, unstrukturierten Auftreffbereich 37 auf.
Bei einer VorJustierung der Vorrichtung mittels in Fig. 1 nicht dargestellter mechanisch betätigbarer Einstell¬ elemente sind die optischen Weglängen des Referenzarmes 11 und des Objektarmes 12 bis auf etwa 1 Millimeter gleich lang eingestellt. Durch eines der Verstell¬ elemente 34, 35, 36 ist die Oberfläche 28 an der Anfangsposition in Bezug auf die Richtung des ein¬ fallenden Objektstrahles 18 in dem Fokalbereich der Objektarmlinse 27 positionierbar.
Dann ist mit einer Grobmessung bei konstant gehaltener optischer Weglänge des Objektarmes 12 durch Steuer¬ signale auf den Steuerspannungswandler 41 und von diesem erzeugte Hochspannungsstellsignale auf die Referenzarm- verstellvorrichtung 17 die optische Weglänge des Referenzarmes 11 in groben Schritten von typischerweise etwa 0,3 Mikrometer veränderbar. Nach Verstellen der optischen Weglänge des Referenzarmes 11 über einen vorbestimmten Bereich wird die optische Weglänge des Referenzarmes 11 beispielsweise auf den der größten detektierten Signalintensität des Interferenzsignales entsprechenden Längenwert eingestellt und in dieser Referenzeinstellung festgehalten. Anschließend ist vorgesehen, die Vorrichtung mit einem im Auftreffbereich 37 angeordneten Referenzkörper in einer Grundeinstellung einzujustieren. Der Referenz¬ körper weist eine Oberfläche mit einer lateralen Struktur auf, die mit der Apertur der Objektarmlinse 27 und der spektralen Zusammensetzung des Objektstrahles 18 auflösbar ist und die eine hohe Reflektivität besitzt, so daß ein besonders rauscharmes Interferenzsignal erreichbar ist. In einem ersten Schritt wird mit den Verstellelementen 34, 35, 36 die Oberfläche des Referenzkörpers genau in der Fokalebene der Objektarm¬ linse 27 angeordnet, wobei hierzu für eine besonders präzise Justage in Fig. 1 nicht dargestellte optische Justiervorrichtungen vorgesehen sind. In einem ab- gewandelten Ausführungsbeispiel erfolgt die visuelle Beobachtung der Fokussierung mittels des Detektors 45.
Dann wird bei der festgehaltenen optischen Weglänge des Referenzarmes 11 in der Referenzeinstellung die optische Weglänge des Objektarmes 12 über die Objektarmverstell- vorrichtung 25 in kleinen Schritten von höchstens etwa 100 Nanometer variiert, so daß der Maximalwert des Oberflächeninterferenzsignales des Referenzkörpers bestimmbar ist. In der somit festgelegten Grundein- Stellung mit definierten optischen Weglängen des Referenzarmes 11 und des Objektarmes 12 sowie dem in der Fokalebene der Objektarmlinse 27 angeordneten Referenz¬ körper ist nunmehr ein Prüfkörper 29, der eine Ober¬ fläche 28 mit beispielsweise einer Stufe 30 aufweist, in einfacher Weise dadurch in die Grundeinstellung justier¬ bar, daß bei festgelegten optischen Weglängen des Referenzarmes 11 und des Objektarmes 12 die Grundein¬ stellung durch alleiniges Bestimmen des Maximalwertes des Oberflächeninterferenzsignales der Prüfkörper 29 in der Fokalebene der Objektarmlinse 27 positionierbar ist. Diese Vorgehensweise ist insbesondere für eine automati¬ sche Fokussierung zweckmäßig.
Bei dem Beginn der Feinmessung mit fest eingestellter optischer Weglänge des Referenzarmes 11 durch Verstellen der optischen Weglänge des Objektarmes 12 über die Objektarmverstellvorrichtung 25 in kleinen Schritten von typischerweise etwa 50 Nanometer beispielsweise von einem Maximalwert zu einem Minimalwert überlagern sich die aus dem Referenzarm 11 und dem Objektarm 12 stammenden Wellenzüge auf dem Detektor 40 bei einer Differenz der optischen Weglängen, die größer als die Kohärenzlänge des transmittierten Lichtanteiles 7 ist, im wesentlichen zu einer gleichbleibenden Referenz- Intensität. Durch Verändern der optischen Weglänge des Objektarmes 12 tritt ab einer bestimmten Differenz der optischen Weglängen eine teilweise kohärente Über¬ lagerung von durch den Strahlteiler 10 getrennten Licht¬ anteilen mit gleicher durchlaufener optischer Weglänge auf.
Liegt wie in Fig. 1 dargestellt in dem Auftreffbereich 37 eine beispielsweise durch einen Graben 31 gebildete Substruktur mit einer kleineren Dimension als die Größe des Auftreffbereiches 37, ist durch Verändern der optischen Weglänge des Objektarmes 12 mit der Objektarm¬ verstellvorrichtung 25 eine Überlagerung des durch den Graben 31 rückgeworfenen Substrukturlichtanteiles in den Objektarm 12 mit dem zugehörigen rückreflektierten Lichtanteil aus dem Referenzarm 11 zu einem Substruktur¬ interferenzsignal durchführbar.
Diese nunmehr kohärent mit unterschiedlichen Phasenver¬ schiebungen bei verschiedenen optischen Weglängen innerhalb der Kohärenzlänge überlagerten Lichtanteile erzeugen ein mit der optischen Weglänge des Objektarmes 12 korreliertes Ausgangssignal des Detektors 40, das der Intensität des Oberflächeninterferenzsignales oder des Substrukturinterferenzsignales entspricht.
Tritt im Verlauf der Feinmessung beispielsweise eine Änderung der Höhe der Oberfläche 28 durch die Stufe 30 ein, ist dies durch ein gegenüber der Referenzläge wegverschobenes Weißlicht-Interferogrammes der Ober- fläche 28 erfaßbar. Diese Verschiebung des Weißlicht- Interferogrammes ist durch Nachfahren des Prüfkörpers 29 durch Verfahren beispielsweise des für die Verschiebung in Richtung des Objektstrahles 18 vorgesehenen Verstell¬ elementes 36 korrigierbar. Der Verstellweg des Verstell- elementes 36 ist in dem Datenprozessor 42 mit Bezug auf den Ort des Auftreffbereiches 37 abspeicherbar und entspricht in diesem Ausführungsbeispiel der Höhe der Stufe 30.
Nach Abschluß der Feinmessung bei in diesem Ausführungs¬ beispiel fester optischer Weglänge des Referenzarmes 11 ist in dem Datenprozessor 42 das verstärkte und ge¬ filterte Ausgangssignal des Detektors 40 als ein so¬ genanntes Weißlicht-Interferogramm des Oberflächeninter- ferenzsignales und des Substrukturinterferenzsignales abgespeichert, bei dem die Intensität des Ausgangs¬ signales des Detektors 40 gegen die eingestellte Weg¬ länge des Objektarmes 12 abgelegt ist. Durch Auswertung des Weißlicht-Interferogrammes der Interferenzsignale ist mit einer in dem Datenprozessor 42 integrierten Signalverarbeitungsschaltung 47 ist beispielsweise der Ort der größten Signalintensität als eine Bezugsgröße festlegbar. Die durch die Objektarmverstellvorrichtung 25 veränder¬ bare Weglänge des Objektarmes 12 entspricht wenigstens der größten Höhendifferenz auf der Oberfläche 28, bei¬ spielsweise der Höhe der Stufe 30 sowie der Tiefe des Grabens 31. Zweckmäßigerweise beträgt der Stellweg der Objektarmverstellvorrichtung 25 das etwa Fünffache einer zu erwartenden Höhendifferenz, um auch größere Toleranzen beispielsweise bei einer Qualitätsüberwachung sicher erfassen zu können.
Insbesondere bei verhältnismäßig schwachen Substruktur- interferenzsignalen und/oder einem verhältnismäßig langsamen Verstellen der optischen Weglängen im Bereich von weniger als etwa einem Mikrometer pro Sekunde ist es zweckmäßig, in dem Strahlengang des Objektarmes 12 eine in Fig. 1 nicht dargestellte Vorrichtung zum Unter¬ brechen des Objektstrahles 18 mit einer festen Frequenz mit einigen 10 Hertz vorzusehen, die an einen Frequenz¬ speiseeingang eines synchronsierten Verstärkers, eines sogenannten Lock-In-Verstärkers, angeschlossen ist. Der Signaleingang des Lock-In-Verstärkers ist mit dem Detek¬ tor 40 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel werden mit dem Lock-In-Verstärker bei dem Verstellen der optischen Weglänge des Objektarmes 12 die Interferenz- signale mit einem hohen Signal/Rausch-Verhältnis detek- tiert, wobei die Meßzeit durch das Anwenden der Lock-In- Technik in nur einem Meßschritt verhältnismäßig kurz ist.
Die Differenz der Weglängen zwischen dem Oberflächen¬ interferenzsignal und dem Substrukturinterferenzsignal sowie die Form des Substrukturinterferenzsignales sind mit einer Substruktursignalanalyseeinrichtung 48 des Datenprozessors 42 auswertbar. Beispielsweise ist bei einer durch den Graben 31 gebildeten Substruktur der Wegunterschied im wesentlichen durch die Tiefe des Grabens 31 und die Form des durch das Substrukturinter¬ ferenzsignal gebildete Weißlicht-Interferogrammes durch die Weite und die Dispersion des als Wellenleiter wirkenden Grabens 31 bestimmt und beispielsweise über eine Fouriertransformation auswertbar, die Informationen über die Geometrie des Grabens 31 enthält. Es ist vor¬ gesehen, als aus der Form des Substrukturinterferenz¬ signales abgeleitete Größen beispielsweise die Breite der Einhüllenden, die Periode sowie die .Abfolge von Maxima und Minima zur Bestimmung der Geometrie und/oder Dispersion der Substruktur zu bestimmen. Durch die Intensitätsverteilung des Lichtanteiles 7 ist nach Detektion durch den Detektor 40 ein besonders gut auf- lösbares Substrukturinterferenzsignal und damit eine zuverlässige Tiefenauflösung erreicht.
Nach Auswertung der Oberflächeninterferenzsignale und der Substrukturinterferenzsignale nach dem Abrastern der Oberfläche 28 ist in einer an den Datenprozessor 42 an¬ geschlossenen Ausgabeeinheit 49, beispielsweise auf einem Farbbildschirm, mit einer Farbkodierung die Struktur und Substruktur der Oberfläche 28 darstellbar.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Fernfeldblende 8 mit einer rechteckigen Fernfeldaus- nehmung 50. Der Fernfeldblende 8 mit der Fernfeld- ausnehmung 50 ist eine in Fig. 2 nicht dargestellte Nahfeldblende 4 mit einer gegenüber der Fernfeld- ausnehmung 50 um 90 Grad gedrehten rechteckigen Nahfeld- ausnehmung zugeordnet. Ein Teil des durch die Fernfeld- ausnehmung 50 transmittierten Lichtanteiles 7 ist mit der Objektarmlinse 27 auf die Oberfläche 28 des Prüf¬ körpers 29 fokussierbar. In der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist die Fernfeldausnehmung 50 so ausgerichtet, daß der von der Fernfeldblende 8 trans ittierte Licht¬ anteil des Objektstrahles 18 in der Längsrichtung des Grabens 31 verläuft. Die Fernfeldblende 8 ist, wie durch einen Drehpfeil 51 angedeutet, mit einer in Fig. 2 nicht dargestellten Drehvorrichtung um die Achse 52 des Objektstrahles 18 drehbar. Mit der Drehvorrichtung ist entsprechend dem Drehwinkel der Fernfeldblende 8 die Nahfeldausnehmung der Nahfeldblende 4 so nachführbar, daß die Ausnehmungen konjugiert um 90 Grad versetzt zueinander ausgerichtet sind. In einem nicht dar¬ gestellten Ausführungsbeispiel entfällt die Fernfeld¬ blende 8 bei einer hohen optischen Qualität der Ab¬ bildung des transmittierten Lichtanteiles 7.
In der in Fig. 2 dargestellten Ausrichtung der Fernfeldausnehmung 50 ist das durch den Graben 31 hervorgerufene Substrukturinterferenzsignal maximal, während bei einer Drehung der Fernfeldausnehmung 50 und der Nahfeldausnehmung gleichsinnig um jeweils 90 Grad das Substrukturinterferenzsignal minimal ist. Auf diese Weise ist bei einer Position des Prüfkörpers 29 der Längsverlauf des Grabens 31 zwischen zwei Meßpunkten auf der Oberfläche 28 bestimmbar. Daher ist die für ein genaues Untersuchen der Oberfläche 28 notwendige Dichte der Meßpunkte und damit die im wesentlichen von der durch das Verändern der optischen Weglängen bestimmten Meßzeit reduzierbar, da nunmehr zwischen zwei weiter entfernten Meßpunkten der Verlauf des Grabens 31 inter¬ polierbar ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum optischen Untersuchen einer Oberfläche (28), bei dem spektral breitbandiges Licht (2, 7) mit einer Kohärenzlänge, die im Bereich einiger Vielfachen der emittierten Wellenlängen liegt, in einen Referenzarm (11) und einen Objektarm (12) aufgeteilt wird, bei dem ein in dem Objektarm (12) aus einem Auftreffbereich (37) des Lichtes (2, 7) von der Oberfläche (28) zurückgeworfener Objekt¬ lichtanteil mit einem aus dem Referenzarm (11) zurückgeworfenen Referenzlichtanteil überlagert und ein aus dem Objektlichtanteil und dem Referenzlicht- anteil gebildetes Oberflächeninterferenzsignal detektiert wird, wobei das Oberflächeninterferenz¬ signal in Abhängigkeit einer veränderlichen optischen Weglänge wenigstens eines Armes (11, 12) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei durch die Größe des Auftreffbereiches (37) fest¬ gelegter lateraler Auflösung die optische Weglänge in einem Bereich verändert wird, in dem ein von einer Substruktur (31, 32) mit einer gegenüber der Größe des Auftreffbereiches (37) kleineren Ober- flächendimension zurückgeworfener Substrukturlicht- anteil mit einem Referenzlichtanteil überlagert als ein Substrukturinterferenzsignal detektiert wird, wobei das Substrukturinterferenzsignal durch die aus dem Auftreffbereich (37) zurückgeworfene Signal- Intensität in Abhängigkeit der veränderlichen optischen Weglänge gebildet ist, und daß charak¬ teristische Größen des sich in Abhängigkeit der veränderlichen optischen Weglänge innerhalb der Kohärenzlänge des Lichtes ändernden Substruktur- interferenzsignales zur Bestimmung von Eigenschaften der Substruktur (31, 32) ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Licht (7) mit einer Intensitätsverteilung in den
Referenzarm (11) und den Objektarm (12) aufgeteilt wird, die bei Detektion zu einem Ausgangssignal führt, das einer im Frequenzbereich gaußförmigen Intensitätsverteilung des detektierten Lichtes entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß zum Abgleich der optischen Weglängen des Referenzarmes (11) und des Objektarmes (12) die optische Weglänge des Referenzarmes (11) verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge des Referenzarmes (11) an einem vorbestimmten Wert festgehalten wird und die optische Weglänge des Objektarmes (12) in einem vorbestimmten Bereich zum Detektieren des Ober¬ flächeninterferenzsignales und des Substrukturinter¬ ferenzsignales verändert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge des Objektarmes (12) ausgehend von einer Grundeinstellung verändert wird, wobei die Grundeinstellung durch den Maximalwert des Oberflächeninterferenzsignales definiert ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung die Differenz der Weglängen zwischen dem Oberflächeninterferenz- signal und dem Substrukturinterferenzsignal bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrukturinterferenzsignal zur Auswertung fouriertransformiert wird.
8. Vorrichtung zum optischen Untersuchen einer Ober¬ fläche (28), insbesondere zum Durchführen des Ver- fahrens nach Anspruch 1, mit einer breitbandigen Lichtquelle (1), deren Kohärenzlänge im Bereich einiger Vielfachen der emittierten Wellenlängen liegt und deren Ausgangslicht (2, 7) mit einer Strahlteilvorrichtung (10) in einen eine Reflek- tionsvorrichtung (16) aufweisenden Referenzarm (11) und einen Objektarm (12) aufteilbar ist, wobei das mittels der Strahlteilvorrichtung (10) in den Objektarm (12) geleitete Ausgangslicht (2, 7) die Oberfläche (28) in einem Auftreffbereich (37) be- aufschlagt und ein von der Oberfläche (28) zurück¬ geworfener Objektlichtanteil mit einem von der Reflektionsvorrichtung (16) zurückgeworfenen Refe¬ renzlichtanteil mit einer Überlagerungsvorrichtung (10) zu einem einen lichtempfindlichen Detektor beaufschlagenden Oberflächeninterferenzlichtanteil überlagerbar ist, und mit wenigstens einer Verstell- vorrichtung (17), mit der die optische Weglänge wenigstens eines Armes (11, 12) einstellbar ist, wobei ein Interferenzsignal in Abhängigkeit der optischen Weglängen in einer Auswerteeinheit ab¬ speicherbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die laterale Auflösung des Detektors (40) der Größe des Auftreffbereiches (37) entspricht, daß mit wenig¬ stens einer der Versteilvorrichtungen (17, 25) die optische Weglänge wenigstens eines Armes (11, 12) in einem Bereich einstellbar ist, in dem ein von einer Substruktur (31, 32) mit einer gegenüber der Größe des Auf reffbereiches (37) kleineren Oberflächen¬ dimension zurückgeworfener Substrukturlichtanteil mit einem Referenzlichtanteil überlagert mittels des Detektors (40) als ein Substrukturinterferenzsignal detektierbar ist, wobei das Substrukturinterferenz¬ signal durch die aus dem Auftreffbereich (37) zu¬ rückgeworfene Signalintensität in Abhängigkeit der veränderlichen optischen Weglänge gebildet ist, und daß eine Signalanalyseeinrichtung (48) zum Ableiten charakteristischer Größen aus dem Substrukturinter¬ ferenzsignal zur Bestimmung von Eigenschaften der Substruktur (31, 32) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangslicht (2) der breitbandigen Licht¬ quelle (1) eine Filtervorrichtung (6) beaufschlagt, wobei das von der Filtervorrichtung (6) trans- mittierte Licht (7) zu einem Ausgangssignal des Detektors (40) führt, das einer im Frequenzbereich gaußförmigen Intensitätsverteilung entspricht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Reflektionsvorrichtung (16) mit einer Referenzarmverstellvorrichtung (17) und die optische Weglänge des Objektarmes (12) mittels einer mit einer Objektarmverstellvorrichtung (25) zu¬ sammenwirkenden Umlenkeinheit (26) veränderbar sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Umlenkeinheit (26) eine Strahl¬ ablenkvorrichtung (19, 20, 24) aufweist, mit der der Lichtanteil (18) in dem Objektarm (12) einer Rück- reflektionsvorrichtung (21, 22, 23) zuführbar ist. wobei die Rückreflektionsvorrichtung (21, 22, 23) mit einem seitlichen Abstand von der Strahlablenk¬ vorrichtung (19, 20, 24) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Raumfilter¬ vorrichtung (3, 4, 5, 8) vorgesehen ist, mit der der Auftreffbereich (37) des Lichtanteiles (18) auf die Oberfläche (28) in seinen geometrischen Gestalt einstellbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Raumfiltervorrichtung eine Blende (4) mit einer rechteckigen Ausnehmung und zwei Sammellinsen (3, 5) aufweist, wobei in den zu¬ sammenfallenden Brennebenen der Sammellinsen (3, 5) die Blende (4) mit der Ausnehmung in den zusammen¬ fallenden Fokalbereichen der Sammellinsen (3, 5) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Blende (4) drehbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn- zeichnet, daß an jeder Meßposition die Blende (4) mit einer Drehvorrichtung in einem Winkelbereich einstellbar ist.
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