DE102022131700A1

DE102022131700A1 - Optische interferometrische Messvorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE102022131700A1
Application number: DE102022131700.5A
Authority: DE
Inventors: Philipp Nimtsch; Simon Mieth
Original assignee: Precitec Optronik GmbH
Current assignee: Precitec Optronik GmbH
Priority date: 2022-11-30
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2024-06-06
Also published as: WO2024115142A1

Abstract

Eine optische interferometrische Messvorrichtung hat eine Lichtquelle, die Messlicht eines kontinuierlichen Wellenlängenbereichs erzeugt, und einen Messkopf, der mit Lichtquelle optisch verbunden ist und Messlicht auf ein Messobjekt richtet sowie vom Messobjekt reflektiertes Messlicht empfängt. Ein Spektrometer gibt ein erstes Spektrum des Ergebnisses der Interferenz zwischen Messlicht, welches von einer ersten Grenzfläche des Messobjekts reflektiert wurde, und Messlicht, welches von mindestens einer zweiten Grenzfläche des Messobjektes oder von einer Referenzgrenzfläche reflektiert wurde, an eine Auswerteeinrichtung aus. Das Spektrometer hat mindestens ein Gitterelement zur Auffächerung des in das Spektrometer geleiteten Messlichts nach Wellenlängen und eine erste Detektorzeile, auf die aufgefächertes Messlicht gerichtet wird und die aus einer Mehrzahl von Detektorpixeln besteht. Das erste Spektrum besteht aus einer Reihe der von den Detektorpixeln gemessenen Intensitätswerten. Die Auswerteeinrichtung berechnet einen optischen Wegunterschied zwischen der ersten Grenzfläche und der zweiten Grenzfläche bzw. Referenzfläche aus Spektren. Das optische Spektrometer hat außerdem eine zweite Detektorzeile, auf die aufgefächertes Messlicht gerichtet wird und die ebenfalls aus mehreren Detektorpixeln besteht. Ein zweites Spektrum besteht aus einer Reihe der von den Detektorpixeln der zweiten Detektorzeile gemessenen Intensitätswerten. Das erste Spektrum umfasst im Wesentlichen den gesamten Wellenlängenbereich in einer ersten Auflösung, und das zweite Spektrum einen Ausschnitt des Wellenlängenbereichs in einer höheren Auflösung.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische interferometrische Messvorrichtung mit einer Lichtquelle, einem Messkopf und einem optischen Spektrometer. Die Lichtquelle ist eingerichtet, mindestens Messlicht eines kontinuierlichen Wellenlängenbereichs zu erzeugen. Der Messkopf ist optisch mit Lichtquelle verbunden und richtet Messlicht auf ein Messobjekt, und empfängt vom Messobjekt reflektiertes Messlicht. Das optische Spektrometer gibt ein erstes Spektrum des Ergebnisses der Interferenz zwischen Messlicht, welches von einer ersten Grenzfläche des Messobjekts reflektiert wurde und Messlicht, welches von mindestens einer zweiten Grenzfläche des Messobjektes oder von einer Referenz-Grenzfläche reflektiert wurde, an eine Auswerteeinrichtung aus. Das optische Spektrometer umfasst: mindestens ein Gitterelement zur Auffächerung des in das Spektrometer geleiteten Messlichts nach Wellenlängen, eine erste Detektorzeile, auf die aufgefächertes Messlicht gerichtet wird, welche aus einer Mehrzahl von Detektorpixeln besteht. Das erste Spektrum besteht aus einer Reihe der von den Detektorpixeln der ersten Detektorzeile gemessenen Intensitätswerte. Die Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, einen optischen Wegunterschied zwischen erster Grenzfläche und zweiter Grenzfläche bzw. Referenzfläche aus Spektren zu berechnen. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur interferometrischen Messung.
In vielen Industriebereichen ist es zur Qualitätssicherung notwendig, hochpräzise Messungen einer Oberflächentopographie oder Schichtdicke vorzunehmen. Beispielsweise werden solche Messungen bei der Herstellung von Wafern (box/warp/total thickness variation), offline oder während des Herstellungsprozesses; bei der Herstellung von Displayglas oder Glas für medizinische Anwendungen; oder für diverse hochpräzise Herstellungsprozesse benötigt. Eine kontaktlose Methode, welche für solche Messungen gut geeignet ist, ist interferometrische Messung unter Verwendung von niederkohärentem Licht.
Üblicherweise wird dazu Licht eines gegebenen kontinuierlichen Wellenlängenbands auf die Messprobe gerichtet und die Interferenz von Licht, welches entweder von zwei verschiedenen Grenzflächen des Messobjekts, oder von einer Grenzfläche des Messobjektes und einer Referenzfläche reflektiert wird, zur Interferenz gebracht. Diese Interferenz wird mittels eines Spektrometers nach Wellenlängen aufgelöst analysiert und aus der interferenzbedingten Modulation des Spektrums die Schichtdicke bzw. optische Distanz zur Referenzfläche am Messpunkt berechnet, zweckmäßigerweise unter Verwendung einer Fourier-Transformation des Spektrums. Die Anmelderin vertreibt solche Messgeräte beispielsweise unter der Bezeichnung CHRocodile 2 IT.
Die Erfassung des Spektrums des Interferenzlichts wird dabei üblicherweise mittels eines photosensitiven Detektors durchgeführt, welcher aus einer Vielzahl aus diskreten Pixeln besteht. Bei einer gegebenen Anzahl von Pixeln und einem gegebenen verwendeten Wellenlängenband erfasst jeder Pixel daher einen kleinen Bereich von Wellenlängen und das erfasste Spektrum besteht aus einer Reihe von diskreten Punkten.
Je dicker eine vermessene Schicht ist, desto enger ist die Modulation des Spektrums. Es gibt daher eine Obergrenze für die Schichtdicke, welche durch den Detektor aufgelöst werden kann. Um größere Schichtdicken zu vermessen, muss entweder die Pixeldichte erhöht werden, was zu höheren Kosten und langsameren Auslesen führt, oder es muss ein schmaleres Wellenlängenband verwendet werden, so dass jeder Pixel einen kleineren Bereich erfasst. Die Verwendung eines schmaleren Wellenlängenbandes führt allerdings zu dem Problem, dass bei dünneren Schichten nicht mehr ausreichend viele Modulationen erfasst werden, so dass wiederum keine dünnen Schichten vermessen werden können. Die untere Messbereichsgrenze wird durch die Bandbreite des Spektrometers und die obere Grenze durch die kleinste auflösbare Bandbreite (durch Pixelgröße und Spotqualität) definiert. Dies führt dazu, dass Messgeräte ein festes Verhältnis zwischen oberer und unterer Messbereichsgrenze haben. Es müssen daher für verschiedene Anwendungen verschiedene Messgeräte verwendet werden. Für Messobjekte, die Schichten sehr unterschiedlicher Dicke vereinen, gibt es unter Umständen kein geeignetes Messgerät, welches alle erfassen kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine interferometrische Messvorrichtung anzugeben, welche ein größeres Verhältnis zwischen oberer und unterer Messbereichsgrenze hat, ohne dabei die Kosten und Auslesegeschwindigkeit signifikant zu beeinträchtigen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das optische Spektrometer mindestens eine zweite Detektorzeile, auf die aufgefächertes Messlicht gerichtet wird umfasst, und die zweite Detektorzeile aus einer Mehrzahl von Detektorpixeln besteht und ein zweites Spektrum aus einer Reihe der von den Detektorpixeln der zweiten Detektorzeile gemessenen Intensitätswerten besteht, wobei das erste Spektrum im Wesentlichen den gesamten Wellenlängenbereich in einer ersten Auflösung umfasst, und wobei das zweite Spektrum einen Ausschnitt des Wellenlängenbereichs in einer höheren Auflösung umfasst.
Der Ausschnitt des Wellenlängenbereichs umfasst vorteilhafterweise weniger als die Hälfte des gesamten Wellenlängenbereichs.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ausschnitt des Wellenlängenbereichs grob in der Mitte des gesamten Wellenlängenbereichs. Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Ausschnitt so gewählt ist, dass er die Wellenlängen inkludiert, bei der die Emission der Lichtquelle am höchsten ist. Dies hat den Vorteil einer möglichst hohen Lichtintensität.
Je nach Anwendung ist es auch vorteilhaft, wenn der Ausschnitt aus dem Wellenlängenbereich nach Gesichtspunkten der Transparenz des Messobjektes gewählt wird, insbesondere ein Bereich, in dem die Messprobe besonders transparent ist. Relevant ist dies beispielsweise bei Messobjekten aus Silizium, die eine stark variierende Transparenz im Nah-Infrarotbereich aufweisen. Durch die bessere Transparenz können dickere Schichten ohne viel Lichtverlust gemessen werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt, der in Betracht zu ziehen ist, ist die beste erzielbare Abbildung oder einfachste Umsetzung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Gitterelement zwei Teilgitter. Das erste Teilgitter lenkt Messlicht des gesamten Wellenlängenbereichs auf die Länge der erste Detektorzeile aufgefächert und das zweite Teilgitter lenkt einen Ausschnitt des Wellenlängenbereichs weiter aufgefächert auf die Länge der zweiten Detektorzeile. Durch die Wahl von zwei Teilgittern ist eine besonders flexible Ausgestaltung der Messvorrichtung möglich.
Es ist dabei zweckmäßig, wenn die Teilgitter räumlich getrennte Bereiche des Gitterelements bilden, worauf verschiedene Teile des Messlicht-Strahls fallen. So kann beispielsweise ein linker Bereich des Gitterelements das erste Teilgitter bilden und ein rechter Bereich des Gitterelements das zweite Teilgitter. Beide Teilgitter können auf einer gemeinsamen Halterung aufgebracht werden, wobei separate Einstellungsmöglichkeiten der Winkel für die Justage vorzusehen sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben das erste und das zweite Teilgitter des Gitterelements die gleiche Strichzahl, aber sind in unterschiedlichen Raumwinkeln orientiert. Es werden unterschiedliche Beugungsordnungen der Teilgitter verwendet und auf die jeweilige Detektorzeile abgebildet. Durch die verschiedene Beugungsordnung wird eine unterschiedliche Auffächerung der Wellenlängen erzielt. Die Strichzahl ist die Anzahl Gitterlinien pro Längeneinheit und bestimmt somit die Beugungseigenschaften.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben das erste und das zweite Teilgitter des Gitterelements unterschiedliche Strichzahlen. Die Gitter können dann in geringerer Verkippung zueinander angeordnet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Spektrometer einen einzigen optischen Eingang für das Messlicht. Der Strahl wird durch eine kollimierende Optik aufgeweitet und die zwei Teilgitter ragen jeweils zu einem Teil in den Strahl.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Spektrometer mindestens zwei räumlich beabstandete optische Eingänge für das Messlicht. Insbesondere tritt durch jeden der Eingänge Licht mit den gleichen Eigenschaften, d.h. Licht, welches die gleiche Interferenzinformation trägt.
In dieser Ausführungsform ist das Gitterelement vorzugsweise als ein durchgehendes Gitter ausgeführt, und die unterschiedliche Auffächerung auf die erste und zweite Detektorzeile wird durch die unterschiedlichen Einkopplungspunkte in das Spektrometer und somit unterschiedlichen Einfall auf das Gitterelement, hervorgerufen.
Es ist vorteilhaft, wenn Messlicht so auf die Detektorzeilen aufgeteilt gerichtet wird, dass die Summe der Intensitätswerte über die erste Detektorzeile und die Summe der Intensitätswerte über die zweite Detektorzeile näherungsweise gleich ist, insbesondere dann gleich ist, wenn keine Interferenzmodulation vorhanden ist. So ist sichergestellt, dass das Signal in allen Situationen im Mittel annähernd gleich stark ist, so dass nicht eine der Zeilen über- bzw. unterbelichtet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Messvorrichtung einen Referenzarm. Dieser Referenzarm umfasst eine reflektierende Referenzfläche, gegen die ein Lauflängenunterschied gemessen wird. Die Referenzfläche stellt einen festen Bezugspunkt, bspw. für eine Topographiemessung dar.
Zweckmäßigerweise kann die Messvorrichtung, bzw. sinnigerweise der Messkopf, relativ zum Messobjekt bewegt werden, so dass eine Topographie, bzw. örtliche Dickenverteilung, gemessen werden kann. Es ist auch möglich, statt dem ganzen Messkopf nur den Messpunkt zu scannen, bspw. durch Einsatz von Scannerspiegeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden alle Pixel der ersten Detektorzeile einzeln ausgelesen und die Pixel der zweiten Detektorzeilen gepaart oder in Gruppen von N Pixeln gemittelt ausgelesen. Dies hat den Effekt, dass die verschiedenen Auflösungen rein elektronisch hergestellt werden können. Gegenüber einem ständigen Auslesen und Verarbeiten aller Pixel der gesamten Zeile ist diese Möglichkeit schneller. Ebenfalls ist es möglich, statt zwei getrennte Detektorzeilen zu verwenden, die beiden Auslesemöglichkeiten zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf dieselbe Detektorzeile anzuwenden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bereitgestellt, wonach durch das Spektrometer ein zweites Spektrum des Ergebnisses der Interferenz zwischen Messlicht, welches von einer ersten Grenzflächen des Messobjekts reflektiert wurde und Messlicht, welches von mindestens einer zweiten Grenzfläche des Messobjektes oder von einer Referenz-Grenzfläche reflektiert wurde, an eine Auswerteeinrichtung ausgegeben wird, wobei das zweite Spektrum aus einer zweiten diskreten Datenreihe von Intensitätswerten über Wellenlängen besteht und die Anzahl Datenpunkte pro Wellenlängeneinheit größer ist als für das erste Spektrum, und wobei aus beiden Spektren durch eine Auswerteeinheit optische Lauflängenunterschiede entsprechend der Modulation der Spektren berechnet werden.
Vorteilhafterweise geht das erste Spektrum über einen größeren Gesamtwellenlängenbereich als das zweite Spektrum, wobei insbesondere die Gesamtzahl an Datenpunkten in beiden Spektren gleich sind. Es wird also ein erstes Intensitätsspektrum über einen Wellenlängenbereich λ_A-> λ_D ausgegeben, wobei die Datenpunkte des Spektrums um Δλ₁ beabstandet sind. Ein zweites Intensitätsspektrum über den Wellenlängenbereich λ_B-> λ_C wird auch ausgegeben, wobei hier die Datenpunkte um Δλ₂ beabstandet sind. Es gilt: Δλ₁> Δλ₂ und λ_A≤ λ_B ≤ λ_C ≤ λ_D sowie λ_C- λ_B < λ_D- λ_A.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden aus dem ersten Spektrum berechnete Lauflängenunterschiede und aus dem zweiten Spektrum berechnete Lauflängenunterschiede konsolidiert und gesammelt ausgegeben. Für den Anwender wird eine einzige Liste an Werten ausgegeben, gegebenenfalls zusammen mit einer graphischen Darstellung der Spektren. Hierzu müssen die Werte innerhalb des Überlappbereichs, in dem beide Spektren auswertbare Ergebnisse liefern, abgeglichen und verrechnet werden.
Durch diese Messvorrichtung und Verfahren ist es auch möglich, dicke Proben mit einer dünnen aufgebrachten Schicht gleichzeitig zu vermessen. Hier sollte die dünne Schicht im aus dem kleinen Messbereich ausgelesen werden und die Gesamtdicke aus dem großen Messbereich ausgelesen werden. Nach außen verhält sich das Gerät so, als gäbe es nur einen einzigen Messbereich.
Besonders bevorzugt werden die Informationen über die dünne Schicht auf das Messergebnis der dicken Schicht übertragen. Wenn es sich beispielsweise um ein Messobjekt mit Grenzflächen H, J und K handelt, wobei der abstand zwischen H und J groß ist, aber der Abstand zwischen J und K vergleichsweise klein. So liefert das nieder-aufgelöste Spektrum über den gesamten Wellenlängenbereich einen Wert für die Schichtdicke J-K, jedoch nicht für die Schichtdicken H-J und H-K. Das hochaufgelöste Spektrum über den Teilbereich zeigt hingegen die Interferenzen H-J und H-K, kann diese aber nicht unterscheiden bzw. beide getrennt auflösen. Es wird ein Mittelwert ausgegeben. Die Information über die Schichtdicke J-K kann nun verwendet werden, um H-J und H-K getrennt anzugeben, indem der Mittelwert zurück gerechnet wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:

1 eine erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
2 ein optisches Spektrometer einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
3 ein weiteres optisches Spektrometer;
4 und 5 Möglichkeiten für eine Einkopplung in das Spektrometer;
6 eine beispielhafte Messvorrichtung mit einem Referenzarm;
7 und 8 beispielhafte Spektren;
9 eine Verarbeitung von Detektorpixeln.

1 zeigt eine erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Diese umfasst eine Lichtquelle 1, welche Messlicht eines kontinuierlichen Wellenlängenbands emittiert. Vorteilhafterweise handelt es sich um Licht im sichtbaren oder nah-Infrarotbereich, bspw. Licht der Wellenlängen 960nm-1090nm oder 1250nm-1370nm. Bei der Lichtquelle handelt es sich um an sich bekannte Lichterzeugungsmittel, bspw. LED, SLD oder ähnliches.
Das Messlicht wird anschließend mittels einer ersten optischen Faser 2 zu einem Messkopf 3 geleitet, welcher das Messlicht auf ein Messobjekt 4 abbildet. Eine oder mehrere Grenzflächen des Messobjekts 4 reflektieren das Messlicht und zumindest ein Teil des reflektierten Lichtes wird wieder vom Messkopf 3 empfangen.
Das rücklaufende Messlicht wird in eine weitere Faser 6 geleitet, welche beispielhafterweise über einen Faserkoppler 5 mit der ersten Faser 2 gekoppelt ist. Über die weitere Faser 6 wird das Messlicht anschließend in den optischen Eingang 8 des Spektrometers 7 geleitet, wo ein Spektrum der Intensität über die Wellenlänge erfasst wird. Dieses Spektrum wird an eine Auswerteeinrichtung 9 geleitet, welche aus den Spektraldaten einen Dickenwert berechnet. Einzelheiten des Spektrometers 7 sind in den folgenden Figuren gezeigt.
2 zeigt ein optisches Spektrometer einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Das in 2 gezeigte Spektrometer 7 wird als optisches Spektrometer in einer Vorrichtung gemäß der 1 eingesetzt.
Abbildende Optiken sind hier durch einzelne Linsen vereinfacht dargestellt, können aber in jedem Fall aus mehreren optischen Komponenten, wie bspw. Linsen und Spiegeln bestehen.
Das Spektrometer 7 hat einen optischen Eingang 8, durch welchen das Messlicht eintritt. Das Messlicht wird anschließend durch eine erste Optik 11 kollimiert und trifft auf ein Gitterelement 12, bestehend aus zwei Beugungsgittern: Teilgitter 12a und Teilgitter 12b. Dabei fällt je ein räumlicher Bereich des kollimierten Lichtstrahls auf jedes der Teilgitter.
Hier gezeigt sind Reflexionsgitter, es sind aber auch Ausführungen mit Transmissionsgittern umfasst.
Die Teilgitter 12a und 12b sind so ausgeführt, dass sie unterschiedliche Dispersion des Lichtes bewirken. Diese Variante der Erfindung erlaubt eine sehr freie Wahl der beiden Spektralbereiche, da diese von den beiden verwendeten Beugungsgittern festgelegt werden. In dieser gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei den zwei Teilgittern um Beugungsgitter mit der gleichen Linienzahl (bspw. 300 Linien/mm), welche aber in unterschiedlichen Winkeln bzw. Orientierungen angeordnet sind.
Über eine Fokussieroptik 13 wird das vom Gitterelement 12 reflektierte Licht auf einen Detektor 14 abgebildet. Der Detektor 14 umfasst mindestens zwei Detektorzeilen 14a und 14b, welche jeweils aus einer Reihe von photosensitiven Pixeln bestehen, welche eine einfallende Lichtintensität in ein elektrisches Signal umwandeln können. Es kann sich bei dem Detektor auch um einen Flächendetektor (Matrixdetektor) handeln, von dem mindestens zwei Zeilen genutzt werden.
Während das Prinzip hier für zwei Detektorzeilen beschrieben ist, ist auch eine entsprechende Umsetzung mit drei oder mehr Zeilen von der Erfindung umfasst.
Das von Gitterelement 12a reflektierte Licht ist hier als durchgezogene Linien dargestellt. Das Teilgitter 12a ist so im Raum angeordnet und gekippt, dass Licht einer bestimmten Beugungsordnung, bspw. der zweiten Beugungsordnung, auf die erste Detektorzeile 14a abgebildet wird. Dabei sind Linienzahl des Teilgitters 12a, Abbildungseigenschaften der Fokussieroptik 13 so gewählt, dass der gesamte Wellenlängenbereich des Messlichts, über die Länge der Detektorzeile 14a aufgefächert abgebildet wird.
Das von Gitterelement 12b reflektierte Licht ist hier in gestrichelten Linien dargestellt. Das Teilgitter 12b ist so im Raum angeordnet und gekippt, dass Licht einer höheren Beugungsordnung als jene, die mit Teilgitter 12a verwendet wird, auf die zweite Detektorzeile 14b abgebildet wird. Beispielsweise handelt es sich um die vierte Beugungsordnung. Zweckmäßigerweise ist das Teilgitter 12b nicht nur in der Raumrichtung der Aufspaltung (quer zu den Linien) gegenüber Teilgitter 12a verkippt, sondern auch in die Raumrichtung entlang der Linien verkippt, so dass das Licht je die andere Detektorzeile trifft. Dabei sind Linienzahl des Teilgitters 12b und Abbildungseigenschaften der Fokussieroptik 13 so gewählt, dass nur ein Ausschnitt des Wellenlängenbereich des Messlichts über die Länge der Detektorzeile 14b aufgefächert abgebildet wird. Vorzugsweise umfasst dieser Ausschnitt weniger als die Hälfte des gesamten Wellenlängenbereichs.
Bevorzugt haben, zwecks einfacherer Umsetzung der Vorrichtung, Teilgitter 12a und 12b die gleiche Linienzahl und unterscheiden sich nur in der Orientierung. Alternativ dazu kann sich aber auch die Linienzahl unterscheiden, wodurch die räumliche Verkippung in Richtung der Aufspaltung der Teilgitter zueinander kleiner oder null gewählt werden kann.
Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Teilgitter 12a und 12b so im Strahl angeordnet sind, dass in etwa gleich viel Gesamtintensität auf beide Detektorzeilen 14a und 14b gelenkt wird. Insbesondere heißt dies, dass die Grenze zwischen den Teilgittern 12 a und 12b nicht in der Mitte des Strahls ist, sondern versetzt, so dass mehr Licht auf Teilgitter 12b fällt.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Ausschnitt des Wellenlängenbereichs näherungsweise in der Mitte des Gesamt-Wellenlängenbereichs, und/oder es handelt sich um den Ausschnitt, in dem die Lichtquelle 1 am meisten Intensität bereitstellt.
Beispielsweise umfasst der gesamte Wellenlängenbereich, der von der Lichtquelle emittiert und genutzt wird Nah-Infrarot-Licht von 960 - 1090 nm, der Ausschnitt umfasst 1055 - 1090 nm. Als alternatives Beispiel umfasst der gesamte Wellenlängenbereich, der von der Lichtquelle emittiert und genutzt wird Nah-Infrarot-Licht von 1250 - 1370 nm, der Ausschnitt umfasst 1290 - 1320 nm. Diese Wellenlängenbereiche sind besonders zweckmäßig zur Vermessung von Silizium oder ähnlichem Material, welches im Nah-Infrarot-Bereich transparent ist. Eine Nutzung von Wellenlängenbändern im sichtbaren Bereich ist für manche Anwendungen ebenfalls in Betracht zu ziehen.
Beispielsgemäß wird so über zumindest näherungsweise die gesamte Länge der ersten Detektorzeile 14a der gesamte Wellenlängenbereich aufgefächert abgebildet, während über die gleiche Länge der zweiten Detektorzeile nur ein Ausschnitt des Wellenlängenbereichs aufgefächert abgebildet wird. Da beide Detektorzeilen die gleiche Anzahl Detektorpixel umfassen, führt dies dazu, dass das aus den Daten der zweiten Detektorzeile 14b erstellte Spektrum eine höhere Auflösung pro Wellenlängeneinheit hat als das Spektrum aus den Daten der ersten Detektorzeile 14a, wobei beide Zeilen gleich viele Datenpunkte ausgeben.
Die Daten beider Detektorzeilen werden anschließend an die Auswerteeinrichtung weitergeleitet. Mittels der Auswerteeinrichtung wird eine Analyse beider Spektren durchgeführt. Insbesondere wird jedes Spektrum auf bekannte Weise entzerrt und Fourier-transformiert, wodurch Frequenzen der Modulation identifiziert werden können, welche zu bestimmten Lauflängenunterschieden zwischen reflektierenden Oberflächen korrespondieren. Wie oben erläutert, wird bei größeren Lauflängenunterschieden (näher der oberen Messbereichsgrenze des Geräts) das Spektrum aus Daten der Detektorzeile 14a die Modulation nicht mehr gut aufgelöst, da die Modulationen enger sind als die Abstände der Datenpunkte. Das Spektrum aus Daten der Detektorzeile 14b lässt sich hingegen auswerten, da hier ein schmalerer Bereich des Wellenlängenbandes verwendet wird und die Datenpunkte daher enger liegen. Umgekehrt verhält es sich bei kleinen Lauflängenunterschieden (nahe der unteren Messbereichsgrenze), bei denen die Daten der Detektorzeile 14a besser verwertbar sind. Das Spektrum aus Daten der Detektorzeile 14b zeigt in dem Fall nicht genügend Modulationen.
Aus beiden Spektren werden also jeweils erkennbare optische Dicken, bzw. Weglängenunterschiede zwischen zwei Flächen erkannt. Bei den Flächen kann es sich um mehrere Grenzflächen des Messobjektes oder um eine Grenzfläche des Messobjektes und eine Referenzfläche innerhalb der Messvorrichtung handeln.
Die erhaltenen Dickenwerte werden anschließend verglichen, um Übereinstimmungen in dem Bereich, in dem beide Spektren verwertbare Ergebnisse liefern, zu identifizieren. Anschließend wird eine konsolidierte Liste an Dickenwerten an den Anwender ausgegeben. Optional kann eine graphische Überlagerung beider Spektren oder beider Fourier-transformierter Spektren zur visuellen Darstellung ausgegeben werden.
3 zeigt ein weiteres beispielhaftes optisches Spektrometer.
Alternativ zu dem Ansatz mit zwei verschiedenen Teil-Beugungsgittern, gezeigt in 2, kann auch ein einziges Beugungsgitter verwendet werden, hier gezeigt in 3. Hier würde man das gebeugte Messlicht aus zwei verschiedenen Beugungsordnungen von einem Gitter auf die jeweiligen Detektorzeilen abbilden. Um den räumlichen Versatz der beiden Spektren zu realisieren, muss das Eingangslicht über zwei Punkte im Raum in das Spektrometer eingekoppelt werden. Bei dieser Variante sind die beiden Spektralbereich nicht so frei wählbar wie in der zuvor genannten Variante.
Bei dieser Ausführungsform wird das Licht durch zwei räumlich beabstandete Eingänge 8a und 8b in das Spektrometer eingekoppelt. Die Umsetzung der beiden Eingänge wird weiter unten in 4 ausgeführt. Licht aus beiden Eingängen 8a und 8b wird durch eine Optik 111, welche aus mehreren optischen Elementen bestehen kann, kollimiert und auf ein optische Beugungsgitter 112 gerichtet. Gebeugtes Licht wird anschließend durch eine Fokussieroptik 113, welche aus mehreren optischen Elementen bestehen kann, auf einen Detektor 14 abgebildet. Dieser Detektor entspricht in seiner Ausführung dem im Zusammenhang mit der 2 beschriebenen Detektor und umfasst mindestens zwei Detektorzeilen 14a und 14b oder einen Matrixdetektor, von dem zwei Zeilen genutzt werden. Das hier gezeichnete Beugungsgitter ist ein Transmissionsgitter, es sind aber prinzipiell auch Reflexionsgitter umfasst.
Der Eingang 8a ist dabei so räumlich zu Gitter 112 und Detektor 14 angeordnet, dass Licht einer bestimmten Beugungsordnung des Gitters, beispielsweise der 3. Beugungsordnung, auf die Detektorzeile 14a abgebildet wird. Dabei sind die Elemente des Spektrometers so gewählt und angeordnet, dass im Wesentlichen der gesamte Wellenlängenbereich des Messlichts, über die Länge der Detektorzeile 14a aufgefächert abgebildet wird.
Der zweite Eingang 8b ist dagegen in einem Abstand vom Eingang 8a so angeordnet, dass eine höhere Beugungsordnung des Gitters, beispielsweise die 4. Beugungsordnung, auf die Detektorzeile 14b abgebildet wird. Durch die höhere Beugungsordnung ist das Licht stärker aufgefächert, weshalb nur ein Ausschnitt des gesamten Wellenlängenbandes über die Länge der Detektorzeile abgebildet wird.
Vorzugsweise sind die Eingänge 8a und 8b sowohl in der Raumrichtung parallel zu den Gitterlinien versetzt (um die Abbildung auf die zwei verschiedenen Detektorzeilen 14a und 14b zu bewirken), als auch versetzt in der Raumrichtung, die quer zu den Gitterlinien und der optischen Achse ist (um die verschiedenen Beugungsordnungen zu treffen).
Der resultierende Lichteinfall auf den Detektorzeilen entspricht dann vom Prinzip her, dem zur 2 beschriebenen. Die weitere Verarbeitung und Auswertung werden durchgeführt wie dort beschrieben.
Während das Prinzip hier für zwei Detektorzeilen beschrieben ist, ist auch eine Umsetzung mit drei oder mehr Zeilen von der Erfindung umfasst.
Durch geeignete Wahl der Beugungsordnungen, des Gitter-Kippwinkels und des Abstands der beiden Eingänge kann man also erreichen, dass die beiden Teilspektren in der Detektorebene gleich breit sind und übereinander liegen
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist eine Hybridlösung zwischen der Ausgestaltung der 2 und der Ausgestaltung der 3. Dabei ist vorgesehen, dass es sowohl zwei Teilgitter mit unterschiedlichen Orientierungen bzw. Eigenschaften gibt als auch zwei beabstandete Lichteingänge. Licht von je einem Eingang wird mittels je einer unterschiedlichen (in Linienzahl und/oder Orientierung) Teilgitters aufgefächert und auf je eine Detektorzeile gerichtet.
4 und 5 zeigen Möglichkeiten für eine Einkopplung in das Spektrometer 7 der 3.
Dabei zeigt 4 eine Freistrahllösung. Vom Messkopf kommendes aus der Faser 6 tritt aus einem Faserende 40 aus und wird durch einen Strahlteiler 41, hier dargestellt als Strahlteilerwürfel, ein zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Der Strahlteilerwürfel kann dabei 50/50 aufteilen, oder in einem beliebigen anderen Verhältnis, bevorzugt derart, dass die Gesamtintensität auf jeder der Detektorzeilen 14a und 14b gleich ist, wie zur 2 erläutert. Die Strahlen werden anschließend durch Umlenkspiegel 42a und 42b so umgelenkt, dass die Mittenstrahlen parallel verlaufen. Anschließend wird das Licht weiterverarbeitet, wie zur 3 beschrieben, wobei die Positionen der Eingänge 8a und 8b den virtuellen Quellenpunkten hinter den Umlenkspiegeln 42a und 42b entsprechen.
5 zeigt eine Umsetzung als Faseroptik. Die vom Messkopf kommende Faser 6 ist durch einen Faserkoppler 50 mit zwei weiteren Fasern verbunden, auf welche das Licht aufgeteilt wird. Auch hier kann ein geeignetes Teilungsverhältnis wie oben beschrieben gewählt werden. Das Licht tritt anschließend aus den Faserenden aus, welche den Spektrometereingängen 8a und 8b entsprechen.
6 zeigt eine beispielhafte Messvorrichtung mit einem Referenzarm. 5 entspricht der in 1 gezeigten Vorrichtung, wobei zusätzlich ein Referenzarm 10 mit dem Faserkoppler 5 verbunden ist. Ein Teil des Lichts der Lichtquelle 1 wird hierbei statt in den Messkopf 3 in den Referenzarm 10 geleitet, dort an einer Referenzfläche 60 reflektiert und von dort auf gleichem Wege zurück zum Faserkoppler 5 geleitet. Dort wird das Licht aus dem Referenzarm mit dem Licht aus dem Messkopf 3 kombiniert und in die Faser 6 in Richtung Spektrometer 7 geleitet. Alternativ ist auch eine Ausführung mit einem Referenzarm, die ganz oder teilweise Licht als Freistrahl statt über Fasern leitet, vorgesehen. Insbesondere wird dann anstatt des Faserkopplers ein Strahlteiler eingesetzt.
Die Verwendung eines Referenzarmes 10 erlaubt es, ein Höhenposition auf einem Messobjekt relativ zu einem festen Bezugspunkt zu messen. Wird der Ort der Messung auf dem Messobjekt gescannt, können so Topographien erstellt werden.
Es sind auch gemischte Messkonfigurationen möglich, bei denen sowohl eine oder mehrere Schichtdicken des Messobjekts gemessen werden (durch Interferenz zwischen an verschiedenen Grenzflächen des Messobjekts reflektiertem Licht), als auch eine Topographie des Messobjekts relativ zu einem festen Punkt mittels des Referenzarms. Ein zuschaltbarer Referenzarm ist ebenfalls möglich.
7 zeigt beispielhafte Spektren bei einem großen Lauflängenunterschied.
Das Intensitätssignal auf Detektorzeile 14a ist hier als 70a graphisch dargestellt. Es wird daraus ein Spektrum 71a erstellt. Entsprechend ist das Intensitätssignal auf Detektorzeile 14b als 70b dargestellt und das entsprechende Spektrum als 71b. Wie hier zu erkennen sind die Modulationen durch die Interferenz so eng, dass sie durch das Spektrum 71a nicht aufgelöst werden können, durch 71 b allerdings schon.
8 zeigt beispielhafte Spektren bei einem kleinen Lauflängenunterschied.
Die Detektorsignale und Spektren entsprechen 7, wobei hier die Modulation besser durch Spektrum 71a aufgelöst werden kann.
9 zeigt schematisch eine Verarbeitung von Detektorpixeln in einer weiteren optischen Messvorrichtung.
Alternativ zur physischen unterschiedlichen Auffächerung des Messlichts im Spektrometer, wie in den vorhergehenden Figuren gezeigt, kann die Auflösung bzw. die Anzahl Datenpunkte des Spektrums auch elektronisch eingestellt werden. Dies ermöglicht den Einsatz einer einzigen Detektorzeile, welche umgeschaltet werden kann. Eine Umsetzung mit zwei Detektorzeilen, welche gleichzeitig verschiedene Auflösungen liefern, ist aber auch möglich. Grundlage ist das sogenannte „Pixelbinning“, welches es ermöglicht, je mehrere benachbarte Pixel einer Detektorzeile gruppiert auszulesen.
Genutzt wird ein Zeilendetektor, der die Möglichkeit bietet, Pixel durch Binning gemeinsam auszulesen. So können bei einem Detektor, der bspw. eigentlich 2048 Pixel besitzt, zur weiteren und schnelleren Verarbeitung nur 1024 Pixel verwendet werden (je zwei gemeinsam gebinnte Pixel). Gleichzeitig soll es bei dem Detektor möglich sein, 2048 ungebinnte Pixel auszulesen, aber nur die Hälfte für die gleiche, schnelle Weiterverarbeitung zu nutzen. Auch ein Auslesen nur eines Teils der Pixel, bspw. der Pixel 512 bis 1536, ist möglich. Vorteilhafterweise wird dabei ein Ausschnitt der Zeile ausgelesen. Somit entstehen zwei Ausleseoptionen, die in der nachgelagerten Verarbeitung schnell sind, und vor allem gleich ablaufen können.
Das Gerät kann durch Pixelbinning im Betrieb zwischen kleinem und großem Messbereich umschalten, ohne dass sich die Signalverarbeitung im Gerät ändern muss. So kann außerdem ein Gerät mit großem Messbereich geschaffen werden, wenn die Computerressourcen limitiert sind.
Der volle Spektralbereich wird über die gesamte Zeilenlänge auf den Detektor abgebildet. Die Spotgröße der optischen Abbildung auf den Detektor sollte kleiner oder gleich sein im Vergleich zur Pixelgröße des Detektors (ungebinnte Pixelgröße).
Durch Binning oder Ignorieren der Hälfte der Pixel können bei sonst selbem optischen Aufbau (auch gleiche Lichtquelle) und Weiterverarbeitung mittels Software zwei Spektralbereiche und damit zwei Messbereiche ausgewertet werden.
Der volle Spektralbereich einer Lichtquelle wird auf eine Detektorzeile abgebildet. In einem ersten Modus werden alle Pixel getrennt ausgelesen, aber die Hälfte der Pixel wird nicht weiterverwendet. Die nicht verwendeten Pixel müssen nebeneinander liegen, also einen geometrischen Block bilden. Somit wird effektiv ein kleiner Spektralbereich ausgelesen. Das ermöglicht die Messung großer Lauflängenunterschiede. In einem zweiten Modus werden benachbarte Pixel gepaart ausgelesen. Durch den vollen Spektralbereich kann in interferometrischen Geräten ein geringer Lauflängenunterschied gemessen werden. Beide Modi können angewendet werden, ohne dass die Weiterverarbeitung im Controller geändert werden muss.
Vorteilhafterweise wird je nach Beschaffenheit des Messobjektes zwischen den Modi umgeschaltet. Es ist auch möglich. Dauerhaft schnell zwischen den Modi hin- und her zu schalten, um quasi gleichzeitig verschiedene Lauflängenunterschiede zu messen.
Der erste Modus ist dabei in 9 schematisch als M1 dargestellt: alle Pixel der Detektorzeile werden ausgelesen und an die Auswerteeinheit 9 übertragen. Der zweite Modus ist als M2 dargestellt: hier werden die Pixel je paarweise ausgelesen und die Summe oder Durchschnittswerte jedes Paars an die Auswerteeinheit 9 übertragen. Ein alternativer zweiter Modus ist als M3 dargestellt: statt paarweise werden die Pixel hier in 4er Gruppen ausgelesen. Eine Verallgemeinerung auf Gruppierungen von N Pixeln ist möglich.
Das oben genannte Beispiel kann auch auf zwei Zeilen stattfinden (Wieder nur eine Lichtquelle, ein Spektrometer, aber das Spektrum wird auf zwei oder mehrere Zeilen aufgeteilt, wie oben beschrieben, jedoch mit gleicher Auffächerung auf beide Zeilen. Die Modi 1 und 2 könne so getrennt und ggf. parallel angewendet werden.
Weitere alternative Lösungen, welche nicht in den Figuren gezeigt werden, können auch in Betracht gezogen werden:

Eine Umsetzung, in der der Detektor nur eine Zeile umfasst, jedoch die Optik in ihrer Brennweite variabel ist. Folglich könnte die spektrale Breite, die auf dem Detektor abgebildet wird, variiert werden. Diese Lösung ist konstruktiv aufwändiger und ermöglicht nicht die Erfassung beider Spektralbereiche/Auflösungen zur gleichen Zeit, jedoch kommt sie mit weniger Detektorzeilen aus.

Ebenfalls möglich ist es, nur ein Gitter einzusetzen, welches jedoch im Winkel verstellbar ist, so dass zwischen verschiedenen Gitterordnungen umgeschaltet werden kann. Ebenso ist eine Lösung nach dem Prinzip der 3, jedoch mit Umschalten zwischen den Eingängen, bspw. via Faserschalter, möglich

Claims

Optische interferometrische Messvorrichtung mit einer Lichtquelle, einem Messkopf und einem optischen Spektrometer, wobei die Lichtquelle eingerichtet ist, mindestens Messlicht eines kontinuierlichen Wellenlängenbereichs zu erzeugen, und wobei der Messkopf optisch mit Lichtquelle verbunden ist und Messlicht auf ein Messobjekt richtet, sowie vom Messobjekt reflektiertes Messlicht empfängt, wobei das optische Spektrometer ein erstes Spektrum des Ergebnisses der Interferenz zwischen Messlicht, welches von einer ersten Grenzfläche des Messobjekts reflektiert wurde und Messlicht, welches von mindestens einer zweiten Grenzfläche des Messobjektes oder von einer Referenz-Grenzfläche reflektiert wurde, an eine Auswerteeinrichtung ausgibt, und das optische Spektrometer umfasst: - mindestens ein Gitterelement zur Auffächerung des in das Spektrometer geleiteten Messlichts nach Wellenlängen - eine erste Detektorzeile, auf die aufgefächertes Messlicht gerichtet wird, welche aus einer Mehrzahl von Detektorpixeln besteht, wobei das erste Spektrum aus einer Reihe der von den Detektorpixeln der ersten Detektorzeile gemessenen Intensitätswerten besteht, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, einen optischen Wegunterschied zwischen erster Grenzfläche und zweiter Grenzfläche bzw. Referenzfläche aus Spektren zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Spektrometer mindestens eine zweite Detektorzeile, auf die aufgefächertes Messlicht gerichtet wird umfasst, und die zweite Detektorzeile aus einer Mehrzahl von Detektorpixeln besteht und ein zweites Spektrum aus einer Reihe der von den Detektorpixeln der zweiten Detektorzeile gemessenen Intensitätswerten besteht, wobei das erste Spektrum im Wesentlichen den gesamten Wellenlängenbereich in einer ersten Auflösung umfasst, und wobei das zweite Spektrum einen Ausschnitt des Wellenlängenbereichs in einer höheren Auflösung umfasst.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitterelement zwei Teilgitter umfasst und das erste Teilgitter Messlicht des gesamten Wellenlängenbereichs auf die Länge der erste Detektorzeile aufgefächert lenkt und das zweite Teilgitter einen Ausschnitt des Wellenlängenbereichs weiter aufgefächert auf die Länge der zweiten Detektorzeile lenkt.
Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilgitter räumlich getrennte Bereiche des Gitterelements bilden, worauf verschiedene Teile des Messlicht-Strahls fallen.
Messvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Teilgitter des Gitterelements die gleiche Strichzahl haben, aber in unterschiedlichen Raumwinkeln orientiert sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Teilgitter des Gitterelements unterschiedliche Strichzahlen haben.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer einen einzigen optischen Eingang für das Messlicht hat.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer mindestens zwei räumlich beabstandete optische Eingänge für das Messlicht hat.
Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch jeden der optischen Eingänge des Spektrometers Licht mit den gleichen Eigenschaften eintritt.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messlicht so auf die Detektorzeilen aufgeteilt gerichtet wird, dass die Summe der Intensitätswerte über die erste Detektorzeile und die Summe der Intensitätswerte über die zweite Detektorzeile näherungsweise gleich ist, insbesondere dann gleich ist, wenn keine Interferenzmodulation vorhanden ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung einen Referenzarm umfasst, insbesondere einen zuschaltbaren Referenzarm.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Pixel der ersten Detektorzeile einzeln ausgelesen werden und die Pixel der zweiten Detektorzeilen gepaart oder in Gruppen von N Pixeln gemittelt ausgelesen werden.
Verfahren zur optischen interferometrischen Messung, wobei Licht eines kontinuierlichen Wellenlängenbandes mittels eines Messkopfes auf ein Messobjekt gerichtet wird, und von dem Messobjekt über den Messkopf und/oder einer Referenzfläche reflektiertes Licht in ein Spektrometer eingespeist wird, wobei durch das Spektrometer ein erstes Spektrum des Ergebnisses der Interferenz zwischen Messlicht, welches von einer ersten Grenzfläche des Messobjekts reflektiert wurde und Messlicht, welches von mindestens einer zweiten Grenzfläche des Messobjektes oder von einer Referenz-Grenzfläche reflektiert wurde, an eine Auswerteeinrichtung ausgibt, wobei das erste Spektrum aus einer diskreten Datenreihe von Intensitätswerten über Wellenlängen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Spektrometer ein zweites Spektrum des Ergebnisses der Interferenz zwischen Messlicht, welches von einer ersten Grenzfläche des Messobjekts reflektiert wurde und Messlicht, welches von mindestens einer zweiten Grenzfläche des Messobjektes oder von einer Referenz-Grenzfläche reflektiert wurde, an eine Auswerteeinrichtung ausgibt, wobei das zweite Spektrum aus einer zweiten diskreten Datenreihe von Intensitätswerten über Wellenlängen besteht und die Anzahl Datenpunkte pro Wellenlängeneinheit größer ist als für das erste Spektrum und wobei aus beiden Spektren durch eine Auswerteeinheit optische Lauflängenunterschiede entsprechend der Modulation der Spektren berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spektrum über einen größeren Gesamtwellenlängenbereich geht als das zweite Spektrum, wobei insbesondere die Gesamtzahl an Datenpunkten in beiden Spektren gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei aus dem ersten Spektrum berechnete Lauflängenunterschiede und aus dem zweiten Spektrum berechnete Lauflängenunterschiede konsolidiert und gesammelt ausgegeben werden.