DE102010019668B4 - Method for determining the topography of a surface of an object - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung der Topographie einer Oberfläche (20) eines Objektes (11), bei dem ein von einer Lichtquelle (1) ausgehendes Lichtbündel über einen Kollimatorspiegel (4) kollimiert wird, mit dem kollimierten Lichtbündel ein Muster auf die Oberfläche (20) projiziert und mittels einer Kamera mit einem Kameraobjektiv mindestens zwei Bilder (26, 27a, 27b) einer Intensitätsverteilung des von der Oberfläche (20) reflektierten Lichtbündels bei mindestens zwei unterschiedlichen Fokuseinstellungen in einer Ebene (24) erfasst werden, die einen Abstand von der Oberfläche (20) aufweist,
wobei das Muster über eine strukturierte Maske (2) erzeugt wird, die im Strahlengang des Lichtbündels angeordnet ist, und
wobei die Topographie aus einem Vergleich der mindestens zwei Bilder (26, 27a, 27b) unter Berücksichtigung der Fokuseinstellungen bestimmt wird.
Method for determining the topography of a surface (20) of an object (11) in which a light bundle emanating from a light source (1) is collimated via a collimator mirror (4), with the collimated light beam projecting a pattern onto the surface (20) and by means of a camera with a camera lens, at least two images (26, 27a, 27b) of an intensity distribution of the light beam reflected by the surface (20) are detected at at least two different focus settings in a plane (24) spaced from the surface (20). having,
wherein the pattern is generated via a structured mask (2), which is arranged in the beam path of the light beam, and
wherein the topography is determined from a comparison of the at least two images (26, 27a, 27b) taking into account the focus settings.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur eindeutigen und referenzfreien Bestimmung der Topographie einer optische Strahlung reflektierenden Oberfläche eines Objekts, bei dem ein Muster mit einem kollimierten Lichtbündel auf die Oberfläche projiziert und eine Intensitätsverteilung des von der Oberfläche reflektierten Lichtbündels in einer Ebene erfasst wird, die einen Abstand zur Oberfläche aufweist.The present invention relates to a method for the clear and reference-free determination of the topography of an optical radiation-reflecting surface of an object, in which a pattern with a collimated light beam is projected onto the surface and an intensity distribution of the light beam reflected by the surface is detected in a plane containing a Distance from the surface.
Die Bestimmung der Oberflächentopographie von Objekten ist vor allem in technischen Bereichen erforderlich, in denen die Oberflächenqualität, insbesondere die Planheit oder Struktur der Oberfläche, für die Anwendung oder für weitere Verarbeitungsschritte eine wesentliche Rolle spielt. Beispiele hierfür sind die Oberflächen von Wafern in der Halbleitertechnologie oder die Oberflächenqualität eines Werkstücks nach einer Politur.The determination of the surface topography of objects is necessary above all in technical areas in which the surface quality, in particular the flatness or structure of the surface, plays an essential role for the application or for further processing steps. Examples include the surfaces of wafers in semiconductor technology or the surface quality of a workpiece after polishing.
Stand der TechnikState of the art
Topographien von reflektierenden Oberflächen können mit Hilfe ebener Wellenfronten ermittelt werden. Hierzu wird die Oberfläche mit einer ebenen Wellenfront beleuchtet. Abweichungen der reflektierenden Oberfläche von einer idealen Ebene werden bei der Reflexion in die Wellenfront eingebracht. Die reflektierte Wellenfront wird dann hinsichtlich dieser Veränderungen analysiert.Topographies of reflective surfaces can be determined by means of plane wavefronts. For this purpose, the surface is illuminated with a flat wavefront. Deviations of the reflecting surface from an ideal plane are introduced into the wavefront during reflection. The reflected wavefront is then analyzed for these changes.
Bei der sog. Makyoh Methode wird ein Bild der Intensitätsverteilung eines an der Oberfläche reflektierten parallelen Lichtbündels in einer Ebene erfasst, die einen Abstand zur Oberfläche aufweist. Aus dieser Intensitätsverteilung kann dann eine Abweichung der Oberflächentopographie von einer idealen Ebene bestimmt werden. Ein Beispiel für eine derartige Technik zeigt
Aus der
Aus der
Mit Hilfe dieser Gleichung kann dann das Topographieprofil der Oberfläche des Objekts berechnet werden.Using this equation, the topography profile of the surface of the object can then be calculated.
Die Durchführung dieser Methode ist jedoch nicht frei von Problemen. So ist die Genauigkeit der Bestimmung der Topographie durch die Qualität bzw. Ebenheit der Referenzoberfläche begrenzt. However, the implementation of this method is not free of problems. Thus, the accuracy of determining the topography is limited by the quality or flatness of the reference surface.
Zur optimalen Darstellung der Bilder müssen außerdem die Oberfläche des Objekts und die Oberfläche des Referenzspiegels exakt senkrecht zum einfallenden Lichtbündel ausgerichtet werden. Bei der Justage entsteht jedoch häufig eine leichte Abweichung der Normalen der Referenz- und der Objektoberfläche zu den einfallenden Lichtstrahlen.
Für eine optimale Berechnung der Topographie müssen die Oberfläche des Objekts und die Referenzoberfläche auch in der gleichen Ebene liegen.
Ein weiteres Problem bei der Nutzung nur eines Bildes der Intensitätsverteilung eines an der Oberfläche des Objektes reflektierten Lichtbündels besteht darin, dass aufgrund der Vielzahl von Informationen in dem Bild Mehrdeutigkeiten entstehen können.
Sowohl eine unerwünschte Verkippung der Objektoberfläche bzw. der Referenzoberfläche als auch eine unterschiedliche Höhe von Objekt- und Referenzoberfläche können zu Fehlern in der Berechnung des Topographieprofils führen. Weiterhin ist die Qualität der Referenzoberfläche bzw. des hierfür eingesetzten Spiegels ein limitierender Faktor hinsichtlich der Genauigkeit der Bestimmung der Topographie. Eine Mehrdeutigkeit im Bild kann zu einer falschen Interpretation der Topographie führen. Diese Probleme können zum Teil bisher nur dadurch gelöst werden, dass eine ebene Referenzoberfläche mit möglichst geringen Abweichungen von einer idealen Ebene eingesetzt und die Justage der Objektoberfläche und der Referenzoberfläche jeweils mit sehr hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Dies ist jedoch zeit- und kostenaufwendig.Both an undesired tilting of the object surface or the reference surface and a different height of object and reference surface can lead to errors in the calculation of the topography profile. Furthermore, the quality of the reference surface or of the mirror used for this purpose is a limiting factor with regard to the accuracy of the determination of the topography. An ambiguity in the picture can lead to a wrong interpretation of the topography. To date, these problems can only be solved in part by using a flat reference surface with the smallest possible deviations from an ideal plane, and adjusting the object surface and the reference surface in each case with very high accuracy. However, this is time consuming and expensive.
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung der Topographie einer Oberfläche eines Objekts anzugeben, mit dem diese Probleme weitgehend vermieden werden, so dass die Genauigkeit der Messung nicht mehr von der Oberflächenqualität einer Referenzoberfläche und einer möglichst exakten Justage abhängt und Mehrdeutigkeiten bei der Auswertung vermieden werden.The object of the present invention is to provide a method for determining the topography of a surface of an object, with which these problems are largely avoided, so that the accuracy of the measurement no longer depends on the surface quality of a reference surface and the most accurate adjustment and ambiguity the evaluation be avoided.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved by the method according to
Dabei wird das von der Oberfläche des Objekts reflektierte Lichtbündel auf eine Kamera gelenkt, die ein Kameraobjektiv aufweist. Die mit der Kamera erfassten Bilder werden in einem Rechner verarbeitet. Hierzu kann ein geeigneter Auswertealgorithmus eingesetzt werden, der einerseits Referenzpunkte in den aufgezeichneten Bildern identifiziert und andererseits aus der Verschiebung dieser Referenzpunkte in den jeweiligen Bildern die Topographie der Oberfläche gemäß Gleichungen, die für Anordnungen mit verschobener Bildempfangsebene gelten, berechnet. Mindestens zwei Bilder bei mindestens zwei unterschiedlichen Fokuseinstellungen werden erfasst. Die beiden Bilder werden dann mit den jeweiligen, aus den unterschiedlichen Fokuseinstellungen bekannten Parametern L1 und L2 ausgewertetIn this case, the light beam reflected by the surface of the object is directed onto a camera which has a camera lens. The images captured with the camera are processed in a computer. For this purpose, a suitable evaluation algorithm can be used which on the one hand identifies reference points in the recorded images and on the other hand from the displacement of these reference points into the respective ones Images the topography of the surface according to equations which apply to arrangements with shifted image reception plane. At least two images with at least two different focus settings are captured. The two images are then evaluated with the respective parameters L 1 and L 2 known from the different focus settings
Die Genauigkeit der Bestimmung der Topographie der Oberfläche hängt auch von der Struktur des eingesetzten Musters ab. Vorzugsweise wird ein Punktraster als Muster verwendet, wobei die einzelnen Punkte des Punktrasters als Referenzpunkte dienen, deren relative Verschiebung in den mindestens zwei Bildern bestimmt wird, um daraus die Topographie der Oberfläche zu berechnen. Selbstverständlich lassen sich jedoch auch andere, insbesondere komplexere, Muster oder eine Kombination von Punkten und anderen geometrischen Formen als Muster einsetzen. Das Muster wird dabei vorzugsweise über eine strukturierte Maske erzeugt, die im Strahlengang des Lichtbündels angeordnet ist.The accuracy of determining the topography of the surface also depends on the structure of the pattern used. Preferably, a dot matrix is used as a pattern, wherein the individual points of the dot matrix serve as reference points whose relative displacement in the at least two images is determined in order to calculate therefrom the topography of the surface. Of course, however, other, in particular more complex, patterns or a combination of dots and other geometric shapes can be used as a pattern. The pattern is preferably generated via a structured mask, which is arranged in the beam path of the light beam.
Das Verfahren ist nicht auf die Erfassung von zwei Bildern bei zwei Abständen bzw. zwei Neigungswinkeln beschränkt. Vielmehr können auch noch weitere Bilder bei weiteren Abständen oder Neigungswinkeln aufgezeichnet und für die Auswertung herangezogen werden.The method is not limited to the acquisition of two images at two distances or two angles of inclination. Rather, even more images can be recorded at further distances or angles of inclination and used for the evaluation.
Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich zur Oberflächenprofilbestimmung von Objekten mit reflektierenden Oberflächen. Durch den Verzicht auf den Einsatz einer Referenzoberfläche sowie die geringeren Justageanforderungen wird das Verfahren vereinfacht und die Genauigkeit der Bestimmung der Topographie verbessert. Hierbei können alle optische Strahlung reflektierenden Oberflächen wie bspw. Halbleiterscheiben, spiegelnde Metalloberflächen oder Spiegel vermessen werden. Das Verfahren eignet sich auch für die Vermessung von strukturierten Oberflächen, wie bspw. Oberflächen von integrierten Schaltungen oder von MEMS-Bauteilen.The proposed method is suitable for surface profile determination of objects with reflective surfaces. By eliminating the use of a reference surface and reducing adjustment requirements, the process is simplified and the accuracy of topography determination improved. In this case, all surfaces reflecting optical radiation, such as, for example, semiconductor wafers, reflective metal surfaces or mirrors, can be measured. The method is also suitable for the measurement of structured surfaces, such as, for example, surfaces of integrated circuits or of MEMS components.
Figurenlistelist of figures
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung der Verhältnisse bei der Vermessung gemäß dem Stand der Technik; -
2 eine weitere schematische Darstellung der Verhältnisse bei der Vermessung gemäß dem Stand der Technik; -
3 -5 Verhältnisse zur Herstellung von Gleichungen, die für Anordnungen mit verschobener Bildempfangsebene gelten; -
6 eine beispielhafte Anordnung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens; und -
7 Verhältnisse bei einem geneigten Objekt.
-
1 a schematic representation of the conditions in the measurement according to the prior art; -
2 a further schematic representation of the conditions in the measurement according to the prior art; -
3 -5 Ratios for making equations that apply to displaced image receiving plane arrangements; -
6 an exemplary arrangement for carrying out the proposed method; and -
7 Conditions in a tilted object.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Die bei dem bekannten Verfahren des Standes der Technik auftretenden Probleme wurden bereits anhand der
In einer Vorgehensweise nach
Die Änderung des Abstandes L erfolgt hierbei entweder über die Änderung des Fokus des Kameraobjektivs oder über die Änderung des Arbeitsabstandes, d. h. des Abstandes zwischen Oberfläche und Kameraobjektiv bzw. Kamera.The change of the distance L takes place here either by changing the focus of the camera lens or by changing the working distance, d. H. the distance between the surface and the camera lens or camera.
Bei der Verfahrensalternative, bei der die Bilder bei unterschiedlichem Abstand zur Objektoberfläche aufgezeichnet werden, kann auch eine unerwünschte Verkippung des Objekts bzw. der Oberfläche des Objekts ermittelt und herausgerechnet werden. Eine derartige unerwünschte Verkippung der Oberfläche
Diese Gleichungen können anhand der schematischen Darstellung der
Je größer die Differenz ΔL der Erfassungsabstände zweier Bilder ist, desto größer ist die Verschiebung Δd der Punkte der Lichtstrahlen bzw. der Referenzpunkte in der Erfassungsebene. Der Parameter Δd entspricht dem im Folgenden auch genannten Parameter Δdpix. Beide Parameter unterscheiden sich lediglich in ihren Einheiten (Einheit von Δd: Meter; Einheit von Δdpix: Pixel). Mit dem Parameter rpix-m wird Δdpix auf Δd und zurück transformiert. Je größer der Parameter Δd ist, desto kleiner ist der relative Fehler δpix/Δdpix:
Die Parameter δpix = 0,5 Pixel und Δdpix entsprechen dem Kamerafehler, der zweimal kleiner als die maximale Auflösung der Kamera dKamera = 1 Pixel ist, und der Verschiebung der Punkte der Lichtstrahlen in der Erfassungsebene. Der Parameter rpix-m stellt die laterale Kalibrierung der Abstände d auf der Objektoberfläche dar. Daher gilt für das hier vorgeschlagene Verfahren, dass die Messung umso präziser ist, je größer die Differenz der Abstände ΔL ist.The parameters δ pix = 0.5 pixels and Δd pix correspond to the camera error, which is twice smaller than the maximum resolution of the camera d camera = 1 pixel, and the displacement of the points of the light beams in the detection plane. The parameter r pix-m represents the lateral calibration of the distances d on the object surface. Therefore, for the method proposed here, the greater the difference of the distances ΔL, the more accurate the measurement.
In einer alternativen Vorgehensweise wird die Objekthalterung
Eine derartige Anordnung kann auch in einer weiteren Vorgehensweise eingesetzt werden, bei der die Oberfläche des Objekts schrittweise verkippt wird, wobei mindestens zwei Bilder bei unterschiedlichen Neigungswinkeln, bspw. Neigungswinkel α1 und Neigungswinkel α2 (wobei α1 oder α2 auch 0 sein kann) aufgezeichnet werden. Hierzu muss die Objekthalterung
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Messung und Ermittlung der Topographie einer Objektoberfläche ohne eine Referenzoberfläche (z. B. Spiegel). Hierdurch wird die Genauigkeit der Bestimmung der Topographie nicht mehr durch die Qualität einer Referenzoberfläche limitiert. Die Genauigkeit der Bestimmung der Topographie ist - abgesehen von der Auflösung der eingesetzten Kamera - nur noch von der Qualität der optischen Komponenten der Messanordnung sowie der Genauigkeit der Bestimmung der instrumentellen Parameter L1 und L2 abhängig.The proposed method enables the measurement and determination of the topography of an object surface without a reference surface (eg mirror). As a result, the accuracy of determining the topography is no longer limited by the quality of a reference surface. The accuracy of the determination of the topography is - apart from the resolution of the camera used - only on the quality of the optical components of the measuring arrangement and the accuracy of the determination of the instrumental parameters L 1 and L 2 dependent.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Lichtquellelight source
- 22
- Maskemask
- 33
- Strahlteilerbeamsplitter
- 44
- Kollimatorcollimator
- 55
- Objekthalterungobject holder
- 66
- Kameraobjektivcamera lens
- 77
- motorisierter Haltermotorized holder
- 88th
- CCD-KameraCCD camera
- 99
- Controller für das KameraobjektivController for the camera lens
- 1010
- Rechnercomputer
- 1111
- Objektobject
- 20, 20a, 20b20, 20a, 20b
- Oberfläche des ObjektsSurface of the object
- 2121
- Referenzoberflächereference surface
- 2222
- Lichtstrahlbeam of light
- 2323
- Referenzpunkt im ReferenzbildReference point in the reference image
- 2424
- ErfassungsebeneInput level
- 2525
- Referenzpunkt im ObjektbildReference point in the object image
- 2626
- Bild beider OberflächenImage of both surfaces
- 27a27a
- Bild der ersten OberflächeImage of the first surface
- 27b27b
- Bild der zweiten OberflächeImage of the second surface
Claims (3)
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Also Published As
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R082 | Change of representative | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |