DE10005852C2 - Verfahren zur Herstellung von Höhenbildern technischer Oberflächen in mikroskopischer Auflösung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Höhenbildern technischer Oberflächen in mikroskopischer Auflösung mit Hilfe eines konfokalen Messmikroskops, wobei die zu vermessende Probe in Richtung (Z-Richtung) Mikroskop gesteuert und kontinuierlich verfahren und dabei in definierten Abständen mittels einer Digitalkamera jeweils ein Bild aufgenommen wird, und die aufgenommenen digitalisierten Bilder einem Controller (PC) zur weiteren Verarbeitung und Auswertung zugeleitet werden, derart, dass das Lichtintensitätsmaximum für jeden Bildpunkt ermittelt wird, wobei die Lage des Maximums die zu messende Probenhöhe ergibt.

Konfokale Messmikroskope werden für die Inspektion technischer Oberflächen eingesetzt, wobei sowohl das mikroskopische Bild (Lichtintensität) der Probenoberfläche als auch die der Oberfläche zugeordnete lokale Höhe gemessen wird. Die Anwendung bezieht sich dabei auf alle Bereiche der Mikrostrukturtechnologie, ist aber nicht darauf beschränkt.

Das Meßsystem setzt sich aus dem eigentlichen konfokal­ optischen Messzweig, einer Kamera, einer Bilddigitalisierungseinheit, einem Controller (im allgemeinen ein PC), einer motorischen Verschiebeeinheit zur Durchfokussierung der Probenoberfläche (Verfahrbewegung in Z- Richtung) sowie einer Steuerung der motorischen Verschiebeeinheit zusammen (siehe Bild 2).

Die Arbeitsweise des beispielsweise aus Hans J. Tiziani und Hans-Martin Uhde: "Three-dimensional analysis by microlens­ array confocal arrangement" in: APPLIED OPTICS, Vol. 33. No. 4 Seiten 567 bis 572 sowie aus der US 5 594 235 bekannten Messmikroskops besteht darin, dass die sich unter dem Mikroskopobjektiv befindliche Probe schrittweise gegenüber dem Mikroskop in der Höhe verfahren wird (bzw. das Mikroskop in Richtung Probe).

Das heißt, dass jeweils dann ein Bild mittels beispielsweise einer CCD-Kamera aufgenommen wird, wenn die Probe um eine definierte Strecke verfahren wurde und in dieser Position gestoppt worden ist. Nach der Aufnahme und der Digitalisierung wird das jeweilige Bild analysiert (im PC).

Ein kontinuierlicher Durchlauf in Z-Richtung der Probe ist aus der US 5 084 612 bekannt. Für den kontinuierlichen Antrieb des Probentisches längs der Z-Achse ist ein Impulsmotor vorgesehen. Die Synchronsignale für den Motor stellt eine Schaltung bereit, die auch die Ansteuersignale für den Impulsmotor und den Piezoantrieb liefert, die für eine kontinuierliche Bewegung der Probe in der X- und Y-Richtung vorgesehen sind.

Die Lichtintensität eines einzelnen Bildpunktes zeigt dabei in der Regel eine gaußförmige Verteilung als Funktion der Verschiebung, wobei die Lage des Maximums die zu messende Probenhöhe ergibt. Da das Maximum in der Praxis nicht direkt gemessen werden kann, wird zu dessen Ermittlung die Kurve schrittweise abgetastet.

Die Auswertung erfolgt akkumulativ. Dabei wird pixelweise die Summe der Intensität I sowie die Summe der mit der jeweils eingestellten Verschiebung z multiplizierten Intensität in zwei getrennten Speichern aufsummiert.

Nach einem vollen Durchlauf (Aufnahme von N Bildern) wird gemäß

der Schwerpunkt zs bezüglich der Verschiebung ausgerechnet. Dieser fällt ungefähr mit dem Maximum zusammen. Um die Genauigkeit zu erhöhen, werden in der Regel nur diejenigen Intensitäten zur Berechnung herangezogen, die oberhalb einer einzustellenden Schwelle liegen. Diese Schwelle muß lokal (d. h. pixelweise) bestimmt werden, zum Beispiel als mittlere Intensität. Zur Ermittlung dieser Schwelle ist dann ein zusätzlicher Durchlauf, der vor dem eigentlichen Meß-Durchlauf stattfindet, notwendig.

Die vorbekannten Verfahren haben jedoch diverse Nachteile:

Die geringe Dynamik einer CCD-Kamera führt dazu, dass stark unterschiedlich reflektierende Ortsbereiche nicht gleichzeitig erfasst werden können.

Durch den zusätzlichen Durchlauf zur Bestimmung der Schwelle (siehe oben) ist das Verfahren recht zeitaufwendig.

Darüber hinaus vergrößert sich der Zeitaufwand durch das schrittweise einstellen der Verschiebung. Außerdem können hierdurch Erschütterungen hervorgerufen werden, dann nämlich, wenn das mechanische System beschleunigt und abgebremst wird.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch die oben angesprochene akkumulative Auswertung. Die Auswertung gemäß obiger Formel setzt eine symmetrische Verteilung der Intensität voraus. In der Praxis zeigen sich jedoch leicht asymmetrische Verläufe. Die Auswertung gemäß obiger Formal versagt beim Auftreten mehrer Maxima, bzw. liefert fehlerhafte Werte. Ein zusätzliches Maximum (Nebenpeg) kann jedoch bei halbtransparenten Schichten auftreten.

Überhaupt ist die Erkennungsmöglichkeit von Auswertefehlern und die Bestimmung der Güte der Messung im allgemeinen unzureichend.

Ein zusätzlicher Nachteil ist darin zu sehen, dass die Steuerung der Verschiebeeinheit vom Controller vorgenommen werden muß, da keine direkte Kopplung zwischen der Verschiebeeinheit und der Bilddigitalisierungseinheit vorhanden ist.

Der Erfindung liegt daher ausgehend von einem aus der US 5 084 612 bekannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu so zu führen, dass bei einer signifikanten Verringerung des Zeitaufwandes eine verbesserte Auswertung der aufgenommenen Bilder ermöglicht wird, bei der zwischen Nebenmaxima und Artefakten unterschieden werden kann.

Die Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Intensitäten der in diskreten Ortsabständen aufgenommenen und digitalisierten N Einzelbilder im Controller (PC) gespeichert werden, derart, dass für jeden Bildpunkt eine Zahl N aufeinanderfolgender Speicherstellen belegt wird, die vom ersten bis zum N-ten Bild sukzessive aufgefüllt werden, wonach für jeden Bildpunkt das jeweilige Intensitätsmaximum/die jeweiligen Intensitätsmaxima rechnerisch ermittelt und unter Einbeziehung aller Messdaten ausgewertet wird/werden.

Dadurch, dass die Verschiebung der Probe in einer kontinuierlichen Bewegung stattfindet, ergibt sich neben dem zeitlichen Vorteil eine völlig ruckfreie ortsabhängige Bildaufnahme. Die Speicherung der Einzelbilder findet dabei in einer auswertegerechten Form statt. Das bedeutet, dass bei einer Gesamtzahl von N Bildern, deren Digitalisierung bei der Messung ausgelöst wird, vorab für jeden Bildpunkt eine Zahl N aufeinander folgender Speicherstellen belegt werden. Diese Speicherstellen werden nun sukzessiv vom ersten bis zum letzten Bild aufgefüllt. Der Vorteil dabei ist, dass die zur späteren Berechnung benötigten Intensitäten eines Bildpunktes in der technisch sinnvollen Reihenfolge angeordnet sind. Als technisch sinnvolle Reihenfolge wird diejenige Reihenfolge definiert, die es erlaubt, schnell auf die Messdaten zuzugreifen.

Anstelle einer akkumulativen Auswertung wird eine Auswertung unter Einbeziehung aller Messdaten vorgenommen. Bei der Auswertung wird nach allen vorkommenden Maxima gesucht. Kriterien zur Erkennung eines Maximums (z. B. der Schwellwert) können dabei veränderlich vorgegeben werden. Die Suche nach Maxima findet dabei vorzugsweise nach drei wahlweise vorgebbaren Suchverfahren statt:

• 1. Es wird nur das tiefste Maximum (unterste Schicht) ausgewertet.
• 2. Es wird nur das oberste Maximum (oberste Schicht) ausgewertet.
• 3. Es werden beide Maxima ausgewertet.

Im Falle nur eines vorliegenden Maximums (d. h., wenn es sich nicht um eine halbtransparente Vorlage handelt) fallen die Verfahren zusammen.

Anhand der Bestimmung der Lage zweier Maxima (wenn diese beispielsweise bei halbtransparenten Proben vorliegen) wird deren Abstand zur Berechnung der Schichtdicke der angenommenen Schicht herangezogen. Hierdurch wird die Funktionalität des Messmikroskops grundsätzlich erweitert.

Gemäß Anspruch 2 werden zur ortsabhängigen Auslösung der Bildaufnahme von dem in Z-Richtung verfahrenden, die Probe tragenden Element positionsgebende Triggerpulse abgenommen.

Dabei wird gemäß Anspruch 3 der Ortsabstand, der die Auslöung einer Bildaufnahme bewirkt, definiert eingestellt, wobei mittels der Programmierung eines Mikroprozessors eine veränderliche Teilung des von der Ortserfassung erzeugten Inkrement-Grundsignals vorgenommen wird.

Die Bildaufnahme wird wie gerade angesprochen von einer an der Verschiebungseinheit angebrachten Ortserfassung in diskreten Ortsabständen ausgelöst. Diese Ortserfassung kann z. B. ein Inkrement-Dekoder an der Achse des zur Verschiebung benutzten Motors oder ein optoelektronischer Wegmaßstab am Verfahrtisch sein. Wenn zur Verschiebung ein spannungsgesteuerter Piezoversteller eingesetzt wird, kann dies ein DMS-Wegaufnehmer sein.

Durch die Synchronisation bzw. Kopplung mit dem Meßprozeß ist die Möglichkeit geboten, dass die Verschiebeeinheit von einer externen Steuerung gesteuert werden kann. Somit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einen externen Prozeß, vorzugsweise als Prozeß-Meßgerät in der Herstellung von Mikrostrukturen einbindbar.

Die Intensitäten der wie beschrieben aufgenommenen Einzel- Bilder werden komplett gespeichert. Die Speicherung erfolgt vorzugsweise auf einem festen Speichermedium (z. B. einer Festplatte) oder im Arbeitsspeicher des Systemcontrollers.

Zur Bestimmung der Lage des jeweiligen Maximums wird vorzugsweise eine rechnerische Approximation mit einer mathematisch beschreibbaren Kurvenform vorgenommen. Diese Kurvenform wird vorzugsweise als Gauß-Kurve angesetzt, kann aber auch eine Parabelform haben.

Es werden neben der Lage der Maxima auch deren Kurvenform mit Hilfe skalarer Größen beschrieben. Vorzugsweise wird die Kurvenform bei Approximation einer Gauß-Kurve mit Hilfe der Halbwertsbreite und Güte beschrieben.

Anhand der Bestimmung der Kurvenform können dann Kriterien abgeleitet werden, die es ermöglichen, Messwerte auszuschließen (beispielsweise Artefakte).

Da die Gesamtzahl aller Messwerte vorliegt, werden rauschunterdrückende Verfahren in der Vorverarbeitung eingesetzt. Dies bedeutet, dass eine digitale Signalfilterung (Rechteck-, oder Gauß-Filter) eingesetzt wird.

Auf diese Weise wird die gesamte Probenoberfläche inspiziert, derart, dass nach der Vermessung eines Probenbereichs die Probe in einer Ebene (X/Y) senkrecht zur optischen Achse des Messmikroskops verfahren wird, so dass ein benachbarter Probenbereich vermessen werden kann und sofort, und durch elektronisches Aneinandersetzen (stitching) der Messergebnisse der jeweils benachbarten Bereiche ein zusammengesetztes Bild der Probenoberflächenstruktur erhalten wird.

Zur Aufnahme wird vorzugsweise ein CMOS-Sensor verwendet, unabhängig vom Messverfahren kann jedoch auch ein CCD-Sensor eingesetzt werden.

Der vorrichtungsgemäße Aufbau der vorliegenden Erfindung wird nun im folgenden kurz anhand der Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

Bild 1 Schaltbild des konfokalen Meßmikrospkops (Erfindung),

Bild 2 Schaltbild eines konfokalen Messmikroskops gemäß Stand der Technik.

In Bild 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 der konfokal optische Mikroskopzweig bezeichnet, dessen Bilder von einer Digitalkamera 2 aufgenommen werden, von der sie über eine Digitalisierungseinheit 3 einem Systemcontroller 4 in digitalisierte Form zugeführt werden. Hier findet dann die Auswertung der aufgenommenen Bilder statt. Die Probe, die zu vermessen ist, befindet sich auf einer motorischen Verschiebeeinheit 5 zur Durchfokussierung der Probenoberfläche.

An der motorischen Verschiebeeinheit 5 ist eine Ortserfassung, die z. B. ein Inkrement-Decoder an der Achse des zur Verschiebung benutzten Motors oder ein optoelektrischer Wegmaßstab am Verfahrtisch sein kann, angeordnet. Hierdurch kann die Steuerung über den Systemcontroller 4 entfallen und die Verschiebebewegung kann extern gesteuert werden. Die Ortserfassung an der Verschiebeeinheit 5 liefert der Kamera- Mikroskop-Einheit die für die Bildauslösung erforderlichen Triggersignale.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung von Höhenbildern technischer Oberflächen in mikroskopischer Auflösung mit Hilfe eines konfokalen Messmikroskops, wobei die zu vermessende Probe in Richtung (Z-Richtung) Mikroskop gesteuert und kontinuierlich verfahren und dabei in definierten Abständen mittels einer Digitalkamera jeweils ein Bild aufgenommen wird, und die aufgenommenen digitalisierten Bilder einem Controller (PC) zur weiteren Verarbeitung und Auswertung zugeleitet werden, derart, dass das Lichtintensitätsmaximum für jeden Bildpunkt ermittelt wird, wobei die Lage des Maximums die zu messende Probenhöhe ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitäten der in diskreten Ortsabständen aufgenommenen und digitalisierten N Einzelbilder im Controller (PC) gespeichert werden, derart, dass für jeden Bildpunkt eine Zahl N aufeinanderfolgender Speicherstellen belegt wird, die vom ersten bis zum N-ten Bild sukzessive aufgefüllt werden, wonach für jeden Bildpunkt das jeweilige Intensitätsmaximum/die jeweiligen Intensitätsmaxima rechnerisch ermittelt und unter Einbeziehung aller Messdaten ausgewertet wird/werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur ortsabhängigen Auslösung der Bildaufnahme von dem in Z-Richtung verfahrenden, die Probe tragenden Element positionsgebende Triggerimpulse abgenommen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ortsabstand, der die Auslösung einer Bildaufnahme bewirkt, definiert eingestellt wird, wobei mittels der Programmierung eines Mikroprozessors eine veränderliche Teilung des von der Ortserfassung erzeugten Inkrement- Grundsignals vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrbewegung extern steuerbar ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung der Intensitäten auf einem festen Speichermedium geschieht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung auf einer Festplatte geschieht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung im Arbeitsspeicher des Controllers geschieht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Lage des Maximums/der Maxima eine rechnerische Approximation mit einer mathematisch beschreibbaren Kurvenform vorgenommen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenform als Gauß-Kurve angesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenform als Parabel angesetzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenform mit Hilfe skalarer Größen beschrieben wird (Halbwertsbreite, Güte, etc.).

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Vorverarbeitung der Messdaten Rauschunterdrückung in Form digitaler Signalfilterung erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei zu vermessenden halbtransparenten Schichten das tiefste Maximum (unterste Schicht) und/oder das oberste Maximum (oberste Schicht) ausgewertet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Vermessung eines Probenbereichs die Probe in einer Ebene (X/Y) senkrecht zur optischen Achse des Messmikroskops verfahren wird, so dass ein benachbarter Probenbereich vermessen werden kann und sofort, und durch elektronisches Aneinandersetzen (stitching) der Messergebnisse der jeweils benachbarten Bereiche ein zusammengesetztes Bild der Probenflächenstruktur erhalten wird.