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.

Figure DE102010019668B4_0000
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.
Figure DE102010019668B4_0000

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 F. Riesz „A quantitative approach to Makyoh (magicmirror) topography“, Journal of Crystal Growth 210 (2000), Seiten 370 - 374 .In the so-called Makyoh method, an image of the intensity distribution of a parallel light beam reflected on the surface is detected in a plane which is at a distance from the surface. From this intensity distribution a deviation of the surface topography from an ideal plane can be determined. An example of such a technique shows F. Riesz "A quantitative approach to Makyo (magicmirror) topography", Journal of Crystal Growth 210 (2000), pages 370-374 ,

Aus der US 6,545,764 B1 ist eine abgewandelte Technik zur Bestimmung der Topographie einer Oberfläche bekannt, bei der zwei Bilder der Intensitätsverteilung bei zwei unterschiedlichen Abständen zur Oberfläche erfasst und ausgewertet werden. Die Auswertung erfolgt hierbei durch ein aufwändiges iteratives Verfahren.From the US 6,545,764 B1 a modified technique for determining the topography of a surface is known in which two images of the intensity distribution at two different distances from the surface are detected and evaluated. The evaluation is carried out by a complex iterative process.

Aus der DE 602 12 987 T2 ist ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Topographie einer Oberfläche eines Objekts bekannt. Bei dieser Technik wird mit Hilfe eines kollimierten Lichtbündels ein Muster auf die Oberfläche projiziert und die Intensitätsverteilung des an der Oberfläche reflektierten Lichtbündels in einem Abstand zur Oberfläche erfasst. Durch Einsatz einer flachen Referenzoberfläche an Stelle der Oberfläche des Objekts wird ein weiteres Bild in gleicher Weise aufgezeichnet. Durch Vergleich der beiden Bilder kann dann anhand der Verzerrung des Musters die Oberflächentopographie des Objekts bestimmt werden. Dies wird anhand der 1a veranschaulicht, die die Oberfläche, die Referenzebene und den Strahlenverlauf eines einzelnen Lichtstrahls bei der Reflexion zeigt. Die gestrichelte Linie stellt die Referenzoberfläche 21 dar, die schräge durchgezogene Linie zeigt exemplarisch eine unebene Oberfläche 20 des zu untersuchenden Objekts. In der Figur ist ein einfallender Lichtstrahl 22 des Lichtbündels dargestellt, der bspw. mit einem Referenzpunkt des Musters korrespondiert. Nach der Reflexion an der Oberfläche wird die Intensitätsverteilung des Lichtbündels in der in der Figur angedeuteten Ebene 24 erfasst, die einen Abstand L von der Oberfläche aufweist. Der Abstand Δd zwischen dem schwarzen und weißen Punkt in der Figur stellt die Abweichung des reflektierten Lichtstrahls zum senkrecht einfallenden Lichtstrahl in der Erfassungsebene dar. Korrespondiert der betrachtete Lichtstrahl mit einem Referenzpunkt im Muster, so entspricht der Abstand Δd dem Abstand der abgebildeten Referenzpunkte 23, 25 in den beiden Bildern. Mit Hilfe des Abstandes L zwischen Oberfläche und Erfassungsebene kann dann der lokale Neigungswinkel α der Oberfläche des Objekts bezogen auf die Referenzebene ermittelt werden: t g 2 α= Δ d L .

Figure DE102010019668B4_0001
From the DE 602 12 987 T2 Another method for determining the topography of a surface of an object is known. In this technique, a pattern is projected onto the surface by means of a collimated light beam and the intensity distribution of the light beam reflected at the surface is detected at a distance from the surface. By using a flat reference surface instead of the surface of the object, another image is recorded in the same way. By comparing the two images, the surface topography of the object can then be determined on the basis of the distortion of the pattern. This is based on the 1a illustrating the surface, the reference plane and the beam path of a single light beam in the reflection. The dashed line represents the reference surface 21, the oblique solid line shows an example of an uneven surface 20 of the object to be examined. In the figure, an incident light beam 22 of the light beam is shown, which corresponds, for example. With a reference point of the pattern. After reflection at the surface, the intensity distribution of the light beam is detected in the plane 24 indicated in the figure, which has a distance L from the surface. The distance Δd between the black and white points in the figure represents the deviation of the reflected light beam from the perpendicularly incident light beam in the detection plane. If the viewed light beam corresponds to a reference point in the pattern, the distance Δd corresponds to the distance of the imaged reference points 23, 25 in the two pictures. With the aid of the distance L between the surface and the detection plane, the local inclination angle α of the surface of the object relative to the reference plane can then be determined: t G 2 α = Δ d L ,
Figure DE102010019668B4_0001

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. 1b veranschaulicht einen Fall, in dem die Referenzoberfläche 21 eine Neigung von αRef ≠ 0 aufweist. Die Verschiebung des Referenzpunktes zwischen den beiden Bildern ist daher um δRef kleiner oder größer als die, die im idealen Fall der 1a dargestellt ist. Dies führt zu einem Fehler von δRef/Δd bei der Berechnung des Topographieprofils.For optimal representation of the images also the surface of the object and the surface of the reference mirror must be aligned exactly perpendicular to the incident light beam. During the adjustment, however, there is often a slight deviation of the normals of the reference surface and the object surface from the incident light rays. 1b Fig. 12 illustrates a case where the reference surface 21 has an inclination of α Ref ≠ 0. The shift of the reference point between the two images is therefore smaller or larger by δ Ref than that which, in the ideal case, is the 1a is shown. This leads to an error of δ Ref / Δd in the calculation of the topography profile.

Für eine optimale Berechnung der Topographie müssen die Oberfläche des Objekts und die Referenzoberfläche auch in der gleichen Ebene liegen. 1c veranschaulicht einen Fall, in dem die Referenz- und Objektoberfläche unterschiedliche Abstände zur Erfassungsebene aufweisen, also auf in der Höhe unterschiedlichen Ebenen liegen. Dies führt zu einem unterschiedlichen Abstand L für die beiden Messungen. Die Differenz in den Ebenen ΔL=L-LRef ändert die Verschiebung zwischen den Referenzpunkten in den Bildern vom Idealfall der 1a auf δRef. Dies führt ebenfalls zu einem Fehler von δRef/Δd bei der Berechnung des Topographieprofils.For an optimal calculation of the topography, the surface of the object and the reference surface must also be in the same plane. 1c illustrates a case in which the reference and object surfaces have different distances to the detection plane, so lie on different levels in height. This leads to a different distance L for the two measurements. The difference in the planes ΔL = LL Ref changes the shift between the reference points in the images of the ideal case of 1a on δ ref . This also leads to an error of δ Ref / Δd in the calculation of the topography profile.

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. 2 zeigt ein Beispiel, bei dem zwei unterschiedliche Oberflächenprofile 20a, 20b sowie vier Lichtstrahlen 22, korrespondierend zu vier Referenzpunkten, gezeigt sind. Der obere Teil der Figur zeigt die Lage der abgebildeten Referenzpunkte 25 in dem erfassten Bild 26, das hier für beide Oberflächen bzgl. der Lage der vier Referenzpunkte identisch ist. Die beiden inneren Lichtstrahlen weichen bei dieser Konstellation jeweils so aus der Senkrechten ab, dass sie nach der Reflexion für beide Oberflächen 20a, 20b in dem gleichen Punkt der Erfassungsebene 24 zusammentreffen. Daher kann aus dem Bild die Neigung der Objektoberfläche falsch interpretiert und damit die Topographie falsch berechnet werden.Another problem with using only an image of the intensity distribution of a light beam reflected at the surface of the object is that ambiguities may arise due to the large amount of information in the image. 2 shows an example in which two different surface profiles 20a, 20b and four light beams 22, corresponding to four reference points, are shown. The upper part of the figure shows the position of the imaged reference points 25 in the captured image 26, which is identical here for both surfaces with respect to the position of the four reference points. In this constellation, the two inner light beams each deviate from the vertical in such a way that they coincide after reflection for both surfaces 20a, 20b in the same point of the detection plane 24. Therefore, the inclination of the object surface can be misinterpreted from the image and thus the topography can be calculated incorrectly.

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 DE 10 2005 007 244 A1 beschreibt ein Verfahren zur Formerfassung von reflektierenden Oberflächen, bei dem ein von einer Lichtquelle ausgehendes Lichtbündel über ein Mikrolinsen-Array in mehrere Lichtnadeln aufgespalten wird, die parallel zueinander ausgerichtet auf die Oberfläche auftreffen. Bei dem Verfahren werden Bilder der Intensitätsverteilung der von der Oberfläche reflektierten Lichtnadeln in zwei unterschiedlichen Abständen erfasst, um die Oberflächenform aus einem Vergleich der beiden Bilder unter Berücksichtigung der bekannten Lage und Strahlrichtung der reflektierten Lichtnadeln zu ermitteln.The DE 10 2005 007 244 A1 describes a method for detecting the shape of reflective surfaces, in which a light beam emanating from a light source is split over a microlens array into a plurality of light needles which strike the surface in parallel alignment with one another. In the method, images of the intensity distribution of the light needles reflected from the surface are detected at two different distances to determine the surface shape from a comparison of the two images taking into account the known position and beam direction of the reflected light needles.

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 claim 1. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiments.

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.
The proposed method will be explained in more detail using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:
  • 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 1 und 2 in der Beschreibungseinleitung näher erläutert, so dass auf diese Figuren hier nicht mehr näher eingegangen wird.The problems occurring in the known method of the prior art have already been based on the 1 and 2 explained in more detail in the introduction, so that these figures will not be discussed in more detail here.

In einer Vorgehensweise nach 3 werden zwei Bilder der Intensitätsverteilung des an der Objektoberfläche reflektierten Lichtbündels bei unterschiedlichem Abstand L1, L2 zur Oberfläche mit einer Kamera aufgezeichnet. Durch diese Technik wird die in Verbindung mit dem Verfahren des Standes der Technik in 2 angedeutete Mehrdeutigkeit vermieden. 3 zeigt hierzu die gleiche Situation mit den beiden unterschiedlichen Oberflächen 20a, 20b, wie sie in Verbindung mit dem Verfahren des Standes der Technik in 2 dargestellt ist. Durch die Aufzeichnung von jeweils zwei Bildern der gleichen Oberfläche in unterschiedlichem Abstand L1, L2 kann jeder einzelne Lichtstrahl des Lichtbündels verfolgt werden, da die Differenz zwischen den beiden Bildern die Richtung der Verschiebung des jeweils reflektierten Lichtstrahls bzw. des korrespondierenden Referenzpunktes zeigt. In den aufgezeichneten Bildern 26 der beiden Oberflächen 20a, 20b bei dem Abstand L2 sind die Punkte der Lichtstrahlen bzw. Referenzpunkte in der Erfassungsebene identisch, wie dies in der obersten gestrichelten Linie der 3 angedeutet ist. In den beiden Bildern 27a, 27b der beiden Oberflächen, die bei dem Abstand L1 aufgezeichnet wurden, sind diese Punkte in der Erfassungsebene getrennt. Dies ist durch die beiden darunter liegenden gestrichelten Linien angedeutet, die die beiden Bilder 27a, 27b beim Abstand L1 repräsentieren. Damit ist durch die Erfassung von zwei Bildern bei jeweils unterschiedlichem Abstand L die Bestimmung der Topographie eindeutig. Eine Referenzoberfläche ist nicht erforderlich.In a procedure after 3 Two images of the intensity distribution of the reflected light beam at the object surface at different distances L 1 , L 2 are recorded to the surface with a camera. This technique is used in conjunction with the prior art method 2 suggested ambiguity avoided. 3 shows the same situation with the two different surfaces 20a . 20b as used in conjunction with the prior art method 2 is shown. By recording in each case two images of the same surface at different distances L 1 , L 2 , each individual light beam of the light beam can be traced, since the difference between the two images shows the direction of displacement of the respective reflected light beam or of the corresponding reference point. In the recorded pictures 26 the two surfaces 20a . 20b at the distance L 2 , the points of the light rays or reference points in the detection plane are identical, as in the uppermost dashed line of FIG 3 is indicated. In the two pictures 27a . 27b of the two surfaces recorded at the distance L 1 , these points are separated in the detection plane. This is indicated by the two underlying dashed lines representing the two images 27a . 27b at the distance L 1 represent. Thus, the determination of the topography is unique by the capture of two images at different distances L. A reference surface is not required.

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 20 des Objekts ist in 4a angedeutet. Beim Vergleich der beiden Bilder mit den verschiedenen Abständen L1 bzw. L2 zeigt sich die Objektverkippung als systematische Verschiebung aller Punkte der reflektierten Lichtstrahlen bzw. des projizierten Musters in der Erfassungsebene. Diese systematische Verschiebung lässt sich bei bekanntem Muster ermitteln und damit bei der Bestimmung der Topographie herausrechnen. 4a zeigt hierzu den Verkippungs- bzw. Neigungswinkel α' sowie die jeweils messbare Verschiebung der Referenzpunkte zwischen den beiden Bildern um Δd'1 , Δd'2 und Δd'3 für die drei gezeigten Lichtstrahlen bzw. Referenzpunkte. Der Abstand der Referenzpunkte wurde in dieser Figur mit dZelle bezeichnet. Nach der Ermittlung der systematischen Verschiebung aller Punkte der reflektierten Lichtstrahlen bzw. Referenzpunkte in der Erfassungsebene und nach einer Korrektur der Daten um die Objektverkippung kann das Topographieprofil durch die verbleibende Verschiebung der Referenzpunkte um die Abstände Δd1, Δd2 und Δd3 berechnet werden, die in 4b angedeutet ist. Die Berechnung des Topographieprofils erfolgt mit folgenden Gleichungen t g 2 α = Δ d L

Figure DE102010019668B4_0002
h = 1 2 Δ d Δ L d Z e l l e .
Figure DE102010019668B4_0003
In the alternative method, in which the images are recorded at different distances from the object surface, an undesirable tilting of the object or the surface of the object can also be determined and eliminated. Such undesirable tilting of the surface 20 the object is in 4a indicated. When comparing the two images with the different distances L 1 and L 2 , the object tilting is shown as a systematic shift of all points of the reflected light beams or of the projected pattern in the detection plane. This systematic shift can be determined with a known pattern and thus calculated out when determining the topography. 4a shows the tilting or inclination angle α ' and the respectively measurable shift of the reference points between the two images Δd ' 1 . Δd ' 2 and Δd ' 3 for the three light beams or reference points shown. The distance of the reference points was designated d cell in this figure. After determining the systematic shift of all points of the reflected light rays or reference points in the detection plane and after correcting the data for the object tilt, the topography profile can be calculated by the remaining displacement of the reference points by the distances Δd 1 , Δd 2 and Δd 3 in 4b is indicated. The calculation of the topography profile is done with the following equations t G 2 α = Δ d L
Figure DE102010019668B4_0002
H = 1 2 Δ d Δ L d Z e l l e ,
Figure DE102010019668B4_0003

Diese Gleichungen können anhand der schematischen Darstellung der 5 nachvollzogen werden. Hierbei stellt ΔL=L2-L1 und dZelle den Abstand zwischen zwei nebeneinander liegenden einfallenden Lichtstrahlen bzw. Referenzpunkten dar. Aus der Verschiebung Δd der Punkte der Lichtstrahlen bzw. der Referenzpunkte in der Erfassungsebene und der Differenz ΔL der unterschiedlichen Abstände der Erfassungsebene zur Oberfläche wird der Winkel zwischen den senkrecht einfallenden und den reflektierten Lichtstrahlen berechnet. Dieser Winkel ist doppelt so groß wie der lokale Neigungswinkel der Objektoberfläche α. Mit Hilfe des ermittelten lokalen Neigungswinkels α und dem Abstand zur Oberfläche L1 bzw. L2 sowie dem Abstand zwischen zwei benachbarten Lichtstrahlen bzw. Referenzpunkten dZelle wird gemäß der obigen zweiten Gleichung das Topographieprofil h berechnet.These equations can be seen from the schematic representation of 5 be traced. Here, ΔL = L 2 -L 1 and d cell represents the distance between two juxtaposed incident light beams or reference points. From the shift Δd of the points of the light beams or the reference points in the detection plane and the difference ΔL of the different distances of the detection plane Surface, the angle between the perpendicularly incident and the reflected light rays is calculated. This angle is twice as large as the local inclination angle of the object surface α. With the aid of the determined local inclination angle α and the distance to the surface L 1 or L 2 and the distance between two adjacent light beams or reference points d cell , the topography profile h is calculated according to the above second equation.

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: Δ d ± δ p i x r p i x m = Δ d ( 1 ± δ p i x Δ d p i x )

Figure DE102010019668B4_0004
The greater the difference ΔL of the detection distances of two images, the greater the shift Δd of the points of the light beams or the reference points in the detection plane. The parameter Δd corresponds to the parameter Δd pix , which is also mentioned below. Both parameters differ only in their units (unit of Δd: meter, unit of Δd pix : pixel). With the parameter r pix-m Δd pix is transformed to Δd and back. The larger the parameter Δd, the smaller the relative error δ pix / Δd pix : Δ d ± δ p i x r p i x - m = Δ d ( 1 ± δ p i x Δ d p i x )
Figure DE102010019668B4_0004

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.

6 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Anordnung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens. Hierbei wird mit einer Lichtquelle 1, bspw. einer LED oder einem LED-Array, die Struktur einer Maske 2 auf die Oberfläche des Objekts 11 projiziert. Das von der Lichtquelle 1 ausgesendete Lichtbündel wird hierbei über einen Kollimatorspiegel 4 kollimiert und fällt senkrecht auf die Oberfläche des Objekts 11, das in einer entsprechenden Halterung 5 befestigt ist. Über einen Strahlteiler 3 wird das von der Oberfläche des Objekts 11 reflektierte Lichtbündel auf eine CCD-Kamera 8 gelenkt, die ein Kameraobjektiv 6 aufweist. Die mit der Kamera erfassten Bilder werden in einem Rechner 10 verarbeitet. Hierzu kann ein geeigneter Auswertealgorithmus eingesetzt werden, der einerseits die Referenzpunkte in den aufgezeichneten Bildern identifiziert und andererseits aus der Verschiebung dieser Referenzpunkte in den jeweiligen Bildern die Topographie der Oberfläche gemäß den obigen Gleichungen berechnet. Der Rechner ist mit einem Controller 9 verbunden, der in diesem Beispiel den motorisierten Halter 7 für das Kameraobjektiv 6 ansteuert. Die Ansteuerung erfolgt derart, dass für eine Vermessung der Oberfläche des Objekts 11 der Fokus des Kameraobjektivs 6 verändert wird, um mindestens zwei Bilder bei mindestens zwei unterschiedlichen Fokuseinstellungen zu erfassen. Die beiden Bilder werden dann mit den jeweiligen, aus den unterschiedlichen Fokuseinstellungen bekannten Parametern L1 und L2 ausgewertet und die lokalen Neigungswinkel der Oberfläche ermittelt. Daraufhin wird eine eventuelle systematische Verkippung der Objektoberfläche aus den Daten eliminiert. Anschließend wird die Topographie der Oberfläche aus den korrigierten Daten berechnet. Dies erfolgt durch das im Rechner eingesetzte Auswerteprogramm. 6 schematically shows an example of an arrangement for carrying out the proposed method. This is done with a light source 1 , For example, an LED or an LED array, the structure of a mask 2 on the surface of the object 11 projected. That from the light source 1 emitted light beam is in this case via a collimator mirror 4 collides and falls perpendicular to the surface of the object 11 that in a corresponding holder 5 is attached. Via a beam splitter 3 This will be the surface of the object 11 reflected light bundles on a CCD camera 8th directed a camera lens 6 having. The images captured with the camera are stored in a computer 10 processed. For this purpose, a suitable evaluation algorithm can be used which on the one hand identifies the reference points in the recorded images and on the other hand calculates the topography of the surface from the displacement of these reference points in the respective images according to the above equations. The calculator is with a controller 9 connected, in this example, the motorized holder 7 for the camera lens 6 controls. The control is carried out such that for a measurement of the surface of the object 11 the focus of the camera lens 6 is changed to capture at least two images at at least two different focus settings. The two images are then evaluated with the respective parameters L 1 and L 2 known from the different focus settings and the local inclination angles of the surface are determined. Thereupon a possible systematic tilting of the object surface from the data is eliminated. Subsequently, the topography of the surface is calculated from the corrected data. This is done by the evaluation program used in the computer.

In einer alternativen Vorgehensweise wird die Objekthalterung 5 zur Verschiebung der Probe entlang des Lichtbündels angesteuert. Auch hier werden mindestens zwei Bilder mit verschiedenen Abständen der Oberfläche zur Kamera 8 erfasst. Die zwei Bilder werden auch hier in gleicher Weise ausgewertet, wie dies bereits in Verbindung mit der Änderung der Fokuseinstellungen des Kameraobjektivs erläutert wurde.In an alternative approach, the object holder becomes 5 controlled to shift the sample along the light beam. Again, at least two images with different distances of the surface to the camera 8th detected. The two images are also evaluated here in the same way as has already been explained in connection with the change of the focus settings of the camera lens.

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 5 eine definierte Verkippung des Objekts ermöglichen. Eine derartige schrittweise Verkippung der Objekthalterung 5 führt zu einer systematischen Verschiebung der Punkte der Lichtstrahlen bzw. der Referenzpunkte in der Erfassungsebene. Diese Verschiebung in den beiden Bildern wird in der gleichen Weise ausgewertet wie bei der Erfassung der Bilder mit unterschiedlichen Abständen. Es sind entsprechend kleine Verkippungen der Oberfläche des Objekts notwendig, da ansonsten kein vollständiges Bild erfasst wird. Die Verschiebung der Punkte der Lichtstrahlen bzw. Referenzpunkte in der Erfassungsebene ist deutlich geringer als bei der ersten Verfahrensalternative. Eine motorisch gesteuerte Änderung des Fokus des Fokusobjektivs sowie der Controller 9 sind hierbei nicht erforderlich. 7 zeigt schematisch die Verhältnisse bei der Aufzeichnung der beiden Bilder bei gleichem Abstand L1 aber unterschiedlicher Verkippung der Oberfläche des Objekts.Such an arrangement can also be used in a further procedure in which the surface of the object is tilted step by step, whereby at least two images at different angles of inclination, for example inclination angle α 1 and inclination angle α 2 (where α 1 or α 2 can also be 0) ) to be recorded. For this, the object holder must 5 allow a defined tilt of the object. Such a gradual tilting of the object holder 5 leads to a systematic shift of the points of the light beams or the reference points in the detection plane. This shift in the two images is evaluated in the same way as when capturing the images at different distances. Correspondingly small tilting of the surface of the object is necessary since otherwise no complete image is detected. The shift of the points of the light beams or reference points in the detection plane is significantly lower than in the first alternative method. A motor-driven change in the focus of the focus lens and the controller 9 are not required here. 7 schematically shows the conditions in the recording of the two images at the same distance L 1 but different tilting of the surface of the object.

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)

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. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das projizierte Muster Referenzpunkte (25) aufweist und die Topographie aus einer relativen Verschiebung der Referenzpunkte (25) des Musters in den Bildern (26, 27a, 27b) bestimmt wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the projected pattern has reference points (25) and the topography is determined from a relative displacement of the reference points (25) of the pattern in the images (26, 27a, 27b). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine unerwünschte Neigung der Oberfläche (20) gegenüber der Ebene (24) durch den Vergleich der Bilder (26, 27a, 27b) ermittelt und bei der Bestimmung der Topographie herausgerechnet wird.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that an undesired inclination of the surface (20) relative to the plane (24) by the comparison of the images (26, 27a, 27b) is determined and excluded in the determination of the topography.
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