DE3786227T2

DE3786227T2 - Oberflächeninterferometer.

Info

Publication number: DE3786227T2
Application number: DE19873786227
Authority: DE
Inventors: Gregory Allen Northrop
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1986-11-07
Filing date: 1987-09-25
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2007-09-26
Also published as: EP0266539A2; DE3786227D1; EP0266539A3; JPS63124901A; EP0266539B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein interferometrisches Oberflächenprüfgerät, das optische Informationen von unterschiedlichen optischen Weglängen verwendet, um Informationen über den Zustand der Oberfläche eines Objekts zu liefern.
Die Verwendung von Geräten nach Art eines Interferometers zur Messung kleiner Ausdehnungen werden in der Technik angewendet. Eine Art dieser Vorrichtungen ist als Dilatometer bekannt. Solche Vorrichtungen verwenden i. a. reflektierende Bauelemente, die die Länge und/oder die Richtung mehrerer aus einer gemeinsamen Quelle austretender Lichtstrahlen ändern, so daß Informationen über die Ausdehnungen mit Frequenzverschiebungen in den Strahlen in ihren Beziehungen zueinander korreliert werden können. Ein solches Dilatometer wird in der US-Patentschrift 3 788 746 dargestellt, worin die Ecken eines Prismas zusammen mit den Reflexionen von den vorderen und hinteren Oberflächen des Prismas verwendet werden.
Die Einfachheit bei diesen Vorrichtungen ist ein Vorteil. Bei einigen Konstruktionen wurde die Einfachheit der Bauelemente durch die Verwendung separater optischer Bauelemente erreicht. Eine solche Konstruktion ist in der US-Patentschrift 4 142 797 dargestellt, worin beide Oberflächen einer Platte in einem Bauelement zur Strahlteilung verwendet werden und, in einem anderen Bauelement, die Reflexion von zwei sich unter einem Winkel treffenden Oberflächen, bekannt als Dachkantspiegel, zur Änderung der Strahlrichtung verwendet wird.
Empfindlichkeit ist ein anderes wünschenswertes Kennzeichen. Empfindlichkeit wurde durch die Winkeljustierung der Bestandteile erreicht. Eine solche Anordnung wird in einer als Jamin- Interferometer bekannten Vorrichtung beschrieben in Optical Interferometer, von M. Francone, (Academic Press, 1966), Seite 99. Diese Vorrichtung verwendet einen Lichtweg, der an den vorderen und hinteren Oberflächen von zwei relativ parallel unter einem Winkel zueinander montierten reflektierenden Spiegeln reflektiert wird. Die Empfindlichkeit wird durch eine Winkeljustierung erreicht, die die Spiegel aus der Parallelität heraus bewegt.
Die beanspruchte Erfindung ist ein interferometrisches Oberflächenprüfgerät zur Beobachtung des Oberflächenzustands eines Werkstücke mit einer verbesserten Unempfindlichkeit gegenüber Störungen durch Schwingungen und gegenüber gleichförmigen Verschiebungen der Werkstückoberfläche. Gemäß der beanspruchten Erfindung wird ein Strahl kohärenten Lichts durch Reflexion an den vorderen und hinteren Oberflächen eines parallelflächigen reflektierenden Bauelements in drei parallele Strahlen geteilt, werden die drei parallelen Strahlen dann von der Oberfläche des Werkstücks reflektiert und die drei von der Oberfläche des Werkstücks reflektierten parallelen Strahlen durch Reflexion von den vorderen und hinteren Oberflächen eines parallelflächigen reflektierenden Bauelements überlagert, um schließlich zu einem separaten Sensor für jeden Strahl gerichtet zu werden. Der Zustand der Oberfläche, wie z. B. Reflexionsgrad, Verschiebung, Kippung und Krümmung, wird durch den Phasenunterschied zwischen dem zentralen und jedem der beiden äußeren Strahlen gemessen.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, welche die relativen Positionen und die Arten der Bauelemente und optischen Wegrichtungen im Oberflächenprüfgerät der Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist eine genaue Darstellung der Lichtwege in einer räumlichen Anordnung der Erfindung.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Phasenbeziehung zwischen den Lichtstrahlen 6, 7 und 8.
Fig. 4 und 5 sind Darstellungen der Beziehung zwischen der Signalintensität an den Sensoren 17 und 18 und den optischen Weglängenunterschieden zwischen Strahlen 6 und 7 bzw. 7 und 8.
Fig. 6 ist eine genaue Darstellung der Lichtwege in einer anderen räumlichen Anordnung der Erfindung.
Mit Bezug auf Fig. 1 wird ein Strahl kohärenten Lichts 1 von einer Lichtquelle 2, z. B. von einem Laser, bereitgestellt. Der Strahl 1 trifft auf ein paralleles reflektierendes Oberflächenbauelement 3. Das parallele reflektierende Oberflächenbauelement 3 hat eine vordere reflektierende Oberfläche 4 und eine dazu parallele hintere reflektierende Oberfläche 5.
Das Licht wird durch Reflexion an einer oder an beiden reflektierenden Oberflächen 4 und 5 an einem ersten oder Teilungsort 9 in drei parallele Strahlen 6, 7 und 8 geteilt. Die drei parallelen Strahlen 6, 7 und 8 treffen dann nahe beieinander liegende Bereiche 10, 11 und 12 der Oberfläche 13 eines Werkstücks 14. Zu Darstellungszwecken hat die Oberfläche 13 im zentralen Bereich 11 ein daraufliegendes Objekt 15 mit einer Oberfläche, die gegenüber den Oberflächenbereichen 10 und 12 versetzt ist, wie es bei einem leitfähigen Element auf einem Halbleiterwafer der Fall wäre. Nach Reflexion von den Bereichen 10, 11 und 12 werden die drei parallelen Strahlen an einem zweiten oder Überlagerungsort 16 weiter zu den Sensoren 17 und 18 reflektiert. Am Ort 16 wird mittels Reflexion von beiden reflektierenden Oberflächen 4 und 5 des Bauelements 3 die durch die Gegenwart des Elements 15 auf der Oberfläche 13 verursachte optische Weglängendifferenz zwischen den Orten 9 und 16 durch Überlagerung der Strahlen zur Erzeugung von Interferenz, wie sie am Sensor 17 registriert wird, zwischen dem zentralen Strahl 7 und Strahl 6 genutzt. Eine ähnliche Überlagerung der Strahlen 7 und 8 erfolgt am Ort 16, und die resultierende Interferenz wird am Sensor 18 beobachtet.
Die Anordnung gemäß der Erfindung ist zu Untersuchungszwecken und als Herstellungswerkzeug vorteilhaft. Ihre strukturelle Einfachheit bietet Nutzen unter Spannungsbelastung. Sie ist ferner relativ unempfindlich gegenüber Vibrationsstörungen und gegenüber gleichförmiger Bewegung der Werkstückoberfläche in Längs- und Seitenrichtung. Die Empfindlichkeit reicht aus, um 1 mW Lichtleistung und eine vorspringende Kante von 0,1 nm (1 Å) zu messen. Bei einer derartigen Empfindlichkeit kann das Gebiet um die Teile durch Umgebungseinflüsse wie Luftströmungen beeinflußt werden, so daß Abschirmungsmaßnahmen zu ergreifen wären, wenn eine hohe Empfindlichkeit gewünscht wird.
Das parallel reflektierende Oberflächenbauelement 3 kann ein ge Spiegel sein. Eine verbesserte Empfindlichkeit wird durch ein Teilreflexionsvermögen an der Oberfläche 4 und ein höheres Reflexionsvermögen an der Oberfläche 5 erreicht.
Die Sensoren 17 und 18 können beliebige Halbleiterphotodioden sein.
Gemäß der Erfindung wird das kohärente Licht 1 an einem Ort unter Verwendung von Reflexionen an beiden Oberflächen in parallele Strahlen geteilt oder aufgespalten, und nach Reflexion an der Oberfläche eines Werkstücks werden die Strahlen an einem anderen Ort unter Verwendung von inneren Reflexionen an beiden Oberflächen überlagert, um es zu ermöglichen, daß Oberflächenunterschiede in optische Phasenunterschiede umgeformt werden.
Der Unterschied in der optischen Weglänge zwischen den Strahlen 6 und bzw. 7 und 8, der durch Variationen der Werkstückoberfläche hinsichtlich Verschiebung, Reflexionsgrad, Krümmung und Kippung hervorgerufen wird, wird mit Hilfe der Überlagerung der Strahlen durch innere Reflexion an den zwei parallelen Oberflächen 4 und 5, welche an den Sensoren 17 und 18 aufgrund von verstärkender und auslöschender Strahlinterferenz Intensitätsunterschiede ergibt, erkennbar.
Die innere Strahlinterferenz am Überlagerungsort 16 ist im einzelnen in Verbindung mit unterschiedlichen räumlichen Anordnungen in Fig. 2 und 6 dargestellt.
In Fig. 2 wird eine räumliche Anordnung gezeigt, in der das parallel reflektierende Oberflächenelement 3 so aufgebaut ist, daß der Aufteilungsort 9 und der Überlagerungsort 16 mit einer divergenten Positionierung von Quelle 1 und Sensoren 17 und 18 angeordnet sind. Die divergente Positionierung wird erreicht, indem Element 3 aus zwei Teilen aufgebaut wird.
In Fig. 2 trifft Licht 1 aus der Quelle 2 das Bauelement 3 am Aufteilungsort 9. Ein Teil von Licht 1 trifft die vordere reflektierende Oberfläche 4 am Ort 20. Der vom Ort 20 reflektierte Strahl wird mit 6 bezeichnet. Vom Ort 20 setzt sich das Licht 1 auch zur hinteren reflektierenden Ebene 5 fort, wo es am Ort 21 reflektiert wird. Der am Ort 21 reflektierte Strahl wird mit 7 bezeichnet und ist parallel zu Strahl 6. Ein Teil des vom Ort 21 reflektierten Lichts wird an der inneren Seite der vorderen reflektierenden Oberfläche 4 am Ort 22 hin zu Ort 23 auf der hinteren reflektierenden Oberfläche 5 reflektiert, wo er, daran noch einmal reflektiert, einen Strahl 8 bildet, der parallel zu beiden Strahlen 6 und 7 ist. Die kohärente Lichtquelle 1 wurde auf diese Weise in drei parallele Strahlen 6, 7 und 8 aufgeteilt, von denen jeder einen anderen Ort 10, 11 bzw. 12 auf der Oberfläche 13 des Werkstücks 14 trifft.
Die parallelen Strahlen 6, 7 und 8 werden, immer noch parallel, von der Oberfläche 13 des Werkstücks 14 an den Orten 10, 11 und 12 reflektiert. Jede senkrecht zur Oberfläche 13 bestehende Abweichung der Orte 10, 11 und 12 hinsichtlich der anderen Orte, wie durch die Pfeile 24, 25 und 26 dargestellt, wird die Beziehungen zwischen den optischen Weglängen des zentralen Strahls 7 und eines oder beider äußerer Strahlen 6 und 8 ändern. Die Erfindung ist unempfindlich gegenüber einer Verschiebung in eine zur Oberfläche 13 im wesentlichen parallele Richtung, wie durch Pfeil 27 dargestellt, insofern Oberfläche 13 wirklich eben ist, da die relativen optischen Weglängen dadurch nicht betroffen werden. Sie ist ebenfalls unempfindlich gegenüber gleichförmiger Bewegung von Werkstück 14 parallel zu den Strahlen 6, 7 und 8.
Nach der Reflexion von den Orten 10, 11 und 12 treffen die parallelen Strahlen 6, 7 und 8 das Bauelement 3 an einem zweiten oder Überlagerungsort 16. Um bei der räumlichen Anordnung von Fig. 2 divergente Lagen herzustellen, erfährt Bauelement 3 bei 33 unter Verwendung zweier orthogonaler Elemente eine Richtungsänderung.
Am Überlagerungsort 16 erfolgen die inneren Reflexionen zwischen den parallelen Flächen 4 und 5 so, daß entweder verstärkende oder auslöschende Interferenz zwischen dem zentralen Strahl 7 und einem oder beiden äußeren Strahlen 6 und 8 entsteht.
Beginnend mit dem äußeren Strahl 6, wird dieser von der hinteren Oberfläche 5 an Ort 28 zu Sensor 17 reflektiert. Strahl 7 trifft die vordere Oberfläche 4 an Ort 29, wo ein Teil durch das Bauelement 3 hin zu Ort 30 fortschreitet, an dem es von der Oberfläche 5 reflektiert wird, um aus Bauelement 3 auszutreten, und ein anderer Teil an Ort 29 reflektiert wird, wo es sich verstärkend oder auslöschend mit Strahl 6 überlagert. Strahl 8 dringt in das Bauelement 3 an Ort 31 ein und wird von der Oberfläche 5 an Ort 32 zu Sensor 18 reflektiert. Ein Teil des Lichts von Strahl 7 wird an der inneren Oberfläche von 4 an Ort 31 reflektiert, um in Verbindung mit Strahl 8 verstärkende oder auslöschende Interferenz mit Strahl 7 herzustellen. Die Punkte, an denen die Überlagerung erfolgt, sind mit gekrümmten Pfeilen gekennzeichnet.
Die Sensoren 17 und 18 registrieren die Phasenunterschiede zwischen den Strahlen 6 und 7 bzw. 7 und 8 durch die Intensität, die aus der Interferenz zwischen jedem äußeren und dem inneren Strahl resultiert. Der Phasenunterschied, der die Interferenz erzeugt, ist das Ergebnis der Weglängenunterschiede zwischen den Strahlen.
In Fig. 3, 4 und 5 wird das Abtasten der aus der Interferenz resultierenden Intensität schematisch dargestellt. In Fig. 3 ist die Phasenbeziehung für eine exemplarische Situation mit unterschiedlichen Weglängen dargestellt. Die durch die unterschiedlichen Weglängen entstehende Phasenverschiebung verursacht den von einem Sensor 17 für die Strahlen 6 und 7 und von Sensor 18 für die Strahlen 7 und 8 registrierten Anstieg oder Abfall der Intensität, je nachdem, ob die Interferenz verstärkend oder auslöschend ist, so daß die Intensität am Sensor den oszillierenden Kurven von Fig. 4 und 5 mit einer Periode gleich der optischen Wellenlänge λ folgt. Die Intensitätsänderung ist ein Indikator für eine Versetzung und kann in Verkippungs- und Krümmungsursachen des Werkstücks aufgelöst werden.
Der Sensor kann ein einfaches photovoltaisches Element sein, das eine Spannung entsprechend der Lichtintensität liefert, die wiederum gemäß der üblichen Praxis zur Anzeige der untersuchten Oberflächeneigenschaften dienen kann, um z. B. Eignungsgrenzen festzulegen, wie es in der Technik üblich ist.
Ferner wird es dem Fachmann offensichtlich sein, daß im Umfeld des Abtastprinzips, des Interferenzeffekts zwischen dem zentralen und jedem der beiden äußeren Strahlen zur Erkennung von Oberflächenabweichung, Kippung und Krümmung andere Techniken für die Abtastinstrumente leicht vorstellbar sind.
Die Gegenwart von Element 15 in Fig. 1 kann als eine Oberflächenabweichung krümmender Art angesehen werden, da die Orte 10 und 12 weiter als Ort 11 entfernt sind, wogegen ein an Ort 10 oder 12 angebrachtes weiteres Versetzungselement ähnlich wie 15 als eine Oberflächenabweichung kippender Art angezeigt würde.
Einem Fachmann wird es einsichtig sein, daß es, zusätzlich zu den in der Erfindung verwendeten und genau diskutierten Reflexionen, jedesmal zu einer gewissen Reflexion kommen wird, wenn ein Strahl eine Oberfläche durchdringt. Die Wirkung dieser Reflexionen kann durch die Anordnung der Sensoren und Forderungen an die Signalschwellenwerte minimiert werden.
Als nächstes wird unter Verweis auf Fig. 6 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem das parallele reflektierende Oberflächenbauelement 3 gerade ist, wobei der Teilungsort 9 und der Überlagerungsort 16 nur eben getrennt angeordnet sind.
In Fig. 1, 2 und 6 werden dieselben Bezugsnummern verwendet.
Bei der Anordnung dieses Ausführungsbeispiels kann das parallele reflektierende Oberflächenbauelement 3 ein einfacher Spiegel sein. Die Anordnung ergibt weitere Flexibilität bei der Plazierung der einzelnen Bauelemente.
Es wird jedem Fachmann ersichtlich sein, daß das Gerät aus sehr einfachen Teilen aufgebaut ist, obwohl es hochempfindlich ist. Die Quelle 2 des kohärenten Lichts 1 kann eine beliebige monochromatische optische Quelle mit geringer Strahldivergenz sein. Für diesen Zweck ist ein Helium-Neon-Laser mit einer Wellenlänge (λ) von 632,8 nm (6328 Å) ideal geeignet.
Das parallel reflektierende Oberflächenelement 3 zur Teilung und Überlagerung kann ein beliebiger Spiegel mit ebenen parallelen Oberflächen sein. Die Empfindlichkeit wird beträchtlich verbessert, wenn Oberfläche 4 teilreflektierend und Oberfläche 5 totalreflektierend ist. Die Oberflächen 4 und 5 haben einen Abstand von etwa 3 Millimetern.
Die Entfernung zwischen den Orten 9 und 16 und der Oberfläche 13 liegt in der Größenordnung von 50 bis 200 Millimetern.
Der Abstand zwischen den Oberflächenbereichen 10, 11 und 12 liegt in der Größenordnung von 5 Millimetern zwischen jedem Ort.
Die Empfänger 17 und 18 sind Silicium-Photodioden.
Die Messung einer Kippung, bei der die optischen Wege zu den beiden äußeren Orten 10 und 12 derart sind, daß einer kürzer und einer länger als der optische Weg zu Ort 11 ist, und die Messung einer Krümmung, bei der der optische Weg zu einem Ort, wie z. B. 11, kürzen als der optische Weg zu einem oder zu beiden anderen Orten ist, wird mit Hilfe der simultanen Registrierung der Phasenverschiebung bei 17 und 18 gemäß folgender Tabelle durchgeführt. Tabelle Messung Versetzung an den Orten Sensorsignal (Phasenunterschied) Empfindlichkeit Kippung Krümmung
wobei x Versetzung in 0,1 nm (Ångström)
Φ Phasenunterschied in Radiant
k 2π/λ
Φ(18) = 2k (x(10)-x(11))
Φ(17) = 2k (x(11)-x(12))
I Lichtintensität an den Sensoren 17 und 18
I(17) = I(17)&sub0; (1+cos Φ(17))
I(18) = I(18)&sub0; (1+cos Φ(18))
Damit würde ein 0,5 nm (5 Å) großes Element 15 am Ort 11 bei einem Helium-Neon-Laser mit λ=632,8 nm (6328 Å) eine Differenz Φ(18)-Φ(17) = 0,02 Radiant erzeugen.
Die Anordnung hat den Vorteil, daß die interferierenden Strahlen alle an verschiedenen Punkten auf denselben optischen Elementen reflektiert werden, was wiederum die Empfindlichkeit für Schwingungen stark vermindert. Die transversale Ausrichtung hängt nur von den Aufteilungs- und Überlagerungsorten ab, die parallele Oberflächen besitzen. Daher erfordert ein Wechsel der Spiegel keine erneute Justierung.
Es wurde ein Interferometer für Versetzungen beschrieben, worin ein kohärenter Lichtstrahl an einem Aufteilungsort von beiden Seiten eines gewöhnlichen Spiegels reflektiert wird, wodurch drei parallele Strahlen entstehen, die wiederum von verschiedenen Orten auf einem Werkstück zurück zu einem Überlagerungsort reflektiert werden, wo sie auf zwei getrennte Sensoren gerichtet werden. Jeder Versetzungsunterschied zwischen den Orten auf der Oberfläche des Werkstücks erzeugt eine optische Phasenverschiebung, die mit Instrumenten zur Beobachtung der Intensitätsschwankungen versehen werden kann, so daß jeder Sensor ein Maß für die relative Verschiebung nahe beieinanderliegender Punkte auf dem Werkstück bietet.

Claims

1. Interferometrisches Oberflächenuntersuchungsgerät, das eine Quelle kohärenten Lichts (2), einen Strahlteiler, reflektierende Mittel, einen Träger (14) für ein Untersuchungsobjekt (15) und Sensoren zur Messung reflektierter Lichtstrahlen enthält, gekennzeichnet durch

erste optische Mittel (9), die einen Strahl der kohärenten Lichtquelle in zwei äußere Strahlen (6, 8) und einen zentralen Strahl (7) teilen, wobei diese Strahlen parallel zueinander verlaufen, und sie auf die Oberfläche (13) eines Werkstücks (14) richten,

zweite optische Mittel (16), die nach Reflexion von der Werkstückoberfläche jeden der beiden äußeren Strahlen (6, 8) der drei parallelen Strahlen mit dem zentralen Strahl (7) überlagern, und

sensorische Mittel (17, 18), die zur Abtastung der Phasenverschiebung zwischen den interferierenden Strahlen (6, 7 und 7, 8) angebracht sind.

2. Interferometrisches Oberflächenuntersuchungsgerät nach Anspruch 1, worin das erste (9) und das zweite (16) optische Mittel optisch durchlässige Bauelemente mit parallelen Flächen sind.

3. Interferometrisches Oberflächenuntersuchungsgerät nach Anspruch 1, worin das erste (9) und das zweite (16) optische Mittel an separaten Orten in einem einzigen optisch durchlässigen Bauelement (3) mit parallelen Oberflächen (4, 5) liegen.

4. Interferometrisches Oberflächenuntersuchungsgerät nach Anspruch 3, worin das optisch durchlässige Bauelement (3) ein Spiegel ist.

5. Interferometrisches Oberflächenuntersuchungsgerät nach Anspruch 2, wobei sowohl das erste (9) als auch das zweite (16) optisch durchlässige Bauelement ein Spiegel ist.

6. Interferometrisches Oberflächenuntersuchungsgerät nach Anspruch 1, das Mittel (17, 18) zur Abtastung der Lichtintensität in den beiden äußeren (6, 8) der drei parallelen Strahlen (6, 7, 8) enthält.

7. Interferometrisches Oberflächenuntersuchungsgerät nach Anspruch 6, worin das Abtastmittel (17, 18) für die Lichtintensität Photodioden sind.

8. Interferometrisches Oberflächenuntersuchungsgerät nach Anspruch 3, worin das optisch durchlässige Bauelement (3) ein Spiegel ist und das Mittel (17, 18) zur Abtastung der Lichtintensität in den beiden äußeren (6, 8) der drei parallelen Strahlen (6, 7, 8) enthält.

9. Interferometrisches Oberflächenuntersuchungsgerät nach Anspruch 2, wobei sowohl das erste (9) als auch das zweite (16) optisch durchlässige Bauelement ein Spiegel ist, und das Mittel (17, 18) zur Abtastung der Lichtintensität in den beiden äußeren (6, 8) der drei parallelen Strahlen (6, 7, 8) enthält.