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Die Erfindung betrifft ein Weißlicht-Interferenzmikroskop zur Bestimmung einer Oberflächentopographie eines Messobjekts.
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Interferenzmikroskope ermöglichen eine dreidimensionale Erfassung der Oberflächenstruktur eines Messobjekts auf einer mikroskopischen Größenskala. Die Kombination von Weißlicht zur Beleuchtung des Messobjekts und der interferometrischen Messmethode ermöglicht eine von der Messfeldgröße und der numerischen Apertur des verwendeten Objektivs unabhängige Höhenauflösung im Nanometerbereich.
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Ein Nachteil bekannter Weißlicht-Interferenzmikroskope ist das Auftreten von beugungsbedingten Artefakten, zum Beispiel bei gestuften Messobjekten („Batwings”).
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Weißlicht-Interferenzmikroskop zu schaffen, bei dem beugungsbedingte Artefakte reduziert sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Weißlicht-Interferenzmikroskop mit den im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmalen gelöst.
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Das Weißlicht-Interferenzmikroskop der eingangs genannten Art mit einem Beleuchtungsstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und dem Messobjekt und einem Abbildungsstrahlengang zwischen dem Messobjekt und einem Bildsensor zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Beleuchtungsstrahlengang ein Lateral-Scanelement angeordnet ist.
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Unter einem Lateral-Scanelement wird im Rahmen der Anmeldung jedes optische Element verstanden, durch das ein lateral veränderbares Beleuchtungsmuster im Beleuchtungsstrahlengang erzeugt werden kann, über das die Oberfläche des Messobjekts abgetastet (gescannt) werden kann. Das im Beleuchtungsstrahlengang angeordnete Lateral-Scanelement ermöglicht damit eine selektive Beleuchtung verschiedener Bereiche des Messobjekts. Bei entsprechend hoher lateraler Auflösung des Lateral-Scanelement kann zum einen die laterale Auflösung des Mikroskops verbessert werden und zum anderen können beugungsbedingte Artefakte an stufenförmigen Strukturen des Messobjekts verringert werden, da ein Überlagern von Interferenzmustern verschiedener Höhenplateaus des Messobjekts an Stufen bei entsprechend kleinem Beleuchtungsbereich verhindert wird. Das Lateral-Scanelement ermöglicht somit eine Art konfokaler Beleuchtung des Messobjekts.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Weißlicht-Interferenzmikroskops ist das Lateral-Scanelement eine Mikrospiegelanordnung mit einer Vielzahl von kippbaren Mikrospiegeln. Eine solche Mikrospiegelanordnung zeichnet sich durch kurze Ansprechzeiten und hohe Kontraste im Bildmuster aus. Da die Mikrospiegel einer solchen Mikrospiegelanordnung individuell angesteuert werden können, kann ein beliebiges Beleuchtungsmuster erzeugt werden. Neben eindimensionalen Beleuchtungspunkten oder -flecken wie bei einer Lochblende (Pinhole-Blende), sind auch Beleuchtungsmuster in Form von Linien oder mit komplexerer Struktur möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Weißlicht-Interferenzmikroskops ist das Lateral-Scanelement ein LCD(Liquid Crystal Display)- oder LCoS(Liquid Crystal on Silicon)-Element. Abgesehen von dem erzielbaren Bildkontrast sind mit diesen Elementen ähnliche Vorteile verbunden wie mit der Mikrospiegelanordnung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Weißlicht-Interferenzmikroskops ist das Lateral-Scanelement eine Nipkow-Scheibe. Auch diese ermöglicht eine lateral selektive Beleuchtung und ein Abtasten des Messobjekts.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Weißlicht-Interferenzmikroskop ein Schwarzschild-Objektiv in einer Mirau-Interferenzanordnung auf. Das Schwarzschild-Objektiv ist als reflektives Objektiv frei von Dispersionseffekten und dadurch bedingten Farbfehlern (chromatischen Aberrationen). Dabei kann ein Referenzspiegels der Mirau-Interferenzanordnung vorteilhaft in dem bei einem Schwarzschild-Objektiv prinzipbedingt vorhandenen „blinden” Bereich auf der optischen Achse des Objektivs positioniert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Weißlicht-Interferenzmikroskops verläuft neben dem Beleuchtungsstrahlengang auch der Abbildungsstrahlengang über das Lateral-Scanelement. Auf diese Weise wird nicht nur eine auf bestimmte Bereiche eingeschränkte Beleuchtung des Messobjekts über das Lateral-Scanelement erreicht, sondern auch eine selektive Abbildung dieses Bereiches auf den Bildsensor, beispielsweise einen flächigen Sensor mit einer Pixelmatrix wie z. B. einen CCD(Charge Coupled Device)-Sensor. Entsprechend ist sowohl die Beleuchtung des Messobjekts, als auch seine Abbildung konfokal ausgestaltet, wodurch sich die Lateralauflösung erhöht, als auch Beugungsartefakte in der Abbildung auf noch wirksamere Weise unterdrückt werden.
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Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von drei Figuren näher erläutert.
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Die Figuren zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Weißlicht-Interferenzmikroskops,
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Weißlicht-Interferenzmikroskops und
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Weißlicht-Interferenzmikroskops.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Weißlicht-Interferenzmikroskops zur Abbildung eines Messobjekts 1 in einer schematischen Darstellung in einem Schnitt in der optischen Ebene. Das Messobjekt 1 ist dabei auf einem hier nicht dargestellten Objektträger angeordnet, der zur Positionierung des Messobjekts und Auswahl eines vom Mikroskop darzustellenden Bereichs des Messobjekts 1 bevorzugt als xy-Kreuztisch ausgebildet ist. Gegebenenfalls kann auch eine senkrecht dazu, also in einer z-Richtung, erfolgende Einstellmöglichkeit des Objektträgers zur Fokus-Grobeinstellung vorgesehen sein. In z-Richtung beabstandet vom Messobjekt 1 ist ein Objektiv 10 angeordnet, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Mirau-Objektiv ausgebildet ist und eine Linse 11, einen teildurchlässigen Spiegel 12 und einen Referenzspiegel 13 aufweist. Anstelle der aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur dargestellten einzelnen Linse 11 kann auch eine Anordnung mehrerer Linsen bei dem Objektiv 10 eingesetzt werden. Das Objektiv 10 wird von einem Objektivhalter getragen, der mit einem Piezo-Antrieb 20 verbunden ist. Der Piezo-Antrieb 20 ermöglicht eine Feineinstellung der z-Position des Objektivs 10.
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Aufgrund der Ausgestaltung gemäß einer Mirau-Interferenzanordnung dient das Objektiv 10 in diesem Ausführungsbeispiel nicht nur der vergrößernden Abbildung des Messobjekts 1, sondern stellt auch gleichzeitig eine Interferenzanordnung des Interferenzmikroskops dar. Ein erster optischer Pfad verläuft dabei zwischen dem teildurchlässigen Spiegel 12 und dem Referenzspiegel 13. Die optische Weglänge dieses ersten Pfades ist durch den festen Abstand der beiden Elemente festgelegt. Ein zweiter optischer Pfad verläuft zwischen dem teildurchlässigen Spiegel 12 und der Oberfläche des Messobjekts 1, wobei die optische Weglänge dieses zweiten Pfades über den Piezo-Antrieb 20 variiert werden kann. Zur Illustration des Strahlengangs sind in der 1 beispielhaft ein Mittelpunktsstrahl 2 entlang der optischen Achse als strich-punktierte Linie eingezeichnet und zwei beispielhafte Randstrahlen 3 als gestrichelte Linien.
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Im dargestellten Beispiel erfolgt die Variation der optischen Weglänge zwischen den beiden optischen Pfaden durch den Piezo-Antrieb 20, der das Objektiv 10 relativ zum Messobjekt 1 in z-Richtung bewegt. Alternativ kann auch das Messobjekt 1 relativ zum Mikroskop oder das gesamte Mikroskop relativ zum Messobjekt 1 bewegt werden.
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Das Objektiv 10 ist so ausgelegt, dass es ein Abbild des Messobjekts 1 auf unendlich abbildet, so dass die Strahlen 2, 3 folglich in Abbildungsrichtung hinter dem Objektiv 10 als paralleles Strahlenbündel austreten. Im Strahlengang ist eine Tubuslinse 30 angeordnet, die die Strahlen 2, 3 auf eine Zwischenbildebene 4 fokussiert.
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In dieser Zwischenbildebene 4 ist eine Mikrospiegelanordnung 40 als Lateral-Scanelement angeordnet. Diese zeichnet sich durch eine Vielzahl von Mikrospiegeln 41 aus, die in einem regelmäßigen zweidimensionalen Muster, bevorzugt einem quadratischen oder rechteckigen Muster, nebeneinander angeordnet sind. Solche Mikrospiegelanordnungen 40 werden auch als Mikrospiegelarray oder DMD(Digital Micro-Mirror Device)-Chip bezeichnet. Jeder einzelne der Mikrospiegel 41 kann elektrisch angesteuert in zumindest zwei verschiedene Kippstellungen gebracht werden.
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Die Mikrospiegelanordnung 40 ist so angeordnet, dass in einer Kippstellung, im Folgenden als aktive Kippstellung eines Mikrospiegels 41 bezeichnet, ein vom Messobjekt 1 kommender, über das Objektiv 10 und die Tubuslinse 30 abgebildeter Lichtstrahl innerhalb des Mikroskops in einem Abbildungsstrahlengang weiter geführt wird. Inder (oder jeder) anderen Kippstellung wird ein vom Messobjekt 1 kommender, über das Objektiv 10 und die Tubuslinse 30 abgebildeter Lichtstrahl so reflektiert, dass er nicht mehr Teil des Abbildungsstrahlengangs ist.
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Der in 1 eingezeichnete Strahlengang entspricht solchen Strahlen, die von einem Mikrospiegel 41 in aktiver Kippstellung reflektiert werden. Diese Strahlen werden über einen Spiegel 50 auf eine Zwischenbildlinse 60 reflektiert, die sie auf eine Bildebene eines Bildsensors 90 fokussiert. Der Bildsensor 90 ist weist eine flächige Pixelmatrix auf und ist beispielsweise ein CCD-Sensor. Der Spiegel 50 ist im Hinblick auf die optische Funktion des Interferenzmikroskops optional. Er dient einer Faltung des Strahlengangs und macht eine kompaktere Bauform des Interferenzmikroskops möglich.
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Zwischen der Zwischenbildlinse 60 und dem Bildsensor 90 ist ein Strahlteiler 70 angeordnet. Neben dem Strahlteiler 70 befindet sich eine Lichtquelle 80, die eine Weißlicht-LED (Light Emitting Diode) 81 und eine vor diese vorgesetzte Streuscheibe 82 umfasst. Die Streuscheibe 82 befindet sich dabei im Wesentlichen im gleichen optischen Abstand von der Zwischenbildlinse 60 wie der Bildsensor 90. Von der Weißlicht-LED 81 abgegebenes und von der Streuscheibe 82 gestreutes Licht wird somit über den Strahlteiler 70 und alle zuvor im Zusammenhang mit der Beschreibung des Abbildungsstrahlengangs beschriebenen optischen Elemente auf das Messobjekt 1 abgebildet. Insbesondere verläuft der Strahlengang zur Beleuchtung des Messobjekts 1 ebenfalls über die Mikrospiegelanordnung 40. Nur Mikrospiegel 41 in der aktiven Kippstellung reflektieren Lichtstrahlen der Lichtquelle 80 folglich auf das Messobjekt 1.
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Befinden sich alle Mikrospiegel 41 der Mikrospiegelanordnung 40 in der aktiven Position, erfolgt von der Beleuchtungsanordnung 80 eine vollflächige Ausleuchtung des von dem Bildsensor 90 des Mikroskops aufgenommenen Ausschnitts des Messobjekts 1. In diesem Fall kann das dargestellte Weißlicht-Interferenzmikroskop in bekannter Weise zur Aufnahme eines zweidimensionalen Interferenzmusters eingesetzt werden, wobei jedem Bildelement (Pixel) des Bildsensors 90 ein Bereich auf dem Messobjekt 1 entspricht. Durch eine Variation der z-Position des Objektivs 10 durch den Piezo-Antrieb 20 wird das zweidimensionale Interferenzmuster moduliert, wobei in bekannter Weise aus den Maxima und Minima bei der Modulation des Interferenzmusters die Höhenstruktur der Oberfläche des Messobjekts 1 abgeleitet werden kann.
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Wenn sich dagegen nur einer der Mikrospiegel 41 der Mikrospiegelanordnung 40 in der aktiven Kippstellung befindet, erfolgt eine selektive Beleuchtung nur eines kleinen Ausschnitts des abgebildeten Bereichs des Messobjekts 1 und auch eine Abbildung nur dieses beleuchteten Bereichs auf den Bildsensor 90. Somit ergibt sich eine doppelt konfokale Messanordnung: Sowohl die Ausleuchtung des Messobjekts 1 als auch die Abbildung des Messobjekts 1 auf den Bildsensor 90 sind auf einen Bereich des Messobjekts 1 beschränkt, der der Größe eines Mikrospiegels 41 in der Zwischenbildebene 4 entspricht.
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Die Mikrospiegel 41 können unabhängig voneinander gekippt werden. Dabei ist auch ein gleichzeitiges Kippen mehrerer Mikrospiegel 41 möglich, wodurch ein beliebiges Beleuchtungsmuster auf das Messobjekt 1 projiziert werden kann. Die Oberfläche kann beispielsweise mit einem linienförmigen Beleuchtungsmuster beleuchtet werden, wobei die Linien entlang beliebiger Richtungen in der xy-Ebene verlaufen können. Ein Abtasten (scannen) der Oberfläche des Messobjekts 1 kann mit unterschiedlichen Beleuchtungsmustern erfolgen, wobei diese gegebenenfalls auch vorteilhaft kombiniert werden können, um eine möglichst artefaktfreie Abbildung innerhalb einer kurzen Messzeit zu erhalten. Beispielsweise können nacheinander zwei Abbildungen durch Abtasten des Messobjekts 1 mit linienförmigen Beleuchtungsmustern erfolgen, wobei zwei unterschiedlich ausgerichtete Linien eingesetzt werden, die vorteilhaft um 90° gedreht sind. In einem Vergleich der sich so ergebenden unterschiedlichen Abbildungen des Messobjekts können Bereiche identifiziert werden, in denen Artefakte aufgrund von Stufen auf dem Messobjekt 1 zu erwarten sind. Diese Bereiche können daraufhin in einem nachfolgenden durch Abtasten des Messobjekts 1 mit einem punktförmigen Beleuchtungsmuster erneut artefaktarm abgebildet werden.
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2 zeigt in gleicher Weise wie 1 eine schematische Darstellung eines Weißlicht-Interferenzmikroskops in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser Figur gleiche oder gleich wirkende Elemente wie in 1.
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Das Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich von dem der 1 darin, dass eine reflektive Optik eingesetzt wird. Das Objektiv 10 ist dazu in einer Kombination eines Schwarzschildobjektivs und einer Mirau-Interferenzanordnung ausgeführt. Die Funktion der Linse 11 aus dem Ausführungsbeispiel der 1 übernimmt hier eine Kombination aus einem konkaven Objektivspiegel 14 und einem konvexen Objektivspiegel 15. Gemäß der bekannten Schwarzschildanordnung ist der konkave Objektivspiegel 14 mit einer Öffnung um seine optische Achse versehen, deren Durchmesser dem auf der optischen Achse angeordneten konvexen Objektivspiegel 15 entspricht. Die Nutzung der beiden Objektivspiegel 14, 15 anstelle einer oder mehrerer Linsen, also der Einsatz reflektiver Elemente anstelle von transmissiven Elementen verhindert das Auftreten von Dispersioneffekten, z. B. von chromatischer Aberration.
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Auf der Rückseite, d. h. der konvexen Oberfläche gegenüberliegenden Seite des konvexen Objektivspiegel 15 ist ein. Referenzspiegel 13 als Teil der Mirau-Interferenzanordnung positioniert. Beabstandet vom Referenzspiegel 13 ist entsprechend ein teildurchlässiger Spiegel 12 zur Vervollständigung der Mirau-Interferenzanordnung vorgesehen. Der teildurchlässige Spiegel 12 ist bevorzugt als Folienstrahlteiler ausgeführt, um eine längere optische Wegstrecke innerhalb eines Materials zu vermeiden. Farbfehler aufgrund von Dispersionseffekten beim Durchgang des Lichts durch das Material des teildurchlässigen Spiegels 12 werden auf diese Weise minimiert.
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Aus dem gleichen Grund ist das Objektiv 10, insbesondere der konkave und der konvexe Objektivspiegel 14, 15, so ausgelegt, dass eine Abbildung auf eine Zwischenbildebene 4 erfolgt, ohne dass eine zusätzliche Tubuslinse, wie die Tubuslinse 30 in dem ersten Ausführungsbeispiel der 1, erforderlich wäre.
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In der Zwischenbildebene 4 ist wiederum eine Mikrospiegelanordnung 40 mit kippbaren Mikrospiegeln 41 angeordnet. Bezüglich der Ausgestaltung und der Funktion der Mikrospiegelanordnung 40 wird auf das Ausführungsbeispiel der 1 verwiesen. Der Mikrospiegelanordnung 40 ist im Strahlengang nachgeordnet ein Spiegel 50 vorgesehen, der eine besonders kompakte Bauform des Interferenzmikroskops erlaubt, im Hinblick auf seine optische Funktion aber optional ist.
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Ebenfalls zur Verminderung von Farbfehlern wird anstelle der Zwischenbildlinse 60, wie sie im Ausführungsbeispiel der 1 vorhanden ist, ein Konkavspiegel 61 zur Abbildung der Strahlen 2, 3 auf den Bildsensor 90 eingesetzt.
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Zwischen dem Konkavspiegel 61 und dem Bildsensor 90 ist ein Strahlteiler 70 angeordnet, der wie im ersten Ausführungsbeispiel als Teil der Beleuchtungsanordnung das von der Weißlicht-LED 81 emittierte und von der Streuscheibe 82 gestreute Licht über den Spiegel 50, die Mikrospiegelanordnung 41 und das Objektiv 10 auf das Messobjekt 1 abbildet. Der Strahlteiler 70 ist aus den im Zusammenhang mit dem teildurchlässigen. Spiegel 12 genannten Gründen wiederum als Folienstrahlteiler ausgestaltet.
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Wie beim Ausführungsbeispiel der 1 erfolgt bei der hier dargestellten Anordnung sowohl eine Beleuchtung des Messobjekts 1 als auch eine Abbildung des Messobjekts 1 auf den Bildsensor 90 über die in der Zwischenbildebene 4 angeordnete Mikrospiegelanordnung 40. Wiederum ergibt sich die Möglichkeit einer doppelt konfokalen Beleuchtung bzw. Abbildung des Messobjekts 1.
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3 zeigt, wiederum in gleicher Weise wie die 1 und 2, eine schematische Darstellung eines Weißlicht-Interferenzmikroskops in einem dritten Ausführungsbeispiel. Auch hier kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente wie in den zuvor beschriebenen Figuren.
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Wie beim Ausführungsbeispiel der 2 ist auch hier eine reflektive Optik eingesetzt, mit einem Objektiv 10, das im Wesentlichen ein Schwarzschildobjektiv in einer Mirau-Interferenzanordnung ist.
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Zur Beleuchtung des Messobjekts 1 wird eine Lichtquelle 80 mit einer Weißlicht-LED 81 eingesetzt, wobei integriert in die Weißlicht-LED 81 eine Optik vorgesehen ist, die die strahlende Fläche der LED auf die Mikrospiegelanordnung 40 abbildet. Die Mikrospiegel-Anordnung 40 befindet sich wiederum in einer Zwischenbildebene des Objektivs 10. Auf diese Weise kann, wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, das Messobjekt 1 über die Ansteuerung der einzeln kippbaren Mikrospiegel 41 der Mikrospiegelanordnung 40 lateral selektiv beleuchtet werden.
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Im Beleuchtungsstrahlengang befindet sich zwischen der Mikrospiegelanordnung 40 und dem Objektiv 10 ein Strahlteiler 70, der zur Vermeidung von Farbfehlern als Folienstrahlteiler ausgeführt ist. Im Abbildungsstrahlengang reflektiert der Strahlteiler 70 von dem Messobjekt 1 über das Objektiv 10 kommendes Licht auf den Bildsensor 90, der in gleichem Abstand vom Strahlteiler 70 angeordnet ist wie die Mikrospiegelanordnung 40. Der Bildsensor 90 ist damit in einer Zwischenbildebene des Abbildungsstrahlengangs positioniert.
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Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel die Beleuchtung des Messobjekts 1 über die Mikrospiegelanordnung 40 als Lateral-Scanelement, nicht dagegen die Abbildung des Messobjekts 1 auf den Bildsensor 90. Somit liegt hier eine einfachkonfokale Messanordnung vor.
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In den zuvor dargestellten Ausführungsbeispielen des Weißlicht-Interferenzmikroskops wird als Interferenzanordnung ein Mirau-Objektiv eingesetzt. Alternativ können andere bekannte Interferenzanordnungen eingesetzt werden, beispielsweise ein Michelson-Interferometer oder eine Linnik-Interferenzanordnung unter Einsatz von zwei Objektiven.
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In weiteren alternativen Ausgestaltungen können andere Lateral-Scanelemente benutzt werden, als die in den dargestellten Ausführungsbeispielen eingesetzte Mikrospiegelanordnung. Ein alternatives Lateral-Scanelement, das wie die Mikrospiegelanordnung reflektiv arbeitet, ist beispielsweise durch ein LCoS-Element gegeben. Alternativ kann auch ein transmissiv arbeitendes Lateral-Scanelement eingesetzt werden, zum Beispiel ein LCD-Element oder eine Nipkow-Scheibe.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messobjekt
- 2
- Mittelpunktsstrahl
- 3
- Randstrahl
- 4
- Zwischenbildebene
- 10
- Objektiv
- 11
- Linse
- 12
- teildurchlässiger Spiegel
- 13
- Referenzspiegel
- 14
- konkaver Objektivspiegel
- 15
- konvexer Objektivspiegel
- 20
- Piezo-Antrieb
- 30
- Tubuslinse
- 40
- Mikrospiegelanordnung
- 41
- Mikrospiegel
- 50
- Spiegel
- 60
- Zwischenbildlinse
- 61
- Konkavspiegel
- 70
- Strahlteiler
- 80
- Lichtquelle
- 81
- Weißlicht-LED
- 82
- Streuscheibe
- 90
- Bildsensor
