DD219565A1

DD219565A1 - Anordnung zur interferometrischen ebenheitspruefung technischer oberflaechen

Info

Publication number: DD219565A1
Application number: DD25747883A
Authority: DD
Inventors: Johannes Schwider; Reiner Spolaczyk; Karl-Edmund Elssner
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1983-12-05
Filing date: 1983-12-05
Publication date: 1985-03-06
Also published as: HU195882B; DE3443175A1; HUT37985A

Abstract

Die Erfindung ist anwendbar zur automatischen interferometrischen Ebenheitspruefung reflektierender technischer Oberflaechen, beispielsweise Halbleiterscheiben. Ziel ist es, im laufenden Prozess Werkstuecke zu selektieren, die den Ebenheitsanforderungen nicht entsprechen. Die Aufgabe besteht darin, ein mit einem Rechner verbindbares Pruefinterferometer derart auszubilden, dass ein die Information ueber die Prueflingsflaeche enthaltendes reines Zweistrahlinterferogramm zur Auswertung bereitgestellt wird. Die erfindungsgemaesse Anordnung ist in nachstehend beschriebener Weise ausgebildet. Im Strahlengang eines Lasers sind eine l/2-Platte und ein Aufweitungssystem angeordnet. Hinter dem Aufweitungssystem befindet sich ein Umlenkspiegel, dem ein aus 90-Prisma und Pruefling bestehendes Fizeauinterferometer nachgeordnet ist. In dem aus dem Fizeauinterferometer austretenden Strahlengang steht ein weiterer Umlenkspiegel, dem ein Moire-Interferometer nachgestellt ist. Dieses Moire-Interferometer besteht aus einem ersten und zweiten Objektiv mit zwischengeschaltetem Raumfrequenzfilter, einem sich anschliessenden Beugungselement, das mittels Stellmotor in seiner Elementebene verschiebbar ist, und einem dritten und vierten Objektiv mit zwischengeschaltetem Raumfrequenzfilter. Dem Moire-Interferometer ist ein Flaechenempfaenger nachgestellt, dem sich ein Analog/Digital-Umsetzer anschliesst, dessen Ausgang mit einem Rechner verbunden ist. Figur

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit einem Rechner verbindbares Prüfinterferometer zu direkten Messung von Ebenheitsabweichungen an technischen.Planflächen derart auszubilden, daß ein die Information über die Prüflingsfläche enthaltendes reines Zweistrahlinterferogramm zur Auswertung bereitgestellt wird, ohne daß eine Anwendung komplexer Entzerrungsverfahren nötig ist, wobei die wirksame effektive Wellenlänge in weiten Grenzen variierbar ist, ohne daß sich die Eichung des Referenzphasenstellgliedes ändert. > --

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung, unter Anwendung eines von einem 90°-Prisma und der Prüflingsfläche gebildeten Fizeauinterferometers und eines Lasers als Lichtquelle, die erfindungsgemäß in nachstehend beschriebener Weise ausgebildet ist.

Im Strahlengang des Lasers sind eine λ/2-Platte und nachfolgend ein Aufweitungssystem mit einer Lochblende angeordnet. Hinter dem Aufweitungssystem befindet sich ein Umlenkspiegel, dem das aus Prisma und Prüfling bestehende Fizeauinterferometer nachgeordnet ist. in dem aus dem Fizeauinterferometer austretenden Strahlengang steht ein weiterer Umlenkspiegel, dem ein Moire-Interferometer nachgestellt ist. Dieses Moire-Interferometer besteht aus einem ersten und zweiten Objektiv mit zwischengeschaltetem Raumfrequenzfilter, einem zwischen dem zweiten und einem dritten Objektiv angeordneten Beugungselement und einem vierten Objektiv, sowie einem zwischen dem dritten und vierten Objektiv befindlichen weiteren Raumfrequenzfilter. Dem Moire-Interferometer ist ein Flächenempfänger nachgestellt, an den sich ein Analog/Digital-Umsetzer anschließt zur Wandlung der photoelektrischen Signale und deren Überführung in einen Rechner/ In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung sind zur Veränderung der Empfindlichkeit die Umlenkspiegel gegenläufig um eine in Richtung der Spiegelebene an der jeweils inneren Spiegelkante des Spiegelpaares verlaufende Achse schwenkbar. Das Beugungselement des Moire-Interferometers kann entweder ein Gitter oder ein Hologramm sein.

Zur Referenzphasenverstellung ist das Beugungselement in der Elementebene senkrecht zu den Gitter- bzw. Interferenzlinien verschiebbar, beispielsweise mit Hilfe eines mit dem Rechner gekoppelten Stellmotors.

In Anpassung an-die Raumfrequenz des Beugungselementes ist die Prüflingsfläche unter einem vorgegebenen Winkel zur Hypotenusenfläche des 90°-Prismas angeordnet. <

Nachstehend soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben werden.

Das Licht des Lasers durchsetzt zunächst die λ/2-Platte zur Anpassung der Polarisationsrichtung an das Interferometer, läuft dann durch das Aufweitungssystem, wird an dem ersten Umlenkspiegel reflektiert, durchtritt die nächstgelegene Kathetenfläche des Prismas und beleuchtet das aus Prisma und Prüfling bestehende Fizeauinterferometer. Das an der Hypotenusenfläche des Prismas und der Prüflingsfläche reflektierte Licht verläßt das Prisma durch dessen andere Kathetenfläche und trifft auf den zweiten Umlenkspiegel. Das hier reflektierte Licht läuft durch das erste Kollimatorobjektiv des Moire-interferometers, in dessen Fokus sieh das erste Raumfrequenzfilter befindet, das bei geeigneter Justierung des Fizeauinterferometers, d.h. Neigung der Prüflingsfläche relativ zur Referenzfläche, die ersten beiden der am Fizeauinterferomter entstehenden Reflexe passieren läßt. Anschließend wird das Licht durch das zweite Objektiv wieder parallel gerichtet und fällt auf das Beugungselement, beispielsweise ein Gitter, dessen Gitterkonstänte etwa gleich dem mittleren Streifenabstand im Interferenzbild ist, welches durch Überlagerung der Weilenfelder an der Hypotenusenfläche des Prismas und der Prüflingsfläche entsteht. Das zweite Raumfrequenzfilter des Moire-interferometers, in der Brennebene des dem Beugungselement nachgestellten Objektivs angeordnet, läßt nur eine Richtung passieren, in'welche die gebeugte Weile von der Referenzfläche und die ungebeugte Prüflingswelle fällt. Das nachfolgende Objektiv bildet die (Interferenz-)Ebenedes Beugungselementes auf den Flächenempfänger ab, wo ein Moire-Interferenzbild der Kombination Prüflingsfläche-Prismenhypotenuse ensteht, das ein niederfrequentes Zweistrahiinterferenzbild darstellt, werin die Ortsfrequenz des Beügungselementes gleich der des Irfterferenzbildes ist. Das photoelektrische Signal wird über den Analog/Digital-Umsetzer in den Rechner eingegeben. Zur automatischen Bestimmung der Flächenabweichungen des Prüflings müssen mehrere Interferenzbilder unterschiedlicher Referenzphasenlagen erzeugt werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von vier Referenzphasenwerteri (0, π/2, π, ³/2 π), wobei sich die gesuchte Phase φ aus den vier Intensitätsverteilungen I₁ ¹, I₂, I3, U in der Form

i (mod 2 π) =arc tan- — .

ergibt. ' '.. . . .' . .

Zur Erzeugung der erforderlichen Referenzphasenlagen kann hier mit Vorteil eine Translation des Beugungselementes ih der Interferenzebene senkrecht zu den Gitter- bzw. Interferenzlinien genutzt werden. Selbst wenn man die Empfindlichkeit im Interferenzbild durch Ändern des Beleuchtungs- und Beobachtungswinkels wechselt, bleibt bei einer Verschiebung des Beugungselementes um einen Gitterlinien- bzw. Interferenzlinienabstand die Phasenänderung gleich 2π.

Die Verschiebung läßt sich mittels eines Schrittmotors mit der gewünschten Genauigkeit durchführen, da ein Beugungselement mit beispielsweise 5 Linien/mm ausreicht, um ein kontrastreiches Moire-Interferenzbild zu erzeugen.

Zur Variation der Empfindlichkeit lassen sich die vor und nach der Kombination Prisma-Prüfling ungeordneten Umlenkspiegel einsetzen. Dazu werden beide um entgegengesetzt gleiche Winkel gedreht. Dadurch bleibt die mittlere Lichtrichtung für die nachgeschaltete Moire-Anordnung erhalten und zusätzliche Bewegungen optischer Elemente sind nicht erforderlichr Die optimale Einstellung des Kontrastes kann durch Drehen der λ/2-Platte im Beleuchtungssystem um ihre Flächennormale erfolgen. Durch die Unterdrückung höherer Reflexe im Fizeauinterferometer fallen alle Probleme weg; die sich bei wachsender effektiver Wellenlänge ergeben, da bei streifendem Einfall des Lichtesdie Zahl der Reflexe in dem Maße wächst, in dem man sich der Grenze der Totalreflexion nähert:

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Hologramms als Beugungselement. Wenn bei Herstellung des Hologramms mittels der erfindungsgemäßen Anordnung anstelle des Prüflings eine sehr gute ebene Vergleichsfläche eingesetzt wird, ist nach Entwicklung und Repositionierung des Hologramms das Interferometer bezüglich aller evtl. Fehler der die Referenzfläche darstellenden Prismenhypotenuse kompensiert. Das Meßergebnis wird dann immer auf die bei der Hologrammherstellu'ng

verwendete gut ebene Vergleichsfläche bezogen. ^:

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehenden einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur direkten interferometrischen Messung von Flächenabweichungen an Si-Scheiben.

Als Lichtquelle des Belöuchtungssystems dient der Laser L, in dessen Strahlengang die λ/2-Platte PL und nachfolgend das Aufweitungssystem A, bestehend aus dem Objektiv O_v der Lochblende B und dem Objektiv O₂, angeordnet sind.

Hinter dem Aufweitungssystem A befindet sich der erste Umlenkspiegel S₁, dem das Fizeauinterferometer nachgeordnet ist, welches von dem 90°-Prisma P und dem Prüfling PR gebildet wird.

In dem aus dem Fizeauinterferometer austretenden Strahlengang steht der zweite Umlenkspiegel S₂. Beide Umlenkspiegel S₁ S₂ sind gegenläufig um eine an der jeweils inneren Spiegelkante des Spiegelpaares verlaufende Achse schwenkbar. Dem zweiten Umlenkspiegel S₂ ist das Morie-Interferometer nachgestellt. Es besteht aus dem ersten und zweiten Objektiv O₃, O₄ mit zwischengeschaltetem Raumfrequenzfilter F₁, dem sich anschließenden Gitter als Beugungselement BE und dem dritten

und vierten Objektiv O₅, O₆ mit zwischengeschaltetem Raumfrequenzfilter F₂. '

Diesem Moire-Interferometer ist der Flächenempfänger FE nachgestellt, dem sich der Analog/Digital-Umsetzer A/D anschließ dessen Ausgang mit dem Rechner R verbunden ist. Der mit dem Rechner R gekoppelte Stellmotor M dient zur Verschiebung des Gitters BE zwecks Referenzphasenverstellung. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich eine Reihe von Vorteile erzielen. Da das Interferenzbild ein reines Zweistrahlbild ist, ergeben sich keine zusätzlichen Fehlerquellen durch

Mehrstrahlinterferenzerscheinungen. , ,

Die Empfindlichkeit ist in weiten Grenzen durch Verschwenken der Umlenkspiegel variabel, so daß die Anordnung an die Oberflächengüte angepaßt werden kann. Bei dieser Anpassung ist keine Änderung der Referenzphasenvariation durch die verfahrensbedingte Invarianz erforderlich, was der Fall wäre, wenn das Prisma bewegt werden müßte.

Die anamorphotisch^ Bildverzerrung ist so gering, daß der Rechner die Intensitätswerte ohne Entzerrung verarbeiten kann, wobei zudem noch die anamorphotische Verzerrung sehr geringfügig von der eingestellten Empfindlichkeit abhängt.

Claims

Erfindungsansprüche:

1. Anordnung zur interferometrischen Ebenheitsprüfung technischer Oberflächen unter Anwendung eines von einem 90°- Prisma und der Prüflingsfläche gebildeten Fizeauinterferometers, mit einem Läser als Lichtquelle, gekennzeichnet dadurch, daß im Strahlengang des Lasers (L) eine λ/2-Platte (PL) und nachfolgend ein Aufweitungssystem (O₁, O₂) mit einer Lochblende (B) angeordnet sind, sich hinter dem Aufweitungssystem ein Umlenkspiegel (S₁) befindet, dem das aus Prisma (P) und Prüfling (PR) bestehende Fizeauinterferometer nachgeordnet ist und daß in dem aus dem Fizeauinterferometeraustretenden Strahlengang ein weiterer Umlenkspiegel (S₂) steht, dem ein Moire-Interferometer . nachgestellt ist, bestehend aus einem ersten und zweiten Objektiv (O₃,0₄) mit zwischengeschaltetem Raumfrequenzfilter (F₁), einem zwischen dem zweiten Objektiv (O₄) und einem dritten Objektiv (O₅) angeordneten Beugungselement (BE) und einem vierten Objektiv (O₆) sowie einem zwischen dem dritten und vierten Objektiv (O₅, O₆) befindlichen weiteren Raumfrequenzfilter (F₂), und daß dem Moire-Interferometer ein·Flächenempfänger (FE) nachgestellt ist, an den sich ein Analog/Digital-Umsetzer (A/D) anschließt zur Wandlung der photoelektrischen Signale und deren Überführung in einen Rechner (R).
2. Anordnung nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß zur Veränderung der Empfindlichkeit die Umlenkspiegel (S₁, S₂) gegenläufig um eine in Richtung der Spiegelebene ander jeweils inneren Spiegelkante des Spiegelpaares (S₁, S₂) verlaufende Achse schwenkbar sind.
3. Anordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Beugungselement (BE) des Moire-Interferometers ein Gitter ist. ' ' .
4. Anordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Beugungselement (BE) des M ο ire- inte rfe ro meters ein Hologramm ist.
5. Anordnung nach Punkt 1,2 und Punkt 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Beugungselement (BE) des Moire-Interferometers zur Referenzphasenverstellung in der Elementebene senkrecht zu den Gitter- bzw. Interferenzlinien verschiebbar ist.
6. Anordnung nach Punkt 1 und 2,3 oder 4 und Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Prüflingsfläche unter einem vorgegebenen Winkel zur Hypotenusenfläche des 90°-Prismas in Anpassung an die Raumfrequenz des Beugungselementes (BE) angeordnet ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen . ^x

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Anwendungsgebiet der Erfindung ,

Die Erfindung ist anwendbar zur automatischen interferometrischen Ebenheitsprüfung reflektierender glatter technischer Oberflächen, beispielsweise Halbleiterscheiben.

Es sind bereits eine Reihe von Verfahren und Anordnungen zur interferometrischen Vermessung von ebenen Oberflächen bekannt. Bekannt ist ein Gitterinterferometer, mit dessen Hilfe sich die effektive Wellenlänge bei der Prüfung beträchtlich vergrößern läßt. Einem Streifenabstand entsprechen Abweichungen von der Größe Gitterkonstante/2 (Birch, K. G., Journal of Physics E., Scientific Instruments 6 (1973) S. 1045).

Der Nachteil dieser Anordnung besteht in dem Problem der projektiven Verzerrung der Objektoberfläche.

Bei einem anderen bekannten Gitterinterferometer zur Ebenheitsprüfung von Siliziumscheiben wird das Licht von zwei benachbarten Beugungsordnungen, die beide unter verschiedenen Winkeln auf das Objekt gelangen, zur Interferenz gebracht (Järisch, W., Feinwerktechnik und Meßtechnik 83 (1975) S. 199; DE-AS 2636211/G 01 B, 9/02).

Da der Gangunterschied von dem Winkel abhängt, unter dem das Licht das Interferometer durchläuft, ergeben sich bei der Überlagerung durch die Differenzbildung der Phasen bedeutende Variationsmöglichkeiten der topographischen !Empfindlichkeit. Störend wirken hier Mehrfachüberlagerungen durch den Einfluß von anderen Beugungsordnungen und ähnliche projektive Verzerrungen wie bei der erstgenannten bekannten Anordnung. Bekannt ist auch eine als „Interferoscope" bezeichnete Anordnung zur Ebenheitsprüfung technischer Oberflächen, z. B. Stahlflächen, bei der die Wellenlängenvergrößerung ebenfalls durch streifende Inzidenz erzeugt wird (Abramson, N., Optik 20 (1969) S. 56).' In dieser Anordnung wird ein 90°-Prisma verwendet, dessen Hypotenuse als Referenzfläche in einem Fizeauinterferometer benutzt wird. Das Licht fällt unter etwa 45° auf die Hypotenuse des Prismas und tritt nahezu streifend aus dieser aus. Nach Reflexion an der Prüflingsoberfläche tritt das Licht in das Prisma wieder ein und verläßt dieses unter 45° zur Hypotenuse senkrecht zur Kathete des Prismas. Durch die Brechung wird der Bündelquerschnitt anamorphotisch verzerrt und bei Wiedereintritt wieder entzerrt. / - -

Der Projektionsfehler beträgt daher nur V? 'und nicht z.B. 10. Dies kann als eindeutiger Vorteil gegenüber den bisher genannten Lösungen angeführt werden, da dadurch z. B. eine photoelektrische Erfassung vereinfacht bzw. erst ermöglicht

wird. .

Nachteilig ist, daß das Interferogramm ein Mehrstrahlinterferogramm ist, wobei von der Dicke des Luftspaltes zwischen Prisma und Prüfling abhängige unsymmetrische Interferenzstreifen auftreten können. Weiterhin ist die effektive Wellenlänge λ eine Funktion der Einfallswinkel und der Brechzahlen des Prismas und der Luft. Zwar ist die effektive Wellenlänge in weiten Grenzen wählbar, jedoch tritt dann das Problem auf, daß bei automatischer Erfassung der Interferenzbilder nach bekanntem Verfahren {Brunihg et al, Appl. Opt. 13(1974)2693; s.a. Gallagher, J.E. u. Herriott, D.R., DD-PS 96779/G 01 n, 21/46) die Verschiebung des Referenzsptegeis jeweils in weiten Grenzen angepaßt werden muß, da die Referenzphase um eine volle Periode (2π) durchgestimmt werden muß.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zur interferometrischen Ebenheitsprüfung reflektierender technischer Oberflächen verfügbar zu haben, mit der im laufenden Prozeß eine automatische Selektion von Werkstücken möglich ist, die den vorgegebenen Anforderungen an die Ebenheit nicht entsprechen. .