WO2007033851A1 - Interferometrische schichtdickenbestimmung - Google Patents

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WO2007033851A1
WO2007033851A1 PCT/EP2006/064954 EP2006064954W WO2007033851A1 WO 2007033851 A1 WO2007033851 A1 WO 2007033851A1 EP 2006064954 W EP2006064954 W EP 2006064954W WO 2007033851 A1 WO2007033851 A1 WO 2007033851A1
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layer
scanning
correlograms
interferometer
interfaces
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PCT/EP2006/064954
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English (en)
French (fr)
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Kurt Burger
Thomas Beck
Stefan Grosse
Bernd Schmidtke
Ulrich Kallmann
Sebastian Jackisch
Hartmut Spennemann
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Robert Bosch Gmbh
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Priority to JP2008531633A priority patent/JP2009509149A/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0675—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating using interferometry

Definitions

  • the invention relates to an interferometric measuring device for measuring layer thicknesses of partially transparent layers on substrates with a scanning device that scans them automatically in their depth direction, by means of which an interference plane is displaceable relative to the layer structure, with an interferometer part having a white-light interferometer and / or a wavelength-scanning interferometer, for the measurement of an irradiation unit, an input radiation is supplied, which is split by means of a beam splitter and supplied to a reference arm via a reference beam as reference beam to a reference arm and the other part via an object beam path as an object beam to a measuring the layer structure having the object arm, with an imager which picks up the interfering radiation returning from the reference arm and the object arm and converts it into electrical signals, and a downstream Au evaluation device for providing the measurement results.
  • the invention further relates to a method for the interferometric measurement of layer thicknesses of partially transparent layers on substrates, in which an interference plane, which is determined by the optical path length of an object beam guided in an object beam and the optical path length of a guided in a reference beam reference beam, for depth scanning of Shift layer structure in the direction of the depth relative to the position of the layer, generates an interference pattern with methods of white-light interferometry or wavelength-scanning interferometry and the interference pattern by means of an image recorder. mers recorded and evaluated automatically by means of an evaluation to represent the boundary surfaces of the layer structure related measurement results.
  • Such an interferometric measuring device is specified in DE 101 31 779 A1.
  • this known interferometric measuring device which operates according to the measurement principle of so-called white light interferometry, a surface structure of a measuring object in the depth direction (z-direction) is scanned by means of a scanning device by changing the length of a reference light path relative to the length of an object light path, so that the Interference level, which results from the interaction of a guided by a reference arm reference beam and guided by an object arm object beam is moved relative to the object surface.
  • a special feature of this known interferometric measuring device is that several surface areas of the measurement object can be detected and scanned at the same time, for which a special optics, namely a so-called superposition optics or optics with a sufficiently large depth of field or a multifocal optic is arranged in the object arm, with which the different surface areas can be detected at the same time.
  • a special optics namely a so-called superposition optics or optics with a sufficiently large depth of field or a multifocal optic is arranged in the object arm, with which the different surface areas can be detected at the same time.
  • This structure is particularly suitable for scanning laterally adjacent surface areas, which may have different orientation or may be offset in the depth direction. Also a parallelism or thickness of the different surfaces can be measured. The spatially separated areas are always detected at the same time, so that an adaptation of the optics in the object arm, which takes into account the relative positional relationship of the two areas to be measured, must be provided.
  • the above-mentioned document does not describe semi-transparent layers on a substrate.
  • a further interferometric measuring device which is likewise based on the principle of white-light interferometry, is constructed in such a way that thickness, distance and / or profile measurements are also carried out on successive layers, for example in the case of WO 01/38820 A1 Ophthalmological measurements Corneal thickness, anterior chamber depth, retinal layer thickness or retinal surface profile.
  • different light paths are also formed in the object arm, which are assigned to different layers or interfaces in order to achieve the fastest possible measurement.
  • the object beams have different optical properties, such as e.g. different polarization direction or different wavelength; It is also possible to change the path of the different object light paths in the object arm, but this leads to a loss of sensitivity, as indicated in this document.
  • A, (4): 832-843, 1996 is embodied as having a particular algorithm of detected intensity values after the So-called FSA method (five-sample-adaptive method), the modulation M of a correlogram can be determined.
  • FSA method five-sample-adaptive method
  • a C-layer applied to a surface can not be measured with respect to the layer thickness with today's systems.
  • the object of the invention is to provide an interferometric measuring device and a method for measuring layer thicknesses, in particular those of C layers.
  • the scanning device is designed in such a way that, given a constant reference beam path and object beam path, the associated scanning path is at least as large as the distance to be expected or determined in a pre-measurement of at least two boundary surfaces arranged one behind the other Layer structure, where appropriate, plus an expected depth structure of the interfaces, and that when forming the interferometer part IT with the irradiation unit LQ as white light interferometer WLI the coherence length LC of the input radiation is selected to be at most so large that the interference maxima of the depth of the succession occurring Korre logramme on can be distinguished from the interfaces to be detected, and / or when forming the interferometer part IT with the irradiation unit as the wavelength-scanning interferometer WLSI, the irradiation unit LQ with narrow-band, tunable input radiation is formed, wherein the bandwidth of the input radiation is chosen so large that the smallest to be expected or estimated by the Vorunk distance of the trailing interfaces to be
  • the object relating to the method is achieved in that, in the depth scanning of the layer to be measured and the boundary surfaces delimiting it, the object beam OST is guided in one scanning cycle over the same object beam path and the reference beam RST is guided over the same reference beam path and that in the application of the method White light interferometry, the coherence length LC of the coupled into the interferometer input radiation of a beam unit LQ is chosen to be at most so large that the interference maxima of the depth of the successive scanning at the interfaces to be detected correlograms KG are distinguished and the application of the method of wavelength-scanning interferometry bandwidth the input radiation is chosen so large that the smallest expected or pre-measured distance of the interfaces to be detected is resolved, wherein a wavelength spectrum of the egg Nehlhle unit LQ is selected, in which the layer to be measured can be at least partially irradiated.
  • interfaces of the layer structure including the outer interface (surface) can be reliably detected and, if desired, accurately analyzed.
  • the layers to be measured are carbon-based wear-resistant layers (C layers), and if the wavelength spectrum of the irradiation unit LQ is in the near-infrared spectral range (NIR), a non-destructive, both point-like and planar measurement is made possible in the case of the described device and the method used.
  • NIR near-infrared spectral range
  • Layer thickness of the C-layer can be determined, which allows a downstream process and / or quality control of relevant product parts.
  • the wavelength spectrum of the irradiation unit LQ is in the range from 1100 nm to 1800 nm. Then the C-layers are partially transparent due to their optical properties, whereby both at the top (boundary layer air / C-layer) and at the bottom of the layer (boundary layer C-layer / substrate), a correlogram can be produced, which can be detected.
  • a preferred embodiment variant has a laser-pumped photonic crystal fiber PCF as the injection unit LQ. Such light sources are characterized by a very broad optical spectrum ( ⁇ > 500 nm).
  • the image recorder BA is an InGaAs CCD camera, a high sensitivity in the corresponding spectral range can be achieved, in particular in conjunction with a PCF light source, so that the recorded correlograms have very small half-value widths of ⁇ 4 ⁇ m.
  • the reference arm RA has a displaceable reference mirror RS designed as a reference surface RF.
  • a depth scan can be performed without moving parts in the object arm OA.
  • a preferred embodiment variant provides in the reference arm RA and / or in the object arm OA lens systems LS2, LS3, which are designed as NIR microscope objectives. This makes it possible to realize particularly compact measuring devices which are also optimally adapted to the measuring task of measuring the layer thickness of C layers.
  • An advantageous embodiment for the detection and evaluation is that in the evaluation AW algorithms are programmed with which the boundary surfaces of the layer can be detected separately by an assignment by the sequence of occurring at the interfaces correlograms KG takes place during a Tiefenabtastzyklus.
  • a preferred variant of the method provides that the intensity profiles of the correlograms KG are recorded pixel by pixel during the depth scan by means of the image recorder BA and be stored in a downstream evaluation AW. This makes it possible to obtain layer-thickness information on a surface basis.
  • the intensity profiles of the correlograms KG in the evaluation unit AW are assigned to separate memory areas and during the depth scanning, the correlations associated with the boundary surfaces are determined on the basis of maximum modulation M of the intensities resulting from the interference patterns and assigned to the memory areas, wherein the respective Correlograms are related to their Tiefenabtast position, so results in a relatively low cost high efficiency in the evaluation and provision of the measurement results.
  • a particularly simple evaluation provides that the position of the correlograms is determined by means of a center of gravity determination of an envelope of the correlograms KG. With this method, the position of the boundary layers can be determined particularly precisely in the depth direction Z.
  • a variant of the method provides that in the separation of the intensity signals, a mutual influence of the signals is taken into account. Due to the small half-width of the correlograms KG, it is also possible to measure very small layer thicknesses of d ⁇ 1.5 ⁇ m.
  • a method step also provides that an actual layer thickness of the layer is calculated for each pixel by means of a previously determined refractive index of the layer from the optical layer thickness, which is advantageous with respect to an inspection of the layers mentioned above.
  • the measurement results are thus the actual layer thickness in each pixel as well as a tomographic image of the C-layer.
  • the refractive index of the layer can be determined very easily beforehand by means of a partially coated reference sample.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a white light interferometer WLI for measuring layer thicknesses
  • FIG. 3 shows a typical intensity profile of a pixel of an InGaAs CCD camera over a scanning path with two partially overlapping correlograms when measuring a C-layer.
  • FIG. 1 schematically shows an interferometric measuring arrangement which is used to measure layers, in particular carbon-based wear protection layers, so-called C layers CS, on an object O which is at least partially transparent to an object beam OST.
  • An interferometer part IT embodied as a white-light interferometer WLI has a beam splitter ST, by means of which an input radiation is split into the object beam OA guided by an object arm OA and a reference beam RA guided reference beam RST by superimposing on a reference surface RF returned reference beam RST and of the scanned layer structure of the object O recirculated object beam OST to generate an evaluable interference pattern, as known per se and described for example in the introductory cited documents.
  • an interference plane IE is arranged in the region of the measurement object O or the C layer CS.
  • the interference plane IE is shifted relative to the C layer CS in the depth direction Z, whereby different interference patterns occur over the track of the depth scan.
  • the depth scan the C-layer CS of the interference plane IE can take place in various ways, namely by changing the optical path length of the reference beam, in particular by moving the reference surface RF formed as reference mirror RS, by movement of the measured object O in the depth direction Z or by movement of the lens in the depth direction or by movement of the entire sensor relative to the measurement object O.
  • an adjustment of the reference mirror RF in the reference arm RA is adjusted in discrete steps in the depth direction Z by means of an adjustment unit VE, for example a piezoelectric adjustment unit VE.
  • an adjustment unit VE for example a piezoelectric adjustment unit VE.
  • the interference pattern is recorded with an image recorder BA and converted into corresponding electrical signals and evaluated in a subsequent evaluation AW to obtain the measurement results that provide information about the layer thickness of the C-layer.
  • the image recorder BA is preferably a camera which is arranged pixel by pixel in x-y
  • Direction has adjacent image pickup elements and the mapped interference pattern dissolves areally, so that at the same time several of the individual pixels associated tracks of the layer structure can be detected and evaluated in the depth scan.
  • the measurement of the boundary surfaces of the C-layer CS can advantageously be carried out according to the principle of white-light interferometry.
  • a radiation unit or light source LQ which emits a short-coherent radiation, for example one or more coupled superluminescent diodes SLD1... SLD4.
  • Interference occurs only when the optical path length difference between the reference beam RST and the object beam OST lies within the coherence length LC of the radiation emitted by the irradiation unit LQ.
  • the resulting interference signal is also referred to as correlogram KG in white-light interferometry.
  • the object beam OST penetrates at least partially into the C-layer CS and is reflected both at the upper boundary surface (eg air / C-layer CS) and at the lower boundary surface (C-layer CS / object surface OO of the object O) and generates with the superimposed reference beam RST on the image recorder BA for each pixel, a top signal OSS and a bottom signal USS, which detected separately or partially overlapping and evaluated and from the consideration of the refractive index, the layer thickness d can be determined.
  • the upper boundary surface eg air / C-layer CS
  • the layer thickness d can be determined.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a white light interferometer WLI for areal measurement of layer thicknesses C layers.
  • the basic structure corresponds to the interferometric measuring arrangement shown in FIG.
  • the irradiation unit or light source LQ is designed according to the measurement task as a light source with a near-infrared spectral range (NIR).
  • NIR near-infrared spectral range
  • ASE amplified spontaneous emission
  • PCF laser-pumped photonic crystal fibers
  • SLD superluminescent diodes
  • ASE light sources and superluminescent diodes are coupled via free jet or by an optical fiber into the white light interferometer WLI.
  • Laser-pumped photonic crystal fibers are connected directly to the interferometer part IT of the white light interferometer WLI.
  • the image recorder BA or detector is adapted to the irradiation unit or light source LQ in order to obtain the highest possible sensitivity in the spectral range used.
  • imager BA an InGaAs CCD camera is therefore used in the near infrared spectral range (about 1000 nm to 1800 nm) in the case of areally measuring white light interferometers. This also enables the image recorder BA to have a surface resolution in the x / y direction that is higher than the image of the local height changes of the layer surface in the x / y direction.
  • the depth scan is carried out with a reference mirror RS which is mounted on a piezoelectric crystal in the reference arm RA and serves as the reference surface RF.
  • the piezocrystal represents the adjustment unit VE, which can be controlled, for example, by means of a computer and therefore can very accurately bring the reference mirror into position.
  • the object arm OA therefore has no moving parts.
  • the reference arm RA and the object arm OA have lens systems LS2, LS3, which are formed in the example shown as NIR microscope objectives.
  • the lens systems LS1 and LS4 serve to couple the input radiation or to focus the object beam OST with the superimposed reference beam RST onto the image recorder BA.
  • the method according to the invention provides that during the depth scanning of the layer to be measured and the boundary surfaces delimiting it, the object beam OST is guided over the same object beam path in one scanning cycle and the reference beam RST is guided over the same reference beam path.
  • the coherence length LC of the input radiation of an irradiation unit LQ coupled into the interferometer is selected to be at most large enough to distinguish the interference maxima of the correlograms KG occurring in succession at the depth scanning at the interfaces to be detected.
  • the bandwidth of the input radiation is chosen so large that the smallest expected or pre-measured distance of the interfaces to be detected is resolved.
  • a wavelength spectrum of the irradiation unit LQ is selected, in which the layer to be measured can be at least partially irradiated.
  • the modulation M is preferably determined, as is shown along with the associated intensity profile over the scanning path in the depth direction Z.
  • the evaluation device AW is based on a special algorithm, namely the so-called FSA (five-sample-adaptive) algorithm, which is based on the sampling of five successive intensity values of the interferogram and also the phase the respective scanning position in the scanning can be determined.
  • FSA five-sample-adaptive
  • a peculiarity of the present interferometric measuring device and the measuring method lies in the fact that the scanning path in the depth direction Z is chosen to be at least large enough to scan the entire area in which the boundary layers to be detected are present, during the scanning at the different boundary surfaces occurring correlograms are detected in order to determine therefrom the presence of the interfaces by means of the evaluation device AW.
  • the planar detection via the image recording elements of the image recorder BA or the camera simultaneously permits the acquisition of the height measurement data via a plurality of laterally adjacent tracks (in the depth direction Z), so that 3D height information of the respective boundary surfaces can be obtained.
  • the intensity curves of the correlograms KG in the evaluation device AW are assigned to separate memory areas SB1, SB2... And during the depth scanning the correlograms related to the interfaces are based on maximum modulation M of the intensities resulting from the interference patterns are determined and assigned to the memory areas SB1, SB2 ..., the respective correlograms being related to their depth sampling position.
  • two consecutive correlograms KG are detected separately in the evaluation device AW for each pixel, and the optical layer thickness of the layer is determined from the position of the correlograms.
  • the exact position of the correlograms can be determined on the one hand by means of a center of gravity determination of an envelope of the correlograms KG.
  • a mutual influence of the signals can be taken into account in the separation of the intensity signals for determining the position.
  • the optical layer thickness can be calculated for each pixel.
  • an actual layer thickness of the layer for each pixel can be calculated from the optical layer thickness become.
  • the refractive index of the layer can for example be previously determined by means of a partially coated reference sample and stored already in the evaluation device AW.
  • FIG. 3 shows an example measurement of the intensity profile of a pixel of an InGaAs CCD camera during the measurement of a C-layer.
  • the intensity is shown.
  • the figure shows two correlations KG, which partially overlap in the example shown. From the upper boundary surface (air / C layer CS) and at the lower boundary surface (C layer CS / object surface OO of the object O), the upper side signal OSS and the underside signal USS result, resulting in the position and taking into account the refractive index Layer thickness d of the C-layer can be determined for this pixel.
  • the above-described structures of the interferometric measuring device and the methods performed therewith enable non-destructive both point-like and areal measurements, in particular of interfaces in layers optically partially transparent to the radiation, in particular of carbon-based wear protection layers.
  • the top and the underside of such C-layers can be tomographically measured and thus the layer thickness of the C-layer can be determined non-destructively, resulting in downstream process and / or quality control of relevant parts of the product, such as common rail injectors. Nozzle needle tips enabled.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine interferometrische Messvorrichtung zum Vermessen von Schichtdicken von teiltransparenten Schichten auf Substraten, speziell von auf Kohlenstoff basierenden Verschleissschutzschichten, mit einer diese automatisch in ihrer Tiefenrichtung (Z) abtastenden Abtastvorrichtung, mittels derer eine Interferenzebene (IE) relativ zur Schichtstruktur verschiebbar ist, mit einem ein Weisslichtinterf erometer (WLI) und/oder ein wellenlängenscannendes Interf erometer (WLSI) aufweisenden Interf erometerteil (IT) . Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Auswerteverfahren.

Description

Interferometrische Schichtdickenbestimmung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Interferometrische Messvorrichtung zum Vermessen von Schichtdi- cken von teiltransparenten Schichten auf Substraten mit einer diese automatisch in ihrer Tiefenrichtung abtastenden Abtastvorrichtung, mittels derer eine Interferenzebene relativ zur Schichtstruktur verschiebbar ist, mit einem ein Weißlichtinterferometer und/oder ein wellenlängenscannendes Interferometer aufweisenden Interferometerteil, dem für die Messung von einer Einstrahlungseinheit eine Eingangsstrahlung zugeführt ist, welche mittels eines Strahlteilers aufge- teilt und zum einen Teil über einen Referenzstrahlengang als Referenzstrahl einem Referenzarm und zum anderen Teil über einen Objektstrahlengang als Objektstrahl einem beim Messen die Schichtstruktur aufweisenden Objektarm zugeführt ist, mit einem Bildaufnehmer, der die aus dem Referenzarm und dem Objektarm zurückkommende interferierende Strahlung aufnimmt und in elektrische Signale umwandelt, sowie mit einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung zum Bereitstellen der Messergebnisse.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum interferometrischen Vermessen von Schichtdicken von teiltransparenten Schichten auf Substraten, bei dem eine Interferenzebene, die durch die optische Weglänge eines in einem Objektstrahlengang geführten Objektstrahls und durch die optische Weglänge eines in einem Referenzstrahlengang geführten Referenzstrahls bestimmt ist, zur Tiefenabtastung der Schichtstruktur in Tiefenrichtung relativ zur Lage der Schicht verschoben wird, ein Interferenzmuster mit Methoden der Weißlichtinterferometrie oder einer wellenlängenscannenden Interferometrie erzeugt und das Interferenzmuster mittels eines Bildaufneh- mers aufgenommen und mittels einer Auswerteeinrichtung automatisch ausgewertet wird, um die Grenzflächen der Schichtstruktur betreffende Messergebnisse darzustellen.
Eine derartige interferometrische Messvorrichtung ist in der DE 101 31 779 Al angegeben. Bei dieser bekannten interferometrischen Messvorrichtung, die nach dem Messprinzip der so genannten Weißlichtinterferometrie arbeitet, wird eine Oberflächenstruktur eines Messobjektes in Tiefenrichtung (z-Richtung) mittels einer Abtastvorrichtung abgetastet, indem die Länge eines Referenzlichtweges relativ zur Länge eines Objektlichtweges geändert wird, so dass sich die Interferenzebene, welche sich aus dem Zusammenwirken eines durch einen Referenzarm geführten Referenzstrahls und eines durch einen Objektarm geführten Objektstrahls ergibt, relativ zur Objektoberfläche verschoben wird. Eine Besonderheit dieser bekannten interferometrischen Messvorrichtung besteht darin, dass gleichzeitig mehrere Flächenbereiche des Messobjektes erfasst und abgetastet werden können, wozu eine besondere Optik, nämlich eine so genannte Superpositionsoptik oder aber eine Optik mit einer genügend großen Schärfentiefe oder eine Multifokalop- tik im Objektarm angeordnet ist, mit denen gleichzeitig die verschiedenen Flächenbereiche erfasst werden können. Hierdurch ergeben sich für die verschiedenen zu vermessenden Flächenbereiche entsprechend unterschiedliche Strahlengänge im Objektarm, so dass die Flächenbereiche dann unter relativer Änderung der optischen Länge des Objektlichtweges zu der optischen Länge des Referenzlichtweges, beispielsweise durch Verstellen eines Referenzspiegels in Tiefenabtast- richtung, hinsichtlich ihrer topographischen Oberflächenstruktur vermessen werden. Dieser Aufbau eignet sich insbesondere zum Abtasten lateral nebeneinander liegender Flächenbereiche, die unterschiedliche Orientierung haben können oder in Tiefenrichtung versetzt sein können. Auch eine Parallelität oder Dicke der verschiedenen Flächen kann gemessen werden. Stets werden dabei die räumlich voneinander getrennten Flächen gleichzeitig erfasst, so dass eine die relative Lagebeziehung der beiden zu vermessenden Flächen berücksichtigende Anpassung der Optik im Objektarm vorgesehen werden muss. Bei der oben genannten Druckschrift werden keine teiltransparenten Schichten auf einem Substrat beschrieben.
Auch bei einer in der DE 197 21 843 Cl gezeigten interferometrischen Messvorrichtung können verschiedene Oberflächenbereiche eines Objektes, insbesondere auch in engen Bohrungen, mittels eines teilweise gemeinsamen Objektarmes vermessen werden, wobei ebenfalls den verschiedenen Flächenbereichen zugeordnete Objektstrahlengänge gebildet werden. Hierbei liegen die vermessenen Flächenbereiche lateral voneinander getrennt, so dass z.B. die Rundheit einer Zylinderbohrung überprüft werden kann. Die verschiedenen Flächenbereiche werden auf der Grundlage unterschiedlicher Polarisationsrichtungen der zugeordneten Objektstrahlen unterschieden. Auch hierbei erfolgt die Abbildung der verschiedenen Flächenbereiche über den Objektarm gleichzeitig.
Eine in der WO 01/38820 Al dargestellte weitere interferometrische Messvorrichtung, die ebenfalls auf dem Prinzip der Weißlichtinterferometrie beruht, ist in der Weise aufgebaut, dass mit ihr Dicken-, Abstands- und/oder Profϊlmessungen auch an hintereinander liegenden Schichten vorgenommen werden, beispielsweise bei ophthalmologischen Messungen die Corneadicke, die Vorkammertiefe, die Retinaschichtdicke oder das Retinaoberflächenprofϊl. Hierzu sind in dem Objektarm ebenfalls verschiedene Lichtwege ausgebildet, die verschiedenen Schichten bzw. Grenzflächen zugeordnet sind, um eine möglichst schnelle Messung zu erreichen. Zum Unterscheiden und Zuordnen der verschiedenen gemessenen Oberflächen bzw. Grenzflächen besitzen die Objektstrahlen (Messstrahlen) unterschiedliche optische Eigenschaften, wie z.B. unterschiedliche Polarisationsrichtung oder unterschiedliche Wellenlänge; auch eine Veränderung des Um- weges der verschiedenen Objektlichtwege im Objektarm ist möglich, führt aber zu einem Empfindlichkeitsverlust, worauf in dieser Druckschrift hingewiesen ist.
Grundlegendere Ausführungen zur Weißlichtinterferometrie sind in T. Dresel, G. Häusler, H. Venzke, „Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar", Applied Optics Vol. 31, 919, 1992 und in P. de Groot et L. Deck, Journal of Modern Optics, „Surface profiling by analysis of white-light interferograms in the spatial frequency domain", Journal of Modern Optics, Vol. 42 389-501, 1995 dargestellt. In Kieran G. Larkin „Effirient nonlinear algorithm for envelope detection in white light interferometry", J. Opt. Soc. Am. A, (4):832-843, 1996 ist ausgeführt, wie mit einem besonderen Algorithmus aus erfassten Intensitätswerten nach der so ge- nannten FSA-Methode (five-sample-adaptive-Methode) die Modulation M eines Korrelogramms bestimmt werden kann. Eine andere Vorgehensweise zum Identifizieren und Auswerten eines Korrelogramms besteht in der Betrachtung des Interferenz-Kontrastes.
Derzeit ist es nicht möglich, die Schichtdicke von auf Kohlenstoff basierenden Verschleißschutz- schichten, so genannte C-Schichten, zerstörungsfrei und in ausreichender Geschwindigkeit sowie Genauigkeit zu vermessen. Bei derzeit eingesetzten Verfahren wird zur Schichtdickenbestimmung die C-Schicht angeschliffen und somit zerstört (Kalottenschliff- Verfahren). Kommerziell erhältliche Weißlichtinterferometer (WLI) sind hochgenaue, schnell messende interferometrische Messsysteme, die aber nur topografische Oberflächen vermessen können („2 Vi D-Messung"). - A -
Eine auf eine Oberfläche aufgebrachte C-Schicht kann mit heutigen Systemen nicht hinsichtlich der Schichtdicke vermessen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Messvorrichtung und ein Ver- fahren zum Vermessen von Schichtdicken, insbesondere die von C-Schichten, bereitzustellen.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei dem Ver- fahren mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst.
Bei der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Abtastvorrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass bei gleich bleibendem Referenzstrahlengang und Objektstrahlengang der zugehörige Abtastweg zumindest so groß ausgeführt ist wie der zu erwartende oder in einer Vormessung ermittelte Ab- stand mindestens zweier hintereinander angeordneter zu erfassender Grenzflächen der Schichtstruktur gegebenenfalls zuzüglich einer zu erwartenden Tiefenstruktur der Grenzflächen, und dass bei Ausbildung des Interferometerteil IT mit der Einstrahlungseinheit LQ als Weißlichtin- terferometer WLI die Kohärenzlänge LC der Eingangsstrahlung höchstens so groß gewählt ist, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander auftretenden Korre- logramme an den zu erfassenden Grenzflächen unterscheidbar sind, und / oder bei Ausbildung des Interferometerteils IT mit der Einstrahlungseinheit als wellenlängenscannendes Interferome- ter WLSI die Einstrahlungseinheit LQ mit schmalbandiger, durchstimmbarer Eingangsstrahlung ausgebildet ist, wobei die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt ist, dass der kleinste zu erwartende oder durch die Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden hintereinan- der liegenden Grenzflächen auflösbar ist, und / oder bei Ausbildung des Interferometerteils IT als wellenlängenscannendes Interferometer WLSI mit spektral breitbandiger Einstrahlungseinheit und einem wellenlängenscannenden optischen Spektrumanalysator als Detektor die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt ist, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden hintereinander liegenden Grenzflächen auflösbar ist, und das verwendete Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit LQ hinsichtlich der spektralen Transparenz der zu messenden Schicht angepasst ist, derart, dass diese zumindest teilweise durchstrahlbar ist. Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei der Tiefenabtastung der zu vermessenden Schicht und der sie begrenzenden Grenzflächen der Objektstrahl OST in einem Abtastzyklus über denselben Objektstrahlengang geführt wird und der Referenzstrahl RST über denselben Referenzstrahlengang geführt wird und dass bei der Anwendung der Methode der Weißlichtinterferometrie die Kohärenzlänge LC der in das Interferometer eingekoppelten Eingangsstrahlung einer Einstrahleinheit LQ höchstens so groß gewählt wird, dass die Interferenz- maxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander an den zu erfassenden Grenzflächen auftretenden Korrelogramme KG unterschieden werden und bei der Anwendung der Methode der wellenlängenscannenden Interferometrie die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt wird, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden Grenzflächen aufgelöst wird, wobei ein Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit LQ gewählt wird, bei dem die zu messende Schicht zumindest teilweise durchstrahlt werden kann.
Mit diesen Maßnahmen können Grenzflächen der Schichtstruktur einschließlich der äußeren Grenzfläche (Oberfläche) zuverlässig detektiert und, falls gewünscht, genau analysiert werden. Dabei können beispielsweise auch Übergänge (Grenzflächen bzw. Grenzschichten) in kleineren Bereichen der Schichtstruktur während eines Durchlaufs des Abtastweges erfasst, und falls erwünscht, näher vermessen werden, da die Korrelogramme eindeutig festgestellt werden. Durch Auswertung der Übergänge lassen sich dann Schichtdicken bestimmen.
Sind die zu messenden Schichten auf Kohlenstoff basierende Verschleißschutzschichten (C- Schichten), und liegt das Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit LQ im nahinfraroten Spektralbereich (NIR), wird bei der beschriebenen Vorrichtung und dem angewendeten Verfahren eine zerstörungsfreie sowohl punkthafte als auch flächenhafte Messung ermöglicht. Damit können tomografisch die Ober- und die Unterseite derartiger C-Schichten vermessen und damit die
Schichtdicke der C-Schicht ermittelt werden, was eine nachgeschaltete Prozess- und / oder Qualitätskontrolle an relevanten Erzeugnisteilen ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit LQ im Bereich von 1100 nm bis 1800 nm liegt. Dann sind die C-Schichten aufgrund ihrer optischen Eigenschaften teiltransparent, wodurch sowohl an der Oberseite (Grenzschicht Luft / C-Schicht) als auch an der Unterseite der Schicht (Grenzschicht C-Schicht / Substrat) ein Korrelogramm entstehen kann, welches detektiert werden kann. Eine bevorzugte Ausfuhrungsvariante weist dabei als Einstrahleinheit LQ eine lasergepumpte photonische Kristallfaser PCF auf. Derartige Lichtquellen zeichnen sich durch ein sehr breites optisches Spektrum aus (Δλ > 500 nm).
Größere laterale Bereiche der Grenzflächen können relativ schnell und auch in Bezug aufeinander dadurch vermessen werden, dass der Bildaufhehmer BA eine flächige Auflösung in x-/y- Richtung besitzt, die höher ist als die Abbildung der örtlichen Höhenänderungen der Schichtoberfläche in x-/y-Richtung. Mit diesen Maßnahmen lassen sich zudem relative Änderungen der Schichtverläufe in Bezug aufeinander erkennen und auswerten.
Ist der Bildaufnehmer BA eine InGaAs-CCD-Kamera, kann insbesondere in Verbindung mit einer PCF-Lichtquelle eine hohe Sensitivität im entsprechenden Spektralbereich erzielt werden, so dass die aufgezeichneten Korrelogramme sehr kleine Halbwertsbreiten von < 4 μm aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform weist der Referenzarm RA einen als Referenzfläche RF ausgebildeten verschiebbaren Referenzspiegel RS auf. Damit kann ein Tiefenscan ohne bewegliche Teile im Objektarm OA durchgeführt werden.
Ist die Referenzfläche RF mittels einer piezoelektrischen Verstelleinheit VE verschiebbar, kön- nen damit hohe Genauigkeiten erzielt werden. Zudem zeichnen sich derartige Anordnungen durch eine große Robustheit aus.
Eine bevorzugte Ausfuhrungsvariante sieht im Referenzarm RA und / oder im Objektarm OA Linsensysteme LS2, LS3 vor, die als NIR-Mikroskopobjektive ausgebildet sind. Damit lassen sich besonders kompakte Messvorrichtungen realisieren, die zudem optimal auf die Messaufgabe, die Schichtdicke von C-Schichten zu vermessen, angepasst sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Erfassung und Auswertung besteht darin, dass in der Auswerteeinrichtung AW Algorithmen programmiert sind, mit denen die Grenzflächen der Schicht voneinander getrennt erfassbar sind, indem eine Zuordnung durch die Reihenfolge der an den Grenzflächen auftretenden Korrelogramme KG während eines Tiefenabtastzyklus erfolgt.
Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass die Intensitätsverläufe der Korrelogramme KG pixelweise während der Tiefenabtastung mittels des Bildaufiiehmers BA aufgenommen und in einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung AW gespeichert werden. Damit lassen sich flä- chenhaft Schichtdickeninformationen gewinnen.
Ist vorgesehen, dass die Intensitätsverläufe der Korrelogramme KG in der Auswerteeinrichtung AW getrennten Speicherbereichen zugewiesen werden und während der Tiefenabtastung die mit den Grenzflächen zusammenhängende Korrelogramme auf der Grundlage maximaler Modulation M der sich aus den Interferenzmustern ergebenden Intensitäten ermittelt und den Speicherbereichen zugeordnet werden, wobei die jeweiligen Korrelogramme mit ihrer Tiefenabtast-Position in Beziehung gebracht sind, so ergibt sich mit relativ geringem Aufwand eine hohe Effizienz bei der Auswertung und Bereitstellung der Messergebnisse.
Wird in der Auswerteeinrichtung AW während der Tiefenabtastung für jeden Bildpunkt getrennt zwei aufeinander folgende Korrelogramme KG detektiert und aus der Lage der Korrelogramme die optische Schichtdicke der Schicht bestimmt, lassen sich damit sehr effizient flächenhafte Darstellungen der Schichtdicke berechnen und entsprechend grafisch darstellen, was hinsichtlich einer Schichtinspektion in der Qualitätssicherung besonders vorteilhaft ist.
Eine besonders einfache Auswertung sieht dabei vor, dass die Lage der Korrelogramme mittels einer Schwerpunktbestimmung einer Einhüllenden der Korrelogramme KG bestimmt wird. Mit dieser Methode lassen sich die Lage der Grenzschichten besonders genau in Tiefenrichtung Z bestimmen.
Bei der Bestimmung der Lage von zwei sich teilweise überlappenden Korrelogrammen KG sieht eine Verfahrensvariante vor, dass bei der Trennung der Intensitätssignale eine gegenseitige Be- einflussung der Signale berücksichtigt wird. Aufgrund der kleinen Halbwertsbreite der Korrelogramme KG können dadurch auch sehr geringe Schichtdicken mit d < 1,5 μm vermessen werden.
Ein Verfahrensschritt sieht darüber hinaus vor, dass mittels eines zuvor bestimmten Brechungs- indexes der Schicht aus der optischen Schichtdicke eine tatsächliche Schichtdicke der Schicht für jeden Bildpunkt berechnet wird, was hinsichtlich einer Inspektion der eingangs erwähnten Schichten vorteilhaft ist. Die Messergebnisse sind somit die tatsächliche Schichtdicke in jedem Pixel sowie ein tomografisches Bild der C-Schicht. Der Brechungsindex der Schicht kann dabei zuvor sehr einfach mittels einer teilbeschichteten Referenzprobe bestimmt werden.
Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine interferometrische Messanordnung zum Vermessen von Schichtdicken in schematischer Darstellung,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Weißlichtinterferometers WLI zum Messen von Schichtdicken,
Figur 3 einen typischen Intensitätsverlauf eines Pixels einer InGaAs-CCD-Kamera über einen Abtastweg mit zwei sich teilweise überlappenden Korrelogrammen beim Vermessen einer C-Schicht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt schematisch eine interferometrische Messanordnung, die zur Vermessung von Schichten, insbesondere von auf Kohlenstoff basierenden Verschleißschutzschichten, so genannten C-Schichten CS, auf einem Objekt O, die für einen Objektstrahl OST zumindest teiltransparent ausgebildet ist.
Ein als Weißlichtinterferometer WLI ausgebildeter Interferometerteil IT weist einen Strahlteiler ST auf, durch den mittels einer Einstrahleinheit LQ eine Eingangsstrahlung in den durch einen Objektarm OA geführten Objektstrahl OST und einen durch einen Referenzarm RA geführten Referenzstrahl RST aufgeteilt wird, um durch Überlagerung des an einer Referenzfläche RF zurückgeführten Referenzstrahls RST und des von der abgetasteten Schichtstruktur des Objekts O zurückgeführten Objektstrahls OST ein auswertbares Interferenzmuster zu erzeugen, wie an sich bekannt und z.B. in den einleitend genannten Druckschriften näher beschrieben. Bezüglich des Objektarms OA ist eine Interferenzebene IE im Bereich des Messobjektes O bzw. der C- Schicht CS angeordnet. Bei der Tiefenabtastung der Schichtstruktur in Tiefenrichtung Z wird die Interferenzebene IE relativ zur C-Schicht CS in Tiefenrichtung Z verschoben, wodurch unterschiedliche Interferenzmuster über die Spur der Tiefenabtastung auftreten. Die Tiefenabtastung der C-Schicht CS der Interferenzebene IE kann in verschiedener Weise erfolgen, nämlich durch Verändern der optischen Weglänge des Referenzstrahls, insbesondere durch Bewegung der als Referenzspiegel RS ausgebildeten Referenzfläche RF, durch Bewegung des Messobjektes O in Tiefenrichtung Z oder durch Bewegung des Objektivs in Tiefenrichtung oder durch Bewegung des gesamten Sensors relativ zu dem Messobjekt O.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Verstellung des Referenzspiegels RF im Referenzarm RA mittels einer Verstelleinheit VE, beispielsweise einer piezoelektrischen Verstelleinheit VE, in diskreten Schritten in Tiefenrichtung Z verstellt. Zum Vermessen der C- Schicht CS wird das Interferenzmuster mit einem Bildaufnehmer BA aufgenommen und in entsprechende elektrische Signale umgewandelt und in einer anschließenden Auswerteeinrichtung AW ausgewertet, um die Messergebnisse zu erhalten, die Aufschluss über die Schichtdicke der C-Schicht geben.
Als Bildaufnehmer BA ist vorzugsweise eine Kamera vorgesehen, die pixelweise in x-y-
Richtung nebeneinander liegende Bildaufnahmeelemente aufweist und das abgebildete Interferenzmuster flächenhaft auflöst, so dass bei der Tiefenabtastung gleichzeitig mehrere den einzelnen Bildelementen zugeordnete Spuren der Schichtstruktur erfasst und ausgewertet werden können.
Die Vermessung der Grenzflächen der C-Schicht CS lässt sich vorteilhaft nach dem Prinzip der Weißlichtinterferometrie durchführen. Hierzu wird eine Einstrahlungseinheit bzw. Lichtquelle LQ eingesetzt, die eine kurzkohärente Strahlung abgibt, beispielsweise eine oder mehrere zusammengekoppelte Superlumineszenzdioden SLDl ... SLD4. Interferenz tritt dabei nur auf, wenn die optische Weglängendifferenz zwischen Referenzstrahl RST und Objektstrahl OST innerhalb der Kohärenzlänge LC der von der Einstrahlungseinheit LQ abgegebenen Strahlung liegt. Das entstehende Interferenzsignal wird in der Weißlichtinterferometrie auch als Korre- logramm KG bezeichnet.
Erfindungsgemäß dringt dabei der Objektstrahl OST zumindest teilweise in die C-Schicht CS ein und wird sowohl an der oberen Grenzfläche (z.B. Luft / C-Schicht CS) und an der unteren Grenzfläche (C-Schicht CS / Objektoberfläche OO des Objektes O) reflektiert und erzeugt mit dem überlagerten Referenzstrahl RST am Bildaufnehmer BA für jeden Bildpunkt ein Oberseitensignal OSS und ein Unterseitensignal USS, welche getrennt oder teilweise überlappend detektiert und ausgewertet und daraus unter Berücksichtigung des Brechungsindexes die Schichtdicke d bestimmt werden können.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Weißlichtinterferometers WLI zur flächenhaf- ten Vermessung von Schichtdicken C-Schichten. Der grundsätzliche Aufbau entspricht der inter- ferometrischen Messanordnung, die in Figur 1 dargestellt ist.
Die Einstrahlungseinheit bzw. Lichtquelle LQ ist entsprechend der Messaufgabe als Lichtquelle mit einem nahinfraroten Spektralbereich (NIR) ausgebildet. Als Lichtquellen LQ im nahen Infra- rot-Spektralbereich werden so genannte ASE (amplifϊed spontaneous emission-) Lichtquellen (z.B. lasergepumpte Er-Fasern), lasergepumpte photonische Kristallfasern (PCF) oder Superlu- mineszenz-Dioden SLD verwendet. ASE-Lichtquellen und Superlumineszenz-Dioden werden über Freistrahl oder durch eine Lichtleitfaser in das Weißlichtinterferometer WLI eingekoppelt. Lasergepumpte photonische Kristallfasern werden direkt an den Interferometerteil IT des Weiß- lichtinterferometers WLI angeschlossen.
Bei der Ausbildung der interferometrischen Messvorrichtung als Weißlichtinterferometer WLI ist darauf zu achten, dass das optische Spektrum ihrer breitbandigen Lichtquelle LQ so gewählt ist, dass die zu untersuchenden Schichtstrukturen zumindest bis auf ein unteres undurchsichtiges Trägersubstrat teiltransparent sind. Entsprechend ist der Bildaufnehmer BA bzw. Detektor an die Einstrahlungseinheit bzw. Lichtquelle LQ angepasst, um im verwendeten Spektralbereich eine möglichst hohe Sensitivität zu erhalten. Als Bildaufhehmer BA wird im nahen Infrarot-Spektralbereich (ca. 1000 nm bis 1800 nm) bei flächenhaft messenden Weißlichtinterferometern daher eine InGaAs-CCD-Kamera verwendet. Dies ermöglicht auch, dass der Bildaufhehmer BA eine flächige Auflösung in x-/y-Richtung besitzt, die höher ist als die Abbildung der örtlichen Höhenänderungen der Schichtoberfläche in x-/y-Richtung.
Der Tiefenscan wird im gezeigten Beispiel mit einem im Referenzarm RA auf einem Piezokris- tall montierten Referenzspiegel RS durchgeführt, der als Referenzfläche RF dient. Der Piezokris- tall stellt die Verstelleinheit VE dar, die beispielsweise mittels eines Computers angesteuert werden kann und daher sehr genau den Referenzspiegel in Position bringen kann. Der Objektarm OA weist daher keine beweglichen Teile auf. Der Referenzarm RA und der Objektarm OA weisen Linsensysteme LS2, LS3 auf, die im gezeigten Beispiel als NIR-Mikroskopobjektive ausgebildet sind. Die Linsensysteme LSl und LS4 dienen zur Einkopplung der Eingangsstrahlung bzw. zur Fokussierung des Objektstrahls OST mit dem überlagerten Referenzstrahl RST auf den Bildaufnehmer BA.
In der dem Bildaufnehmer BA nachgeschalteten Auswerteeinrichtung AW sind Algorithmen programmiert, mit denen die Grenzflächen der Schicht voneinander getrennt erfassbar sind, indem eine Zuordnung durch die Reihenfolge der an den Grenzflächen auftretenden Korrelogramme KG während eines Tiefenabtastzyklus erfolgt. Die Intensitätsverläufe der Korrelogramme KG werden dabei pixelweise während der Tiefenabtastung mittels des Bildaufnehmers BA aufgenommen und in einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung AW gespeichert.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass bei der Tiefenabtastung der zu vermessenden Schicht und der sie begrenzenden Grenzflächen der Objektstrahl OST in einem Abtast- zyklus über denselben Objektstrahlengang geführt wird und der Referenzstrahl RST über denselben Referenzstrahlengang geführt wird. Bei der Anwendung der Methode der Weißlichtinter- ferometrie wird die Kohärenzlänge LC der in das Interferometer eingekoppelten Eingangsstrahlung einer Einstrahleinheit LQ höchstens so groß gewählt, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander an den zu erfassenden Grenzflächen auftretenden Korre- logramme KG unterschieden werden. Bei der Anwendung der Methode der wellenlängenscannenden Interferometrie wird die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt wird, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden Grenzflächen aufgelöst wird. Dabei wird ein Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit LQ gewählt, bei dem die zu messende Schicht zumindest teilweise durchstrahlt werden kann.
Für die genaue Erfassung und Zuordnung der Korrelogramme KG zu den jeweiligen Grenzflächen kann eine Auswertung auf der Grundlage der Interferenzkontraste erfolgen. Zur besseren Erfassung wird bevorzugt jedoch die Modulation M ermittelt, wie sie zusammen mit dem zugehörigen Intensitätsverlauf über den Abtastweg in Tiefenrichtung Z dargestellt wird. Zum Ermit- teln der Modulation M wird in der Auswerteeinrichtung AW ein spezieller Algorithmus zugrunde gelegt, nämlich der so genannte FSA (five-sample-adaptive) Algorithmus, der auf der Abtastung von fünf aufeinander folgenden Intensitätswerten des Interferogramms beruht und aus dem auch die Phase der jeweiligen Abtastposition im Abtastweg bestimmt werden kann. Zu näheren Einzelheiten des FSA-Algorithmus sei auf die eingangs genannte Druckschrift (Larkin) verwiesen.
Eine Besonderheit der vorliegenden interferometrischen Messvorrichtung und des Messverfah- rens liegt darin, dass der Abtastweg in Tiefenrichtung Z mindestens so groß gewählt ist, dass der gesamte Bereich abgetastet wird, in dem die zu erfassenden Grenzschichten vorliegen, wobei während der Abtastung die an den verschiedenen Grenzflächen auftretenden Korrelogramme erfasst werden, um daraus das Vorhandensein der Grenzflächen mittels der Auswerteeinrichtung AW zu bestimmen. Dabei kann neben der Groberfassung der Grenzflächen auch bereits eine Feinerfassung der Höhenstrukturen der einzelnen Grenzflächen vorgenommen werden. Die flächenhafte Erfassung über die Bildaufnahmeelemente des Bildaufnehmers BA bzw. der Kamera lässt dabei gleichzeitig die Erfassung der Höhen-Messdaten über mehrere lateral nebeneinander liegende Spuren (in Tiefenrichtung Z) zu, so dass 3D-Höheninformationen der jeweiligen Grenzflächen gewonnen werden können.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Intensitätsverläufe der Korrelogramme KG in der Auswerteeinrichtung AW getrennten Speicherbereichen SBl, SB2 ... zugewiesen werden und während der Tiefenabtastung die mit den Grenzflächen zusammenhängende Korrelogramme auf der Grundlage maximaler Modulation M der sich aus den Interferenzmustern ergebenden Intensitä- ten ermittelt und den Speicherbereichen SBl, SB2 ... zugeordnet werden, wobei die jeweiligen Korrelogramme mit ihrer Tiefenabtast-Position in Beziehung gebracht werden.
Während der Tiefenabtastung werden in der Auswerteeinrichtung AW für jeden Bildpunkt getrennt zwei aufeinander folgende Korrelogramme KG detektiert und aus der Lage der Korre- logramme die optische Schichtdicke der Schicht bestimmt. Die genaue Lage der Korrelogramme kann einerseits mittels einer Schwerpunktbestimmung einer Einhüllenden der Korrelogramme KG bestimmt werden. Bei sich zwei teilweise überlappenden Korrelogrammen KG kann bei der Trennung der Intensitätssignale zur Bestimmung der Lage eine gegenseitige Beeinflussung der Signale berücksichtigt werden.
Durch Differenzbildung der Lage der Korrelogramme bezogen auf die Abtastung in Tiefenrichtung Z kann für jeden Bildpunkt die optische Schichtdicke berechnet werden. Mittels eines zuvor bestimmten Brechungsindexes der Schicht kann in einem weiteren Rechenschritt aus der optischen Schichtdicke eine tatsächliche Schichtdicke der Schicht für jeden Bildpunkt berechnet werden. Der Brechungsindex der Schicht kann beispielsweise zuvor mittels einer teilbeschichteten Referenzprobe bestimmt und bereits in der Auswerteeinrichtung AW gespeichert werden.
Figur 3 zeigt eine Beispielsmessung des Intensitätsverlaufs eines Pixels einer InGaAs-CCD- Kamera bei der Vermessung einer C-Schicht.
In Abhängigkeit von dem Abtastweg in Tiefenrichtung Z ist die Intensität dargestellt. Die Figur zeigt zwei Korrelogramme KG, die sich im gezeigten Beispiel teilweise überlappen. Von der oberen Grenzfläche (Luft / C-Schicht CS) und an der unteren Grenzfläche (C-Schicht CS / Ob- jektoberfläche OO des Objektes O) resultiert das Oberseitensignal OSS und das Unterseitensignal USS, woraus aus der Lage und unter Berücksichtigung des Brechungsindexes die Schichtdicke d der C-Schicht für diesen Bildpunkt bestimmt werden kann.
Die vorstehend beschriebenen Aufbauten der interferometrischen Messvorrichtung und die damit durchgeführten Verfahren ermöglichen eine zerstörungsfreie sowohl punkthafte als auch flächenhafte Messung insbesondere von Grenzflächen in für die Strahlung optisch teiltransparenten Schichten, insbesondere von auf Kohlenstoff basierenden Verschleißschutzschichten. Damit können tomografisch die Ober- und die Unterseite derartiger C-Schichten vermessen und damit die Schichtdicke der C-Schicht zerstörungsfrei ermittelt werden, was eine nachgeschaltete Pro- zess- und / oder Qualitätskontrolle an relevanten Erzeugnisteilen, wie beispielsweise Common- Rail-Inj ektor-Düsennadelspitzen, ermöglicht.

Claims

Ansprüche
1. Interferometrische Messvorrichtung zum Vermessen von Schichtdicken von teiltransparenten Schichten auf Substraten mit einer diese automatisch in ihrer Tiefenrichtung (Z) abtastenden Abtastvorrichtung, mittels derer eine Interferenzebene (IE) relativ zur Schichtstruktur verschiebbar ist, mit einem ein Weißlichtinterferometer (WLI) und/oder ein wellenlängenscannendes Interferometer (WLSI) aufweisenden Interferometerteil (IT), dem für die Messung von einer Einstrahlungseinheit (LQ) eine Eingangsstrahlung zugeführt ist, welche mittels eines Strahlteilers (ST) aufgeteilt und zum einen Teil über einen Referenzstrahlengang als Referenzstrahl (RST) einem Referenzarm (RA) und zum anderen Teil über einen Objektstrahlengang als Objektstrahl (OST) einem beim Messen die Schichtstruktur aufweisenden Objektarm (OA) zugeführt ist, mit einem Bildaufnehmer (BA), der die aus dem Referenzarm (RA) und dem Objektarm (OA) zurückkommende interferierende Strahlung aufnimmt und in elektrische Signale umwandelt, sowie mit einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung (AW) zum Bereitstellen der Messergeb- nisse, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastvorrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass bei gleich bleibendem Referenzstrahlengang und Objektstrahlengang der zugehörige Abtastweg zumindest so groß ausgeführt ist wie der zu erwartende oder in einer Vormessung ermittelte Abstand mindestens zweier hintereinander angeordneter zu erfassender Grenzflächen der Schichtstruktur gegebenenfalls zuzüglich einer zu erwartenden Tie- fenstruktur der Grenzflächen, und dass a) bei Ausbildung des Interferometerteils (IT) mit der Einstrahlungseinheit (LQ) als Weißlichtinterferometer (WLI) die Kohärenzlänge (LC) der Eingangsstrahlung höchstens so groß gewählt ist, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander auftretenden Korrelogramme an den zu erfassenden Grenzflächen unterscheidbar sind, und / oder b) bei Ausbildung des Interferome- terteils (IT) mit der Einstrahlungseinheit als wellenlängenscannendes Interferometer
(WLSI) die Einstrahlungseinheit (LQ) mit schmalbandiger, durchstimmbarer Eingangsstrahlung ausgebildet ist, wobei die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt ist, dass der kleinste zu erwartende oder durch die Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden hintereinander liegenden Grenzflächen auflösbar ist, und / oder c) bei Ausbildung des Interferometerteils (IT) als wellenlängenscannendes Interferome- ter (WLSI) mit spektral breitbandiger Einstrahlungseinheit und einem wellenlängenscannenden optischen Spektrumanalysator als Detektor die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt ist, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätz- te Abstand der zu erfassenden hintereinander liegenden Grenzflächen auflösbar ist, und d) das verwendete Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit (LQ) hinsichtlich der spektralen Transparenz der zu messenden Schicht angepasst ist, derart, dass diese zumindest teilweise durchstrahlbar ist.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messenden
Schichten auf Kohlenstoff basierende Verschleißschutzschichten (C-Schichten) sind und das Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit (LQ) im nahinfraroten Spektralbereich (NIR) liegt.
3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit (LQ) im Bereich von 1100 nm bis 1800 nm liegt.
4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahleinheit (LQ) eine lasergepumpte photonische Kristallfaser (PCF) aufweist.
5. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer (BA) eine flächige Auflösung in x-/y-Richtung besitzt, die höher ist als die Abbildung der örtlichen Höhenänderungen der Schichtoberfläche in x-/y-Richtung.
6. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer (BA) eine InGaAs-CCD-Kamera ist.
7. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzarm (RA) einen als Referenzfläche (RF) ausgebildeten verschiebbaren Refe- renzspiegel (RS) aufweist.
8. Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (RF) mittels einer piezoelektrischen Verstelleinheit (VE) verschiebbar ist.
9. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzarm (RA) und / oder der Objektarm (OA) Linsensysteme (LS2, LS3) aufweisen, die als NIR-Mikroskopobjektive ausgebildet sind.
10. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der
Auswerteeinrichtung (AW) Algorithmen programmiert sind, mit denen die Grenzflächen der Schicht voneinander getrennt erfassbar sind, indem eine Zuordnung durch die Reihenfolge der an den Grenzflächen auftretenden Korrelogramme (KG) während eines Tie- fenabtastzyklus erfolgt.
11. Verfahren zum interferometrischen Vermessen von Schichtdicken von teiltransparenten Schichten auf Substraten, bei dem eine Interferenzebene (IE), die durch die optische Weglänge eines in einem Objektstrahlengang geführten Objektstrahls (OST) und durch die optische Weglänge eines in einem Referenzstrahlengang geführten Referenzstrahls (RST) bestimmt ist, zur Tiefenabtastung der Schichtstruktur in Tiefenrichtung (Z) relativ zur Lage der Schicht verschoben wird, ein Interferenzmuster mit Methoden der Weiß- lichtinterferometrie oder einer wellenlängenscannenden Interferometrie erzeugt und das Interferenzmuster mittels eines Bildaufnehmers (BA) aufgenommen und mittels einer Auswerteeinrichtung (AW) automatisch ausgewertet wird, um die Grenzflächen der Schichtstruktur betreffende Messergebnisse darzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Tiefenabtastung der zu vermessenden Schicht und der sie begrenzenden Grenzflächen der Objektstrahl (OST) in einem Abtastzyklus über denselben Objektstrahlengang geführt wird und der Referenzstrahl (RST) über denselben Referenzstrahlengang geführt wird und dass bei der Anwendung der Methode der Weißlichtinterferometrie die Kohärenzlänge (LC) der in das Interferometer eingekoppelten Eingangsstrahlung einer
Einstrahleinheit (LQ) höchstens so groß gewählt wird, dass die Interferenzmaxima der bei der Tiefenabtastung hintereinander an den zu erfassenden Grenzflächen auftretenden Korrelogramme (KG) unterschieden werden und bei der Anwendung der Methode der wellenlängenscannenden Interferometrie die Bandbreite der Eingangsstrahlung so groß gewählt wird, dass der kleinste zu erwartende oder durch Vormessung abgeschätzte Abstand der zu erfassenden Grenzflächen aufgelöst wird, wobei ein Wellenlängenspektrum der Einstrahleinheit (LQ) gewählt wird, bei dem die zu messende Schicht zumindest teilweise durchstrahlt werden kann.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vermessung auf Kohlenstoff basierende Verschleißschutzschichten in den Objektarm (OA) eingebracht werden und dass als Eingangsstrahlung der nahinfrarote Spektralbereich (NIR) verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverläufe der Korrelogramme (KG) pixelweise während der Tiefenabtastung mittels des Bildaufneh- mers (BA) aufgenommen und in einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung (AW) gespeichert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverläufe der Korrelogramme (KG) in der Auswerteeinrichtung (AW) getrennten Speicherbereichen (SBl, SB2 ...) zugewiesen werden und während der Tiefenabtastung die mit den Grenzflächen zusammenhängende Korrelogramme auf der Grundlage maximaler Modulation der sich aus den Interferenzmustern ergebenden Intensitäten ermittelt und den Speicherbereichen (SBl, SB2 ...) zugeordnet werden, wobei die jeweiligen Korrelogramme mit ihrer Tiefenabtast-Position in Beziehung gebracht werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinrichtung (AW) während der Tiefenabtastung für jeden Bildpunkt getrennt zwei aufeinander folgende Korrelogramme (KG) detektiert und aus der Lage der Korrelogramme die optische Schichtdicke der Schicht bestimmt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Korrelogram- me mittels einer Schwerpunktbestimmung einer Einhüllenden der Korrelogramme (KG) bestimmt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Lage von zwei sich teilweise überlappenden Korrelogrammen (KG) bei der Trennung der Intensitätssignale eine gegenseitige Beeinflussung der Signale berücksichtigt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines zuvor bestimmten Brechungsindexes der Schicht aus der optischen Schichtdicke eine tatsächliche Schichtdicke der Schicht für jeden Bildpunkt berechnet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der
Schicht mittels einer teilbeschichteten Referenzprobe bestimmt wird.
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