DE2758149B1 - Interferometrisches Verfahren mit lambda /4-Aufloesung zur Abstands-,Dicken- und/oder Ebenheitsmessung - Google Patents

Description

Genaue Abstands-, Dicken- und Ebenheitsmessungen werden in der Regel mit Hilfe interferometrischer Verfahren durchgeführt da diese Verfahren nicht nur zerstörungsfrei, relativ einfach und schnell sind, sondern auch das höchste Auflösungsvermögen aufweisen. In letzter Zeit hat es sich jedoch gezeigt, daB das Auflösungsvermögen dieser Verfahren für viele Anwendungen, insbesondere bei der Entwicklung und Fertigung von integrierten Halbleiterschaltungen nicht ausreichend war, da die zu messenden Werte wesentlich kleiner als die halbe Wellenlänge des sichtbaren Lichts sind So sind beispielsweise die bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen in zahlreichen aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten aufzubringenden Photolackschichten in der Regel etwa 0,5 um bis 1,5 μπι dick. Aus verschiedenen Gründen, insbesondere bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen im Submikronbereich, ist es erforderlich, diese Dicken jeweils mit einer Genauigkeit von mindestens ± 10% einzuhalten. Da das Auflösungsvermögen aller interferometrischer Verfahren in der Regel durch die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichtes begrenzt ist, entstehen bei der Überwachung der einzelnen Parameter während der Massenherstellung von integrierten Schaltungen Schwierigkeiten. Zwar wurden vielfach besondere Verfahren, beispielsweise Mehrfarbeninterferometrie und Komparatorverfahren entwikkelt und vorgeschlagen, mit denen das Auflösungsvermögen der Interferenzverfahren zum Teil ganz wesentlich erhöht werden konnte. Diese Verfahren erfordern aber einen hohen apparativen Aufwand uns sind so kompliziert, langsam und störanfällig, daB sie nur in relativ wenigen Fällen und unter besonderen Randbedingungen angewendet werden konnten. Ihre Verwendung bei der Überwachung und Steuerung von groBindustriellen Produktionsvorgängen ist daher in fast allen Fällen praktisch ausgeschlossen.

Es ist bereits in der DE-AS 26 36 211 ein interferometrisches Verfahren mit A/4-Auflösung beschrieben, bei dem der Meßstrahl unter einem vorgegebenen kleinen Winkel auf ein zur Meßebene paralleles Transmissionsgitter so gerichtet wird, daß eine am Gitter unmittelbar reflexionsgebeugte und drei weitere an der Meßfläche reflektierte und am Gitter transmissionsgebeugte

ORfCMNAL

Beugungsordnungen in Beobachtungsrichtung verlaufen und durch ihre Überlagerung ein Interferenzlinienfeld erzeugen, bei dem die Abstände zwischen den einzelnen Interferenzstreifen Abständen von einer Viertel Wellenlänge der verwendeten Strahlung in der Objektebene entsprechen. Da das verwendete Gitter sehr genau aufeinander und auf die Reflektivität der Meßfläche abgestimmte Reflexions- und Transmissionseigenschaften und eine auf die Einfallsrichtung des Meßstrahls und die Beobachtungsrichtung abgestimmte Gitterkonstante haben und zu dem sehr nahe an (maximal 1 mm) und sehr genau parallel zur Meßfläche angeordnet sein muß, sind die Einsatzmöglichkeiten für dieses Verfahren begrenzt. Insbesondere eignet es sich nicht zur Verwendung im Zusammenhang mit der Überwachung und Steuerung der Fabrikation integrierter Halbleiterschaltungen, da bei einer Überprüfung großer Zahlen von Halbleiterplättchen durch die dabei unvermeidbaren Erschütterungen und Verschmutzungen der Meßvorrichtung Meßfehler nicht auszuschlie-Ben sind Da insbesondere eine Verschmutzung des sehr empfindlichen Gitters durch die in geringem Abstand mit großer Geschwindigkeit an ihm vorbeigeführten Halbleiterplättchen praktisch nicht zu vermeiden ist, treten bei der Anwendung dieses bekannten Verfahrens zur Produktionsüberwachung und -Steuerung zwangsläufig Schwierigkeiten auf, die einen Einsatz praktisch unmöglich machen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Abstands-, jo Dicken- und/oder Unebenheitsmessung mit besonders hohem Auflösungsvermögen anzugeben, das bei relativ geringem apparativem Aufwand und geringen Anforderungen an die Geschicklichkeit der Bedienungsperson weitgehend unempfindlich gegen Erschütterungen und Verschmutzungen ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 bzw. der entsprechenden Vorrichtungsansprüche 5 und 6 gelöst

Gegenüber den bisher vorgeschlagenen Vorrichtungen hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß der Abstand zwischen der Meßvorrichtung und der Meßfläche sehr groß — bis zu 1 m und mehr — sein kann und daß somit zu Verschmutzungen und DeJustierungen führende Erschütterungen mit relativ geringem Aufwand von der Meßvorrichtung ferngehalten werden können. Da beim erfindungsgemäßen Verfahren keine an die jeweiligen Randbedingungen anzupassenden Komponenten verwendet werden, ist die Anwendungsbreite dieses Verfahrens ungleich größer als bei den bekannten Verfahren. Auch ist es im Gegensatz zu allen bisher bekannten interferometrischen Verfahren möglich, das Auflösungsvermögen durch einfache Änderung des Auftreffwinkels des Meßstrahls von A/2 auf A/4 und umgekehrt zu verändern. Bei Wahl genügend großer Auftreffwinkel des Meßstrahls auf das Objekt kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Prüfung von Objekten mit schlecht reflektierender oder diffus streuender Oberfläehe verwendet werden.

Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnung näher erläutert

Es zeigt

Fig. IA und IB die schematische Darstellung von b5 Strahlengängen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2 und 3 Ausführungsbeispiele der Erfindung, F i g. 4 und 5 Interferenzlinienmuster.

Wie aus Fig. IA ersichtlich, wird eine aus ebenen Wellen bestehende kohärente Strahlung 5b unter einem Winkel θΐ auf ein durchsichtiges, scheibenförmiges Objekt 1 gerichtet und an dessen unterer und oberer Fläche als Strahlung 5, bzw. als Strahlung S₂ reflektiert Die durch Überlagerung der Komponenten 5Ί und & entstehende Strahlung S' wird durch nicht dargesteUte Mittel, wie aus F i g. 1B ersichtlich, erneut auf das Objekt 1, diesmal unter einem Winkel Θ2, gerichtet und an dessen unterer und oberer Fläche als Strahlung S3 bzw. Si reflektiert. Die durch Überlagerung der Komponenten entstehende Strahlung S wird somit durch die Interferenz der Komponenten Si, S₂, S3 und S* gebildet Ist die Dicke des Objektes 1 nicht konstant so enthält die Strahlung S' ein Fizeau-Interferenzlinienmuster, dem ein Interferenzlinienmuster überlagert wird, das durch die Reflexion der Strahlung 5'an der unteren und oberen Fläche des Objektes 1 entsteht Die Differenz Θ2-Θ1 muß auf die Dicke tfdes Objekts 1 abgestimmt sein.

Bei Dickenschwankungsmessungen an einer transparenten oder semitransparenten Schicht mit der bekannten Fizeau-Interferenzmethode erklärt sich das über dem Objekt in Reflexion sichtbare Interferenzmuster durch kohärente Überlagerung der an der Vorder- und Rückseite der Schicht reflektierten Teilbündel. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein wie oben beschrieben erzeugtes Fizeau-Interferenzmuster einer Meßschicht mittels einer optischen Abbildung ein zweites Mal auf die gleiche Meßschicht zu lenken und somit ein zweites Interferenzbild der Schichtdickenschwankungen zu erzeugen. Bei gleichen Einfallswinkeln der zwei Beleuchtungsstrahlungen sind die zwei erhaltenen Interferenzmuster gleich. Fällt jedoch das zweite Beleuchtungslicht unter einem geringfügig anderen Winkel auf die Meßschicht so beobachtet man Unterschiede zwischen dem zuerst erhaltenen Muster und dem zweiten Interferenzbild. Je nach Größe der Winkeldifferenz, d.h. je nach Phasenänderung im zweiten Beleuchtungsstrahl, tritt eine Aufspaltung der A/2-Fizeaulinien auf und zwar von A/2 über alle Zwischenzustände bis hin zu einem A/4-LJnienmuster und bei weiterer Veränderung der Winkeldifferenz wiederum über alle Zwischenzustände bis zu einem λ/2-Muster mit einer Umkehrung der Intensitäts-Verhältnisse zum ersten A/2-Bild.

Die Entstehung der Interferenzlinienmuster wird an Hand der folgenden Überlegungen erläutert

Die Überlagerung der beiden Komponenten S\ und S₂, die durch Reflexion an der oberen und unteren Grenzschicht des Objektes 1 entstehen, führt allgemein zu einem Fizeau-Interferenzlinienmuster mit dem Streifenabstand A/2.

Mit der üblichen komplexen Darstellung eines Wellenfeldes

u(f,t)=

wobei

A Amplitude, γ die Phase und r der Ortsvektor am Überlagerungsort ist können die zwei Komponenten St

und &, die durch Reflexion entstehen, wie folgt beschrieben werden:

5₁ = S₀-e-"

5₂ = S₀-e-'⁰"-""**

So Amplitude der einfallenden Welle, d optische Dicke

der zu messenden Schicht, k — ~ und Λ die

Wellenlänge des Lichtes ist

Die kohärente Oberlagerung dieser Teilkomponenten liefert ein resultierendes Wellenfeld:

10 Das so entstandene Wellenfeld S' wird durch geeignete optische Maßnahmen zum Testobjekt 1 zurückgeteitet, so daß ein Lichtstrahl, der bei der ersten Reflexion im Punkt P der unteren Grenzfläche des Objektes reflektiert wurde, zum Punkt P zurückgelangt Auf diese Weise wird, wie in Fig. IB skizziert, das Testobjekt erneut mit einem parallelen Wellenfeld S' unter einem Winkel S₂ beleuchtet Dabei entstehen durch Reflexion an der oberen und unteren Grenzflache wieder zwei Anteile S₃ und S*, die sich wie folgt darstellen lassen:

S₃ = Sb(i+e-^/(2<UcosH'-^:'⁾)

15 +cos«,)!

S' = S₁ + S₂ =

ο ρ — i(2itrcosw> + ι) ι ο . _ -

Die Überlagerung dieser beiden Komponenten führt

S = S₃ + S₄ = S₀(I +e-^iaikaxH>-^:'⁾){i +_e-iGJ In der Richtung Θ2 entsteht dabei die Intensitätsverteilung:

-cos(2_<i*cose₁))(l-cos(2<ik cos<9₂))

Diese Funktion beschreibt die Intensität in einem beliebigen Punkt der oberen Grenzschicht, dessen Abstand von der unteren Grenzschicht gleich rfist

Die in Fig.2 dargestellte Anordnung besteht aus einem Laser 2, Linsen 3 und 4 zur Aufweitung des Laserstrahls 11, einer Linse S, einem Hohlspiegel 6, sowie aus kleinen, verstellbar angeordneten, ebenen Spiegeln 7 und 8. Der vom Laser 2 erzeugte Strahl 11 wird in der aus den Linsen 3 und 4 bestehenden Anordnung aufgeweitet und durch den Spiegel 7 Ober die Linse 5 als durch gestrichelte Linien angedeutetes Parallelstrahlenbündel 12 unter einen Einfallswinkel Θ2 auf das zu untersuchende Objekt 1 gerichtet Die an der unteren und der oberen Fläche des Objektes 1 reflektierten Komponenten des Strahlenbündels 12 gelangen, wie durch die mit Pfeilen versehene ausgezogene Linie angedeutet über die Linse 5 zum Hohlspiegel 6 und werden von dort über die Linse 5 als ein durch punktierte Linien angedeutetes Parallelstrahlenbündel 13 erneut auf das Objekt 1 gerichtet Der Einfallswinkel θι dieses Strahles ist vom Einfallswinkel Θ2 des Strahles 12 verschieden. Die an der oberen und unteren Fläche des Objekts 1 reflektierten Komponenten durchsetzen als ein durch strichpunktierte Linien so angedeutetes Strahlenbündel 14 die Linse 5 und gelangen als konvergentes Strahlenbündel zu dem Spiegel 8, von wo sie als divergentes Strahlenbündel zu einer Auswertebene 9 gelangen.

Wie aus den Erläuterungen der Fig. IA und IB hervorgeht besteht der vom Objekt 1, Fig.2, reflektierte und durch ausgezogene Linien dargestellte Strahl aus zwei miteinander interferierenden Komponenten, die als ein durch gestrichelte Linien angedeutetes Strahlenbündel 13 erneut auf das Objekt 1 auf treffen. Durch die Reflexion dieser ein Interferenzfeld bildenden Komponenten an der unteren und oberen Fläche des Objektes 1 erfolgt eine Aufspaltung dieser Strahlung in zwei weitere Komponenten, die als ein durch strichpunktierte Linien angedeutetes Strahlenbündel 14 fiber die Linse 4 und den Spiegel 8 zur Auswertebene 9 gelangen, wo sie ein aus vier Komponenten bestehendes Interferenzmuster bilden. Bei geeigneter Wahl der auf die Dicke des Objektes 1 abgestimmten Einfallswinkel θι und S₂ wird in der Auswertebene 9 ein Interferenzlinienmuster sichtbar, bei dem die Abstände zwischen zwei benachbarten Linien jeweils Dickenunterschieden von A/4 im Bereich des Objekts 1 entsprechen. Wie oben im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. IA und IB erläutert geht das im Bereich der Auswertebene 9 entstehende, aus λ/4-Linien bestehende Interferenzmuster bei einer durch eine Kippung der Spiegel 7 und 8 auftretenden Veränderung der Winkel θι und S₂ in ein aus A/2-Linien bestehendes Interferenzmuster über, das bei einer weiteren Veränderung der Einfallswinkel θι und Θ2 erneut in ein aus λ/4-Linien bestehendes Muster übergeht

Die in der Auswertebene entstehenden Interferenzmuster sind in den Fig.4 und 5 dargestellt Die Abstände zwischen den in diesen Figuren dargestellten Interferenzlinien 41 entsprechen λ/4-Abständen in der Objektebene, während die mit 40 bezeichneten Interferenzlinien λ/2-Abständen zugeordnet sind. In F i g. 5 ist mit a ein λ/2-Interferenzlinienmuster, mit b ein λ/4-Interferenzlinienmuster und mit c ein λ/2-Interferenzlinienmuster dargestellt Aus Fig.4 ist der bei allmählicher Veränderung der Winkel θι und O₂ stattfindende Übergang von einem aus λ/2-Interferenzlinien bestehenden Interferenzmuster zu einem aus λ/4-Interferenzlinien 41 bestehenden Interferenzmuster und der erneute Übergang zu einem aus λ/2-Interferenzlinien bestehenden Muster ersichtlich. Das in F i g. 4 mit a bezeichnete Muster stellt ein reines λ/2-Interferenzlinienmuster dar, dessen Linien sich, wie in den mit b und c bezeichneten Interferenzmuster langsam verbreitern und aufspalten, um in ein aus reinen λ/4-Interferenzlinien bestehendes Muster überzugehen, wie es beispielsweise im mit d bezeichneten Muster der F i g. 4 dargestellt ist Der Übergang des mit d bezeichneten Musters zu einem reinen λ/2-Interferenzlinienmuster ergibt sich aus den in F i g. 4 mit e, /und £ bezeichneten Mustern.

Die in Fig.3 dargestellte Anordnung besteht aus einem Laser 22, Linsen 23 und 24, einem polarisationsunabhängigen Strahlenteiler 27, einem polarisatkmsab-

hängigen Strahlenteiler 28, einer Linse 25, einem Hohlspiegel 26 und einem λ/4-Plättchen 29. Der vom Laser 22 erzeugte Strahl wird durch die Linse 23 in einen divergenten Strahl 31 umgewandelt, der durch die Linse 24 in ein Parallelstrahlenbündel umgewandelt wird. Ein Teil dieses parallel zur Zeichnungsebene linear polarisierten Strahlenbündeis durchsetzt den Strahlenteiler 27 und wird am polarisationsabhängigen Strahlenteiler 28 als durch gestrichelte Linien dargestelltes Parallelstrahlenbündel 32 durch das A/4-Plättchen 29 auf in das Objekt 1 gerichtet. Die an der unteren und oberen Fläche des Objekts 1 reflektierten Komponenten des Strahlenbündeis 32 durchsetzen das A/4-Plättchen 29 ein zweites Mal und werden als senkrecht zur Zeichnungsebene linear polarisiertes Strahlenbündel durch die Linse 25 auf den Hohlspiegel 26 gerichtet. Die am Hohlspiegel 26 reflektierte Strahlung wird durch die Linse 25 in ein durch punktierte Linien 33 angedeutetes Parallelstrahlenbündel 33 nach Durchtritt durch das A/4- Plättchen 29 auf das Objekt gerichtet. Beim Durchtritt durch das A/4-Plättchen 29 wird die senkrecht zur Zeichnungsebene linear polarisierte Strahlung in eine zirkulär polarisierte Strahlung umgewandelt. Die an der unteren und oberen Fläche des Objekts 1 reflektierten Komponenten des Strahlungsbündels 33 durchsetzen als ein durch strichpunktierte Linien angedeutetes Strahlenbündel 34 das λ/4-Plättchen 29 und werden dabei in ein parallel zur Zeichnungsebene linear polarisiertes Strahlenbündel umgewandelt, das am polarisationsabhängigen Strahlenteiler 28 verlustlos nach rechts abgelenkt wird Beim Auftreten auf den polarisationsunabhängigen Strahlenteiler 27 wird ein Teil dieses Strahlenbündeis nach unten abgelenkt und erzeugt im Bereich einer Auswertebene 30 ein Interferenzlinienmuster, wie es beispielsweise in den Fig.4 und 5 dargestellt ist Bei geeigneter Wahl der Einfallswinkel der auf das Objekt 1 auftreffenden Strahlenbündel 32 und 33 besteht das in der Auswertebene 30 entstehende Interferenzmuster aus A/4-Interferenzlinien, die bei einer Änderung der Einfallswinkel der Strahlenbündel 32 und 33 kontinuierlich in A/2-, A/4-, A/2-, usw. Linien übergehen. Wie im Zusammenhang mit den im Anschluß an die Beschreibung der Fig. IA und IB erläuterten Formeln ersichtlich, müssen die Einfallswinkel in geeigneter Weise an die Dicke des Objekts angepaßt sein.

Bei Objekten mit schlecht reflektierenden oder diffus streuenden Flächen kann es zweckmäßig sein, die Einfallswinkel so weit zu vergrößern, daß eine eine Reflexion annähernde Streuung auftritt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

909 507/502

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Interferometrisches Verfahren mit A/4-Auflösung zur Abstands-, Dicken- und/oder Ebenheitsmessung von transparenten oder semitransparenten Schichten, dadurch gekennzeichnet, daB eine kolfimierte, konvergente oder divergente Strahlung (So) unter einem ersten Einfallswinkel (θι) bzw. unter einem ersten Bereich von Einfallswinkeln ι ο (θι) auf das Meßobjekt (1) gerichtet wird, daß die an der oberen und unteren Fläche des Meßobjektes reflektierten Komponenten (S\, S₂) der Strahlung (S₀) zu eiber neuen Strahlung ^überlagert werden, daß diese Strahlung (S^ unter einem zweiten, vom ersten verschiedenen Einfallswinkel (θ₂) bzw. unter einem zweiten, vom ersten verschiedenen Bereich von Einfallswinkeln (θ₂) erneut auf das Meßobjekt (1) gerichtet wird, daß die an der oberen und unteren Fläche des Meßobjekts reflektierten Komponenten (S₃, S4) dieser Strahlung (S') mit den Komponenten (S\, Si) der ersten Strahlung (So) zur Interferenz gebracht werden und das sich ergebende Interferenzlinienmuster der durch die Überlagerung der Komponenten (Su S2.S3.S4) entstehenden Strahlung ^ausgewertet wird.

2. Interferometrisches Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Differenz der beiden Einfallswinkel (Θ2-Θ1) der Strahlungen 50, 5'^ auf die Dicke (α) des Meßobjekts (1) abgestimmt ist

3. Interferometrisches Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daB die Einfallswinkel (θι, θ₂) der Strahlungen (S₀, S') zwecks Änderung des Auflösungsvermögens von A/2 zu A/4 und umgekehrt steuerbar veränderbar sind

4. Interferometrisches Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfallswinkel (θι, θ₂) zwecks Anpassung an die Reflektivität der Meßfläche (1) steuerbar veränderbar sind.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine als Laser ausgebildete Lichtquelle (2), Linsen (3,4) zur Aufweitung des Strahlquerschnitts, einen Spiegel (7) zur Ablenkung des Lichtstrahls in Richtung einer Linse (5), durch die ein auf das Meßobjekt (1) unter einem Einfallswinkel (θ₂) fallendes Parallelstrahlenbündel (12) erzeugt wird, einen Hohlspiegel (6), der die an der oberen und der unteren Fläche des Meßobjekts (1) reflektierten Komponenten des Parallelstrahlenbündels (12) durch die Linse (5) hindurch als Parallelstrahlenbfindel (13) unter einem Winkel (θι) erneut auf das Objekt (1) richtet, und durch einen Spiegel (8), der die an der oberen und der unteren Fläche des Objekts (1) reflektierten Komponenten dieses zweiten Parallelstrahlenbündels (13) als divergentes Strahlenbündel (14) zu einer Auswertebene (9) lenkt

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine als Laser ausgebildete Lichtquelle (22), Linsen (23, 24) zur Aufweitung des Laserstrahls, einen polarisationsunabhängigen Strahlenteiler (27), einen polarisationsabhängigen Strahlenteiler (28), ein im Wege des vom polarisationsabhängigen Strahlenteiler (28) abgelenkten Strahlenbündels (32) angeordnetes A/4-Plättchen (29), eine die an der oberen und der unteren Fläche des Objekts (1) reflektierten Komponenten des Strahlenbündels (32) auf einen Hohlspiegel (26) übertragende Linse (25), die die am Hohlspiegel (26) reflektierte Strahlung als Parallelstrahlenbündel (33) erneut nach Durchtritt durch das λ/4-Plättchen auf das Objekt (1) richtet, wobei die an der oberen und unteren Fläche des Objekts reflektierten Komponenten dieses Strahlenbündels (33) nach Durchsetzen des A/4-Plättchens (29) vom polarisationsabhängigen Strahlenteiler (28) in Richtung des polarisationsunabhängigen Strahlenteilers (27) und von diesem in Richtung einer Auswertebene (30) abgelenkt werden.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine in der Auswertebene (9, 30) angeordnete Fernsehkameraröhre.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine in der Auswertebene (9, 30) angeordnete Photodetektoranordnung.