DE102008005355A1

DE102008005355A1 - Autofokusvorrichtung und Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102008005355A1
Application number: DE102008005355A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Arnz; Volkmar Betz; Gerd Dr. Klose; Mikhail Levtonov
Original assignee: Carl Zeiss SMS GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2028-01-22
Also published as: DE102008005355B4

Abstract

Es wird bereitgestellt eine Autofokusvorrichtung für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik (9) mit einer ersten Fokusebene (20) und einen Objekttisch (11) zum Bewegen eines abzubildenden Objektes (3) relativ zur ersten Fokusebene (20) aufweist, wobei die Autofokusvorrichtung (1) - ein Bildaufnahmemodul (9) mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene (20) bekannt ist, - ein Beleuchtungsmodul (BM) zum Abbilden eines Fokussierbildes, das mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teilbilder mit gleicher Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind, entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges über das Objekt in eine Fokussierbildebene, derart, daß, wenn das Objekt in einer Sollposition positioniert ist, das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet, und - ein Steuermodul umfaßt, das zum Fokussieren der Abbildungsvorrichtung (9) den Objekttisch (11) so ansteuert, daß das Objekt (3) in der Sollposition positioniert ist, aus einem Signal des Bildaufnahmemoduls, das das Bildaufnahmemodul anhand seiner Aufnahme des Fokussierbildes, wenn das Objekt in der Sollposition positioniert ist, erzeugt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition ableitet und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, der Sollposition und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der ersten ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Autofokusvorrichtung und ein Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung.
Eine solche Autofokusvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 103 19 182 sowie der DE 10 2006 027 836 A1 bekannt. Bei diesen Autofokusvorrichtungen wird ein intensitätsmoduliertes Gitterbild schräg auf die zu fokussierende Probe abgebildet und über eine Kamera aufgenommen. Der lateral in der Aufnahme variierende Kontrast wird ausgewertet, um die Defokussierung in Aufnahmerichtung zu ermitteln.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Fokussiergenauigkeit der bekannten Verfahren gerade für Anwendungen im Bereich der Untersuchung von Lithographiemasken und/oder Wafern in der Halbleiterfertigung nicht ausreichend ist.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Autofokusvorrichtung mit höherer Genauigkeit für eine Abbildungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Ferner soll ein entsprechendes Autofokussierverfahren bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Autofokusvorrichtung für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik mit einer ersten Fokusebene und einen Objekttisch zum Bewegen eines abzubildenden Objektes relativ zur ersten Fokusebene aufweist, wobei die Autofokusvorrichtung ein Bildaufnahmemodul mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene bekannt ist, ein Beleuchtungsmodul zum Abbilden eines Fokussierbildes, das mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teilbilder mit gleicher Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind, entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges über das Objekt in eine Fokussierbildebene derart, daß, wenn das Objekt in einer Sollposition positioniert ist, das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet, und ein Steuermodul umfaßt, das zum Fokussieren der Abbildungsvorrichtung den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der Sollposition positioniert ist, aus einem Signal des Bildaufnahmemoduls, das das Bildaufnahmemodul anhand seiner Aufnahme des Fokussierbildes, wenn das Objekt in der Sollposition positioniert ist, erzeugt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition ableitet und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, der Sollposition und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert ist.
Da das Fokussierbild die zueinander phasenverschobenen Teilbilder aufweist, kann bei der Ableitung der Abweichung der Objektposition von der Sollposition der Einfluß der Phasenlage der einzelnen Teilbilder des Fokussierbildes in der Fokussierbildebene berücksichtigt werden. Dadurch ist die Bestimmung der Abweichung der Objektposition von der Sollposition mit höherer Genauigkeit möglich.
Bei der Autofokusvorrichtung können die erste und zweite Fokusebene zusammenfallen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn als Bildaufnahmemodul die Abbildungsoptik der Abbildungsvorrichtung verwendet wird. Dies weist den zusätzlichen Vorteil auf, daß kein separates Bildaufnahmemodul vorgesehen werden muß. Es kann die schon vorhandene Abbildungsoptik für die Autofokussierung benutzt werden.
Bei dem Fokussierbild handelt es sich insbesondere um ein intensitätsmoduliertes Bild, wobei das Bildaufnahmemodul als Signal dann bevorzugt die Aufnahme des Fokussierbildes ausgibt.
Das Steuermodul kann dann die Aufnahme hinsichtlich Intensitätsmodulationen oder des Kontrastverlaufes auswerten.
Insbesondere können die Teilbilder des Fokussierbildes senkrecht zur ersten Richtung nebeneinander angeordnet sein.
Das Steuermodul kann für jedes Teilbild eine Teilbildabweichung berechnen, aus der dann die Abweichung abgeleitet wird. Insbesondere kann eine arithmetische Mittelung der Teilbildabweichungen durchgeführt werden.
Die erste Richtung des in der Fokussierbildebene liegenden Fokussierbildes ist bevorzugt nicht parallel zur Schnittgeraden von Fokussierbild und zweiter Fokusebene. Insbesondere ist die erste Richtung p senkrecht zur Schnittgeraden.
Das Bildaufnahmemodul kann insbesondere einen flächigen Bildsensor, wie z. B. einen CCD- oder CMOS-Sensor aufweisen, um das die zweite Fokusebene schneidende Fokussierbild als zweidimensionales Bild aufzunehmen.
Das Beleuchtungsmodul enthält bevorzugt eine Beleuchtungsquelle, die inkohärente oder partiell kohärente Beleuchtungsstrahlung abgibt, und ein Transmissionsgitter. Das Transmissionsgitter weist bevorzugt in einer ersten Richtung ein periodisch variierendes Transmissionsverhalten auf. Das Beleuchtungsmodul bildet das beleuchtete Transmissionsgitter als Fokussierbild in die zweite Fokusebene ab.
Die erfindungsgemäße Autofokusvorrichtung kann Bestandteil der Abbildungsvorrichtung sein. Die Abbildungsvorrichtung kann insbesondere als Mikroskop ausgebildet sein. Bevorzugt ist sie ein Mikroskop im Bereich der Untersuchung von Lithographiemasken und/oder Wafern für die Halbleiterindustrie.
Das Gitter kann natürlich nicht nur als transmissives Gitter, sondern auch als reflektives Gitter ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, das Gitter mittels eines räumlichen Lichtmodulators, wie z. B. einer Kippspiegelmatrix zu erzeugen. Das Gitter kann nicht nur passiv sein (also beleuchtet werden), sondern es ist auch möglich, das Gitter aktiv auszubilden. Dazu können beispielsweise selbstleuchtende Lichtmodulatoren eingesetzt werden, wie z. B. OLED-Modulatoren.
Bei der Autofokusvorrichtung kann die Beleuchtung des Objektes in Transmission erfolgen. Natürlich ist auch eine Auflichtbeleuchtung möglich. Insbesondere kann der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund einer Reflexion am Objekt gefaltet sein.
Ferner kann bei der Strahlengangfaltung aufgrund der Reflexion am Objekt die Sollposition einen vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene aufweisen.
Dadurch wird vorteilhaft erreicht, daß das Objekt selbst von der zweiten Fokusebene beabstandet und somit für das Bildaufnahmemodul unscharf ist. Das Fokussierbild jedoch schneidet die zweite Fokusebene, so daß zumindest der Bereich des Fokussierbildes in der zweiten Fokusebene deutlich schärfer vom Bildaufnahmemodul erfaßt wird als das Objekt selbst. Damit wird der Einfluß von Strukturen des Objektes auf die Aufnahme des Bildaufnahmemoduls deutlich reduziert, wodurch die Abweichung der Position des Objektes von der Sollposition äußerst genau bestimmt werden kann. Basierend auf dieser Abweichung kann dann das Objekt unter Berücksichtigung des vorbestimmten Abstandes und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene in der ersten Fokusebene positioniert werden.
Ferner wird ein Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik mit einer ersten Fokusebene aufweist, bereitgestellt, wobei bei dem Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik mit einer ersten Fokusebene aufweist, ein Bildaufnahmemodul mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene bekannt ist, vorgesehen wird, das Objekt in einer Sollposition positioniert wird, ein Fokussierbild, das mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teilbilder mit einer Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind, entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges über das Objekt in eine Fokussierbildebene derart abgebildet wird, daß das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet, das Bildaufnahmemodul das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild aufnimmt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition anhand der Aufnahme abgeleitet wird und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, der Sollposition und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert wird.
Da das Fokussierbild die mehreren zueinander phasenverschobenen Teilbilder aufweist, kann bei der Auswertung der störende Einfluß der Phasenlage der einzelnen Teilbilder in der Fokussierbildebene berücksichtigt werden, wodurch die Fokussiergenauigkeit erhöht werden kann.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Autofokussierverfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüche angegeben.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung;
2 eine weitere Darstellung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung;
3 eine Draufsicht des Transmissionsgitters 13 in 1 und 2;
4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Bestimmung der Defokussierung basierend auf einer Abbildung des schräg gestellten Gitters 13;
5 eine schematische Darstellung des vom Detektor der CCD-Kamera 10 aufgenommenen Luftbildes;
6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Versatzes der reflektierten Fokussierbildes bei einer Defokussierung des Objektes;
7 eine schematische Darstellung der Aufnahme des CCD-Detektors der Kamera 10 des Luftbildes des reflektierten Fokussierbildes 21 von 6;
8 eine Darstellung des Intensitätsprofils der Aufnahme von 5;
9 eine Darstellung des aus dem Intensitätsprofil von 8 abgeleiteten Kontrastprofils;
10 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der berechneten Defokussierung ΔBF von der Anfangsphase für eine Gitterperiode g von 250 nm;
11 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der berechneten Defokussierung ΔBF von der Anfangsphase für eine Gitterperiode g von 1000 nm;
12 ein Gitter mit vier Teilgittern gleicher Periode aber unterschiedlicher Anfangsphasen;
13 der Kontrastverlauf für eines der Teilgitter von 12 unter der Annahme, daß der Ort der optimalen Fokussierung am Rande des Defokus-Meßbereiches liegt;
14 ein weiteres Gitter mit vier Teilgittern gleicher Periode aber unterschiedlicher Anfangsphase, wobei die Gitterperiode im Vergleich zu den Gittern von 12 halbiert ist;
15 der Kontrastverlauf für eines der Teilgitter von 14 unter der Annahme, daß der Ort der optimalen Fokussierung am Rande des Defokus-Meßbereiches liegt;
16 ein weiteres Gitter 32 mit vier Teilgittern gleicher Periode und unterschiedlicher Anfangsphase, wobei die Gitterperiode des Gitters 32 nur halb so groß ist wie die Gitterperiode des Gitters 31 von 14;
17 der Kontrastverlauf für eines der Teilgitter von 16 unter der Annahme, daß der Ort der optimalen Fokussierung am Rande des Defokus-Meßbereiches liegt;
18 eine Darstellung der dreifachen Standardabweichung σ der Defokussierung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterperiode für ein angenommenes CCD-Rauschen von 2%, und
19 eine schematische Darstellung des Einflusses eines sich sprunghaft sich ändernden Reflexionsverhaltens des Objektes auf den Intensitätsverlauf des aufgenommenen reflektierten Fokussierbildes;
20 eine Darstellung zur Erläuterung der versetzten Anordnung des Objektes 3 relativ zur Fokusebene 20 zur Bestimmung der Defokussierung;
21 eine Darstellung der ermittelten Defokussierung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterperiode g des Fokussierbildes 19 auf dem Objekt 3 für einen Objektversatz Δz von 2 μm;
22 eine Darstellung der ermittelten Defokussierung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterperiode g des Fokussierbildes 19 auf dem Objekt 3 für einen Objektversatz Δz von 4 μm, und
23 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der berechneten Defokussierung ΔBF von der Lage der Kante, bei der sich das Reflexionsverhalten des Objektes sprunghaft ändert, auf dem Objekt für unterschiedliche Gitterperioden g;
Bei der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist die Autofokusvorrichtung 1 in einem Mikroskop 2 zur Untersuchung von Lithographiemasken 3 integriert.
Das Mikroskop 2 umfaßt eine Beleuchtungsquelle 4, die inkohärente oder partiell kohärente Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge von 193 nm abgibt. Die Beleuchtungsstrahlung wird über einen ersten Umlenkspiegel 5 und einen zweiten Umlenkspiegel 6 zum Abbildungsobjektiv 7 geführt und mittels diesem zur Beleuchtung auf die Lithographiemaske (Objekt) 3 gerichtet (1).
Das Objekt 3 wird über das Abbildungsobjektiv 7, den teiltransparenten Umlenkspiegel 6 sowie eine Tubusoptik 8, die zusammen eine Abbildungsoptik 9 bilden, auf eine CCD-Kamera 10 abgebildet, um ein Bild eines Teils des Objektes zu erzeugen. Beispielsweise kann mit dem Mikroskop 2 die laterale Position von Justiermarken der Lithographiemaske 3 hochgenau bestimmt werden.
Das Mikroskop 2 weist ferner einen Objekttisch 11 auf, mit dem das Objekt 3 sowohl lateral als auch in Beobachtungsrichtung (also in z-Richtung) positioniert werden kann.
Die Autofokusvorrichtung 1 nutzt die Beleuchtungsquelle 4 sowie das Abbildungsobjektiv 7 des Mikroskops 2 zur Beleuchtung des Objektes 3 mit einem Fokussierbild und nutzt das Abbildungsobjektiv 7, die Tubusoptik 8 und die CCD-Kamera 9 zur Aufnahme des Fokussierbildes.
Dazu ist einerseits der erste Umlenkspiegel 5 verschiebbar (durch Doppelpfeil P1 angedeutet), so daß er aus dem Strahlengang des von der Beleuchtungsquelle 4 kommende Beleuchtungsstrahlung 5 herausbewegt werden kann, wie in 2 gezeigt ist. Daher trifft die Beleuchtungsstrahlung auf einen dritten Umlenkspiegel 12, der die Beleuchtungsstrahlung durch ein gegenüber der Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung um 45° gekipptes Gitter 13 lenkt. Der Kippwinkel kann jedoch auch jeder andere Winkel aus dem Bereich von 1–89° sein. Die Gitterstruktur wird über eine Autofokusoptik 14, zweier weiterer Umlenkspiegel 15, 16, dem zweiten Umlenkspiegel 6 sowie dem Abbildungsobjektiv 7 auf das Objekt 3 abgebildet. Der Umlenkspiegel 16 ist dabei so verfahrbar vorgesehen (Doppelpfeil P2), daß er von der in 1 gezeigten Stellung in die in 2 gezeigte Stellung verfahrbar ist, um die Abbildung des Fokussierbildes auf das Objekt 3 zu ermöglichen.
Das Gitter 13 kann beispielsweise, wie in 3 gezeigt ist, als Strichgitter ausgebildet sein, das abwechselnd transparente Streifen 17 und nichttransparente Streifen 18 (schraffiert dargestellt) aufweist. Das Gitter erstreckt sich periodisch in x-Richtung.
Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung wird zunächst unter Bezugnahme auf 4 bis 9 das Prinzip der Ermittlung der Fokusposition unter Zuhilfenahme einer Aufnahme des schräg auf das Objekt 3 abgebildeten Gitters 13 beschrieben.
Durch die Schrägstellung des Gitters 13 und die verkleinernde Abbildung des Gitters 13 mittels der Autofokusoptik 14 und dem Abbildungsobjektiv 7 mit einer numerischen Apertur von 0,6 beträgt der Winkel α, den die Fokussierbildebene, in der das Fokussierbild 19 liegt, mit der Fokusebene 20 der Abbildungsoptik 9 des Mikroskops 2 einschließt, ungefähr 9°. Bei der in 4 gezeigten Darstellung wird angenommen, daß das Objekt 3 bzw. seine Oberseite genau in der Fokusebene 20 positioniert ist. Das auf das Objekt 3 abgebildete Gitter 13 und somit das Fokussierbild 19 wird am Objekt 3 reflektiert, wie durch die durchgezogene Linie 21 angedeutet ist, und mittels der Abbildungsoptik 9 in die Detektorebene 22 des CCD-Flächensensors (nicht gezeigt) der CCD-Kamera 10 als Luftbild 23 abgebildet.
Bei optimaler Fokussierung (d. h. Positionierungen des Objektes 3 in der Fokusebene 20) sieht der CCD-Detektor das in 5 angedeutete (Luft-)Bild. Nachdem das Fokussierbild 19 in 4 die Fokusebene 20 in der Mitte (in x-Richtung gesehen) schneidet, schneidet auch das reflektierte Fokussierbild 21 die Fokusebene 20 in der Mitte, wodurch der Ort der besten Fokussierung BF des reflektierten Fokussierbildes 21 in der Mitte liegt und das Luftbild 23 des reflektierten Fokussierbildes 21 am CCD-Detektor in der Mitte M am schärfsten ist und in beiden Richtungen nach außen abnimmt. Gleiches gilt für den Kontrast im Luftbild 23.
Aufgrund der gewählten Schrägstellung des Gitters und der Verkleinerung bei der Abbildung des Gitters beträgt der Abstand ΔF des Randes des reflektierten Fokussierbildes 21 von der Fokusebene 20 hier 2 μm, so daß der Fangbereich bzw. der Defokus-Meßbereich ΔF/2 und somit 1 μm beträgt.
Wenn z. B. das Objekt 3 etwas defokussiert ist, weil es etwas unterhalb der Fokusebene 20 positioniert ist, wie in 6 dargestellt ist, führt dies zu einer Verschiebung des Ortes der besten Fokussierung BF des reflektierten Luftbildes 21. Dadurch liegt auch im Luftbild 23 am CCD-Detektor eine Verschiebung des Ortes der schärfsten Abbildung vor, wie dies z. B. in 7 angedeutet ist. Eine Defokussierung des Objektes 3 (also eine Abweichung in z-Richtung) führt im Luftbild 23 zu einer lateralen Verschiebung (in x-Richtung) des Ortes der schärfsten Abbildung.
Das mittels der CCD-Kamera aufgenommene Luftbild 23 wird einer Steuereinheit 24 (1, 2) der Autofokusvorrichtung 1 zugeführt. Die Steuereinheit 24 kann beispielsweise für jeden x-Wert des Luftbildes eine Mittelung in y-Richtung (5, 7) durchführen, um ein nur von der x-Koordinate abhängendes Intensitätsprofil abzuleiten. Nachdem der Kippwinkel des Gitters 13, der Verkleinerungsfaktor bei der Beleuchtung des Objektes 3 sowie der Vergrößerungsfaktor bei der Aufnahme des Gitterbildes 23 bekannt sind, kann die ermittelte Intensität in Abhängigkeit des Abstandes z von der Fokusebene 20 aufgetragen werden, wie dies in 8 dargestellt ist. In 8 ist dabei die Intensität des Luftbildes 23 von 5 aufgetragen, d. h. das Objekt 3 ist optimal fokussiert. So liegt das Intensitätsmaximum bei z = 0 nm (Ort der optimalen Fokussierung), so daß die berechnete Defokussierung ΔBF auch gleich 0 nm ist. Die Defokussierung ΔBF gibt hier die Abweichung der Oberseite des Objektes 3 von der Fokusebene 20 in nm an.
Durch eine Faltungsoperation kann aus dem Intensitätsprofil das in 9 gezeigte Kontrastprofil abgeleitet werden. Die Position des Kontrastmaximums entspricht der Defokussierung, die hier Null beträgt, da das Kontrastmaximum bei z = 0 nm liegt.
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß das Gitter 11 stets so auf das Objekt 3 abgebildet wird, daß ein nicht transparenter Streifen 18 im reflektierten Fokussierbild 21 genau mittig in der besten Fokusposition BF liegt. Tatsächlich kann dies jedoch nicht garantiert werden. So kann der nicht transparente Streifen 18 leicht zur besten Fokusposition BF versetzt sein. Dieser Versatz wird nachfolgend Gitterphase oder auch Anfangsphase genannt.
Wenn man den Einfluß der Gitterphase auf die ermittelte Defokussierung ΔBF simuliert, kommt man bei einer Gitterperiode g (im Fokusbild 19 und somit im reflektierten Fokusbild 21) von 250 nm auf die in 10 gezeigte Abhängigkeit. In 10 ist entlang der Ordinate für ein optimal fokussiertes Objekt die ermittelte Fokusabweichung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterphase, die entlang der Abszisse aufgetragen ist, gezeigt. Wie der Darstellung von 10 zu entnehmen ist, treten maximale scheinbare Defokussierungen ΔBF von ±3 nm auf über eine vollständige Gitterphase auf.
Mit zunehmender Gitterperiode nimmt die scheinbare Defokussierung ab. In 15 ist die gleiche Darstellung wie in 14 für eine Gitterperiode von 1000 nm dargestellt. Hier beträgt die maximale scheinbare Defokussierung ΔBF ± 0,4 nm.
Der Mittelwert über alle Gitterphasen beträgt sowohl bei 10 als auch bei 11 ca. 0 nm, was der tatsächlichen Defokussierung für ein optimal fokussiertes Objekt 3 entspricht. Daher wird erfindungsgemäß zur Verbesserung der Meßgenauigkeit in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht nur ein Strichgitter mit einer Periode und einer Phase verwendet werden, sondern beispielsweise mehrere Strichgitter mit gleicher Periode aber unterschiedlicher Phase.
In 12 sind vier Strichgitter 30₁ , 30₂ , 30₃ , 30₄ gleicher Periode aber unterschiedlicher Phase bzw. Anfangsphase eines Gitters 30 dargestellt. Für jedes Teilgitter 30₁ , 30₂ , 30₃ , 30₄ wird anhand des Kontrastes die entsprechende Defokussierung ΔBF₁, ΔBF₂, ΔBF₃, ΔBF₄ ermittelt und anschließend wird eine arithmetische Mittelung der Defokussierungswerte ΔBF₁, ΔBF₂, ΔBF₃, ΔBF₄ durchgeführt, um zu einer mittleren Defokussierung ΔBF_M zu gelangen.
In 13 ist der Intensitätsverlauf eines der vier Teilgitter 30₁ , 30₂ , 30₃ , 30₄ von 12 dargestellt, wobei angenommen wird, daß der Ort der optimalen Fokussierung BF am Rande des Defokus-Meßbereichs liegt. In 14 und 15 sind zwei weitere Gitter 31, 32 mit vier zueinander phasenverschobenen Teilgittern gezeigt, wobei die Gitterperiode des Gitters 31 in 14 halb so groß ist wie die des Gitters 30 in 12. Die Gitterperiode des Gitters 32 in 16 ist wiederum halb so groß wie die Gitterperiode des Gitters 31 von 14.
Die entsprechenden Intensitätsverläufe für jeweils eines der Teilgitter von 14 und 16 sind in 15 und 17 dargestellt. Aus einem Vergleich der Darstellungen in 13, 15 und 17 ist ersichtlich, daß die Steilheit des Intensitätsverlaufes mit abnehmender Gitterperiode zunimmt. Dies kann insbesondere dazu benutzt werden, die Defokussierung zu extrapolieren, falls der Ort der besten Fokussierung außerhalb des Fangbereiches (= Defokus-Meßbereiches) liegt.
Die Gitter von 12, 14, 16 werden nachfolgend als Multigitter bezeichnet. Es werden bevorzugt mehrere Multigitter mit unterschiedlichen Gitterperioden verwendet, die auf einem gemeinsamen Träger ausgebildet sein können und somit gleichzeitig als Fokussierbild 19 abgebildet werden. Bevorzugt werden die die Multigitter 30, 31, 32 senkrecht zur Gitterrichtung nebeneinander angeordnet, so daß die Gitterrichtungen der Multigitter 30, 31, 32 parallel zueinander sind. In 12, 14, 16 erstreckt sich die Gitterrichtung von links nach rechts und die Multigitter 30, 31, 32.
Natürlich kann jedes Multigitter 30–32 mehr oder weniger als vier Teilgitter aufweisen. Es ist jedoch bevorzugt, mindestens vier Teilgitter vorzusehen. Der Phasenversatz der benachbarten Teilgitter ist bevorzugt konstant.
In Abhängigkeit der so bestimmten mittleren Defokussierung ΔBF_M steuert dann die Steuereinheit 24 den Tisch so an, daß die Oberseite des Objektes 3 in der Fokusebene 20 positioniert ist. Danach kann in dem in 1 gezeigten Zustand des Mikroskops 2 die gewünschte Messung durchgeführt werden.
Ferner hat sich gezeigt, daß das Rauschen des Bildsensors die Auswertung des von der Lateralposition abhängigen Luftbildkontrastes verfälscht. Daher werden auch die aus dem Kontrastprofil abgeleiteten Defokuswerte beeinträchtigt werden, was sich als sogenannter 3σ-Reproduzierbarkeits-Effekt äußert. Die Werte der ermittelten Defokussierung ΔBF werden mit einer Standardabweichung σ um den Mittelwert schwanken.
Um den Einfluß des CCD-Rauschens zu simulieren, wurde die spezifische Standardabweichung für jede Gitterphase separat ermittelt und anschließend die totale Standardabweichung σ per quadratische Mittelung der spezifischen Standardabweichungen berechnet. Bei einem angenommenen CCD-Rauschen von 2% ergibt sich für Gitterperioden g von 250–750 nm der in 18 gezeigte Verlauf. Mit zunehmender Gitterperiode nimmt der Einfluß des CCD-Rauschens ab. Für Gitterperioden von kleiner 300 nm nimmt jedoch der 3 σ-Wert dramatisch zu, da man bei solchen Gitterperioden g in den Bereich der optischen Auflösungsgrenze gelangt (g_lim = λ/(2·NA) ≈ 161 nm) gelangt (NA = numerische Apertur des Abbildungsobjektives 7 auf der Seite des Objektes 3). In diesem Bereich geht der Gitterkontrast des Luftbildes gegen 0, so daß das CCD-Rauschen dominiert.
Die Abnahme von σ mit zunehmendem g liegt insbesondere daran, daß sich mit zunehmendem g auch die Breite der zur Faltung herangezogenen Gauß-Apodisation erhöht, womit das Rauschen effektiv über einen größeren lateralen Bereich senkrecht zu den Gitterlinien gemittelt und damit reduziert wird.
Es hat sich ferner gezeigt, daß häufig auf dem Objekt 3 vorhandene Strukturierungen zu einer unerwünschten Intensitätsmodulation des aufgenommen Luftbildes 23 in lateraler Richtung (x-Richtung) führen. Wenn z. B. eine Struktur des Objektes so liegt, daß die Reflektivität des linken Bereiches 25 (4) z. B. ca. 4% und die Reflektivität des rechten Bereiches 26 z. B. ca. 30% beträgt, führt dies zu dem in 19 gezeigten Intensitätsprofil des Luftbildes 23. Aus diesem Intensitätsprofil gemäß 19 läßt sich die vorliegenden Defokussierung nicht mehr mit der gewünschten Genauigkeit ableiten. Es hat sich gezeigt, daß die dann vorliegenden systematischen Fehler (bis zu 20 nm) größer sind als die gewünschte Meßgenauigkeit.
Um den störenden Einfluß solcher Strukturierungen des Objektes 3 bei der Fokussierung zu verringern, wird das Objekt 3 in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung nicht mehr in der Fokusebene 20 positioniert, sondern dazu in z-Richtung um Δz (= Objektversatz) beabstandet angeordnet, wie in 20 dargestellt ist. Des weiteren wird die Autofokusoptik 14 erfindungsgemäß so ausgelegt, daß das Fokussierbild 19 um 2Δz axial verschoben ist. Dadurch wird das in der Stellung von 20 an der Probe 3 reflektierte Fokussierbild 21 in der Mitte der Fokusebene 20 seinen Ort der besten Fokussierung BF aufweisen. Es findet somit eine Faltung des Strahlenganges zur Abbildung des Fokussierbildes so statt, daß die Fokussierbildebene gleich liegt wie in 4, wenn das Objekt genau um Δz von der Fokusebene 20 beabstandet ist und somit in der Sollposition positioniert ist. Der Defokus-Meßbereich bleibt gleich wie in 4 und beträgt somit 4 μm.
Dies führt zu dem Vorteil, daß mittels der Abbildungsoptik 9 der Ort der besten Fokussierung BF des reflektierten Fokussierbildes 21 scharf in die Detektorebene 22 abgebildet wird, während Strukturen des Objektes 3 selbst nur defokussiert in die Detektorebene 22 abgebildet werden. Damit wird der Einfluß von Störkanten und Strukturierung des Objektes 3 auf das gemessene Intensitätsprofil des Luftbildes deutlich reduziert.
In 21 ist die berechnete Defokussierung ΔBF in nm entlang der Ordinate gegenüber der Gitterperiode g des Fokussierbildes 19 auf dem Objekt 3 entlang der Abszisse für Δz = 2 μm aufgetragen, wobei angenommen wurde, daß das Objekt 3 exakt um Δz = 2 μm versetzt ist. Es zeigt sich, daß mit abnehmender Gitterperiode g die berechnete Defokussierung ΔBF abnimmt und sich somit der tatsächlich vorliegenden Defokussierung von 0 nm annähert.
In 22 ist die gleiche Darstellung wie in 21 gezeigt, wobei hier Δz = 4 μm. 22 zeigt den gleichen qualitativen Verlauf wie 21; die berechnete Defokussierung ΔBF nimmt mit abnehmender Gitterperiode g ab. Jedoch beträgt die berechnete Defokussierung ΔBF für z. B. die Gitterkonstante 500 nm lediglich –0,5 nm im Vergleich zu einem Objektversatz von Δz = 2 μm, bei dem die berechnete Defokussierung ΔBF für eine Gitterkonstante von 500 nm etwa –4 nm beträgt.
Somit führt ein Objektversatz Δz = 2 μm schon zu guten Ergebnissen. Eine Verdoppelung des Objektversatzes auf Δz = 4 μm führt zu einer überproportionalen Verringerung des Fehlers bei der Berechnung der der Defokussierung ΔBF.
Der gleiche Reflektivitätssprung, der in 19 zu der unerwünschten Helligkeitsmodulation und zu einem systematischen Fehler von 20 nm geführt hat, kann durch den Objektversatz von Δz = 2 μm auf –4 nm und durch einen Objektversatz von 4 μm sogar auf –0,5 nm gedrückt werden. Damit kann selbst im ungünstigsten Fall, bei dem der Reflektivitätssprung genau am Ort der optimalen Fokussierung BF auftritt, die Defokussierung ΔBF hinreichend genau bestimmt werden.
In 23 ist die berechnete Defokussierung ΔBF (Ordinate) für einen Objektversatz von Δz von 4 μm in Abhängigkeit der lateralen Lage x (in μm entlang der Abszisse) der Störkante (Kante zwischen den beiden Bereichen 25 und 26 und somit Ort der sich sprunghaft ändernden Reflektivität) auf dem Objekt für drei verschiedene Gitterperioden g aufgetragen. Dabei ist Kurve K1 das Ergebnis für g = 250 nm. Kurve K2 zeigt das Verhalten für g = 500 nm und Kurve K3 für g = 1000 nm. Bei dem Abszissenwert von 0 liegt die Störkante somit genau am Ort BF der besten Fokussierung, wie in Verbindung mit 4 beschrieben wurde. Da sich die Störkante mit zunehmenden Abstand x vom Ort BF im Luftbild 23 aus dem Bereich der maximalen Intensität entfernt, wird der systematische Fehler bei der berechneten Defokussierung ΔBF geringer. Da für die Störkantenposition am Ort BF der systematische Fehler der berechneten Defokussierung ΔBF mit wachsender Gitterperiode g zunimmt, wird somit auch die Variationsbreite des systematischen Fehlers der berechneten Defokussierung ΔBF bei einer Lateralbewegung der Störkante größer.
In Abhängigkeit der bestimmten Defokussierung ΔBF und des bekannten Objektversatzes Δz steuert dann die Steuereinheit 24 den Tisch 11 so an, daß die Oberseite des Objektes 3 in der Fokusebene 20 positioniert ist.
Danach kann in dem in 1 gezeigten Zustand des Mikroskops 2 die gewünschte Messung durchgeführt werden.
Es kann festgehalten werden, daß bei dem erfindungsgemäßen Vorsehen des Objektversatzes Δz die Defokussierung ΔBF mit abnehmender Gitterkonstante g (immer angegeben im Fokussierbild 19, 21) abnimmt. Das CCD-Rauschen wird jedoch mit zunehmender Gitterkonstante g besser unterdrückt. Ferner führt die in Verbindung mit 10 und 11 beschriebene phasenabhängige Mittelung zu einer geringeren Defokussierung ΔBF. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform mit einer Beleuchtungswellenlänge von λ = 193 nm, einer numerischen Apertur NA des Abbildungsobjektivs 7 von 0,6 und einer inkohärenten oder teilweisen kohärenten Beleuchtung des Gitters 13 wird bevorzugt eine Gitterperiode g von 300–800 nm gewählt. Insbesondere kann die Gitterperiode g im Bereich 400–600 nm liegen. Der Objektversatz ist bevorzugt größer gleich 1 μm. Kann jedoch auch größer gleich 2 μm oder größer gleich 4 μm sein. Er sollte jedoch nicht größer als 10 μm gewählt werden.
Allgemein kann der Bereich der Gitterperiode g in Abhängigkeit der Grenzauflösung g_lim als bevorzugt 1,5 g_lim bis 5 g_lim angegeben werden. Insbesondere kann g im Bereich von 2,5 g bis 4 g_lim liegen. Der Objektversatz Δz kann allgemein in Abhängigkeit der Schärfentiefe DOF der Abbildungsoptik 9 angegeben werden, wobei DOF = λ/NA². Der Objektversatz ist bevorzugt ≥ 2 DOF. Er kann jedoch auch ≥ 4 DOF oder ≥ 8 DOF sein und sollte bevorzugt ≤ 20 DOF sein.
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß die Detektorebene 22 senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik 9 (Bildaufnahmemodul) liegt und das Gitter 13 gegenüber der optischen Achse der Autofokusoptik 14 und des Abbildungsobjektives 7 bzw. relativ zur Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung gekippt ist. Dies führt dazu, daß die Fokussierebene, in der das reflektierte Fokussierbild 21 liegt, gegenüber der Fokusebene 20 gekippt ist. Anders gesagt, Fokussierebene und Fokusebene sind nicht zueinander parallel. Dies kann auch dadurch erreicht werden, daß der CCD-Detektor der CCD-Kamera 10 gegenüber der optischen Achse der Abbildungsoptik 9 gekippt ist (z. B. 45°) und das Gitter 13 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung angeordnet ist. Natürlich können sowohl das Gitter 13 als auch der CCD-Detektor gekippt sein. Es muß nur sichergestellt werden, daß die Fokussierebene und die Fokusebene nicht zueinander parallel sind.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen kann eine Kalibrierung durchgeführt werden. Dazu wird die mittels der Autofokusvorrichtung bestimmte Defokussierung ΔBF ermittelt und mit einem anderen Fokussierverfahren verglichen. Bei dem anderen Fokussierverfahren kann es sich insbesondere um Fokussierverfahren handeln, bei denen das Objekt in der Fokusebene 20 positioniert ist. Der dabei ermittelte Unterschied der Fokussierung (und somit der z-Positionierung des Objektes 3) wird dann zur Kalibrierung der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung eingesetzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10319182 [0002]
- DE 102006027836 A1 [0002]

Claims

Autofokusvorrichtung für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik (9) mit einer ersten Fokusebene (20) und einen Objekttisch (11) zum Bewegen eines abzubildenden Objektes (3) relativ zur ersten Fokusebene (20) aufweist, wobei die Autofokusvorrichtung (1) – ein Bildaufnahmemodul (9) mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene (20) bekannt ist, – ein Beleuchtungsmodul (BM) zum Abbilden eines Fokussierbildes, das mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teilbilder mit gleicher Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind, entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges über das Objekt in eine Fokussierbildebene derart, daß, wenn das Objekt in einer Sollposition positioniert ist, das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet, und – ein Steuermodul umfaßt, das zum Fokussieren der Abbildungsvorrichtung (9) den Objekttisch (11) so ansteuert, daß das Objekt (3) in der Sollposition positioniert ist, aus einem Signal des Bildaufnahmemoduls, das das Bildaufnahmemodul anhand seiner Aufnahme des Fokussierbildes, wenn das Objekt in der Sollposition positioniert ist, erzeugt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition ableitet und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, der Sollposition und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert ist.
Autofokusvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste und zweite Fokusebene zusammenfallen.
Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der als Bildaufnahmemodul die Abbildungsoptik verwendet wird.
Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Bildaufnahmemodul als Signal die Aufnahme des Fokussierbildes ausgibt.
Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Steuermodul die Aufnahme hinsichtlich Intensitätsvariationen oder des Kontrastverlaufes auswertet.
Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Richtung des in der Fokussierbildebene liegenden Fokussierbildes nicht parallel zur Schnittgeraden von Fokussierbild und zweiter Fokusebene ist.
Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Steuermodul für jedes Teilbild eine Teilbildabweichung berechnet und aus den Teilbildabweichungen die Abweichung ableitet.
Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am Objekt gefaltet ist.
Autofokusvorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Sollposition einen vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene aufweist.
Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der zumindest einmal die abgeleitete Abweichung mit der mit einer anderen Fokussiervorrichtung bestimmten Abweichung des Objekts aus der Sollposition verglichen und der dabei ermittelte Unterschied zur Kalibrierung der Autofokusvorrichtung verwendet wird.
Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik (9) mit einer ersten Fokusebene (20) aufweist, bei dem ein Bildaufnahmemodul (9) mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene (20) bekannt ist, vorgesehen wird, das Objekt in einer Sollposition positioniert wird, ein Fokussierbild, das mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teilbilder mit einer Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind, entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges über das Objekt in eine Fokussierbildebene derart abgebildet wird, daß das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet, das Bildaufnahmemodul das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild aufnimmt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition anhand der Aufnahme abgeleitet wird und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, der Sollposition und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die erste und zweite Fokusebene zusammenfallen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem als Bildaufnahmemodul die Abbildungsoptik verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Bildaufnahmemodul als Signal die Aufnahme des Fokussierbildes ausgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die Aufnahme hinsichtlich Intensitätsvariationen oder des Kontrastverlaufes ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem die erste Richtung des in der Fokussierbildebene liegenden Fokussierbildes nicht parallel zur Schnittgeraden von Fokussierbild und zweiter Fokusebene ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem für jedes Teilbild eine Teilbildabweichung berechnet und aus den Teilbildabweichungen die Abweichung abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am Objekt gefaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Sollposition einen vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, bei dem zumindest einmal die abgeleitete Abweichung mit der aus einem anderen Fokussierverfahren bestimmten Abweichung des Objekts aus der Sollposition verglichen und der dabei ermittelte Unterschied zur Kalibrierung des Autofokussierverfahrens verwendet wird.