DE2741048A1

DE2741048A1 - Optoelektronisches messgeraet mit mehreren sensoren und verfahren zum messen der ebenheit von oberflaechen mit diesem geraet

Info

Publication number: DE2741048A1
Application number: DE19772741048
Authority: DE
Inventors: Takashi Nihonmatsu
Original assignee: Nidek Co Ltd; Nagano Electronics Industrial Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd; Nagano Electronics Industrial Co Ltd
Priority date: 1976-09-13
Filing date: 1977-09-12
Publication date: 1978-03-23
Also published as: JPS5335567A; US4168437A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Meßgerät der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art und ein Verfahren zum Messen der Oberflächengüte von Prüflingen mit diesem Gerät.

Bei der Fertigung elektronischer Geräte und Bauelemente spielen dünne geschnittene Werkstoffscheibchen, beispielsweise aus hochreinem einkristallinem Silicium oder Germanium, eine wichtige Rolle. Sie werden für die Herstellung elektronischer Bauelemente der verschiedensten Art benötigt, beispielsweise für die Herstellung von Transistoren, integrierten Schaltkreisen oder Oszillatoren. Dabei ist die geometrische Oberflächenbeschaffenheit dieser Scheibchen, also beispielsweise der Grad ihrer Ebenheit oder die Exaktheit, mit der eine vorgegebene Krümmung der Oberfläche des Scheibchens eingehalten wird, von entscheidender Bedeutung. Auch spielt die Genauigkeit, mit der eine vorgegebene Sollstärke des Scheibchens eingehalten wird, eine wichtige Rolle. Für die Herstellung einwandfreier elektronischer Bauelemente aus solchen Werkstoffscheibchen ist es daher von grundlegender Bedeutung, die Abweichung der Stärke des Scheibchens von der vorgegebenen Sollstärke und die Abweichungen der Oberfläche des Scheibchens aus einer vorgegebenen Solloberfläche genau zu messen.

Es ist bekannt, die Stärkenänderungen der Werkstoffscheibchen bzw. die Gleichmäßigkeit der Dicke des Scheibchens über seinen Durchmesser in der Weise zu bestimmen, daß die Dicke des Scheibchens durch aufeinanderfolgende Messungen an verschiedenen Punkten der Scheibenoberfläche gemessen wird. Die Stärkenabweichung wird gebräuchlicherweise als Differenz zwischen dem größten Wert und dem kleinsten Wert der an

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mindestens fünf verschiedenen Punkten der Scheibe gemessenen Dicke angegeben. Üblicherweise sind diese Messpunkte der Mittelpunkt der Scheibe und Punkte, die rotationssymmetrisch um diesen Mittelpunkt herum angeordnet sind, gebräuchlicherweise im Abstand einiger mm vom Rand der Scheibe.

Diese punktweise Messung der Scheibendicke wird gewöhnlich durch mechanische Abtastung Über einen Taststift und ein Anzeigewerk durchgeführt. Dazu wird die zu vermessende Scheibe auf einem Gerätetisch gehaltert und die Oberfläche der Scheibe direkt mit der Spitze eines axial abwärts und aufwärts verschiebbaren Fühlers abgetastet. Bei derart hochempfindlichen Werkstoffoberflächen ist die beim Messen erfolgende direkte Berührung der Oberfläche durch die Fühler unerwünscht, da sich bei der Durchführung solcher Messungen eine Verletzung und eine Verunreinigung der Oberfläche der Werkstoffscheibe durch den direkten Kontakt mit der Sonde praktisch nicht vermeiden lassen.

Diese Nachteile der direkten Berührung der zu vermessenden Werkstoffscheibe werden durch die aus der US-PS 3 491 240 bekannten Vorrichtung vermieden, bei der die Oberfläche der zu vermessenden Scheibe durch Lichtstrahlen abgetastet wird. Auf den Meßpunkt auf der Oberfläche der Scheibe wird ein Lichtstrahl gerichtet. Der von der Oberfläche reflektierte Lichtstrahl wird von einem Detektor aufgefangen. Die Intensität des reflektierten Lichtstrahls wird in ein elektrisches Signal umgesetzt, das nach Vergleich mit einem Referenzsignal ein Maß für die Dicke der Werkstoffscheibe am Meßpunkt ist. Auch dieses berührungsfrei arbeitende Gerät zur Bestimmung der Dicke der Werkstoffscheibe arbeitet wie das mit der berührenden Sonde arbeitende Dickenmeßgerät in der Weise, daß die Oberfläche der Scheibe punktweise angetastet wird. Die Meßpunkte sind dabei prinzipiell in der gleichen

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Weise wie bei dem mit der mechanischen Sonde arbeitenden Verfahren über die Oberfläche der Scheibe verteilt. Auch bei dem berührungsfrei abtastenden Verfahren dient als Maß für die Unebenheit der Oberfläche oder für die Abweichung der Stärke der Scheibe von der vorgegebenen Sollstärke die Differenz zwischen dem gemessenen Maximum und dem gemessenen Minimum der Scheibendicke.

Zur Durchführung der Messungen ist es erforderlich, den Prüfling nach jeder Messung unter der Sonde des Meßgerätes so zu verschieben, daß die Probe am nächsten Punkt vermessen werden kann. Die Probe wird dabei gebräuchlicherweise unter Verwendung spezieller Pinzetten umgelegt. Auch dabei läßt sich bei aller Vorsicht eine Beschädigung der Oberfläche der Einkristallscheibe kaum vermeiden. Nicht selten wird durch das Umlegen der Scheibe sogar ein Brechen der Scheibe verursacht. Dadurch wird der Vorteil der berührungsfreien Abtastung der Scheibe weitgehend wieder aufgehoben.

Der mit der Prüfung der Werkstoffscheiben befaßte Prüfer muß also für jedes der beiden bekannten Verfahren aus den von ihm durchgeführten fünf oder mehr Einzelmessungen das Maximum und das Minimum der gemessenen Werte ermitteln, muß die Differenz zwischen diesen beiden Werten bilden und prüfen, ob diese so bestimmte Differenz innerhalb der vorgegebenen Toleranz liegt. Dieses Prüfverfahren ist sehr zeitaufwendig und arbeitsaufwendig. Es ist außerdem recht ungenau und kann in der Bewertung der Güte der Scheiben zu erheblichen Fehlern führen.

Auf der anderen Seite werden die Anforderungen an den Grad der Gleichmäßigkeit und der Ebenheit insbesondere von Halbleiterscheiben zur Herstellung elektronischer Bauelemente immer höher. Dies ist darauf zurückzuführen, daß in der Bauelemente-

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technik zunehmend Halbleiterscheiben mit größerem Durchmesser verwendet werden. Um beispielsweise die Ebenheit einer spiegelpolierten Siliciumhalbleiterscheibe für die Herstellung integrierter Schaltkreise mit ausreichend hoher Genauigkeit vermessen und gewährleisten zu können, reicht es sicher nicht aus, die Dicke eines solchen Werkstoffscheibchens an fünf oder sechs Meßpunkten zu bestimmen. Um solchen Prüfungsanforderungen gerecht zu werden müssen die Meßpunkte zur Bestimmung der Dicke solcher Werkstoffscheiben in relativ kleinen Abständen gitterartig über die gesamte Oberfläche der Scheibe verteilt sein. Um zu prüfen, ob beispielsweise eine Siliciumscheibe mit einem Durchmesser von 8 bis 13 cm den Anforderungen an eine gleichmäßige Stärke und die Ebenheit der Oberfläche genügt, sollten die Meßpunkte vorzugsweise gitterförmig über die gesamte Oberfläche der Scheibe verteilt angeordnet sein und voneinander einen Abstand von nicht mehr als rund 5 nun haben. Dies bedeutet, daß die Scheibe mit rund 100 bis 200 Meßpunkten vermessen werden sollte.

Die automatische Auswertung der von einer solchen Vielzahl von Meßpunkten erhaltenen Werte bedeutet keine Schwierigkeit und kann routinemäßig mit einem Rechner ausgeführt werden. Dabei kann wie bei den bekannten Verfahren die Differenz jedes einzelnen Meßpunktes zu einer Bezugsebene und der größte und der kleinste Wert dieser Abweichungen bestimmt werden. Der Abstand zwischen dem Maximum und dem Minimum dieser Abweichungen wird als "nichtlineare Dickenstreuung" (NTV) bezeichnet und dient als Kriterium zur Bewertung der Güte der Scheibe. Solche Vielfachmessungen mit 100, 200 oder 300 Messungen je Scheibe sind nach den bekannten punktweisen Meßverfahren in der Praxis jedoch nicht durchführbar, wenn die Werkstückprüfung routinemäßig in großen Stückzahlen durchgeführt werden muß.

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Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein berührungsfrei arbeitendes optoelektronisches Meßgerät zur Bestimmung der Dicke oder des Grades der Ebenheit von Werkstoffscheibchen zu schaffen, das die Bestimmung der nichtlinearen Dickenstreuung (NTV) empfindlicher Werkstoffscheiben auch bei größeren Scheibendurchmessern mit sehr hoher Genauigkeit und Verläßlichkeit, kurzer für die gesamte Bestimmung erforderlicher Verweilzeit und in schonender Weise für den Prüfling selbst durchzuführen ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Meßgerät der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist .

Zusammengefaßt schafft also das Meßgerät eine Vorrichtung zur hochgenauen Bestimmung der Dicke bzw. der Gleichmäßigkeit der Dicke oder des Grades der Ebenheit der Oberfläche von scheibenförmigen Werkstücken, speziell von Halbleiterscheiben aus hochreinem Silicium. Das Meßgerät besitzt nicht nur einen, sondern mehrere optoelektronische Abtaster, die parallel zueinander arbeiten und das gleichzeitige Messen der Dicke der zu bestimmenden Probe an mehreren Meßpunkten der Oberfläche der Scheibe zu messen ermöglichen. Aus diesen parallel zueinander aufgenommenen Dickenmeßwerten wird die Differenz zwischen der größten und der kleinsten Dicke der Scheibe bestimmt. Diese Differenz zwischen der größten und der kleinsten Dicke ist ein Maß für die Streuung der tatsächlichen Dicke der Scheibe um den vorgegebenen Sollwert.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die einzelnen optoelektronischen Abtaster oder Sensoren vorzugsweise linear in einer Reihe mit gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet. Die zu vermessende Werkstoffoberfläche wird dann parallel

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von den Abtastern dieser Zeile zeilenweise abgetastet, so daß die sich über die gesamte Werkstoffoberfläche verteilende Anordnung der Meßpunkte ein regelmäßiges Gitter bildet. Der Wert der nichtlinearen Dickestreuung über die Oberfläche der

durch
Scheibe kann dannrzwischenspeicherung der für jede Spalte erhaltenen Meßwerte in üblicher Weise mithilfe eines Rechners, der direkt mit dem Meßgerät verbunden ist, bestimmt werden.

Das Meßgerät besteht im einzelnen also aus einem Tisch zur Halterung des Prüflings bzw. der zu vermessenden Scheibe und mehrere optoelektronische Abtaster. Der Abstand zwischen dem Tisch und jedem einzelnen der Abtaster ist senkrecht zur Ebene des Tisches veränderbar und justierbar. Jeder der Abtaster besteht aus einem Projektor, einem Detektor und einem photoelektrischen Wandler. Der Projektor richtet einen Lichtstrahl auf den Meßpunkt auf der Oberfläche der Scheibe, die auf den Tisch des Gerätes gehaltert ist. Der Detektor fängt den an der Meßstelle von der Oberfläche der Scheibe reflektierten Lichtstrahl auf. Der photoelektrische Wandler, der mit dem Detektor verbunden ist, erzeugt elektrische Signale, die dem Abstand des Meßpunktes auf der Oberfläche der Scheibe von einer Bezugsebene entspricht. Mit einer solchen Anordnung mehrerer Abtaster können mehrere Dickenmessungen an mehreren Meßpunkten auf der Oberfläche der Scheibe gleichzeitig und parallel zueinander durchgeführt werden, und zwar so viele Messungen wie Abtaster vorgesehen sind.

Wenn die Anzahl der für ein Meßgerät vorgesehenen Abtaster nicht ausreicht, um die Gesamtfläche der zu vermessenden Scheibe zur Bestimmung des NTV-Wertes zu erfassen, so wird die Oberfläche der auf dem Tisch unverändert statisch fixierten Scheibe sequenziell von dem Feld der jeweils parallel arbeitenden Abtaster abgetastet.

Bei Anordnung der einzelnen Abtaster oder Sensoren in einer

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Reihe auf einer geraden Linie mit gleichmäßigen Abständen
voneinander wird das Gitternetz der auf der Oberfläche der
Scheibe vorgesehenen Meßpunkte durch Abtasten der Oberfläche
in regelmäßigen Translationsabständen mit diesem Abtasterfeld durchgeführt, wobei bei jedem Tastvorgang sämtliche durch die Sensoren erfaßten Meßpunkte gleichzeitig und parallel zueinander vermessen werden. Auch bei dieser parallelen Durchführung der Messungen wird aber für jeden einzelnen Meßpunkt der Abstand zur Bezugsoberfläche einzeln und unabhängig von den anderen Messungen, nur zeitlich gleichzeitig mit diesen, durchgeführt. Aus den nach Abtastung der Gesamtfläche eingegangenen elektronisch umgesetzten und zwischengespeicherten Daten kann der NTV-Wert dann problemlos unter Zuhilfenahme eines kleinen Rechners bestimmt werden.

Der NTV-Wert wird dabei aus den Messungen der Abstände der
einzelnen Oberflächenpunkte der Scheibe zu einer Bezugsfläche abgeleitet. Vorzugsweise wird diese Bezugsfläche nach dem Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate aus den Abständen einer
Reihe von Meßpunkten auf der Oberfläche der Scheibe, vorzugsweise von mindestens vier Meßpunkten von der Oberfläche des
Tisches bestimmt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Draufsicht die Meßpunktverteilung auf einer Werkstückscheibe nach dem
Stand der Technik;

Fig. 2a in schematischer Darstellung das Prinzip des
optischen Systems des Meßgerätes;

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Figuren 2b in schematischer Darstellung die Arbis 2d beitsweise der Detektoren für die verschiedenen Fälle des Abweichens der Oberfläche am Meßpunkt von der Bezugsebene;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des Meßgerätes in vorderer Seitensicht

Fig. 4 das in Fig. 3 gezeigte Gerät in rechter Seitensicht;

Fig. 5 das Blockschaltbild der wichtigsten Glieder der dem Meßgerät nachgeschalteten Datenverarbeitungsanlage und

Fig. 6 in schematischer Darstellung die Verteilung der Meßpunkte auf der Scheibe und die Anordnung der Abtaster im Gerät.

In der Fig. 1 ist ein Werkstoffscheibchen W in Draufsicht schematisch dargestellt, das zur Orientierung der Scheibe in gebräuchlicher Weise eine Abflachung d aufweist. Sowohl nach der bekannten mechanischen Abtastmethode als auch nach dem bekannten berührungsfreien optischen Meßverfahren wird die Dicke der Scheibe W an den durch Kreuze markierten fünf Stellen auf der Oberfläche der Scheibe gemessen. Die eine Meßstelle liegt dabei in aller Regel im Zentrum der Scheibe, während die übrigen Meßstellen symmetrisch um diesen zentralen Meßpunkt herum im Randbereich der Scheibe angeordnet sind. Die Messungen an jedem einzelnen der Punkte werden nacheinander und unabhängig voneinander durchgeführt. Insbesondere bei Scheiben mit größerer Oberfläche tritt jedoch bei derart weit auseinanderliegenden Meßpunkten erhöht die Gefahr auf, daß tatsächlich beachtliche in

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der Scheibe vorhandene Dickeschwankungen nicht erfaßt werden. Beispielsweise würden Riefen auf der Scheibe in den durch senkrechte Schraffur angedeuteten Bereichen nach den gebräuchlichen Meßverfahren nicht erfaßt werden. Eine zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen unbrauchbare Halbleiterscheibe würde also trotz Prüfung als brauchbar eingestuft werden. Wie bereits eingangs erläutert, liegt der Erfindung im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen, insbesondere ein Gerät und ein Verfahren zu schaffen, das die Gütebewertung solcher Werkstoffscheiben rasch und zuverlässig ermöglicht.

Das Prinzip des Meßverfahrens und des optischen Systems des Meßgerätes der Erfindung ist schematisch anhand der Figuren 2a bis 2d dargestellt.

Die Fig. 2a zeigt das optische System der Abtaster des Meßgerätes. Der Projektor 50 besteht aus einer Lichtquelle 51, einer Blende 58 und einer Linse oder einem Linsensystem 52, die einen Lichtstrahl 56 erzeugen, der das Bild f_Q des Blendenschlitzes auf die Bezugsebene F- fokussiert. Der reflektierte Strahl 57 gelangt in den Detektor 54, der aus einer Linse oder einem Linsensystem 53 und der das reflektierte Licht aufnehmenden und registrierenden Oberfläche 59 des eigentlichen Detektors besteht. Der Detektor 54 ist symmetrisch zum Projektor 50 relativ zur Senkrechten 55 der reflektierenden Oberfläche angeordnet. Die das Licht aufnehmende Oberfläche 59 des Detektors 54 ist aus zwei photoelektrischen Elementen A und B zusammengesetzt (Fig. 2c). Wenn der Meßpunkt auf der das Licht reflektierenden Oberfläche genau in der Bezugsebene F- liegt, ist das Bild des Schlitzes der Blende 58, das vom reflektierten Strahl auf der das Licht auffangenden Oberfläche 59 des Detektors 54 erzeugt wird, gleichmäßig auf die beiden Photoelemente A und B verteilt. Die von den beiden photoelektrischen Elementen A und B erzeugten elektrischen Signale sind dann in

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der in Fig. 2c gezeigten Weise abgeglichen. Liegt der Meßpunkt auf der Licht reflektierenden Oberfläche dagegen hölier (F₁) oder tiefer (F_) als die Bezugsebene (F_Q)# so wird das Bild des Schlitzes der Blende 58 auf der das Licht aufnehmenden Oberfläche 59 des Detektors 54 nach rechts (Fig. 2b) bzw. nach links (Fig. 2d) verschoben. Die von den Photoelementen A und B erzeugten photoelektrischen Signale sind unter diesen Umständen nicht mehr abgeglichen. Der Grad der Abweichung der von den beiden photoelektrischmElemente A und B erzeugten elektrischen Signale ist eine direkte Funktion der Höhendifferenz zwischen dem Meßpunkt und der Ebene, in der er liegt und der Bezugsebene. Dieses Signal bildet also unmittelbar die relative Höhe des Meßpunktes zur Bezugsebene ab.

In den Figuren 3 und 4 ist in Seitensicht ein Ausführungsbeispiel des prinzipiell in dieser Art aufgebauten Meßgerätes gezeigt. Das in den Figuren gezeigte Gerät ist mit fünf Abtastern 1 und einem Tisch 2 zur Halterung und Befestigung des Prüflings ausgestattet.

Die optielektrischen Abtaster, die jeweils aus dem Projektor und dem Detektor, dem ein photoelektrischer Wandler angekoppelt ist, bestehen, sind im wesentlichen zylindrisch oder stabförmig ausgebildet. Dabei ist jeweils die Zentralachse des Abtasters parallel zur optischen Achse des Systems ausgerichtet. Der Durchmesser des in dieser Weise ausgebildeten optoelektrischen Abtasters kann jedoch nicht so klein gehalten werden, daß jeder einzelne Abtaster direkt über dem von ihm abgetasteten Meßpunkt auf der Oberfläche der Prüfscheibe angeordnet ist, und zwar in der Weise angeordnet ist, daß auch die optische Achse des Abtasters senkrecht zur Prüfoberfläche steht.

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Zur Umgehung dieser Schwierigkeiten sind die einzelnen Abtaster horizontal in der Weise angeordnet, daß die optische Achse jeweils jedes Abtasters umgelenkt ist, vorzugsweise rechtwinkelig unter Zuhilfenahme eines Umlenkprismas. Dadurch ist gewährleistet, daß der Lichtstrahl des Projektors senkrecht auf den Meßpunkt auf der Oberfläche der zu prüfenden Scheibe auftrifft. Die Abtaster 1 sind radial unter einer Halterung 3 befestigt. Sie sind durch Justierschrauben 4, 4' radial verstellbar. Diese Justierbarkeit wird über einen in der Halterung 3 angeordneten Mechanismus bewirkt. Sie können dadurch auf einzelne relativ vorgegebene Meßpunkte auf Scheiben mit verschiedenen Durchmessern eingestellt werden. Die so für die einzelnen Abtaster jeweils eingestellten Stellungen können an Anzeigevorrichtungen 5, 5¹ abgelesen werden.

Der Tisch 2, auf dem der Prüfling gehaltert ist, ist auf dem Fuß 6 des Gerätes auf und ab verschiebbar gelagert. Die Höhenverstellung des Tisches kann über eine Justierschraube 7 und einen unter dem Tisch 2 angebrachten Justiermechanismus bewirkt werden. Die Höhe des Tisches 2 wird jeweils durch ein Anzeigewerk 8 angezeigt. Die jeweils eingestellte Höhe des Objekttisches 2 kann durch einen Klemmring 9 und Klemmschrauben 10 fixiert werden. Die zu prüfende Scheibe wird durch Unterdruck auf dem Tisch 2 gehaltert. Der Unterdruck zur Halterung der Scheibe wird von einer Vakuumpumpe erzeugt und ist über Ventile 11 einstellbar. Die Ventile 11 zur Steuerung des Ansaugdruckes für die Scheibe werden nach Maßgabe des Scheibendurchmessers justiert.

Der Tisch 2 ist an seiner Oberfläche mit einem Führungselement 12 versehen, das mit einer an der Scheibe ausgebildeten Anschlagkante d zusammenwirken kann und der eindeutigen Ausrichtung der Scheibe auf dem Tisch 2 im Meßgerät dient. Das Führungselement 12 ist durch Justierungsschrauben 13, 13* über

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einen in den Tisch 2 eingebauten Justagemechanismus radial verschiebbar. Die jeweilige Stellung des FUhrungselementes 12 kann auf Anzeigen 14, 14' abgelesen werden und wird nach Maßgabe des Durchmessers des Prüflings eingestellt.

Das Gerät weist also jeweils Paare von AbtasterjuStLerschrauben 4, 4¹, zugeordneten Anzeigen 5, 5¹, ProbenJustierschrauben 13, 13' und diesen zugeordneten Anzeigen 14, 14' auf. Dabei dienen die Justierschrauben 4', 13' und die Anzeigen 5¹ bzw. 14* der Justierung von Meßpunkten im Bereich der abgeflachten Anschlagkante d der Scheibe (Figuren 1 und 6), während das andere Justierschraubenpaar 4, 13 mit den zugeordneten Anzeigen 5 bzw. 14 der Festlegung Justierung und Bestimmung der Übrigen Meßpunkte (mit Ausnahme des Zentralpunktes) dient.

Die von den Projektoren in den Abtastern 1 des Gerätes gleichzeitig ausgesandten Lichtstrahlen werden an den einzelnen Meßpunkten auf der Oberfläche der zu prüfenden Scheibe reflektiert und den Detektoren in den Abtastern 1 aufgefangen und von den nachgeschalteten Wandlern in elektrische Signale umgewandelt, die die Dicke der Scheibe an den einzelnen Meßpunkten wiedergeben, genauer gesagt, den Abstand dieser einzelnen Meßpunkte von einer Bezugsfläche wiedergeben. Die an den Ausgangsanschlüssen 15 parallel auftretenden elektrischen Signale werden über elektrische Verbindungskabel direkt auf eine elektronische Datenverarbeitungsanlage übergeben. In diesem angeschlossenen Rechner wird dann durch Vergleich gegen einen Standard automatisch geprüft, ob die untersuchte Scheibe innerhalb der vorgegebenen Dicketoleranzen liegt oder nicht.

In der Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der wichtigsten Teile einer solchen Datenverarbeitungsanlage dargestellt. Die von den Abtastern 1 einlaufenden Signale werden zunächst in Um-

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setzern 20 in eine verarbeitungsfähige Form umgesetzt. Diese Signale sind Abbildungen der Dicke der Prüfscheibe an den Meßstellen. In nachgeschalteten Komparatoren 21 werden diese Werte gegen vorgegebene Standardwerte verglichen. Ein Diskriminator 22 liefert ein der Streuung der Dickenwerte der Scheibe entsprechendes Signal, das aus dem Maximum und dem Minimum der an den Ausgängen der Umsetzer 20 auftretenden Signalen gebildet wird. Eine Entscheidungsschaltung 23 prüft schließlich, ob die vom Diskriminator 22 gelieferten Ausgangssignale innerhalb der Grenzen durch ein vorgegebenes Sollsignal, also innerhalb einer vorgegebenen Grenzdifferenz zwischen der größten und der kleinsten Dicke der Scheibe, liegen.

Die Funktion der einzelnen Schaltkreise 20 bis 23 ist im folgenden näher erläutert.

Im Umsetzer 20 werden die von den Sensoren oder Abtastern 1 erzeugten, der Dicke der Scheibe an den einzelnen Meßpunkten entsprechenden elektrischen Signale so umgesetzt, daß sie den Vergleichern 21 und der Prüfschaltung bzw. dem Diskriminator 22, die dem Umsetzer 20 nachgeschaltet sind, zugeführt werden können. Die an den Ausgängen der Umsetzer 20 auftretenden Signale können auch auf Anzeigen 24 dargestellt werden. Jeder der Abtaster 1 wird von einem Treiber 25 beaufschlagt.

Der Vergleicher 21 besteht aus Komparatorschaltungen 26, die die Ausgangssignale der Umsetzer 20 mit Vergleichssignalen vergleichen. Die Vergleichssignale werden von einem Vergleichssignalgenerator 27 geliefert. Das vom Vergleichssignalgenerator 27 gelieferte Signal entspricht der höchsten zulässigen Dickendifferenz der Scheibe. Dem Vergleicher sind Anzeigelampen nachgeschaltet, die beispielsweise grün aufleuchten, wenn der Vergleich zeigt, daß das geprüfte Meßergebnis innerhalb der vorgegebenen Toleranz liegt, und die beispielsweise

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rot aufleuchten, wenn das geprüfte Meßergebnis außerhalb der vorgegebenen Grenztoleranz liegt.

Im Diskriminator 22 wird die Streuung der Dickenwerte ermittelt und geprüft. Die Ausgangssignale der Umsetzer 20 gelangen über einen Multiplexer 29 auf einen Schaltkreis 30, der jeweils den größten der eingelaufenen Werte feststellt, und auf einen Schaltkreis 31, der den jeweils kleinsten der eingelaufenen Werte ermittelt und festhält. Im Subtraktionsglied 32 wird die Differenz des ab Ausgang des Schaltkreises 30 auftretenden Maximums und des am Ausgang des Schaltkreises auftretenden Minimums gebildet. Das am Ausgang des Subtraktionsgliedes 32 auftretenden Signal gibt also stets die Differenz zwischen der größten und der kleinsten Dicke der Scheibe wieder. Dieses Signal wird in einem Vergleicher 23 geprüft, in dessen Komparatorschaltung 33 dieses Differenzsignal gegen einen zweiten Vergleichswert geprüft wird, der von einem zweiten Vergleichswertgenerator 34 geliefert wird. Dieser Vergleichswert entspricht der maximal zulässigen Streuung der Dicke der Scheibe. Das am Ausgang des Vergleichers 23 auftretende Prüfsignal kann wiederum beispielsweise durch eine Anzeigelampe 35 dargestellt werden. Diese Anzeigelampe 35 leuchtet beispielsweise grün auf, wenn die ermittelte Streuung innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenze der Streuung liegt, und leuchtet beispielsweise rot auf, wenn die ermittelte Streuung größer als die durch die Toleranzgrenze erlaubte Streuung ist.

Die auf die Anzeigen 24 gegebenen Daten sowie die in den Vergleichsschaltungen 21 und 23 ermittelten Prüfergebnisse können zur vollautomatischen Weiterverarbeitung direkt auf eine größere elektronische Rechenanlage gegeben und dort beispielsweise gespeichert oder zur weiteren Prozeßsteuerung ausgewertet werden. Dadurch kann das gesamte Prüfverfahren erheblich beschleunigt und von menschlichen Fehlern befreit werden.

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Diese Beschleunigung des Prüfverfahrens, die einen höheren Durchsatz und damit höhere Produktivität ermöglicht, ist jedoch nicht nur durch die Automatisierung des Meßverfahrens und der Auswertung der Meßergebnisse gegeben, sondern ganz wesentlich auch dadurch, daß die einzelnen Messungen nicht mehr nacheinander, sondern parallel zueinander und gleichzeitig durchgeführt werden. Für Scheiben mit kleinerem Durchmesser und Scheiben, die für einfachere unanfälligere Verfahren und Bauelemente verwendet werden sollen, kann die Anordnung der Abtaster auch entsprechend der herkömmlichen in Fig. 1 gezeigten Weise der Fünfpunktmethode ausgeführt sein. Für Präzisionsmessungen sind die Abtaster jedoch vorzugsweise nebeneinander in einer geradlinigen Reihe mit gleichmäßigen Abständen untereinander angeordnet. Diese regelmäßigen Abstände der Abtaster voneinander entsprechen dem Gitterabstand der Meßpunkte auf der Oberfläche der Scheibe. Werden dann die Abtasterbank und die Scheibe senkrecht zur Hauptachse der Abtasterbank relativ gegeneinander verschoben, so kann die gesamte Oberfläche der Scheibe mit hunderten von Meßpunkten in kürzester Zeit abgetastet und vermessen werden. Die Schrittschaltung dieses relativen Vorschubs ist dabei vorzugsweise so gewählt, daß jeder Translationsschritt den Abstand der Abtaster auf der Bank entspricht. Die auf der Oberfläche erfaßten Dickenmeßpunkte bilden dann ein regelmäßiges orthogonales Gitter. Bei jedem Meßschritt werden alle unter der Abtasterbank liegenden Meßpunkte gleichzeitig ausgemessen.

Diese Anordnung der Abtaster und diese Arbeitsweise sind in der Fig. 6 schematisch dargestellt. Die einzelnen Abtaster, die jeweils aus einem Projektor 50 und einem Detektor 54 bestehen, sind in regelmäßigem Abstand voneinander in einer Reihe auf einer Bank angeordnet. Das Netz der Meßpunkte P auf der Oberfläche der Scheibe W ist schematisch dargestellt. Die Scheibe W liegt mit ihrer abgeflachten Anschlagkante d an der Halterung

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auf dem Tisch des Gerätes. Die gitterförmige Abtastung der Scheibenoberfläche erfolgt durch schrittweises Vorschieben des Trägertisches, auf dem die Scheibe W durch Unterdruck fest gehaltert ist, gegen die ortsfeste Abtasterbank. Die Vorschubrichtung des Tisches ist in der Fig. 6 am linken Rand durch einen Pfeil angedeutet.

Der Wert der nichtlinearen Dickestreuung (NTV), der als direktes Maß für den Grad der Ebenheit der Oberfläche der Scheibe gelten kann, wird durch Vergleich der Höhe jedes einzelnen Meßpunktes über oder unter einer festgelegten Bezugsfläche ermittelt. Die Art der Festlegung einer solchen Bezugsebene ist prinzipiell beliebig. So kann beispielsweise auf dem Tisch, der die zu prüfenden Scheibe haltert, ein bestimmter Bereich als Bezugsfläche ausgebildet sein. Ein anderes, bequemeres Verfahren zur Festlegung einer Bezugsebene besteht darin, zunächst die Höhe von mindestens drei, nicht auf einer Geraden liegenden Meßpunkten festzustellen, daß heißt also mit dem Gerät zu vermessen. Durch diese mindestens drei Punkte wird dann die Bezugsebene gelegt. Im Fall von drei Meßpunkten, wird die Bezugsebene durch diese drei Punkte gelegt, im Fall von mehr als drei Meßpunkten wird die Bezugsebene als Ausgleichsebene zu diesen Meßpunkten bestimmt. Der Abstand der übrigen Meßpunkte wird dann gegen diese Bezugsebene gemessen. Die Differenz zwischen dem dabei ermittelten größten und kleinsten Abstand eines Oberflächenmeßpunktes zu dieser Bezugsebene wird dann als der gesuchte NTV-Wert bestimmt.

Alternativ kann die Bezugsfläche auch nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate für die gemessenen Höhenwerte einer bestimmten Anzahl von Meßpunkten festgelegt werden. Die NTV-Werte können dann auch gegen diese Ebene in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt werden.

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Alle vorstehend beschriebenen Verfahren zur Festlegung einer Bezugsebene und zur Berechnung des NTV-Wertes sind einfache Rechnungen, die bereits auch von kleinen Rechnern mit hoher Geschwindigkeit ausführbar sind. Die Ebenheitsprüfung dünner Werkstoffscheiben, insbesondere von Halbleiterscheiben für die Herstellung integrierter Schaltkreise, wird damit zur vollautomatischen Routine.

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c ι i e ι t

Claims

JAEGER, GRAMS & PONTANI PATBNTANWÄLTH DIPL.CHEM. DR. KLAUS JAEGER DIPL.-ING. KLAUS D. GRAMS DR.-ING. HANS H. PONTANI GAUTING · BERGSTR. 48V. 8O31 STOCKDORF · KREUZWEG 34 8752 KLEINOSTHEIM ■ HIRSCHPFAD 3 NAG-1 Nagano Electronics Industrial Co., Ltd. 1393, Yashiro, Koshoku-shi, Nagano-ken, Japan und Nidek Co., Ltd. 7-9, Sakaemachi, Gamagori-shi, Aichi-ken, Japan Optoelektronisches Meßgerät mit mehreren Sensoren und Verfahren zum Messen der Ebenheit von Oberflächen mit diesem Gerät Patentansprüche

1.] Optoelektronisches Meßgerät zur Prüfung der Dicke und der Oberflächengüte scheibenförmiger Werkstücke mit einem Probenträgertisch, auf dem der optisch abzutastende Prüfling gehaltert ist, wobei zur Abtastung ein optoelektrischer Abtaster dient, der aus einem Projektor zur Aussendung eines Lichtstrahls auf einen Meßpunkt auf der Oberfläche des Prüflings und einem Detektor zur Aufnahme

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TELEPHON: (O89) 85O203O; 8574O8O; (O6O27) 8836 · TELEX: 0 21 777 Isnr d

des von der Werkstückoberfläche reflektierten Lichtstrahls und Umsetzung des reflektierten Lichtes in ein elektrisches Signal, das dem Abstand des Meßpunktes auf der Oberfläche des Werkstückes von einer Bezugsebene entspricht, besteht, und wobei der Abstand zwischen dem Tisch und dem Abtaster justierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät mehrere gleichzeitig und parallel zueinander arbeitende Abtaster aufweist, von denen jeder einzeln gegenüber dem Tisch höhenjustierbar ist.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die optische Achse eines der Abtaster die Oberfläche des Tisches in dessen Mittelpunkt schneidet und daß die optischen Achsen der übrigen Abtaster die Oberfläche des Tisches in Punkten schneiden, die drehsymmetrisch um den Mittelpunkt herum angeordnet sind.

3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtaster linear in einer Reihe und in gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind.

4. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen der Abtaster oberhalb des Tisches durch Prismen umge-

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lenkt sind.

5. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der Projektor (50) und der Detektor (54) eines Abtasters (1) symmetrisch zueinander gegen die Normale der Oberfläche des Tisches geneigt angeordnet sind und daß die das reflektierte Licht auffangende Oberfläche des Detektors in zwei unabhängig voneinander registrierende lichtempfindliche Bereiche aufgeteilt ist.

6. Verfahren zur Bestimmung des Wertes der nichtlinearen Dickenstreuung eines scheibenförmigen Werkstücks, dadurch gekennzeichnet , daß (a) die Scheibe auf dem Tisch eines Meßgerätes gehaltert wird, das über dem Tisch mehrere optoelektrische Abtaster enthält, wobei der Tisch und jeder einzelne dieser Abtaster relativ gegeneinander in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Tisches verschiebbar sind und jeder der Abtaster aus einem Projektor zur Aussendung eines Lichtstrahles auf einen Meßpunkt auf der Oberfläche der auf dem Tisch gehalterten Scheibe, einem Detektor zur Registrierung des vom Meßpunkt auf der Oberfläche der Scheibe reflektierten Lichtstrahles und einem mit dem Detektor verbundenen photoelektrischen Wandler zur Erzeugung eines elektrischen Signals,

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das dem Abstand des Meßpunktes auf der Oberfläche der Scheibe von einer Bezugsfläehe entspricht, besteht, (b) daß die Oberfläche der Scheibe mit den Lichtstrahlen, die von den Projektoren der Abtaster ausgesandt werden, in der Weise abgetastet wird, daß alle über die und auf der Oberfläche der Scheibe verteilten Meßpunkte erfaßt werden, und daß (c) die Abstände der einzelnen Meßpunkte von der Bezugsfläehe gemessen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugsfläehe eine Ebene ist, die nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate für die Beträge der Abstände der Meßpunkte auf der Oberfläche der Scheibe von der Oberfläche des Tisches festgelegt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsfläehe aus den Werten für zumindest drei Meßpunkte auf der Scheibe festgelegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsfläehe eine Ebene ist, die nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate für die Beträge der Abstände von mindestens vier Meßpunkten auf der Oberfläche der Scheibe von der Oberfläche des Tisches festgelegt wird. 809812/0774