DE102006036172A1

DE102006036172A1 - Optische Anordnung zur sequentiellen Positionierung von Arbeitsfeldern auf einem Objekt

Info

Publication number: DE102006036172A1
Application number: DE200610036172
Authority: DE
Inventors: Lars Dr. Erdmann; Alexander Pesch; Christian Dr. Dietrich; Karlheinz Dr. Bartzke
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-08-01
Also published as: DE102006036172B4

Abstract

Bei einer optischen Anordnung zur sequentiellen Positionierung von Arbeitsfeldern auf einem Objekt besteht die Aufgabe, die zur Positionierung erforderlichen Mittel einfacher, kostengünstiger und für unterschiedliche Arbeitslagen geeignet zu gestalten. Die optische Anordnung enthält - einen in einer Ebene verstellbaren Tisch zur Aufnahme des Objektes, - ein das Arbeitsfeld erzeugendes Objektiv, - eine mit der Tischbewegung gekoppelte flächige Justagestruktur, bestehend aus Einzelstrukturen, deren Anordnung der sequentiellen Positionierung der Arbeitsfelder angepasst ist und - ein die Einzelstruktur in der Ebene der Tischverstellung erkennendes Messsystem, bestehend aus einer Beleuchtungseinrichtung, einem feststehenden Messobjektiv und einer Beobachtungskamera mit einem fest zur Messachse des Messobjektives positionierten Empfänger.

Description

Für viele Anwendungen in der Mikroskopie und Lithographie ist die exakte Kenntnis der Position eines zu bearbeitenden oder zu beobachtenden Objektes gegenüber einer dafür vorgesehenen abbildenden Optik essentiell. Ein Beispiel in der Lithographie ist die korrekte Belichtung eines großen Substrates durch sequentielle Belichtung von Teilbildern. Hierbei muss das Substrat genau so verschoben werden, dass die Ränder der Teilbilder exakt übereinstimmen. Ebenso ist in der Mikroskopie das wiederholte Anfahren von Probenpositionen mit hoher Genauigkeit notwendig, um zeitliche Veränderungen der Probe korrekt auswerten zu können.
Ein gleichartiges Problem besteht auch bei der digitalen maskenlosen Strukturierung diffraktiver optischer Elemente, bei dem ein mit Photolack beschichteter Substratträger schachbrettartig mit präzise anzustückelnden Strukturfeldern zu belichten ist. Das serielle Aneinanderfügen der bevorzugt rechteckigen Felder verlangt hochgenau positionierende X-Y-Tische, die wegen der Genauigkeitsforderungen üblicherweise mit kostenintensiven Laserwegmesssystemen ausgestattet sind. Für die geforderte Messaufgabe, bei der nur der jeweilige Ort, an dem das Strukturfeld anzusetzen ist, ermittelt werden muss, sind derartige Messsysteme, die zudem nur in horizontalen nicht, aber in vertikalen Arbeitslagen betrieben werden können, völlig überdimensioniert.
Bekannte Positioniersysteme für Mikroskoptische, die Genauigkeiten bei der Positionsbestimmung von wenigen Nanometern erreichen, beziehen ihre Messergebnisse über Linearmaßstäbe oder über Drehimpulsgeber, die über bewegliche Führungen mit der Probe verbunden sind. Das hat zur Folge, dass Verformungen, Verspannungen oder Verkippungen der Probe, die sich aus dem Lagerspiel der Führungen ergeben, ebenso unberücksichtigt bleiben wie Schwankungen der Tischposition gegenüber der Optik.
Weniger empfindlich gegenüber einem Lagerspiel, aber ebenfalls mit hohen Kosten verbunden sind unabhängig von dem Bearbeitungs- oder Beobachtungssystem arbeitende Systeme, bestehend aus einem mit der Probe fest verbundenen Flächenmaßstab und einem dazugehörigen Lesekopf.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die zur Positionierung erforderlichen Mittel einfacher, kostengünstiger und für unterschiedliche Arbeitslagen geeignet zu gestalten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung zur sequentiellen Positionierung von Arbeitsfeldern auf einem Objekt enthält

– einen in einer Ebene verstellbaren Tisch zur Aufnahme des Objektes,
– ein das Arbeitsfeld erzeugendes Objektiv,
– eine mit der Tischbewegung gekoppelte flächige Justagestruktur, bestehend aus Einzelstrukturen, deren Anordnung der sequentiellen Positionierung der Arbeitsfelder angepasst ist und
– ein die Einzelstruktur in der Ebene der Tischverstellung erkennendes Messsystem, bestehend aus einer Beleuchtungseinrichtung, einem feststehenden Messobjektiv und einer Beobachtungskamera mit einem fest zur Messachse des Messobjektives positionierten Empfänger.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Messachse des Messobjektives fluchtend zur optischen Achse des das Arbeitsfeld erzeugenden Objektives ausgerichtet ist, wodurch eine optische Anordnung bereitgestellt wird, bei der das Abbesche Komparatorprinzip eingehalten ist.
Ein auf dem Empfänger festgelegter Empfangsbereich zeigt bei dessen Überdeckung durch eine Einzelstruktur an, dass eine korrekte Positionierung eines Arbeitsfeldes vorliegt. Mit einem Wechsel von einer Einzelstruktur zur nächsten ist ein Positionswechsel des Arbeitsfeldes insbesondere zur lückenlosen Aneinanderreihung der Arbeitsfelder verbunden
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung können die Justagestrukturen auf einer Seite des Objektes vorgesehen sein, die der Seite gegenüberliegt, auf der die Arbeitsfelder positioniert werden.
Ist die Justagestruktur auf einem, in einer Fassung gehalterten Träger aufgebracht und weist die Fassung Befestigungsmittel zur lösbaren Befestigung mit dem Tisch auf, kann nach der Bearbeitung/Beobachtung des Objektes, eine Trennung der Justagestruktur mit seiner Fassung vom Tisch bzw. von dem Objekt erfolgen. Das hat den Vorteil eines verringerten Aufwandes bei der Herstellung der Justagestruktur, da diese mehrmals verwendet werden kann.
Justagestruktur und Messsystem können unterschiedlich ausgebildet sein, indem die Justagestruktur rückstreuende Einzelstrukturen aufweist und das Messsystem als Auflichtsystem ausgebildet ist oder als Justagestruktur dient ein Pinholearray und als Messsystem ein Durchlichtsystem.
Es kann auch eine weitere Justagestruktur vorgesehen werden, um Verkippungen im System feststellen zu können. Dann weist das Messsystem ein weiteres feststehendes Messobjektiv auf, wobei jedes der Messobjektive mit der Messachse auf eine der Justagestrukturen gerichtet ist.
Die zwei Justagestrukturen können seitlich zum Objekt benachbart und in einer zur Tischebene parallelen Ebene angeordnet sein oder eine erste der Justagestrukturen ist auf einer Seite des Objektes vorgesehen, die der Seite gegenüberliegt, auf der die Arbeitsfelder positioniert werden und eine zweite der Justagestrukturen ist dem Objekt seitlich benachbart.
Bei letzterer Ausgestaltung ist die Messachse des Messobjektives, die auf die erste Justagestruktur gerichtet ist, vorteilhaft fluchtend zur optischen Achse des Projektionsobjektives ausgerichtet.
Gegenüber Laserwegmesssystemen hat die Erfindung wesentliche Vorteile.
Es wird eine geringere Anzahl an Messsystemen benötigt, nämlich für beide Richtungen in einer Ebene nur ein Messsystem und bei der Miterfassung einer Tischdrehung lediglich ein weiteres Messsystem.
Bei Laserwegmesssystemen ist die Anzahl der fehlerbeeinflussenden Faktoren höher. Die Hardwarekosten sind für ein Laserwegmesssystem deutlich höher als für das vorgeschlagene Messsystem.
Außerdem besteht der Vorteil des unmittelbaren Feedbacks, im Unterschied zu einem Laserwegmesssystem, bei dem auftretende Störungen in einem über einen längeren Zeitraum dauernden Messprozess nicht erkannt werden können. Das liegt darin begründet, dass die Erfindung die Kenntnis über die tatsächlich angefahrene Position vermittelt, da jede der positionsbestimmenden Einzelstrukturen direkt erkannt wird.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine optische Anordnung zur sequentiellen Positionierung von Arbeitsfeldern mit einem im Auflicht arbeitenden Messsystem
2 Formen von Einzelmarkierungen
3 ein Ablaufschema für eine Arbeitsweise der erfindungsgemäßen optischen Anordnung
4 eine Durchlicht-X-Y-Messeinrichtung, die auf eine als Chrommaske ausgebildete Pinholearrayplatte ausgerichtet ist
5 eine Durchlicht-X-Y-Messeinrichtung, die auf eine als Siliziumwafer mit eingeätzten Öffnungen ausgebildete Pinholearrayplatte ausgerichtet ist
6 eine Justagefeldanordnung zur Erkennung von Tischdrehungen
7 die Anordnung zweier einem Belichtungsfeld an gegenüberliegenden Seiten benachbarter Justagestrukturen
Die in 1 gezeigte optische Anordnung ist unter Verwendung eines DMD-Chips 1 zur PC-gesteuerten digitalen maskenlosen Strukturierung diffraktiver optischer Elemente vorgesehen. Die zu positionierenden Arbeitsfelder stellen demzufolge Belichtungsfelder 2 dar, die lückenlos aneinandergereiht werden müssen.
Ein in diesem Herstellungsprozess zu belichtendes Objekt 3 ist auf einer dem DMD-Chip 1 zugewandten ersten Tischseite eines für eine vertikale Arbeitslage vorgesehenen X-Y-Tisches 4 befestigt. Ein Projektionsobjektiv 5 bildet zu übertragende Strukturen von dem mit einer Lichtquelle 6 beleuchteten DMD-Chip 1 innerhalb des Belichtungsfeldes 2 auf das Objekt 3 ab. Da sich das Objekt 3 während der Belichtung gegenüber dem Projektionsobjektiv 5 in Ruhe befinden muss, ist es vorteilhaft, wenn eine stroboskopische Belichtung vorgesehen wird.
Der zu belichtenden Objektseite des Objektes 3 abgewandt ist mit dem X-Y-Tisch 4 eine, auf einer Chrommaske aufgebrachte flächige Justagestruktur 7 fest aber lösbar verbunden. Die den Tischbewegungen somit folgende Chrommaske, die für die lösbare Befestigung mit dem X-Y-Tisch 4 bevorzugt in einer mit geeigneten Befestigungsmitteln 8 ausgestatteten Fassung gehaltert ist, weist als flächige Justagestruktur 7 in diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt kreisrunde, in einem vorgegebenen festen Raster angeordnete Einzelstrukturen auf, die mit einem Laserpositioniersystem hochgenau geschriebenen sind. Hochgenau heißt, dass Lagefehler unterhalb von 50 nm liegen sollen oder dass vorhandene Abweichungen zur „idealen" Position, die durch eine Periodizität vorgegeben ist, in einer Look-Up-Tabelle abgelegt sein können.
Die Einzelstrukturen können auch von einer rotationssymmetrischen Form abweichen. Werden kreuz- oder pfeilförmige Einzelstrukturen (2) verwendet, lassen sich bereits aus der Orientierung einer Einzelstruktur eine Verdrehung oder Verkippung des Objektes 3 ermitteln.
Ein die Einzelstrukturen in der Ebene der Tischverstellung erkennendes Messsystem 9 enthält außer einer Beleuchtungseinrichtung 10 und einer Beobachtungskamera 11 ein feststehendes Messobjektiv 12, dessen auf die Chrommaske weisende Messachse M-M fluchtend zur optischen Achse O-O des Projektionsobjektives 5 ausgerichtet ist. Die Beobachtungskamera 11 ist mit ihrem als CCD-Matrix ausgebildeten Empfänger 13 fest zur Messachse M-M des Messobjektives 12 positioniert Das von der Beleuchtungseinrichtung 10 bereitgestellte Beleuchtungslicht wird über einen auf der Messachse M-M angeordneten Teilerspiegel 14 und über das Messobjektiv 12 auf die Chrommaske gerichtet. Die im Auflicht beleuchteten Einzelstrukturen werden über das z. B. 20-fach vergrößernde Messobjektiv 12 auf den Empfänger 13 abgebildet.
An die Beobachtungskamera 11 ist eine nicht dargestellte Bildauswerteeinheit angeschlossen, welche die Position der Einzelmarkierungen subpixelgenau aus der Abbildung auf den Empfänger 13 nach einem der aus dem Stand der Technik bekannten Bildauswerteverfahren bestimmt. Solche Bildauswerteverfahren sind in der Lage, die Bildauswertung zur Positionsbestimmung nach heutigem Stand der Rechentechnik in einigen zehn Millisekunden, bei speziell gefertigten elektronischen Baukomponenten in wenigen Millisekunden auszuführen.
Durch die bevorzugt in einem vorgegebenen festen Raster angeordneten Einzelstrukturen wird gewährleistet, dass z. B. als Rechtecke ausgebildete Belichtungsfelder 2 bei einem Positionswechsel des Objektes 3, bei dem die Einzelstrukturen über ein Regelsystem, das über eine Bildverarbeitung mit dem X-Y-Tisch 4 rückgekoppelt ist, nacheinander in eine vorgegebene Position gebracht werden, durch welche die Messachse M-M des feststehenden Messobjektives 12 verläuft, lückenlos aneinander gesetzt werden. Die vorgegebene Position ist außerdem durch einen auf dem Empfänger 13 festgelegten Empfangsbereich, insbesondere ein mittleres Pixel bestimmt, bei dessen Überdeckung durch eine Einzelstruktur eine korrekte Positionierung des Belichtungsfeldes 2 vorliegt. Ein „grob" messendes und damit kostengünstiges Wegmesssystem des X-Y-Tisches 4 gewährleistet eine Grobpositionierung der Einzelstrukturen bis in den Einfangbereich des erfindungsgemäßen Messsystems.
Ein selbsterklärendes Ablaufschema gemäß 3 verdeutlicht eine Arbeitsweise der erfindungsgemäßen optischen Anordnung gemäß 1.
Bei den in den 4 und 5 gezeigten Durchlicht-X-Y-Messeinrichtungen werden als Justagestrukturen 15, 16 Pinholearrayplatten verwendet, von denen die Pinholearrayplatte in 4 als Chrommaske und in 5 als Siliziumwafer mit atomar scharfkantig eingeätzten Öffnungen ausgebildet ist. Die Pinholearrayplatten sind gleichartig zu 1 starr mit einem X-Y-Tisch verbunden, während die aus einer Lichtquelle 17, einem Kondensor 18, einem Messobjektiv 19 mit zwanzigfacher Vergrößerung und einem als CCD-Matrix ausgebildeten Empfänger 20 einer Beobachtungskamera 21 mit Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) bestehenden Durchlicht-X-Y-Messeinrichtungen gestellfest angeordnet sind.
Soll die Tischdrehung des X-Y-Tisches 4 um eine senkrecht auf der Tischoberfläche stehende Achse mit gemessen werden, sind gemäß 6 zwei Justagestrukturen 22, 23 und ein zweites Meßsystem erforderlich, so dass auf jeder Justagestruktur 22, 23 eine Messstelle 24, 25 vorhanden ist, auf die eine Messachse M-M eines Messsystems gerichtet ist. Beispielsweise lassen sich die zwei Messsysteme durch ein Splitfield-Mikroskop relisieren, bei dem die beiden Messstrahlengänge je eine Hälfte einer CCD-Matrix als Empfänger nutzen. Eine Anordnung der beiden Justagestrukturen 22, 23 benachbart zu gegenüberliegenden Seiten des Objektes 3 und starre mechanische Kopplungen 26, 27 mit dem X-Y-Tisch 4 oder dem Objekt 3 kompensieren mögliche Messfehler, die durch eine Lage einer Messstelle 24, 25 in einem Abstand zur optischen Achse O-O des Objektives 12, welches das Arbeitsfeld erzeugt, resultieren.
In einer nicht dargestellten Ausführung mit zwei X-Y-Messsystemen ist es auch möglich, dass die Messachse eines Messobjektives, wie bereits in 1 gezeigt, fluchtend zur optischen Achse des das Arbeitsfeld erzeugenden Objektives ausgerichtet ist, während die Messachse des anderen Messobjektives seitlich versetzt zur optischen Achse des das Arbeitsfeld erzeugenden Objektives angeordnet ist.
Die Erfindung kann weiterhin auch dafür verwendet werden, um durch parallele Mikroskopie von mehreren Probenstellen über einen längeren Zeitraum einen Zeitrafferfilm zu generieren. Schwankungen der Bildposition innerhalb der einzelnen Bilder eines Zeitrafferfilms lassen sich vermeiden, wenn bei jeder Probenaufnahme eine Aufnahme einer Referenzstruktur erfolgt, deren Position über eine digitale Bildanalyse ausgewertet wurde.
Im Unterschied zur optischen Anordnung gemäß 1 wird gemäß 5 zur Abbildung von Objekt und Justagestruktur ein einziges Objektiv 28 verwendet, so dass eine Identität der Achsen O-O und M-M vorliegt. Die Justagestruktur besteht aus Einzelstrukturen in Form von 5 μm großen Testpartikeln 29, die in einem Deckglas 30 derart einpolymerisiert sind, dass in jedem Bildfeld mindestens ein Testpartikel 29 zu beobachten ist (statistisch zufällig verteilt).
Zwischen Probenaufnahme und Bildaufnahme der Justagestruktur ist ein Refokussieren längs der Achse O-O/M-M notwendig.
Die Erfindung kann auch dazu dienen, die Größe und Lage einer Pinholeöffnung auf einer Stellfläche zu messen.
Die Pinholeöffnung wird im Durchlicht z. B. 20-fach vergrößert auf einen CCD-Chip einer Kamera abgebildet, wodurch sich insbesondere die XY-Lage durch Ermittlung des optischen Schwerpunktes anhand der beleuchteten Pixel der CCD-Matrix rechentechnisch mit hoher Reproduzierbarkeit bestimmen lässt.

Claims

Optische Anordnung zur sequentiellen Positionierung von Arbeitsfeldern auf einem Objekt mit – einem in einer Ebene verstellbaren Tisch (4) zur Aufnahme des Objektes (3), – einem das Arbeitsfeld (2) erzeugenden Objektiv (5), – einer mit der Tischbewegung gekoppelten flächigen Justagestruktur (7, 15, 16, 22, 23), bestehend aus Einzelstrukturen, deren Anordnung der sequentiellen Positionierung der Arbeitsfelder (2) angepasst ist und – einem die Einzelstruktur in der Ebene der Tischverstellung erkennendes Messsystem (9), bestehend aus einer Beleuchtungseinrichtung (10, 17), einem feststehenden Messobjektiv (12, 19, 28) und einer Beobachtungskamera (11, 21) mit einem fest zur Messachse (M-M) des Messobjektives (12, 18, 28) positionierten Empfänger (13, 20).
Optische Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Messachse (M-M) des Messobjektives (12, 28) fluchtend zur optischen Achse (O-O) des das Arbeitsfeld (2) erzeugenden Objektives (5, 28) ausgerichtet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der auf dem Empfänger (13, 20) ein Empfangsbereich festgelegt ist, bei dessen Überdeckung durch eine Einzelstruktur eine korrekte Positionierung eines Arbeitsfeldes (2) vorliegt.
Optische Anordnung nach Anspruch 3, bei der die Justagestruktur (7), auf einer Seite des Objektes (3) vorgesehen sind, die der Seite gegenüberliegt, auf der die Arbeitsfelder (2) positioniert werden.
Optische Anordnung nach Anspruch 4, bei der die Justagestruktur (7) auf einem, in einer Fassung gehalterten Träger aufgebracht ist und die Fassung Befestigungsmittel (8) zur lösbaren Befestigung mit dem Tisch (4) aufweist.
Optische Anordnung nach Anspruch 5, bei der die Justagestruktur (7) rückstreuende Einzelstrukturen aufweist und das Messsystem (9) als Auflichtsystem ausgebildet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 5, bei der die Justagestruktur (15, 16) als Pinholearray und das Messsystem als Durchlichtsystem ausgebildet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, bei der eine weitere Justagestruktur (22 oder 23) vorgesehen ist und das Messsystem ein weiteres feststehendes Messobjektiv aufweist, wobei jedes der Messobjektive mit der Messachse (M-M) auf eine der Justagestrukturen (22, 23) gerichtet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 8, bei der die Justagestrukturen (22, 23) seitlich zu dem Objekt (3) benachbart und in einer zur Tischebene parallelen Ebene angeordnet sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 8, bei der eine erste der Justagestrukturen (22, 23) auf einer Seite des Objektes (3) vorgesehen sind, die der Seite gegenüberliegt, auf der die Arbeitsfelder (2) positioniert werden und eine zweite der Justagestrukturen (22, 23) dem Objekt (3) seitlich benachbart ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 10, bei der die Messachse (M-M) des Messobjektives, die auf die erste Justagestruktur (22) gerichtet ist, fluchtend zur optischen Achse (O-O) des das Arbeitsfeld (2) erzeugenden Objektives (5, 28) ausgerichtet ist.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Einzelstrukturen rotationssymmetrisch ausgebildet sind.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Einzelstrukturen als Kreuze oder Pfeile ausgebildet sind.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Messobjektiv und das Objektiv zur Erzeugung des Arbeitsfeldes (2) in einem Objektiv (28) vereint sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 14, bei der die Einzelstrukturen (29) in einem Probenträger (30) verteilt sind.