DE2354141A1

DE2354141A1 - Verfahren zum untersuchen einer oberflaeche und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2354141A1
Application number: DE19732354141
Authority: DE
Inventors: Armin Rudolf Tietze
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-10-30
Filing date: 1973-10-29
Publication date: 1974-05-09
Also published as: US3815998A; JPS5728885B2; IT1001555B; DE2354141C2; JPS5053060A; FR2217670A1; GB1449246A; FR2217670B1; CA991844A

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: SA 972 018

Verfahren zum untersuchen einer Oberfläche und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Auf vielen Gebieten der Technik, beispielsweise bei der Herstellung von integrierten Schaltungen, ist es erforderlich, die Oberflächen großer Zahlen von Körpern, beispielsweise von Halbleiterplättchen, auf das Vorliegen von Unebenheiten oder Verwerfungen bis herunter zu Größenordnungen von 10 bis 20 pm zu untersuchen. Wegen der großen Anzahl der in der Zeiteinheit zu untersuchenden Flächen und wegen der hohen Anforderung an die Genauigkeit, sind Fühlhebelverfahren, Moireeverfahren und interferrometrische Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe nicht geeignet. Das gleiche gilt wegen des hohen erforderlichen Zeitaufwandes und der Schwierigkeit einer quantitativen Abwertung auch für mikroskopische Hellfeld-, Dunkelfeld- und Phasenkontrastverfahren.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, die bei einfachem Aufbau die Möglichkeit bietet, große Anzahlen von Flächen mit großer Genauigkeit und nicht nur qualitativen, sondern auch quantitativen Auswertergebnissen zu untersuchen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zum

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untersuchen einer Oberfläche gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die zu untersuchende Oberfläche mit einer eine bestimmte Winkelverteilung der Richtungen ihrer Strahlen aufweisenden Strahlung beleuchtet, die von der Oberfläche ausgehende Strahlung einem abbildenden Element zugeführt und ein Teil des Abbildungsstrahlengangs ausgeblendet wird, derart, daß in der Bildebene eine Helligkeitsverteilung auftritt, die eine Funktion der Beschaffenheit der untersuchten Oberfläche und der Winkelverteilung der beleuchtenden Strahlung ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen;

Fig. 1, 2 verschiedene Ausführungsbeispiele der Er- und 3 findung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Strahlenverlaufes von der zu untersuchenden Oberfläche zur Brennebene der abbildenden Linse,

Fign. 5a-c 'schematische Darstellungen der Lichtintensität

als Funktion der Lage der Blende in der Brenn-. ebene der abbildenden Linse,

Fign. 6, 7 _ ... nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte

Abbildungen der Oberflächen von gedrehtem Aluminium und polierten Kunststoff in 10-facher Ver-, größerung. \ _ -..·-.■ ?

Die in den Fign. 1, 2 und. 3 dargestellten Ausführungsbeispiele _!; der Erfindung funktionieren aufgrund des gleichen Prinzips,., unterscheiden sich aber bezüglich ihres... Aufbaues. Die, in Fig.. 1. dargestellte Vorrichtung besteht aus einer, punktformigen Lichtquelle^,IP,

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einer Lochblende 1-3, einem halbdurchlässigen Spiegel 12, einer sowohl als Kollimator als auch als abbildendes Element wirkenden Linse 14 und einer im bildseitigen Brennpunkt dieser Linse angeordneten Blende 18. Für den Fall,! daß die Lichtquelle 10 in guter Annäherung eine punktförmige Lichtquelle ist, kann auf die Lochblende 13 verzichtet werden. Die von der Lichtquelle 10 ausgehenden Strahlen 11 werden am halbdurchlässigen Spiegel 12 in Richtung auf die als Kollimator wirkende Linse 14 abgelenkt. Der Winkelbereich der diese Linse verlassenden Strahlen wird durch die Gleichung tang δ = d/f, definiert wobei d = der Durchmesser der Lochblende und f = die Brennweite der als Kollimator wirkenden Linse 14 ist* Die Blende 13 liegt, wie aus Fig. 1 ersichtlich, in der Brennebene dieser Linse.

Die von der Linse 14 ausgehenden kollimierten Strahlen fallen auf die zu untersuchende Oberfläche 15 des Objektes 16. Das reflektierte Licht gelangt erneut zur Linse 14, die die Oberfläche 15 in ihrer Bildebene 17 abbildet. Die Lage der Bildebene 17 wird durch die bekannte Beziehung

T ⁼ ü ⁺ E, definiert

wobei a der Abstand der Linse 14 von der Oberfläche 15 und b der Abstand dieser Linse von der Bildebene ist. ■

In der anderen Brennebene der Linse 14 ist eine zweite Blende 18 angeordnet, deren Wirkungsweise später im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 4 erläutert wird. Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung dient die Linse 14 sowohl als Kollimator, als auch als abbildendes Element. Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung ist ebenfalls eine punktförmige Lichtquelle 10 und eine Lochblende 13 zur Beleuchtung der zu untersuchenden Fläche vorgesehen. Die Lochblende 13 kann, wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 1 erläutert, unter bestimmten Umständen, weggelassen werden. Das von der Lichtquelle 10 und der Lochblende ausgehende Licht gelangt zu einer als Kollimator wirkenden Linse

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20, von wo es über einen Spiegel 21 und einen halbdurchlässigen Spiegel 22 zu einer zu untersuchenden Oberfläche 15 eines Objektes 16 gelangt. Das an dieser Oberfläche reflektierte Licht durchsetzt den halbdurchlässigen Spiegel 22 und wird mit Hilfe einer als abbildendes Element wirkenden Linse 23 in einer Bildebene 24 fokusiert. In der Brennebene der Linse 23 ist eine Blende 18 vorgesehen. Durch die Verwendung von zwei Linsen können die einzelnen an der Abbildung der Oberfläche 15 in der Bildebene 24 beteiligten Parameter, beispielsweise die Winkelverteilung des beleuchtenden Lichtes und die Lage der Bildebene freier gewählt werden. Auf diese Weise besteht auch für die Wahl der Vergrößerung der Abbildung mehr Freizügigkeit.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung ist, wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel, eine Lichtquelle 10, eine Lochblende 13, eine Kollimatorlinse 20, ein Strahlenteiler 22 und eine Blende 18 vorgesehen. Zusätzlich weist diese Vorrichtung einen zweiten Strahlenteiler 25, einen Detektor 26, einen Analysator und eine auf die Bildebene 24 eingestellte Fernsehkammer 28 auf. Darüberhinaus kann ein Fernsehempfänger 29 vorgesehen werden, durch den die gleichzeitige Beobachtung der zu untersuchenden Oberfläche und der elektronischen Analysiersignale möglich ist.

Es ist bekannt, daß bei einer im Brennpunkt einer Kollimatorlinse angeordneten punktförmigen Lichtquelle das die Linse verlassende Licht eine Winkelverteilung hat, die durch die Beziehung δ = arctang d/f ist, wobei d der Durchmesser der öffnung der Lochblende und f die Brennweite der Kollimatorlinse ist.

Wird dieses Licht auf ein Objekt gerichtet, so fällt auf jeden Objektpunkt Licht mit einer Winkelverteilung = 6. Jeder Objektpunkt wird dann Licht in Abhängigkeit von der Neigung des betreffenden Flächenbereiches in Übereinstimmung mit dem Reflexionsgesetzen zurückwerfen. Das vom Objekt kommende Licht wird, wie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt durch eine Linse in der Brennebene fokusiert. Von dort gelangt das Licht zur Bild-

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ebene in der in bekannter Weise eine Abbildung entsteht, die in geeigneter Weise beobachtet werden kann. Bei dem in Fig. 5a als Funktion der Winke!verteilung dargestellten Intensifcätsverlauf ist ersichtlich, daß bei Abwesenheit einer Blende alle vom Objekt kommenden Strahlen zur Bildebene gelangen. Ihre Winkelverteilung liegt theoretisch zwischen -β und +ß, wobei der Nullpunkt willkürlich mit der optischen Achse der Linse zusammenfällt, Die Krümmung der.Kurve im Bereich der Ecken weist auf das Vorliegen von in optischen Systemen unvermeidbare Streuungs- und Randeffekten hin. Wie aus der Figur fcu ersehen, ist die Intensität über das gesamte Feld einheitlich. In Fig. 5b werden die Verhältnisse wiedergegeben, wenn eine schneidenförmige Blende 50 % des Lichtes ausblendet. Da jeder Bereich der zu untersuchenden Oberfläche Licht als Funktion seiner eigenen Abweichung von der Objektebene und als Funktion der Winke!verteilung des beleuchtenden Strahls reflektiert, wird Licht auch in den hinter der Blende liegenden Bereich der Bildebene gelangen. Daher wird die Intensität des Lichtes von links nach rechts zunächst gleichmäßig verlaufen, um dann im Bereich zwischen -3 und +ß aufgrund von Streulicht und Rauscheffekten abzufallen und auf einen bestimmten Punkt auszulaufen* Zwischen β Minimum und β Maximum liegt jedoch ein Bereich vor, der tatsächlich die Neigung der Oberfläche des Objektes wiedergibt, unter Neigung wird die erste Ableitung der Oberflache verstanden.

Die Empfindlichkeit des Systems hängt von der Winkelverteilung des einfallenden Lichtes ab. Wird beispielsweise die Winkelverteilung verkleinert; so wird die in Fig. 5b dargestellte Kurve steiler. Ist die Winkelverteilung gleich Null, so wird die in Fig. 5c dargestellte Kurve entstehen, die in ihrem abfallenden Bereich praktisch senkrecht verläuft» In den Fig. 6 und 7 werden gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Kontrastbilder wiedergegeben.

Die.Bezeichnungen β Minimum und β Maximum haben eine bestimmte Bedeutung, wobei (ß Maximum - β Minimum) den Bereich der

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Winkelverteilung der Neigungen d.h. der Abweichungen der Oberfläche von einer vollkommenen Ebene darstellt. Der Mittelpunkt fällt bei der vorliegenden Darstellung der einfachheit halber mit der optischen Achse zusammen, da die Blende 50 % des Lichtes unterdrückt was bedeutet, daß sie bis zur optischen Achse reicht. Dieser Mittelpunkt stellt die Änderung der Neigung in einem bestimmten Punkt der Fläche dar. Daher wird in dieser Darstellung, bei der der Mittelpunkt bei einem 50 % Kontrastniveau liegt, jeder Punkt der Abbildung, der einen 5O % Kontrast in bezug auf den Hintergrund aufweist einen Punkt darstellen, indem die Intensität sich ändert, d.h. eine Änderung der Neigung in der Objektebene vorliegt. Da eine kontinuierliche Grauskala von einer Intensität von angenähert Null bis zu 100 % für einzelne 100 % spiegelnde Bereiche der Objektoberfläche vorliegt, ist es möglich» durch Vergleich der Intensität gemäß der Kurve mit der gemessenen Intensität die Änderung der Neigung an jedem beliebigen Punkt der Objektoberfläche zu bestimmen. Auf diese Weise kann nicht nur die Neigung sondern auch die Richtung der Änderung in Abhängigkeit von der Intensität bestimmt werden. Die tatsächliche Neigung der Oberfläche an einem bestimmten Punkt.wird durch die Intensität in diesem Punkt dargestellt.

Bei der Eichung der Vorrichtung zur Erzeugung einer Vergleichskurve, wie sie beispielsweise in Fig. Sb dargestellt ist, wird eine "vollkommene" Spiegelfläche als Objektoberfläche verwendet. Im Zusammenhang mit einer bestimmten Winke !verteilung des einfallenden Lichtstrahls wird eine der Fig. 5b entsprechende Kurve erzeugt. Diese ist dann die Bezugskurve für die Winkelverteilung <S des einfallenden Lichtes, Es ist ohne weiteres einleuchtend, daß durch die Änderung von δ die Empfindlichkeit der Vorrichtung beeinflußt wird. Durch Kippen des Spiegels wird β Maximum und £ Minimum für den betreffenden Wert von δ bestimmt. Es soll angestrebt werden, daß <ß Maximum - 3 Minimum) größer ist als der Bereich, der bei der untersuchung einer bestimmten Oberfläche zu erwartenden Oberflächenabweichungen. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß alle Abweichungen der Oberfläche durch die Nei-

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_₇-._ ; " ■. 2354U1

gung der Kurve im Bereich zwischen 3 Maximum und β Minimum untersucht werden können. . -

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine-Blende mit einer öffnung von 2 - 3 ran bei Linsenbrennweiten von 240 - 760 mm verwendet.

Wird die Blende nicht im Bereich der optischen Achse der abbildenden Linse angeordnet, so wird der Punkt verschoben, in dem die in Fig. 5b dargestellte Kurve nach links oder nach rechts abfällt, je nachdem wie weit die Blende im System verschoben wurde. Selbstverständlich kann die Blende nicht so angeordnet werden, daß das gesamte Licht unterdrückt wird. Es hat sich gezeigt, daß eine Anordnung der Blende in der Brennebene im Bereich der optischen Achse, d.h. in einem Punkt in dem 50 % der Strahlung unterdrückt werden, am vorteilhaftesten ist. 2ur Erzeugung eines Kontrastbildes genügt es jedoch im allgemeinen, die Blende in den Strahlengang überhaupt einzuführen, so daß mindestens ein Teil derselben innerhalb des Strahlenganges liegt, um wenigstens einen Teil des an der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten, eine bestimmte Winkelverteilung aufweisenden Lichtes zu unterdrücken, und um eine Kontrastabbildundung zu erzeugen, die einen Kontrast zwischen zwei in der Bildebene liegenden Bereichen von mindestens 2 % aufweist. Eine derartige Abbildung kann mit bloßem Auge aber auch mit elektronischen Hilfsmitteln, wie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt, aufgelöst werden.

In Fig. 6 wird die Abbildung einer gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten gedrehten Aluminiurafläche mit zehnfacher Vergrößerung wiedergegeben, wobei der Winkelbereich der beleuchtenden Strahlung δ = ^ .0125 (d - 3 mm und f = 240 mm) und wobei die größten und kleinsten Winkel der Oberfläche β Maximum und β Minimum <20·' sind. Fig. 4 stellt die Abbildung einer polierten Kunststoff fläche bei zehnfacher Vergrößerung und den gleichen Randbedingungen wie bei Fig. 6 beschrieben dar.

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Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit Hilfe eines geringfügig umgebauten handelsüblichen Mikroskops durchgeführt werden. Dazu kann es schon genügen, vor dem Mikroskopobjektiv einen Strahlenteiler anzuordnen, über den dem System eine beleuchtende Strahlung mit einer Winkelverteilung δ zugeführt wird. Es ist einfach, die Brennebene des Objektivs festzustellen und dort eine Blende einzuführen, so daß das gewünschte Kontrastbild in der Bildebene entsteht. Es können auch andere Blenden mit kreisförmigen oder halbkreisförmigen öffnungen und Schlitzen verwendet werden. Bei Verwendung derartiger Blenden muß das ganze System anders eingestellt werden. Sind die beiden Blenden nicht symmetrisch zur optischen Achse angeordnet, so wird die Form der in Fig. 5b dargestellten Kurven auch von den Richtungen der Blendenguerschnitte abhängig sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann, wie oben beschrieben, sowohl mit Hilfe einer einzigen Linse als auch mit mehreren Linsen durchgeführt werden. Die Beobachtung kann entweder mit dem Auge oder mit Hilfe von Fernsehkameras und anderen elektrooptischen Hilfsmitteln durchgeführt werden. Neben der Beobachtung kann auch gleichzeitig eine Analyse der Abbildungen durchgeführt werden. Es hat sich gezeigt, daß sowohl der Beleuchtungsstrahlengang als auch der Abbildungsstrahlengang senkrecht zur Objektebene bzw. zur Bildebene liegen soll. Auch andere Auftreffwinkel sind möglich, jedoch werden dann komplizierte Umjustierun gen erforderlich.

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Claims

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Verfahren zumUntersuchen einer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu untersuchende Oberfläche mit einer eine bestimmte Winkelverteilung der Richtungen ihrer Strahlen aufweisenden Strahlung (11) beleuchtet, die von der Oberfläche (15) ausgehende Strahlung einem abbildenden Element (14, 23) zugeführt und ein Teil des Abbildungsstrahlenganges ausgeblendet wird/ derart, daß in einer Bildebene (17) eine Helligkeits^rteilung auftritt, die eine Funktion der Besehaffenhei-t?" der ürrcers^ehten Oberfläche und der Wirikelverteilung der beleuchtenden Strahlung ist.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet düreh eine in der Brennebene eines Kollimators (14, 20) angeordnete angenähert punktförmige Licht^ quelle (10), deren Größe die Winkelverteiluhg der den Kollimator verlassenden und auf die zu untersuchende Oberfläche (15) fällenden Strahlung bestimmt, durch ein die von der beleuchteten Oberfläche ausgehende Strahlung aufnehmendes abbildendes Element (14, 23) und durch eine im bildseitigen Strahlengang dieses Elements angeordnete Blende (18).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im bildseitigen Strahlengang des abbildenden Elements (14, 23) angeordnete Blende (18) eine schneidenförmige Blende ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im bildseitigen Strahlengang des abbildenden Elements (14, 23) angeordnete Blende (16) eine kurvenförmige Begrenzung oder eine Öffnung in Form eines Vielecks, eines Kreises, einer Ellipse oder dergleichen, aufweist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekehnzeichnet, daß die im bildseitigen Strahien-

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gang angeordnete Blende (18) in der Brennebene des abbildenden Elements (14, 23) liegt.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der im bild—

seitigen Strahlengang des abbildenden Elements (14, 23) angeordneten Blende (18) die optische Achse schneidet.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine in der Brennebene einer Kollimatorlinse (14, 20) angeordnete, durch eine Lichtquelle (10} beleuchtete Lochblende (13) vorgesehen ist, deren Durchmesser die Winkelverteilung der den Kollimator (14, 20) verlassenden Strahlung bestimmt.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß die im bildseitigen Strahlengang angeordnete Blende (18) zur Bestimmung einer Winkelvertei lung von ß_Maxiltlum - ^_mnimmi vorgesehen ist, wobei Z_mnixmm = arctang d_Maximuin/f und ß_Minimum = arctang d^. . ,_f i^st' mit f.- = Brennweite des abbildenden Elements, cL· . = Abstand des Blendenrandes von der optischen Achse des abbildenden Elements, bei dem in der Bildebene eine Abbildung mit 5O % der maximalen Intensität entsteht und d^. . = Abstand des Blendenrandes von der optischen Achse um 180° gegenüber ^d _Maximum ^vers®^tzt' bei dem unabhängig von d^ _χ. eine Abbildung mit 5O % der maximalen intensität entsteht, derart, daß die entstehende Kontrastabbildung eine quantitativ messbare Oberflächenkontur zwischen ß_Maximum und ß._MinimuiR darstellt.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche. 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (14) gleichzeitig als abbildendes Element dient.

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10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche Ϊ bis 9,, gekennzeichnet durch in der Bildebene angeordnete elektronische Auswerteinrichtungen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Auswerteinrichtung aus einer Fernsehkamera besteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, und/oder 11, gekennzeichnet durch einen im Bereich der Bildebene des abbildenden Elementes zusätzlich angeordneten Photodetektor.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das abbildende Element (23) in der Bildebene eines sammelnden Elements angeordnet ist, das das vom Objekt ausgehende Licht nahezu vollständig aufnimmt und durch eine in der Brennebene des sammelnden Elements angeordnete Blende,
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die im bildseitigen Strahlengang angeordnete Blende (18) zur Bestimmung einer Winkelverteilung von ß_M . —

■ '■ ' ^Minimum vorgesehen ist, wobei ß_Maximuin = arctang <Wmum/f __/2 und ß_Minimum = arctang <^_nimu^_f . ist, mit f- = Brennweite des abbildenden Elements, '

d.._„._mm = Abstand des Blendenrandes von der optischen Maximum

Achse des abbildenden Elements, bei dem in der Bildebene eine Abbildung mit 50 % der maximalen Intensität entsteht

^Minimum ⁼ ^°^s ^tan^ ^^es Blendenrandes von der optischen Achse um 180 gegenüber d_M ^. versetzt, bei dem unabhängig von ^ä _Maxi_mum eine Abbildung mit 50 % der maximalen Intensität entsteht, derart, daß die entstehende Kontrastabbildung eine quantitative messbare Oberflächenkontur zwischen ß_Ma^_mim und.ß_Minimum darstellt. .

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