DE102008031412A1

DE102008031412A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Beobachtung mehrerer auf einer Linie angeordneter Messpunkte auf einer zu vermessenden Objektoberfläche

Info

Publication number: DE102008031412A1
Application number: DE200810031412
Authority: DE
Inventors: Sirichanok Chanbei; Jürgen VALENTIN; Mark Dr. Weber; Georg Dr. Wiora
Original assignee: NanoFocus AG
Current assignee: NanoFocus AG
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2010-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beobachtung mehrerer auf einer Linie angeordneter Messpunkte auf einer zu vermessenden Objektoberfläche, die bezüglich der mittleren Objektoberfläche auf unterschiedlichen Höhen liegen, mit einem optischen Sensor mit in mindestens einer Zeile angeordneten lichtempfindlichen Elementen, in dessen Fokusebene die Messpunkte liegen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Fokusebene mit der Objektoberfläche einen Winkel > 0° einschließt und die Fokusebene parallel zur Objektoberfläche bzw. die Objektoberfläche zur Fokusebene lateral verfahrbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beobachtung mehrerer auf einer Linie angeordneter Messpunkte auf einer zu vermessenden Objektoberfläche, die bezüglich der mittleren Objektoberfläche auf unterschiedlichen Höhen liegen, mit einem optischen Sensor mit in mindestens einer Zeile angeordneten lichtempfindlichen Elementen, in dessen Fokusebene die Messpunkte liegen.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beobachtung derartiger Messpunkte.
Die meisten existierenden derartigen als Profillinienscanner bekannten Vorrichtungen basieren auf Punktsensoren, die die Objektoberfläche mit einem von der Scannbewegung unabhängigen Prozess anmessen, wie es beispielsweise in der DE 101 25 885 A1 beschrieben wird.
Elegantere Lösungen, wie die chromatisch konfokalen Sensoren, benötigen dafür keine mechanische Fokusvariation in Z-Richtung, stattdessen aber ein komplexes Spektrometer. Adaptive Spiegel wurden zur schnellen Fokusvariation ebenfalls bereits vorgeschlagen: „Yoshiaki Yasuno, Shuichi Makita, Toyohiko Yatagai, Tobias F. Wiesendanger, Aiko K. Ruprecht und Hans J. Tiziani: „Non-mechanically-axial-scanning confocal microscope using adaptive mirror switching", Optics Express, 11(1): 54–60, Februar 2003”.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren anzugeben, bei dem auf eine mechanische Fokusvariation in Z-Richtung bzw. auf optische Fokusvariationen verzichtet werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch, dass zur gleichzeitigen Beobachtung mehrerer auf einer Linie angeordneter Messpunkte die Fokusebene des Sensors mit der Objektoberfläche einen Winkel > 0° einschließt und die Fokusebene parallel zur Objektoberfläche lateral verfahrbar ist bzw. die Objektoberfläche parallel zur Fokusebene.
Die Besonderheit dieser Vorrichtung ist das Fehlen der bei konfokalen Verfahren üblicherweise notwendigen Fokusvariation. Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung ist lediglich eine laterale Verschiebung des Sensors, die eine Vermessung beliebig langer Profillinien erlaubt, notwendig. Der Sensor eignet sich insbesondere für Rauheitsmessung, kann aber auch für geometrische Fragestellungen eingesetzt werden, insofern dies der prinzipbedingt eingeschränkte Höhenmessbereich zulässt.
Die Vorrichtung kann auf zusätzliche Optiken, wie ein Spektrometer oder teuere adaptive Elemente verzichten. Es nutzt durch eine zur Objektoberfläche geneigte Fokusebene die horizontale Scannbewegung, um mehrere Höhenstufen gleichzeitig zu erfassen.
Zur Realisierung einer geneigten Fokusebene gibt es mehrere Möglichkeiten.
Die einfachste Methode ist sicherlich die, die gesamte Vorrichtung zur Oberfläche zu neigen. Der Sensoraufbau entspricht dann einem konfokalen Mikroskop mit einem Zeilensensor (Anspruch 1) oder Flächensensor (Anspruch 10). Allerdings ist als Nachteil dieser Anordnung zu nennen, dass die Orts- und Flankenwinkelauflösung anisotrop ist, wobei der Vorteil in der einfachen optischen Anordnung besteht.
Eine alternative Anordnung ist in 1 dargestellt: Eine konfokale Pinholemaske (eine ruhende, im einfachsten Fall einzeilige Lochmaske) und das Sensorarray sind hier gleichermaßen gegen die optische Achse geneigt.
Von einer Lichtquelle gelangt durch einen Strahlteiler das Licht durch die Pinholemaske und ein Objektiv auf die Objektoberfläche. Durch die Neigung der Pinholemaske ergibt sich die geneigte Fokusebene. Das reflektierte Licht wird durch die Pinholemaske über den Strahlteiler und eine Feldlinse auf das Sensorarray geleitet.
Alternativ können die Konfokalblenden (Pinholemaske) auch in einer gestuften Anordnung ausgeführt sein. Für das Sensorarray ist eine gestufte Anordnung eher unpraktikabel aber möglich.
Begrenzender Faktor bei dieser Lösung ist der maximale Tiefenmessbereich, da vor allem bei hohen Vergrößerungsfaktoren der Neigungswinkel der Pinholemaske wesentlich größer ist als die Neigung der Fokusebene am Objekt.
Eine weitere alternative Möglichkeit, die Neigung der Fokusebene zu realisieren, sind beispielsweise eine Scheimpfluganordnung, die aus der Fotografie bekannte Methode, stürzende Linien zu korrigieren. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verkippung mehrerer Linsen.
Auch eine gestufte oder geneigte Anordnung von Mikrolinsen bzw. eine Anordnung von Mikrolinsen mit varierender Brennweite ist denkbar.
Derartige Mikrolinsen werden zwischen dem Objektiv und der Pinholemaske angeordnet, wobei in diesem Fall die Pinholemaske zur optischen Achse einen Winkel von 90° aufweist. Auch das Sensorarray weist einen derartigen Winkel zur optischen Achse auf.
Da in den erst genannten Fällen die Pinholemaske zur optischen Achse geneigt ist, ist gemäß Anspruch 9 vorgesehen, dass die konfokalen Blenden so geformt sind, dass ihre Projektion in die Fokusebene trotz der Verkippung zur optischen Achse ein punktsymmetrisches Bild ergibt.
Eine derartige Formkorrektur der Pinholes erübrigt sich allerdings, wenn die Konfokalblenden – wie oben angesprochen – auf einer gestuften Anordnung angebracht sind.
Im Falle einer Vorrichtung gemäß Anspruch 10 wird gemäß Anspruch 11 vorgeschlagen, dass die Pinholes in den Konfokalblenden in einem hexagonalen Gitter nach Art einer dichtesten Kugelpackung angeordnet sind.
Die Erfindung löst die oben genannte Aufgabe auch durch ein Verfahren, bei dem ein optischer Sensor zur gleichzeitigen Beobachtung mehrerer auf einer Linie angeordneter Messpunkte, die bezüglich der mittleren Objektoberfläche auf unterschiedlichen Höhen liegen, mit einer lateralen Verschiebeeinheit in Richtung der Linie parallel zur mittleren Objektoberfläche bewegt wird, wobei die Fokusebene des optischen Sensors einen Winkel zur mittleren Objektoberfläche bildet.
Zur Messung muss das System parallel zur mittleren Objektoberfläche entlang einer Linie verschoben werden, die parallel zu der Linie ist, die durch Projektion der Messpunkte auf die mittlere Objektoberfläche definiert wird. Dadurch wird gewährleistet, dass alle Fokuspunkte nacheinander über dieselbe Stelle des Objekts geführt werden.
In der 3 ist dargestellt, wie die auf die mittlere Objektoberfläche projizierten Trajektorien der Messpunkte verlaufen, wenn das System richtig oder fehlerhaft justiert ist. Es ist daher logisch, dass durch eine geeignete Justierung sichergestellt werden muss, dass die Ausrichtung der Messpunktlinie exakt mit der Bewegungsrichtung fluchtet.
Gemäß Anspruch 13 ist vorgesehen, dass die Aufnahme der Messpunkte zeitlich so gesteuert wird, dass die Verschiebung zum Zeitpunkt der Aufnahme gerade ein ganzzahliges Vielfaches oder einen Bruchteil des zeitlichen Abstandes der Messpunkte beträgt, wobei die Verschiebung kontinuierlich oder auch schrittweise (Anspruch 14) erfolgen kann.
Bei der schrittweisen Verschiebung erfolgt die Belichtung der Kamera jeweils im Stillstand.
Bei der kontinuierlichen Bewegung erfolgt die Belichtung, während das System mit konstanter Geschwindigkeit verschoben wird. Die Belichtungszeit T muss dabei kurz sein im Vergleich zu der Zeit, die das System benötigt, um eine Strecke zurückzulegen, die dem Durchmesser Δx eines Messpunktes auf der Objektoberfläche entspricht:
Dabei ist v die laterale Geschwindigkeit. Der Durchmesser der Messpunkte ist bei mikroskopischen Messsystemen proportional zum Durchmesser des Airy-Scheibchens und damit proportional zur verwendeten Wellenlänge λ (siehe hierzu: Guy Cox and Colin J. R. Shepard, Practical Limits of Resolution in Confocal and Non-Linear Microscopy. Microscopy research and technique, 63: 18–20, 2004).
Beträgt die Belichtungszeit der Kamera T = 10^–3 s und ist Δx = 10^–6 m, so muss die Geschwindigkeit klein gegen 1 mm/s sein. Wird diese Geschwindigkeit erreicht oder überschritten, ist die Messinformation nicht mehr eindeutig einem Objektpunkt zuzuordnen. Ganz grundsätzlich führt diese Betriebsweise zu mehr oder weniger anisotropem Verhalten bezüglich der Ortsauflösung und des Systems.
Bei der schrittweisen Bewegung ergibt sich die effektive Scanngeschwindigekeit v aus der mittleren Verfahrgeschwindigekeit v und der Belichtungszeit T aus:
Dabei sei angenommen, dass die Schrittweite dem Durchmesser des Messpunktes Δx entspricht. Solange also T > Δx/v ist, dominiert die Belichtungszeit die Messgeschwindigkeit.
Während der Sensor, wie in Diagramm 1 dargestellt über die Objektoberfläche gezogen wird, nimmt er zu jedem Zeitpunkt t_i ein Bild auf. Die Messwerte P_j werden in ein zweidimensionales Feld g_u,v eingetragen. Die Koordinaten u und v ergeben sich in dem einfachen Fall, in dem die Schrittweite s gleich dem horizontalen Abstand Δx zweier Messpunkte P_i ist, aus dem folgenden Zusammenhang: u = i + j v = j
Das Diagramm 2 zeigt die Messwertanordnung im Feld g. Betrachtet man die Messwerte g für ein bestimmtes u entlang der v-Achse, erhält man eine klassische Konfokalkurve, wie sie aus der Literatur bekannt ist (Colin J. R. Shepard und T. Wilson. Image formation in scanning microscopes with partially coherent source and detector. Journal of Modern Optics, 25:315–325, 1978). In der Abbildung ist diese Kurve für u = 5 dargestellt.
Es existieren verschiedene Verfahren zur Lokalisierung des Maximums. Neben der einfachen Maximumsuche, die als Ergebnis nur eine ganzzahlige v-Koordinate liefert, eignet sich beispielsweise die Berechnung eines gewichteten Schwerpunktes zur genaueren Lokalisierung des Maximums.
Das im vorangegangenen Abschnitt dargestellte Verfahren liefert zunächst nur eine relative Hdheninformation, die nicht metrisch ist. Daher muss der Sensor kalibriert werden, um eine Anbindung an die SI-Einheiten zu erhalten. Die Systemkalibrierung besteht aus den beiden Schritten Linearisierung und Absolutkalibrierung. Die Linearisierung ist notwendig, da verschiedene optische Effekte, wie die Konfokalebenenkrümmung, dazu führen, dass die z-Koordinaten nicht linear sind. Bei der Linearisierung werden die relativen z-Koordinaten jedes Messpunktes P bestimmt, bei der Absolutkalibrierung wird durch Messung eines geeichten Stufen- oder Rillennormals der z-Skalierungsfaktor berechnet.
Für die Linearisierung des Systems eignet sich die Messung eines Ebenheitsnormales. Ebenheitsnormale sind preiswert und in höchster Genauigkeit verfügbar. Sie werden aus Silizium hergestellt und haben Ebenheitsabweichungen im Nanometerbereich. Daher sind sie ideal für die Linearisierung geeignet.
Zur Linearisierung vermisst man ein leicht zur x-Achse geneigtes Ebenheitsnormal. Der Neigungswinkel muss deutlich geringer sein, als der Neigungswinkel der Fokusebene. Mit dem oben beschriebenen Verfahren berechnet man dann das Höhenprofil des Ebenheitsnormals. Im kalibrierten Fall stellt sich dieses als Gerade dar. Alle Abweichungen von der Geradenform resultieren aus systematischen Fehlern. Für jeden Messpunkt P_j kann nun sein relativer Höhenwert berechnet werden.
Nach der Linearisierung des Systems wird eine Messung an einem standardisierten Rillen- oder Stufennormal durchgeführt. Aus der gemessenen Rillentiefe bzw. Stufenhöhe und dem in der Spezifikation des Normals angegebenen Wert ergibt sich ein linearer Korrekturfaktor für die z-Koordinate.
Mit diesen beiden Schritten ist gewährleistet, dass der Sensor Profile nach einer geeigneten Kalibrierung mit hoher absoluter Genauigkeit schnell metrisch messen kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
1 Prinzipieller Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
2 Alternative Anordnung der Vorrichtung
3 Korrekte und fehlerhafte Justierung
In der 1 ist der prinzipielle Aufbau der als Zeilenscanner zur Oberflächenvermessung verwendeten Vorrichtung dargestellt.
Sie besteht aus einer Lichtquelle 1, deren Licht durch einen im Winkel von 45° angeordneten als Strahlteiler dienenden halbdurchlässigen Spiegel 2 über eine geneigt zur optischen Achse angeordnete Pinholemaske 3 (auch als Konfokalblenden bezeichnet) über ein Objektiv 4 auf die Oberfläche 7 bzw. 8 fokussiert wird.
Durch die geneigte Anordnung der Konfokalblenden ergibt sich eine Neigung der Fokusebene 7, 8.
Das von hier reflektierte Licht gelangt durch das Objektiv 4, die Konfokalblenden 3, den Spiegel 4 über eine Feldlinse 6 auf einen zur optischen Achse geneigt angeordneten Sensor 5. Die Punkte 9 und 10 bezeichnen die Abbildungen von 7 und 8 auf das Sensorarray (beispielsweise ein einzeiliger Sensor).
Die Anordnung und die Objektoberfläche, die zu vermessen ist, werden relativ zueinander verfahren (nicht dargestellt).
In der 2 ist eine alternative Anordnung der Vorrichtung dargestellt. Hier wird die Neigung der Fokusebene durch zur optischen Achse gekippt angeordnete Mikrolinsen, die ebenfalls zeilenförmig oder auch flächenartig angeordnet sein können, erzeugt.
Bei dieser Alternative sind die Konfokalblenden senkrecht zur optischen Achse angeordnet, ebenso wie das Sensorarray.
In der 3a ist die korrekte Justierung der Vorrichtung dargestellt. Bei korrekter Justierung überstreichen alle Messpunkte nacheinander denselben Objektbereich.
In der 3b ist die fehlerhafte Justierung dargestellt. Bei fehlerhafter Justierung überstreichen die Messpunkte unterschiedliche Objektbereiche auf parallelen Bahnen.
Es muss daher sichergestellt sein, dass durch eine geeignete Justierung die Ausrichtung der Messpunktlinie exakt mit der Bewegungsrichtung fluchtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10125885 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Yoshiaki Yasuno, Shuichi Makita, Toyohiko Yatagai, Tobias F. Wiesendanger, Aiko K. Ruprecht und Hans J. Tiziani: „Non-mechanically-axial-scanning confocal microscope using adaptive mirror switching”, Optics Express, 11(1): 54–60, Februar 2003 [0004]
- Guy Cox and Colin J. R. Shepard, Practical Limits of Resolution in Confocal and Non-Linear Microscopy. Microscopy research and technique, 63: 18–20, 2004 [0027]
- Colin J. R. Shepard und T. Wilson. Image formation in scanning microscopes with partially coherent source and detector. Journal of Modern Optics, 25:315–325, 1978 [0032]

Claims

Vorrichtung zur Beobachtung mehrerer auf einer Linie angeordneter Messpunkte auf einer zu vermessenden Objektoberfläche, die bezüglich der mittleren Objektoberfläche auf unterschiedlichen Höhen liegen, mit einem optischen Sensor mit in mindestens einer Zeile angeordneten lichtempfindlichen Elementen, in dessen Fokusebene die Messpunkte liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusebene mit der Objektoberfläche einen Winkel > 0° einschließt und die Fokusebene parallel zur Objektoberfläche bzw. die Objektoberfläche zur Fokusebene lateral verfahrbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dass die Fokusebene durch Neigung der optischen Achse der gesamten Vorrichtung gekippt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Fokusebene des Sensors durch Verkippung der darin enthaltenen Anordnung lichtempfindlicher Elemente zur optischen Achse erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Fokusebene des Sensors durch eine gestufte Anordnung der lichtempfindlichen Elemente erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Fokusebene des Sensors durch eine Mikrolinsenanordnung erfolgt, die für jeden Messpunkt eine unterschiedliche Brennweite aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Fokusebene des Sensors durch eine geneigte Mikrolinsenanordnung konstanter Brennweite erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Fokusebene des Sensors durch die Verkippung einer oder mehrerer Linsen zur optischen Achse erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch zusätzliche Blenden zur Erzeugung eins konfokalen Effekts.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die konfokalen Blenden so geformt sind, dass ihre Projektion in die Fokusebene trotz der Verkippung zur optischen Achse ein punktsymmetrisches Bild ergibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen mehrzeilig ausgebildeten Sensor mehrere Linien von Messpunkten gleichzeitig erfassbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Konfokalblenden in einem hexagonalen Gitter nach Art einer dichten Kugelpackung angeordnet sind.
Verfahren zur gleichzeitigen Beobachtung mehrerer auf einer Linie angeordneter Messpunkte auf einer zu vermessenden Objektoberfläche mit einem optischen Sensor, wobei die Messpunkte bezüglich der mittleren Objektoberfläche auf unterschiedlichen Höhen liegen und die Fokusebene des optischen Sensors relativ zur Objektoberfläche in Richtung der Linie parallel zur mittleren Objektoberfläche verfahren wird, wobei die Fokusebene gegenüber der Objektoberfläche geneigt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Messpunkte zeitlich so gesteuert wird, dass die Verschiebung zum Zeitpunkt der Aufnahme gerade ein ganzzahliges Vielfaches oder einen Bruchteil des seitlichen Abstandes der Messpunkte beträgt, wobei die Verschiebung kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor schrittweise bewegt wird und zur Aufnahme jeweils anhält, wobei die Schrittweite ein ganzzahliges Vielfaches oder einen Bruchteil des seitlichen Abstandes der Messpunkte beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlich nacheinander aufgenommen Messwerte so sortiert werden, dass alle zu einer Lateral-Koordinate x auf der Objektoberfläche gehörenden Messwerte entsprechend ihrem Abstand zur Oberfläche aufgereiht sind.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Sensor gemessenen Werte so ausgewertet werden, dass für jede Lateral-Koordinate x der Ort der maximalen oder minimalen Helligkeit in Fokusrichtung z bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Position des Extremums eine durch eine absolute Kalibriermessung bestimmte Höhe zugewiesen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur absoluten Kalibriermessung zunächst eine Linearisierung durch Vermessung eines Ebenheitsnormales erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung durch Vermessung eines Tiefen-Einstellnormals und anschließender linearer Skalierung der Tiefenwerte erfolgt.