DE102004022341A1

DE102004022341A1 - Vorrichtung und Verfahren zur kombinierten interferometrischen und abbildungsbasierten Geometrieerfassung insbesondere in der Mikrosystemtechnik

Info

Publication number: DE102004022341A1
Application number: DE102004022341A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Lehmann; Norbert Steffens
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2004-05-04
Filing date: 2004-05-04
Publication date: 2005-12-29
Also published as: JP2007536539A; US20070035744A1; CN1950668A; DE112005000639B4; US7545505B2; CN100414248C; DE112005000639A5; JP4644707B2; WO2005108915A1

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum kombinierten flächenhaften Erfassen von Höhenwerten eines Messobjektes mittels Interferometrie (interferometrischer Messmodus) und zum Messen lateraler Dimensionen von Geometrieelementen mittels Aufzeichnung und digitaler Auswertung optischer Abbildungen des Messobjektes (Bildverarbeitungsmodus), dadurch gekennzeichnet, dass ein Objektiv verwendet wird, welches in einem Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen als Interferenzobjektiv wirkt und für einen anderen Teil des Spektrums eine reine optische Abbildung des Messobjektes hervorruft, so dass durch Änderung der spektralen Zusammensetzung des zur Auflicht-Beleuchtung verwendeten Lichtes vom interferometrischen Messmodus in den Bildverarbeitungsmodus gewechselt werden kann.

Description

Einführung und Stand der Technik:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum kombinierten flächenhaften Erfassen von Höhenwerten eines Messobjektes mittels Interferometrie (interferometrischer Messmodus) und zum Messen lateraler Dimensionen von Geometrieelementen mittels Aufzeichnung und digitaler Auswertung optischer Abbildungen des Messobjektes (Bildverarbeitungsmodus).
Um die Höhenstrukturen auch an gestuften Objekten flächenhaft mit höchster Genauigkeit optisch zu messen, eignet sich vor allem die vertikal scannende Weißlichtinterterometrie (WLI). Übliche interferometrische Anordnungen sind das Michelson-, das Linnik- und das Mirau-Interferometer. In der WLI wird eine Weißlichtquelle, typischerweise eine Halogenlampe, zur Beleuchtung eingesetzt. Während der Messung wird die optische Weglängendifferenz zwischen dem Mess- und dem Referenzstrahlengang kontinuierlich vergrößert oder verringert, während im Abstand von weniger als 100 nm Interferenzbilder des Objektes i.allg. mit einem flächig auflösenden Pixelsensor (z.B. CCD- oder CMOS-Array) aufgezeichnet werden. Die optische Weglängenänderung kann durch eine Bewegung des Messobjektes in Richtung des Interferometers, eine Bewegung des Interferometers in Richtung auf das Objekt, eine Bewegung eines Interferenzobjektivs oder eines Referenzspiegels erzeugt werden. Dieser Vorgang wird als „vertikales Scannen" bezeichnet. Der von der optischen Weglängendifferenz abhängige Intensitätsverlauf für jedes Kamerapixel, das so genannte Korrelogramm, wird der weiteren Signalauswertung zugeführt.
Bei der WLI-Signalauswertung wird zwischen der Kohärenzpeak-Auswertung, die eine vergleichsweise grobe Abschätzung der Höhenlage eines Messpunktes mit Abweichungen von teilweise über 100 nm liefert und der Phasenauswertung unterschieden, die Messunsicherheiten im Nanometer- oder Subnanometerbereich erlaubt. Der Höhenmessbereich kann mehrere mm betragen.
Laterale Geometriemerkmale von Messobjekten lassen sich über die digitale Auswertung von Pixelbildern bestimmen. Bei mikroskopischen Objekten werden folglich Messmikroskope mit geeigneten Kameras ausgerüstet, um solche Pixelbilder aufzuzeichnen und anschließend digital auszuwerten. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht in der hohen Messgeschwindigkeit, die es gestattet, bei entsprechender Synchronisation zwischen dem Bildeinzug und der Anregung des Messobjektes auch Untersuchungen des dynamischen Verhaltens entsprechender Messobjekte vorzunehmen. Sämtliche mikroskopischen Verfahren sind hinsichtlich der erreichbaren lateralen Auflösung jedoch den durch die beugungsbegrenzte Abbildung gegebenen Einschränkungen unterworfen. Dies führt bei Verwendung von sichtbarem Licht i. allg. zu minimalen lateralen Auflösungen von ca. 0,5 μm.
Soll die auf digitalisierten lichtmikroskopischen Aufnahmen basierende Auswertung lateraler Strukturen mit einer der o.g. Interferometer-Anordnungen durchgeführt werden, wirken sich die in der Interterenzmikroskopie zwangsläufig auftretenden Interterenzeffekte aufgrund der dadurch bedingten zusätzlichen Bildkontraste störend aus. Bei gegenwärtig bekannten Systemen ist mindestens der Austausch des Objektivs erforderlich, um weißlichtinterferometrische und bildverarbeitungsbasierte Messungen vornehmen zu können. Hierbei geht jedoch der genaue Bezug zwischen der mittels WLI bestimmten Höhenlage und einem mit begrenzter Schärfentiefe aufgenommenen lichtmikroskopischen Bild verloren. Ein weiterer Nachteil sind die Kosten für das zusätzliche Objektiv und ggf. den Objektivrevolver, der für eine automatische Umschaltung zwischen den beiden Messmodi erforderlich ist.
Erfindung:
sDie erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, mit einem kompakt aufgebauten und mit nur einem auf das Messobjekt gerichteten Objektiv ausgestattete Sensormodule aufzubauen, mit denen sowohl vertikal hochaufgelöste interferometrische Messungen als auch lateral hochaufgelöste, bildverarbeitungsbasierte Messungen durchgeführt werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass nur ein definierter spektraler Anteil des Lichtes, für das die eingesetzte Kamera empfindlich ist, für die WLI-Messung verwendet wird und ein anderer spektraler Anteil für die reine Bildverarbeitung genutzt wird. Im lichtmikroskopischen Messmodus kann bspw. eine blaue LED (LED = Light Emitting Diode) im Beleuchtungsstrahlengang aktiv sein, während die als Lichtquelle für die WLI eingesetzte Weißlicht-LED ausgeschaltet ist. Im WLI-Modus ist dagegen die blaue LED ausgeschaltet, und die Weißlicht-LED in Betrieb. D.h. es kann mit geringem Aufwand sowohl lichtmikroskopisch als auch interferometrisch mit jeweils optimierter Genauigkeit im selben Bezugssystem gemessen werden. Durch lichtmikroskopisches „Antasten" mit nachfolgender interferometrischer Messung besteht zudem die Möglichkeit, schnelle, automatische Messabläufe zu realisieren. Im lichtmikroskopischen Messmodus kann zudem eine rasche Prüfung des dynamischen Verhaltens des untersuchten Systems erfolgen.
Als Objektiv wird vorzugsweise ein Mirau-Interferenzobjektiv mit integrierter Strahlteilerplatte und integriertem Referenzspiegel verwendet. Die Auflicht-Beleuchtung im WLI Messmodus erfolgt mit einer kurzkohärenten Lichtquelle (z.B. Weißlicht-LED ggf. mit geeignetem Farbfilter), deren Spektrum sich z.B. über einen Wellenlängenbereich > 150 nm oberhalb von ca. 500 nm erstreckt. Ergänzend wird eine bei ca. 450 nm emittierende blaue LED eingesetzt, deren Licht ausschließlich zur Abbildung des Objektes genutzt wird, d.h. für diesen Teil des Wellenlängenspektrums gelangt kein Licht aus dem Referenzstrahlengang auf die Detektormatrix. Eine mögliche Ausführungsform besteht darin, den Referenzspiegel als Langpassfilter (z.B. dichroitische Schicht mit nachfolgendem Absorber) auszulegen.
Das (z.B. unter Verwendung von blauem Licht) aufgenommene lichtmikroskopische Bild dient der lateralen Erfassung von Geometrieelementen mit hoher Auflösung. Allein aufgrund der geringen Wellenlänge des blauen Lichtes lassen sich laterale Auflösungen < 0,5 μm erreichen. Mit Hilfe einer externen Lichtquelle auf der Basis blauer LEDs, z.B. eine segmentweise ansteuerbare Ringlicht-Beleuchtung, kann im Bildverarbeitungsmodus auch auf geneigten spiegelnden Flanken gemessen werden, ohne das Messobjekt aufwendig kippen zu müssen.
Durch Erweiterung des Ansatzes auch auf Michelson-Objektive lassen sich größere Messbereiche (bei entsprechend der geringeren NA reduzierter lateraler Auflösung) mit einem Messvorgang erfassen. Die Linnik-Anordnung ist zweckmäßig, um die laterale Auflösung zu minimieren, indem eine möglichst große numerische Apertur des Objektivs gewählt wird. Es können auch mehrere Objektive, z.B. über einen Objektivrevolver, in der Vorrichtung verwendet werden.
Die interferometrische Anordnung lässt sich erfindungsgemäß auch als phasenschiebendes Interferometer betreiben. In diesem Fall wird eine näherungsweise monochromatische Lichtquelle für die interferometrische Messung verwendet.
Die zusätzliche Anbringung eines taktilen Mikrotasters im Sichtfeld des Mikroskops, gestattet es, auch an Strukturen, die der optischen Messung nicht zugänglich sind, Geometriemessdaten zu ermitteln, wobei die taktile Messung aufgrund der mechanischen Kopplung mit der optischen Vorrichtung im selben Bezugssystem erfolgt wie die interferometrische Messung und die Bildverarbeitung. Der taktile Mikrotaster kann z.B. als Silizium-Biegebalken ausgeführt werden, der mit einer piezoresistiven Brückenschaltung zur Messung der Tasterauslenkung versehen ist.
Die Kopplung der Messvorrichtung mit mechanischen Positioniereinheiten für die x, y und z-Achse, die mit geeigneten Inkrementalmesssystemen ausgestattet sein können, erlaubt es, Messungen unterschiedlicher Objektbereiche zueinander in Beziehung zu setzen. Je nach Messaufgabe können auch rotatorische Positionierachsen zweckmäßig sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich als kompaktes Sensormodul ausführen und ermöglicht bei vergleichsweise geringen Gerätekosten eine Vielzahl von Anwendungen speziell aus dem Bereich der Mikrosystemtechnik. Sie trägt den ständig wachsenden Ansprüchen an die Messgenauigkeit, die Messgeschwindigkeit und die prozessnahe und flexible Einsetzbarkeit Rechnung. Der Einsatz von LEDs als Lichtquellen birgt gegenüber den in der WLI verbreiteten thermischen Strahlern deutliche Vorteile hinsichtlich Gestaltungsfreiheit, Kompaktheit, Lebensdauer und Reduzierung thermischer Störeffekte.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Einzelsysteme der Messvorrichtung so aufeinander abgestimmt betrieben, dass die jeweilige Messaufgabe in optimaler Weise gelöst wird. Dabei werden laterale Strukturgrößen mittels Bildverarbeitung analysiert, Höhenstrukturen mittels der Weißlichtinterferometrie erfasst und weitere Merkmale, z.B. Mikrostrukturen auf senkrechten Flanken, ggf. mit einem taktilen Mikrotaster erfasst. Sämtliche Messdaten liegen im selben Bezugssystem vor und können somit miteinander kombiniert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung basierend auf einem Michelson-Interferometer; und
2: eine erfindungsgemäße Vorrichtung basierend auf einem Mirau-Interferometer.
Die Lichtquellen (1a), (1b) werden über einen (ggf. dichroitischen) Strahlteiler (2), einen Kondensor (3) und einen weiteren Strahlteiler (4) auf die Eintrittspupille (5a) eines Objektivs (5) mit integriertem Strahlteiler (6), Referenzspiegel (7) und Absorber (B) abgebildet. Im Interferometriemodus wird ein Teil des objektseitig aus dem Objektiv (5) austretenden weißen bzw. gelben Lichtes der Lichtquelle 1b am Referenzspiegel (7) reflektiert, ein anderer Teil trifft auf das Messobjekt (9) und wird dort ebenfalls reflektiert. Der Referenzspiegel (7) und der sich innerhalb der Schärfentiefe befindliche Teil des Messobjektes (9) werden mittels des Objektivs (5) und der Tubuslinse (11) auf das Detektorarray (12), z.B. eine Pixelkamera mit 800 × 600 Pixeln, abgebildet und gelangen dort zur Interferenz. Die interferometrische Messung erfolgt dadurch, dass das Objektiv (5) mittels einer Positioniereinheit (10) entlang der optischen Achse bewegt wird und für verschiedene Höhenpositionen des Objektivs Interferenzbilder aufgezeichnet und in einem Digitalrechner (13), an den das Detektorarray (12) angeschlossen ist, ausgewertet werden. Die blaue LED (1a) ist im Interferenzmodus außer Betrieb.
Im Bildverarbeitungsmodus wird die blaue LED (1a) in Betrieb genommen und die Weißlicht-LED (1b) ist ausgeschaltet. Ein Teil des blauen Lichtes gelangt in den Referenzstrahlengang (6a), tritt jedoch durch den Referenzspiegel (7) hindurch und wird durch einen dahinter angeordneten Absorber (8) absorbiert, so dass es nicht zurück in den Abbildungsstrahlengang (6b) gelangt. Ein anderer Teil des blauen Lichtes beleuchtet das Messobjekt (9) und dient in Verbindung mit der Tubuslinse (11) zur Abbildung der innerhalb der Schärfentiefe des Objektivs (5) befindlichen Objektbereiche auf das Detektorarray (12). Dieses zeichnet das Bild des Objektes auf und führt es zur nachgeschalteten digitalen Auswertung dem Digitalrechner (13) zu.

Claims

Vorrichtung und Verfahren zum kombinierten flächenhaften Erfassen von Höhenwerten eines Messobjektes mittels Interferometrie (interferometrischer Messmodus) und zum Messen lateraler Dimensionen von Geometrieelementen mittels Aufzeichnung und digitaler Auswertung optischer Abbildungen des Messobjektes (Bildverarbeitungsmodus), dadurch gekennzeichnet, dass ein Objektiv verwendet wird, welches in einem Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen als Interferenzobjektiv wirkt und für einen anderen Teil des Spektrums eine reine optische Abbildung des Messobjektes hervorruft, so dass durch Änderung der spektralen Zusammensetzung des zur Auflicht-Beleuchtung verwendeten Lichtes vom interferometrischen Messmodus in den Bildverarbeitungsmodus gewechselt werden kann.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als interferenzerzeugendes Objektiv eine Anordnung nach Michelson, Mirau oder Linnik verwendet wird.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquellen für die beiden Messmodi LEDs unterschiedlicher Farben verwendet werden.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle für den Bildverarbeitungsmodus eine blaue LED eingesetzt wird.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahl der unterschiedlichen Messmodi über die spektrale Charakteristik der Lichtquelle mittels einer Langpass-, Kurzpass-, Bandpass-, Bandsperren-Filterung im Referenzstrahlengang der interferometrischen Messanordnung realisiert wird.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im interferometrischen Messmodus eine kurzkohärente Lichtquelle verwendet wird, so dass auf der vertikal scannenden Weißlichtinterferometrie basierende Messungen durchgeführt werden können.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im interferometrischen Messmodus eine kohärente Lichtquelle verwendet wird, so dass auf der phasenschiebenden Interferometrie basierende Messungen durchgeführt werden können.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im interferometrischen Messmodus eine kurzkohärente Lichtquelle verwendet wird, so dass auf der vertikal scannenden Weißlichtinterferometrie basierende Messungen durchgeführt werden können und alternativ zu der kurzkohärenten Lichtquelle eine in dem für interferometrische Messungen vorgesehenen Spektralbereich emittierende kohärente Lichtquelle verwendet wird, so dass in einem dritten Messmodus auf der phasenschiebenden Interferometrie basierende Messungen durchgeführt werden können.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein punktförmig messender Taster in das Sichtfeld der Abbildungsoptik eingebracht werden kann.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch translatorische und/oder rotatorische Achsen eine Änderung der Relativposition zwischen Messobjekt und Messgerät vorgenommen werden kann.