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Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur berührungslosen Vermessung eines Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objekts, wobei mindestens eine Kamera zur Erfassung eines mit wenigstens einer Lichtquelle linienförmig beleuchteten Bereichs des Objekts angeordnet ist. Die Erfindung ist insbesondere zur hochauflösenden Oberflächenanalyse an kleinen Objekten und an ausgewählten Objektbereichen, insbesondere Kantenbereichen, z. B. von Wafern, geeignet.
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Für die hochgenaue Vermessung von Objektprofilen haben sich zunehmend berührungslose Messverfahren durchgesetzt. Einen hervorragenden Platz nimmt dabei das Lichtschnittverfahren ein, bei dem ein Linienprojektor eine möglichst schmale Lichtlinie auf die Oberfläche eines Objekts projiziert. Die Projektion der Lichtlinie auf der Objektoberfläche wird mit einem Bildsensor, der unter einem bekannten Winkel (Triangulationsprinzip) auf den Bereich der Linienprojektion gerichtet ist, aufgenommen. Anhand der projizierten Lichtlinie kann der dreidimensionale Verlauf der Objektoberfläche aufgenommen und die genauen Abmessungen des Höhenprofils des Objekts berechnet werden.
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Eine Oberflächenerfassung mittels des Lichtschnittverfahrens ist in der Offenlegungsschrift
DE 100 64 289 A1 beschrieben. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit, insbesondere an größeren Messobjekten die ein ungünstiges Verhältnis zwischen einer großen Länge der Lichtlinie und einem kleinen zu detektierenden Höhenunterschied auf der Objektoberfläche aufweisen, wird hier eine Optik mit in horizontaler und vertikaler Richtung unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben verwendet, sodass eine Streckung bzw. Stauchung des Bildbereichs zur Verbesserung des Abbildungsverhältnisses erfolgen kann. Es ist anzunehmen, dass zum Erreichen eines mit wenigen optischen Fehlern behafteten optischen Aufbaus ein entsprechender Aufwand erforderlich ist, der dazu auch nur bei größeren zu vermessenden Objekten sinnvoll erscheint. Zur hochgenauen Vermessung kleinerer Objekte oder Objektabschnitte erscheint dieses Vorgehen nicht praktikabel.
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Des Weiteren ist aus der
DD 286 664 A5 ein Verfahren zur optischen Profilabtastung von Schweißnahtfugen bekannt geworden, das nach dem üblichen Lichtschnittprinzip arbeitet, wobei wenigstens zwei Lichtstreifen nacheinander erzeugt und mit ein und derselben Aufnahmeeinrichtung aufgenommen werden. Nachteile ergeben sich vor allem bei der Verknüpfung der beiden nicht zeitgleich aufgenommenen Bilder aufgrund der notwendigen Normierung und Skalierung.
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Eine Vorrichtung zur Bewertung von Defekten im Randbereich eines Wafers ist in der
DE 10 2007 024 525 A1 beschrieben. Für die automatisch durchführbare Bewertung sind drei Kameras vorgesehen, die die jeweiligen Oberflächen im Randbereich des Wafers separat in einer Hellfeldanordnung abbilden. Problematisch ist bei der Vollbilderfassung die objektive Defektbewertung und deren hinreichend genaue Ortsauflösung.
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Die
DE 10 2004 057 092 A1 offenbart eine Einrichtung zum Erfassen des Durchmessers oder der Querschnittsform von stabförmigen Artikeln der Tabak verarbeitenden Industrie, bei der mehr als drei Lichtquellen linienförmiges Licht aussenden und zu jeder Lichtquelle genau ein Sensor zur Aufnahme des von der Artikeloberfläche rückgestreuten Lichts vorhanden ist. Dabei erfolgt die Erfassung und Vermessung der Oberfläche nach dem Prinzip der Triangulation unter Verwendung schräg angeordneter PSD-Sensoren. Nachteilig ist der Aufwand zur Aufnahme und rechentechnischen Verknüpfung der Messsignale der positionssensitiven PSD-Arrays.
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In der
WO 92/08103 A1 ist eine Anordnung zur optoelektronischen Vermessung von Gegenständen beschrieben, bei der vier aufgeweitete Laserlichtquellen von verschiedenen Seiten auf einen Körper gerichtet werden, wobei die dadurch erzeugten Laserlinien jeweils separat von einer Kamera erfasst werden. Die Trennung der möglicherweise überlappenden Laserlinien erfolgt über unterschiedliche Filter vor den Kameras, sodass die polygonalen Einzelbilder der vier Kameras dann in einem Rechner zu einer Kontur des Körpers geeignet zusammengefügt werden. Nachteilig hierbei ist die Notwendigkeit einer Normierung bzw. Skalierung der Abbildungen der Laserlinien sowie der Aufwand an Kameras.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur berührungslosen Vermessung eines Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objekts zu finden, die eine hohe Genauigkeit und eine hohe räumliche Auflösung gestattet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Messanordnung zur berührungslosen Vermessung eines Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objekts, wobei mindestens eine Kamera zur Erfassung eines mit Lichtquellen linienförmig beleuchteten Bereichs des Objekts angeordnet ist, dadurch gelöst, dass mindestens drei Lichtquellen in Form von Linienlasermodulen vorhanden sind, dass drei Linienlasermodule T-förmig zueinander angeordnete Strahlen aufweisen, deren Laserlinien koplanar in einer gemeinsamen Lichtebene eingestellt sind, sodass in der Lichtebene ein von drei Richtungen gespeister Lichtvorhang vorhanden ist, dass das Objekt mit einem zu vermessenden Oberflächenprofil in die Lichtebene eingeführt ist, sodass die Lichtebene für die Erzeugung einer des Oberflächenprofils des Objekts ausgebildet ist, und dass die mindestens eine Kamera zur Aufnahme von mittels der Lichtebene am Oberflächenprofil erzeugtem Streulicht mit einem in die Lichtebene fokussierten Objektiv ausgestattet ist und einen im Wesentlichen orthogonalen Beobachtungswinkel α im Bereich von 85°≤ α < 90° zur Lichtebene und zum mittleren der T-förmig angeordneten Lasermodule aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Messanordnung Linienlasermodule mit einer individuellen Leistungsregelung zur Beeinflussung der regionalen Lichtstärke in der Lichtebene auf.
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Zweckmäßig weisen die nahezu T-förmig zueinander angeordneten Strahlen der Linienlasermodule einen Winkel zueinander auf, der wie der Beobachtungswinkel α der zur Lichtebene und zum mittleren der T-förmig angeordneten Strahlen positionierten mindestens einen Kamera im Bereich von 85° ≤ α < 90° liegt.
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Weiterhin ist es zur Maximierung der Streulichtausbeute zweckmäßig, dass das Objektiv der mindestens einen Kamera einen in Abhängigkeit von der Oberflächenform des Objekts außerhalb der Lichtebene kleinstmöglichen Arbeitsabstand zu dem von einer zusammengesetzt projizierten Laserlinie beleuchteten Oberflächenprofil des Objekts aufweist und konfokal zu den Linienlasermodulen angeordnet ist.
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In einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind mehrere Kameras mit Mikroskopobjektiven zur Aufnahme des mittels der Laserlinien in der Lichtebene am Oberflächenprofil erzeugten Streulichts angeordnet, wobei alle Kameras zu den Linienlasermodulen im Bereich des in der Lichtebene beleuchteten Oberflächenprofils eine konfokale Anordnung aufweisen.
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In einer speziellen Ausführung sind bis zu vier Kameras mit Mikroskopobjektiven simultan eingesetzt, wobei die Kameras unter solchen Winkeln angeordnet sind, dass auch bei hochreflexiven Oberflächen direkte Reflexionen der Strahlen der Linienlasermodule am Oberflächenprofil des Objekts nicht in die jeweilige Eintrittsapertur der Kameras gelangen können.
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Vorteilhaft weisen die das Objekt beleuchtenden Linienlasermodule eine an den Schärfentiefenbereich des Objektivs angepasste Laserlinienbreite auf.
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Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses werden zweckmäßig auf die verwendete Laserwellenlänge der Linienlasermodule abgestimmte Linien-Interferenzfilter vor den Kameras eingesetzt. Es ist aber auch möglich, andere Filter oder Filterkombinationen zu verwenden, mit denen der Einfluss von Störquellen reduziert werden kann.
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In einer bevorzugten Realisierungsform der Erfindung handelt es sich bei dem zu analysierenden Oberflächenprofil um das Kantenprofil im peripheren Randbereich eines Halbleiter-Wafers.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
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1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Messanordnung in einer perspektivischen Ansicht und einer Draufsicht,
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2: eine schematische Darstellung der Messanordnung bei Verwendung von mehreren Kameras.
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Eine Messanordnung 1, die in 1 in einer perspektivischen Ansicht (obere Darstellung) und einer Draufsicht (untere Darstellung) gezeigt ist, besteht aus einer T-förmigen Anordnung dreier Linienlasermodule 2, die mit ihren linienförmig emittierten Strahlen 3 einen Lichtvorhang erzeugen, sowie einer ersten Kamera 7, die eine durch die Linienlasermodule 2 gemeinschaftlich beleuchtete Profillinie eines Objekts 5 aufnimmt. Dazu sind die Linienlasermodule 2 so angeordnet, dass zu einem ersten mittleren Linienlasermodul 2 zwei weitere Linienlasermodule 2 annähernd senkrecht ausgerichtet sind, sodass auf einen zentralen Raumbereich, in dem die Profilmessung stattfinden soll, die erzeugten linienförmigen Strahlen 3 aller Linienlasermodule 2 koplanar, d. h. in einer gemeinsamen Lichtebene 4 liegend, ausgerichtet sind. Ein Strahl 3 des mittleren der T-förmig angeordneten Linienlasermodule 2 wird dabei als ein Referenzstrahl betrachtet. Die Strahlen 3 der zwei weiteren Linienlasermodule 2 sind beidseitig zum Referenzstrahl orthogonal oder in einem leicht von 90° abweichenden Winkel angeordnet. Dadurch entsteht ein Lichtvorhang, der durch die linienförmigen Strahlen 3 aus drei unterschiedlichen Richtungen in der Lichtebene 4 aufgespannt wird.
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An dem in die Lichtebene 4 eingeführten Objekt 5, von dem ein signifikanter Bereich eines Objektquerschnitts, insbesondere ein Spitzen- oder Kantenbereich, vermessen werden soll, wird durch die Linienlasermodule 2 in der Lichtebene 4 eine Laserlinie auf ein Oberflächenprofil 6 projiziert, die ca. 20 μm breit und genau genommen aus drei einzelnen, ca. 90° zueinander versetzt koplanar eingestrahlten linienförmigen Strahlen 3 zusammengesetzt ist. Damit wird aus drei unabhängigen Raumrichtungen ein das zu vermessende Oberflächenprofil 6 von drei Seiten umschließender Lichtvorhang erzeugt, in den von einer vierten Richtung, die zur Richtung des Strahls 3 des ersten Linienlasermoduls 2 entgegengesetzt ist, das interessierende Oberflächenprofil 6 eintaucht.
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Die Messanordnung 1 ist prinzipiell für alle Objekte 5 geeignet, deren Oberflächenprofile 6 mindestens stückweise in den Lichtvorhang einführbar sind und keine stark ausgeprägten Hinterschneidungen aufweisen, die zu einer Abschattung des von der Laserlinie erzeugten Streulichts führen könnten.
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Eine von den Linienlasermodule 2 in der Lichtebene 4 gemeinschaftlich am Oberflächenprofil 6 beleuchtete Laserlinie erzeugt neben direkt reflektiertem Licht auch von der Objektoberfläche ausgehendes Streulicht. Ausschließlich dieses Streulicht wird mittels einer ersten Kamera 7 detektiert, die nahezu orthogonal zur Lichtebene 4 angeordnet ist und folglich kein direkt reflektiertes Licht des Oberflächenprofils 6 aufnehmen kann. Abgebildet wird dabei eine in der Lichtebene 4 durch Streulicht am Oberflächenprofil 6 des Objekts 5 erzeugte Profillinie, die infolge einer Bewegung des Objekts 5 durch den Lichtvorhang der Lichtebene 4 hindurch eine sukzessive Aufnahme des Oberflächenprofils 6, z. B. entlang eines Objektkantenbereichs, gestattet.
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Anstelle von Linienlasermodulen 2 können auch andere Lichtquellen verwendet werden, mit denen sich jeweils eine scharf abgegrenzte Linie mit einer Breite von maximal 20 μm und ausreichender Intensität auf dem Oberflächenprofil 6 des Objekts 5 erzeugen lässt.
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Durch eine individuelle Leistungsregelung der einzelnen Linienlasermodule 2 kann die regionale Stärke der resultierenden Laserlinie auf dem Objekt 5 in weiten Bereichen eingestellt werden, sodass sich für Ober- und Unterseite sowie Kantenfläche unterschiedliche Streulichtstärken erzielen lassen bzw. Helligkeitsunterschiede kompensiert werden können. Durch das Detektieren des Streulichts der Laserlinie kann, entsprechend dem Vorgehen bei bekannten Lichtschnittverfahren, eine vereinfachte Analyse des Oberflächenprofils 6 erreicht werden.
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In Abhängigkeit vom zu vermessenden Oberflächenprofil 6 besteht außerdem die Möglichkeit, auch mehr als drei in der Lichtebene 4 angeordnete Linienlasermodule 2 zur Erzeugung der Laserlinie zu verwenden. Dadurch kann eine weitere Steigerung der Intensität des Streulichts der resultierenden Laserlinie und, insbesondere bei unterschiedlichen scharfen Kanten im Oberflächenprofil 6, eine homogenere Laserlinie erreicht werden.
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Bei geometrisch besonders einfach gestalteten, den Strahl 3 gut streuenden Oberflächenprofilen 6 kann es auch ausreichend sein, das Oberflächenprofil 6 mit nur zwei oder auch mit nur einem entsprechend zum Oberflächenprofil 6 ausgerichteten Linienlasermodul 2 zu beleuchten, Um bei einem einzelnen Linienlasermodul 2 einen möglichst großen Bereich des Oberflächenprofils 6 zu beleuchten, entspricht dessen Position genau der Position des, bei drei verwendeten Linienlasermodulen 2 als Referenzstrahl verwendeten, mittleren Linienlasermoduls 2. Bei der Verwendung von zwei Linienlasermodulen 2 ist eine Anordnung sinnvoll, wie sie bei der für drei Linienlasermodule 2 beschriebenen Anordnung für die zwei weiteren Linienlasermodule 2 vorgesehen ist, wobei in diesem Fall die symmetrische Anordnung der zwei Linienlasermodule 2 in der Lichtebene 4 mit einem Winkel von etwa 90° zueinender erfolgt.
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Die Aufnahme des Streulichts der in der Lichtebene 4 von den Linienlasermodulen 2 erzeugten Laserlinie erfolgt über ein mit einer ersten Kamera 7 verbundenes Objektiv, dessen optische Achse 9 auf die am Objekt 5 durch den Referenzstrahl des mittleren Linienlasermoduls 2 erzeugten Laserlinie gerichtet und in einem Beobachtungswinkel α nahe 90° (Toleranz: –5°) zum Referenzstrahl und zur Lichtebene 4 angeordnet ist. Diese Anordnung aus Linienlasermodulen 2 und der ersten Kamera 7 bildet einen konfokalen mikroskopischen 3D-Lichtschnittsensor und gestattet von den meisten Oberflächenbereichen eine nahezu verzeichnungsfreie Darstellung des kompletten Oberflächenprofils 6 in einer einzigen Aufnahme des Streulichts, ohne dass eine Überlagerung von Aufnahmen weiterer räumlich verteilter Kameras benötigt wird. Unter konfokaler Anordnung soll hier verstanden werden, dass sich die auf das Oberflächenprofil 6 des Objekts 5 geworfenen Laserlinien jeweils im gewählten Arbeitsabstand innerhalb des Schärfentiefenbereichs des Objektivs der ersten Kamera 7 befinden.
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Als für die verwendeten Objektive (Mikroobjektive) besonders vorteilhaft kann ein Beobachtungswinkel α von 88° zwischen optischer Achse 9 des Objektivs der ersten Kamera 7 und der Lichtebene 4 angesehen werden, da unter diesem Beobachtungswinkel α störende Lichtreflexe weitestgehend ausgeschlossen werden können.
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Die erste Kamera 7 ist zu den Linienlasermodulen 2 bezüglich der durch die Lichtebene 4 am Oberflächenprofil 6 erzeugten Laserlinie konfokal angeordnet. Der durch die Linienlasermodule 2 gemeinschaftlich erzeugte Lichtvorhang weist dabei eine an die Schärfentiefe des Objektivs der ersten Kamera 7 angepasste Breite auf. Durch einen kurzen Arbeitsabstand der ersten Kamera 7 kann eine hohe Streulichtausbeute erreicht werden. Die Beschränkung des Abbildungsbereichs auf den Bereich der Schärfentiefe des Objektivs bzw. die beim Lichtschnittverfahren prinzipbedingte Beschränkung des Bilderfassungsbereichs auf den von der Laserlinie beleuchteten, nur ca. 20 μm breiten, beleuchteten Bereich des Objekts 5 schließt den Einfluss von Fremdlicht weitestgehend aus und gewährleistet zusammen mit dem Auflösungsvermögen der ersten Kamera 7 (Objektiv und Kamerachip) das hohe räumliche Auflösungsvermögen der Messanordnung.
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Durch die Verwendung spezieller Mikroskopobjektive (z. B. ZEISS EPIPLANNEOFLUAR), bei denen durch eine kompakte Bauform kürzestmögliche Arbeitsabstände erreicht werden, lässt sich die Streulichtausbeute weiter maximieren. Mit diesen Mikroskopobjektiven kann ein Bilderfassungsbereich mit einem Durchmesser von etwa 100 bis 1000 μm abgedeckt werden.
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Durch die kompakte Bauform können mit den Mikroskopobjektiven außerdem bis zu drei weitere Kameras 8a, 8b, ... simultan zur ersten Kamera 7 eingesetzt werden, die bei besonders ausgeformten Oberflächenprofilen 6 eine Aufnahme des Streulichts aus unterschiedlichen Perspektiven ermöglichen. Eine solche Ausführung der Erfindung ist in 2 mit zwei weiteren Kameras 8a und 8b gezeigt, wobei die Kameras 8a und 8b ebenfalls lateral zur Lichtebene 4 und annähernd orthogonal zum mittleren Linienlasermodul 2 angeordnet sind. Im Unterschied zur ersten Kamera 7 sind diese aber oberhalb und unterhalb eines Kantenverlaufs vom zu vermessenden Oberflächenprofil 6 des Objekts 5 angebracht. Dadurch ist eine weitere Verkürzung des Arbeitsabstandes im Vergleich zur ersten Kamera 7 möglich.
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Durch die sich überlappenden Bilderfassungsbereiche der ersten Kamera 7 und der weiteren Kameras 8a und 8b kann die aus den drei linienförmig emittierten Strahlen 3 erzeugte Laserlinie separat in mehreren Teilbereichen aufgenommen und die erzeugten Einzelaufnahmen der Laserlinie durch Überlagerung zu einem optimalen Bild kombiniert werden. Dazu wird zunächst die Verzeichnung, die sich aus dem bekannten Erfassungswinkel der weiteren Kameras 8a, 8b, ... in Relation zur ersten Kamera 7 ergibt, mathematisch korrigiert und anschließend die einzeln aufgenommenen und korrigierten Linienanteile mittels eines Algorithmus zur Profillinie kombiniert. Bei der Untersuchung des Oberflächenprofils 6 eines Randbereichs eines dünnen, flächig ausgedehnten Objekts 5, kann die in der Ebene des Objekts 5 angeordnete erste Kamera 7 nicht in jedem Fall (z. B. bei Hinterschneidungen) die Ober- und Unterseite des Objekts 5 erfassen. Hier erweist sich z. B. die Anordnung von zwei weiteren Kameras 8a und 8b, die jeweils unter einem Erfassungswinkel von 45° zur Ober- und Unterseite des Objekts 5 auf die Laserlinie gerichtet sind, als sinnvolle Ergänzung zur ersten Kamera 7.
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In einer bevorzugten Ausführung der Messanordnung 1 werden zur Erzeugung der Lichtebene 4 Linienlasermodule 2 mit kurzen Wellenlängen (z. B. 405 nm) verwendet, um dadurch eine höhere Streuintensität und somit eine bessere Streulichtausbeute bei der Erfassung des Streulichts zu erreichen.
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Durch die Verwendung von HDR-Kameras mit hohem Dynamikumfang (HDR = High Dynamic Range) kann eine deutliche Erweiterung des Spektrums an zu vermessenden Objekten 5, z. B. Objekte 5 mit spiegelnden Oberflächen, erreicht werden. Außerdem kann mit den HDR-Kameras die Erfassung von stark streuenden Störstellen, wie beispielweise Partikeln oder Defekten, nochmals verbessert werden.
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Durch den Einsatz von auf die Laserwellenlänge abgestimmten Linieninterferenzfiltern kann die eine Einwirkung von Fremdlicht (Tageslicht, Raumbeleuchtung) noch weiter vermindert werden, wodurch sich das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Erfassung des von der Laserlinie ausgehenden Streulichts verbessern lässt.
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Zur Kompensation des Telezentriefehlers der Mikroskopobjektive der Kameras 7, 8a und 8b wird vorzugsweise ein rechtwinkliges Kalibriernormal verwendet. Dazu wird ein Bild des Kalibriernormals aufgenommen und die Abweichung des rechten Winkels ermittelt. Aus dieser Abweichung kann ein Korrekturfaktor gebildet werden, mit dem der Telezentriefehler des jeweiligen Mikroskopobjektivs in linearer Näherung kompensiert werden kann.
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Ferner ist für die Mikroskopobjektive eine Kalibrierfunktion vorgesehen, bei der das optische System über einen im Bild eingeblendeten Messbalken auf ein Kalibriernormal abgestimmt werden kann. Mit der Kalibrierfunktion kann ein genauer und reproduzierbarer Arbeitsabstand eingestellt werden.
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In der beschriebenen bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Messanordnung werden die Mikroskopobjektive zur Vermessung von Oberflächenprofilen 6 eines Halbleiter-Wafers als Objekt 5 verwendet. Dazu ist der um seine Symmetrieachse rotierbare Halbleiter-Wafer orthogonal zur Lichtebene 4 angeordnet und ragt mit einem Randbereich in die Lichtebene 4, sodass im peripheren Randbereich des Halbleiter-Wafers, der in 1 als Ausschnitt des Objekts 5 stilisiert dargestellt ist, das Oberflächenprofil 6 ausschließlich in der umgebenden Lichtebene 4 beleuchtet wird. Die optische Achse 9 des das Streulicht erfassenden Mikroskopobjektivs der Kamera 7 ist in der Ebene des Halbleiter-Wafers 5 unter einem von 90° abweichenden Beobachtungswinkel α von 88° zum Referenzstrahl und zur Lichtebene 4 angeordnet. Dadurch werden störende Lichtreflexe weitestgehend ausgeschlossen.
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Weiterhin kann bei dieser Anordnung der ersten Kamera 7 (und ggf. weiterer Kameras 8a, 8b, ...) eine lokale Erfassung und Korrektur der Wafer-Durchbiegung erfolgen und eine weitestgehende Unempfindlichkeit gegenüber Exzentrizität des rotierten Halbleiter-Wafers in der Lichtebene 4 erreicht werden. Beides wird in einem Softwarealgorithmus korrigiert, indem die senkrechte Achse des Koordinatensystems zur Waferaußenkante ausgerichtet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messanordnung
- 2
- Linienlasermodul
- 3
- Strahl
- 4
- Lichtebene
- 5
- Objekt
- 6
- Oberflächenprofil
- 7
- (erste) Kamera
- 8a, 8b
- weitere Kamera
- 9
- optische Achse
- α
- Beobachtungswinkel
