DE2112229A1 - Device for measuring the roughness of a surface - Google Patents

Abstract

1350440 Measuring surface roughness PHILIPS ELECTRONIC & ASSOCIATED INDUSTRIES Ltd 19 April 1971 [25 March 1970] 24851/71 Addition to 1282516 Heading G1A In a modification of an apparatus for measuring the roughness of a surface 21 of the kind disclosed in Pat. No. 1282516 wherein two images of the surface are superimposed on one another, light from a source 22 is formed by an electrooptical modulator 24 into two sub-beams, which are polarized at right angles to one another and have a periodically varying difference in phase with respect to one another, the sub-beams being directed on to the surface 21 via beam splitting mirror 25 and an interferometer 26, which provides a mutual lateral displacement between the beams and the reflected beam passes, as shown, through an analyzer 29, the direction of polarization of which is at an angle of 45 degrees to the sub-beam. Thus two mutually coherent laterally displaced images of the portion of the surface being investigated may be superimposed on the sensitive surface of a detector 31 is enabling optical interference to take place, and the detector's output may be processed as disclosed in the above patent. A mathematical analysis is disclosed.

Description

"Vorrichtung zum Messen der Rauhigkeit einer Oberfläche" (Zusatz zu Patent . ... ... (Patentanm. P 19 46 495.O))"Device for measuring the roughness of a surface" (addendum to patent. ... ... (patent application P 19 46 495.O))

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Rauhigkeit einer Oberfläche, welche Vorrichtung ein optisches System enthält, mit dessen Hilfe zwei Abbildungen der Oberfläche einander überlagert werden, die einen gegenseitigen Phasenunterschied und eine gegenseitige Verschiebung aufweisen.The invention relates to a device for measuring the roughness of a surface, which device a optical system, with the help of which two images of the surface are superimposed on each other, one on the other Phase difference and a mutual shift exhibit.

. Eine derartige Vorrichtung ist Gegenstand des Hauptpatentes >^lifV. ... (Patentanmeldung P 19 46 495.0). Die dort beschriebene Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß sie für Schwingungen und für Fehler in den optischen Komponenten empfindlich ist. . Such a device is the subject of the main patent> ^li fV. ... (patent application P 19 46 495.0). However, the device described there has the disadvantage that it is sensitive to vibrations and to errors in the optical components.

Die!Erfindung bezweckt, die^e Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß eich Schwingungen und Fehler in den optischen Komponenten nicht mehr auswirken. Diea geschieht erfindungsgemäß darin, daß der The invention aims to achieve this to improve that calibrated vibrations and errors in the optical components no longer have an effect. This happens according to the invention in that the

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-Jt- ': PHK.4767. -Jt- ': PHK.4767.

Phasenunterachied zwischen zwei zueinander senkrecht polarisierten Teilbündeln mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators angebracht wird, und dass <3ie Verschiebung in einem nach der Polarp.- aationarichtung diskriminierenden Interferometer bewirkt wird.Phase difference between two mutually perpendicular polarized Partial bundle is attached with the help of an electro-optical modulator, and that <3ie shift in a polar direction discriminatory interferometer is effected.

Dank dieser Massnahme kann ein stabilee Interfarometar ohne bewegbare Teile aufgebaut werden.Thanks to this measure, a stable interfarometar can be set up without moving parts.

Die Erfindung wird beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Ea zeigen;The invention is explained in more detail, for example, with reference to the drawing. Show Ea;

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung,Fig. 1 shows an embodiment of the device according to the Invention,

Fig. 2 eine erste Abwandlung einee Einzelteiles der Vorrichtung nach Fig. 1, und2 shows a first modification of an individual part of the device according to Fig. 1, and

Fig. 3 eine zweite Abwandlung des gleichen Einzelteiles der Vorrichtung nach Fig. 1. -...-. Fig. 3 shows a second modification of the same component part of the device according to Fig. 1. -...-.

In der Vorrichtung nach Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer der mit Unebenheiten versehene Gegenstand bezeichnet, der z.B. eine bereits auf angemessene Weise polierte Siliziumacheibe ist}. die bei der Herstellung integrierter Schaltungen als Ausgangsmaterial dient. Die von einer z.B. aus einer Quecksilberlampe bestehenden Strahlungsquelle 22 herrührende ziemlich monochromatisohe Strahlung wird von der Kollimatorlinse 23 in ein paralleles Strahlungsbündel umgewandelt, das einem elektrooptischen Modulator 24 zugeführt wird. Aus dem Modulator treten zueinander senkrecht polarisierte Teilbündel aus, die einen gegenseitigen Phasenuntersohied aufweisen· Zu diesem Zwecke wird in der Fortpflanzungsrichtung des Strahlungsbündels ein geeignetes eobes Potential angelegt»In the device according to FIG. 1, the reference number denotes the object provided with unevenness, which is, for example, a silicon disk that has already been adequately polished}. which is used as a starting material in the manufacture of integrated circuits. The rather monochromatic radiation originating from a radiation source 22 consisting, for example, of a mercury lamp is converted by the collimator lens 23 into a parallel beam of radiation which is fed to an electro-optical modulator 24. Polarized sub-beams emerging from the modulator from each other perpendicularly, which have a mutual Phasenuntersohied · For this purpose, applying a suitable potential eobes in the direction of propagation of the radiation beam "

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-> - PHN.4767.-> - PHN.4767.

Die aus dem Modulator austretenden Tailbündel werden an dem isotropen Teil.spiegel 25 reflektiert und durchlaufen dann das Interferometer 26. Aus dem Interfotometer treten c".ie Teilbündel mit einem regelbaren gegenseitigen Verschiebung aur. Das Interferometer ist auf eine für diesen Zweck geeignete Weise aufgebaut. Me Teilbündel durchlaufen anschliessend die Feldlinse 2^ und werden über die Bronnebene 33 der Feldlinae, die zugleich die :£rennebenfi des Objektivs 28 ist, und über das Objektiv 28 in parallele Teilbündel umgewandelt, die an dem zu prüfenden Objekt 2t reflektiert werden·The tail bundles emerging from the modulator are reflected on the isotropic partial mirror 25 and then pass through the interferometer 26. The sub bundles emerge from the interphotometer with an adjustable mutual displacement. The interferometer is constructed in a manner suitable for this purpose. The partial bundles then pass through the field lens 2 ^ and are converted into parallel partial bundles via the Bronn plane 33 of the field line, which is at the same time the rennebenfi of the objective 28, and via the objective 28, which are reflected on the object to be tested 2t.

Die reflektierten Teilbündel durchlaufen bis zu dem Teilspiegel den gleichen Weg wie die zu dem Objekt laufenden Teilbündel, aber in umgekehrter Richtung. An der EintrittsflSehe des Interferometers 26 wird ein Zwischenbild J2 des Objekts 21 erzeugt. ·The reflected partial bundles pass through to the partial mirror the same path as the sub-bundle running to the object, but in the opposite direction. An intermediate image J2 of the object 21 is formed at the entrance face of the interferometer 26 generated. ·

Die aus dem Interferometer 26 zu dem Teilspiegel 25 laufenden Teilbündel sind wieder zusammengefügt. Die von dem Teiispiegel durchgelassenen zusammengefügten Teilbündel passieren g einen Analysator 29, dessen Polarisationsrichtung mit der der Teilbündel einen Winkel von 45° einschlinsst. Die Linse 30 konvergiert die von dem Analysator 29 durchgelassenen Komponenten der Teilbündel. Die konvergierten Bündel fallen auf den Detektor 31 auf.The partial bundles running from the interferometer 26 to the partial mirror 25 are reassembled. The transmitted by the Teiispiegel assembled sub-beams pass through an analyzer 29 g, the polarization direction with which the sub-beams einschlinsst an angle of 45 °. The lens 30 converges the components of the partial bundles transmitted by the analyzer 29. The converged beams are incident on the detector 31.

Das im Detektor 31 erzeugte elektrische Signal hat die Forms S- S₀ £ 1 ₊Y (^) cos ^4 ₊
Dabei isttThe electrical signal generated in the detector 31 has the form S- S ₀ £ 1 ₊ Y (^) cos ^ 4 ₊
Where t

*l(^) di.e au aeeseijde Modulationatiefe als Punktion der : vom Interferomater 26 herbeigeführten Verachiebung 6}* l (^) di.e au aeeseijde modulation depth as puncture of the displacement caused by the interferometer 26 6}

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- IS - - PHS.4767.- IS - - PHS.4767.

τ der vom Modulator 24 erzeugte Phasenunterschied zwischen den im Modulator erhaltenen zueinander senkrecht polarisierten TeilbUndeln; undτ is the phase difference generated by the modulator 24 between the sub-bundles polarized perpendicular to one another and obtained in the modulator; and

SP(S) ein durch die Oberflächenrauhigkeit des Objekts 21 herbeigeführter Phasenterm als Punktion der Verschiebung & » Ψ erhSlt die folgende Forms SP (S) a phase term brought about by the surface roughness of the object 21 as a puncture of the displacement & »Ψ has the following form

^m ^eV>o +^eineut,^ m ^eV> o + ^ aut,

wobei^f und*f ^ Konstanten darstellen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Elektroden des elektrooptischen Modulators 24, der z.B. ein KDDP-PJr is tall ist, an eine Spannung gelegt werden, die erhalten wird, wenn eine konstante Spännung V einer Wechselspannung V-sinWt überlagert wird. Es ist einleuchtend, dassV zu V und dass V λ zu V₁ proportional ist.where ^ f and * f ^ represent constants. This is achieved in that the electrodes of the electro-optical modulator 24, which is, for example, a KDDP-PJr is tall, are connected to a voltage which is obtained when a constant voltage V is superimposed on an alternating voltage V-sinWt. It is evident that V is proportional to V and that V λ _{is proportional to V 1.}

Das Signal S kann geschrieben werden als:The signal S can be written as:

S =. 3_O + S
-S_oYC<S)sin{*f_o +f (&)} sinS =. 3 _O + S
-S _o YC <S) sin {* f _o + f (&)} sin

Die Vechselstromkomponente mit einer Prequenawdes Signals ist maximal, wenn....The AC component with a pre-equation of the signal is maximum if ...

• Das Signal ist dannt• The signal is on

^S1 ^{e S}o * ^So^Y(6) Si_n^f₁ sin Cot.} . ^S 1 ^{e S} o * ^S o ^{Y (6)} Si _n ^ f ₁ sin Cot.}.

Durch Filterung in einem engen um Cuherum liegenden Frequenzband wird das Signal:By filtering in a narrow area around Cuherum Frequency band is the signal:

S₀₄ -■■- S_OT(6). J₁ (^P₁) sinojt.S ₀₄ - ■■ - S _O T (6). J ₁ (^ P ₁ ) sinojt.

Dabei ist J₁(^₁) die Besselsche Funktion; der ersten Ordnung mit demHere J ₁ (^ ₁ ) is the Bessel function; of the first order with the

Das Bezugssignal S■■ S wird dadurch gemessen, dass das Signal S₁ gleichgerichtet wird.The reference signal S ■■ S is measured in that the signal S _{1 is} rectified.

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PHN.4767.PHN.4767.

Als Interferometer 26 können verschiedene an sich bekannte Typen verwendet werden. In Fig. 2 ist einer dieser Typen veranschaulicht. Im Interferometer naoh Fig. 2 durchlaufen die -Teilbündel die Reihenanordnung zweier Wolläston-Prismen 35 und 36, die entgegengesetzte Winkelspaltungen zwischen den beiden zueinander senkrecht polarisierten in die Reihenanordnung eintretenden Teilbündeln herbeiführen· Die im Wollaston-Prisma 35 erhaltene Winkelspaltung wird im Wollaston-Prisma 36 ausgeglichen. Da der Ausgleich nicht in der gleichen Ebene wie die Spaltung stattfindet, werden die beiden Bündel einer Verschiebung 6 unterworfen, die von dem Abstand L zwischen den beiden Prismen abhängig ist. Durch AenderungdesI Abstandes L kannόkontinuierlich geändert werden.As the interferometer 26, various known ones can be used Types are used. One of these types is illustrated in FIG. In the interferometer naoh Fig. 2 pass through the -Part bundle the row arrangement of two Wolläston prisms 35 and 36, the opposite angular splits between the two to each other bring about vertically polarized partial bundles entering the row arrangement Angular splitting is compensated for in the Wollaston prism 36. Since the Compensation does not take place in the same plane as the split, the two bundles are subjected to a displacement 6, which depends on the distance L between the two prisms. By changing the distance L can be changed continuously.

Fig. 3 zeigt ein anderes Interferometer 26. Das in das "^^—-Interferometer eintretende 3trahlmj£sbünde^_wir^; jgroinJPeilspiegel teilweise reflektüfl und teilweise durchgelessen« Sowohl die . reflektierten als auch die durchgelassenen TeilbUndel werden an zwei flachen Spiegeln 4I und 42 reflektiert, die mit dor Ebene des Teilspiegels 40 gleiche Winkel einsohliessen. In dem Weg der Teilbündel zwisohen den flaohen Spiegeln 41 und 42 ist die Reihenanordnung eines Polarisatcrs 43 und einer λ/2-Platte 44Fig. 3 shows another interferometer 26. The "^^ --- interferometer entering 3-beammj £ sbünde ^ _wir ^; jgroinJPeilspiegel partly reflective and partly read through «Both the. reflected as well as transmitted partial bundles are on two flat mirrors 4I and 42 reflecting the plane of the partial mirror 40 of the same angle. In the way of The partial bundle between the flat mirrors 41 and 42 is the Series arrangement of a polarizer 43 and a λ / 2 plate 44

angebracht.» Die Polärisationsrichtung des Polarisators 43 ist parallel zu; der Polarisationsrichtung eines der zueinander senkrecht polarisierten in das Interferometer eintretenden Teilbündel,appropriate." The polarization direction of the polarizer 43 is parallel to; the polarization direction of one of the perpendicularly polarized sub-bundles entering the interferometer,

..... . Die Hauptri^htung der /y2-Platte 44 ist zu der Polarisations-...... The main direction of the / y2 plate 44 is to the polarization

richtung aäß Polarisators 43 parallel. Die zu dem Teilapi6gel 40 zurückkehrejnden Teilbündel sind demzufolge wieder zueinander senkreoht polarisiert. Das Gebilde dea Polariaators 43 und der &/2-Platte"44 kann weggelassen werden, wenn der Teilspiegel 40direction AAESS polarizer 43 in parallel. The sub-bundles returning to the sub-beam 40 are consequently polarized again perpendicular to one another. The structure of the polarizer 43 and the & / 2 plate "44 can be omitted if the partial mirror 40

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

PHN.4767.PHN.4767.

als ein Polarisationstronnspiegal ausgebildet wild· Wenn die Spiegel 4"¹ und 42 in einer zu der Ebene desformed as a polarizing mirror wild · When the mirrors 4 " ¹ and 42 in one to the plane of the

Teilspiegels 40 senkrechten Richtung verschoben vey.den_t wird die Verschiebung δ bewirkt. Partial mirror 40 shifted in the vertical direction _{vey.den t} the shift δ is effected.

Als Stxahlungsquelle. kann eine Quecksilber lampe AnwendungAs a source of radiation. can use a mercury lamp

finden, infolge der int Interferometer 26 auftretenden Selbst-, kompensation gibt es ja keine Abhängigkeit von der LagenkohSrenz der Lichtquelle.find, as a result of the int interferometer 26 occurring self, compensation, there is no dependence on the layer cohesion the light source.

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Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE:.PATENT CLAIMS :. ti·)' Verbesserung einer Vorrichtung zum Messen der Rauhig-ti ·) 'Improvement of a device for measuring the rough keit einer Oberfläche, welche Vorrichtung ein optisches System enthält, mit dessen Hilfe zwei Abbildungen der Oberfläche einander überlagert werden, die einen gegenseitigen Phasenunterschied und eine gegenseitige Verschiebung aufweisen nach Patent . ... ... (Patentanmeldung P 19 46 495.0), dadurch I gekennzeichnet, daß"'-der Phasenunterschied zwischen zwei zueinander senkrecht polarisierten Teilbtindeln mit Hilfe ' eines elektrooptischen Modulators (24)angebracht wird, und daß die Verschiebung in einem nach der Polarisationsrichtung diskriminierenden interferometer (26) bewirkt wird. 2.. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer (26) die Reihenanordnimg zweier Wollaston-Prismen (35, 36) enthält, die entgegengesetzte Winkelspaitungeh zwischen in die Reihenanordnung eintretenden zu- | einander senkrecht polarisierten Teilbündeln herbeiführen. 3. VorTichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer (26) einen Teilspiegel ,(40) und zwei flache Spiegel (41, 42) enthält, die gleiche Winkel mit der Ebene des Teilspiegels (40) einschließen, während im Strahlengang innerhalb ctes Interferometers (26) die Reihenanordnung eines Polarisätors (43) und einerΛ/2-Platte (44) angebracht ±Bt. ■■-.■ .-■-,■■ -=.;■■ -;■■■- ^: :^: .- \ . :. .■.-■ ability of a surface, which device contains an optical system with the aid of which two images of the surface are superimposed on each other, which have a mutual phase difference and a mutual displacement according to the patent. ... ... (patent application P 19 46 495.0), characterized in that "'- the phase difference between two mutually perpendicularly polarized Teilbtindeln with the help of' an electro-optical modulator (24) is attached, and that the shift in one after the Polarization direction discriminating interferometer (26) is effected. 2 .. Device according to claim 1, characterized in that the interferometer (26) contains the row arrangement of two Wollaston prisms (35, 36), the opposite angular spacing between those entering the row arrangement 3. Device according to claim 1, characterized in that the interferometer (26) contains a partial mirror (40) and two flat mirrors (41, 42), the same angle with the plane of the partial mirror (40) include, while in the beam path within ctes interferometer (26) the series arrangement of a polarizer (43) and a / 2 plate (44) attached ± Bt. . ■■ - ■ .- ■ - ■■ - = .; ■■ -; ■■■ ^-::: .- \. :. . ■ .- ■