DE102018218107A1

DE102018218107A1 - Optische Anordnung zur Bauteilinspektion von Bauteilen mit einer gekrümmten Oberfläche und Inspektionsverfahren hierzu

Info

Publication number: DE102018218107A1
Application number: DE102018218107.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Brehm
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2018-12-20
Also published as: DE102019211158A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Anordnung mit mehreren optischen Elementen entlang einer optischen Achse zur Abbildung eines Objekts, dessen abzubildende Oberfläche im Objektraum der optischen Anordnung angeordnet ist, auf eine Bildebene der optischen Anordnung, wobei die optische Anordnung so ausgebildet ist, dass die optische Anordnung eine Bild - oder Objektfeldkrümmung aufweist, sodass ein einer gekrümmten, abzubildenden Oberfläche des Objekts entsprechendes, gekrümmtes Objektfeld der optischen Anordnung, das sich über einen Bereich in Richtung der optischen Achse der optischen Anordnung erstreckt, innerhalb der Schärfentiefe der optischen Anordnung liegt, wobei die optische Anordnung eine Verzeichnung der Abbildung bewirkt, die eine Krümmung der abzubildenden Objektfläche kompensiert. Außerdem betrifft die Erfindung ein Inspektionssystem und ein Inspektionsverfahren mit einer entsprechenden Anordnung.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Abbildung von gekrümmten Objektoberflächen eines Objekts sowie ein Inspektionssystem zur Inspektion von Bauteilen mit gekrümmten Oberflächen und ein entsprechendes Verfahren hierzu.
STAND DER TECHNIK
Üblicherweise werden durch optische Anordnungen ebene Objektflächen auf eine ebene Bildebene abgebildet, sodass durch die optische Anordnung erzeugte Feldkrümmungen, also entsprechende Bildfeldkrümmungen, möglichst vermieden werden sollen, da dadurch die Qualität der optischen Abbildung beeinträchtigt wird.
Allerdings gibt es auch Anwendungsfälle, bei denen zur Erzielung einer hohen Abbildungsqualität bewusst Feldkrümmungen durch die optische Anordnung in Kauf genommen werden, um dadurch Krümmungen des abzubildenden Objekts bzw. entsprechender Oberflächen davon zu kompensieren.
Ein Beispiel ist in der WO 2006/013100 A2 gegeben, bei der das Projektionsobjektiv einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie die Durchbiegung des Retikels aufgrund der Schwerkraft durch eine gezielte Bildfeldkrümmung kompensiert.
Ein weiteres Beispiel ist in der US 2015/0276616 A1 gegeben, bei welcher ein Inspektionssystem für Wafer beschrieben ist, welches ebenfalls den Effekt einer gezielten Bildfeldkrümmung bei der Abbildung eines Wafer verwendet, um eine Durchbiegung des Wafer zu kompensieren und dadurch die Abbildungsqualität zu steigern.
Obwohl damit bereits Verbesserungen bei der Abbildung von gekrümmten Oberflächen erzielt worden sind, ist insbesondere die Abbildung und Untersuchung von größeren, gekrümmten Oberflächen schwierig, wenn eine hohe Auflösung der Abbildung gefordert ist, wie dies zum Beispiel bei der Inspektion von gekrümmten Oberflächen von optischen Elementen, wie beispielsweise Spiegelelementen von optischen Anordnungen, der Fall ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine optische Anordnung sowie ein Inspektionssystem für die Inspektion von gekrümmten Oberflächen von Bauteilen sowie eine entsprechendes Verfahren bereitzustellen, welches in einer möglichst einfachen, unkomplizierten Weise ermöglicht, große, gekrümmte Oberflächen mit hoher Auflösung abzubilden bzw. zu inspizieren.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Inspektionssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabenstellung wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, eine optische Anordnung mit mehreren optischen Elementen so auszubilden, dass die optische Anordnung eine Abbildung eines im Objektraum der optischen Anordnung angeordneten Objekts auf eine Bildebene bewirkt, bei der eine gewollte, vorbestimmte Bild - bzw. Objektfeldkrümmung auftritt, sodass eine gekrümmte, abzubilden Oberfläche des Objekts entsprechend eines gekrümmten Objektfelds der optischen Anordnung innerhalb der Schärfentiefe der optischen Anordnung abgebildet wird, d.h. die verschiedenen Bereiche der gekrümmten, abzubilden den Objektoberfläche, die sich in Richtung der optischen Achse der optischen Anordnung über einen Bereich erstrecken, werden scharf auf die Objektebene abgebildet.
Zusätzlich wird bei der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die optische Anordnung weiterhin eine Verzeichnung der Abbildung bewirkt, die ebenfalls zur Kompensation der Krümmung der abzubildenden Objektoberfläche verwendet wird.
Die Feldkrümmung, die durch die optische Anordnung bewirkt wird, d.h. die Bild - bzw. Objektfeldkrümmung kann dadurch in der gewünschten Weise eingestellt werden, dass auf Mittel zur Ebnung bzw. Glättung der Abbildung bewusst verzichtet wird oder diese so eingesetzt werden, dass anstelle einer Ebnung der Abbildung eine Feldkrümmung auftritt. Hierzu können optische Linsen mit hohen Brechzahlen, Menisken mit großer Durchbiegung und Mittendicke, Hohlspiegel und starke gebogene Hohlflächen als Begrenzung eines Luftraums zwischen den optischen Elementen, sogenannte Luftlinsen, eingesetzt werden, um die Abbildung außerhalb des Optimum für eine Vermeidung der Feldkrümmung und zur Erreichung einer gewünschten, bestimmten Feldkrümmung einzustellen.
Die Feldkrümmung, also die Bild - oder Objektfeldkrümmung kann einen Krümmungsradius von 10 mm, insbesondere 20 mm oder mehr aufweisen.
Ferner kann die optische Anordnung gezielt auf die abzubildende Objektfläche, also die Krümmung einer derartigen Objektfläche angepasst sein, sodass für bestimmte abzubildende Objekte, wie dies beispielsweise bei der Inspektion von bestimmten Bauteilen serienmäßig der Fall sein kann, eine optimale Abbildung erreicht wird. Die optische Anordnung kann entsprechend hinsichtlich der Feldkrümmung und / oder Verzeichnung und / oder der abzubildenden Objektfeldgröße angepasst sein.
So kann beispielsweise bei Bauteilen mit einer hohlen, abzubildenden Oberfläche die Verzeichnung der optischen Anordnung so eingestellt sein, dass die Verzeichnung kissenförmig ist, während bei einer erhabenen, abzubildenden Oberfläche die Verzeichnung der optischen Anordnung so eingestellt werden kann, dass die Verzeichnung tonnenförmig ist.
Die optische Anordnung kann ferner ein Tubuslinsensystem mit einer Brennweite kleiner oder gleich 100 mm aufweisen, sodass für eine Inspektionseinrichtung mit einer entsprechenden optischen Anordnung eine kompakte Bauweise eines entsprechenden Inspektionsobjektivs erreicht werden kann.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die optische Anordnung entsprechend in einem Inspektionssystem zur Inspektion von Bauteilen mit gekrümmten Oberflächen, insbesondere von optischen Elementen eingesetzt, wobei vorzugsweise das Inspektionssystem eine automatisierte Inspektion vornehmen kann.
Für diesen Fall kann in der Bildebene ein Sensor angeordnet sein, der die Abbildungen automatisch erfasst. Zusätzlich kann eine automatische Auswerteeinheit, die beispielsweise durch eine geeignete Datenverarbeitungsanlage entsprechend eingerichtet ist, vorgesehen sein, die die automatisch erfassten Abbildungen auswertet. Hierbei ist insbesondere vorteilhaft, dass bei der vorliegenden Erfindung die optische Anordnung zur Abbildung einer gekrümmten Oberfläche eines Objekts eine Verzeichnung der Abbildung bewirkt, sodass bei einer größeren, abzubildenden Objektoberfläche ein Gesamtbild aus einer Vielzahl von Teilbildern der Oberfläche in einfacher Weise durch sogenanntes Stitching zusammengesetzt werden kann.
Das Inspektionssystem kann eine Scanvorrichtung aufweisen, sodass die abzubildende Oberfläche im Objektraum zeilenförmig abgebildet und zeilenförmig in der Bildebene erfasst werden kann, wobei ein zeilenförmiger Abbildungsbereich relativ zur abzubildenden Oberfläche bewegt wird und synchron zur relativen Bewegung des Abbildungsbereichs zur abzubildenden Oberfläche ein Erfassungsbereich relativ zur Bildebene bewegt wird. Entsprechend können nach dem Prinzip von Zeilensensoren oder Zeilenkameras Objekt und Bild synchron gescannt werden und die Bildinformation kann entsprechend den Pixelzeilen zu einem Bild integriert werden.
Beispielsweise kann der zeilenförmige Abbildungsbereich durch ein zeilenförmiges oder schlitzförmiges Beleuchtungsfeld definiert sein, unter welchem sich die abzubildende Oberfläche des zu inspizieren Objekts hindurchbewegt, um ein zeilenförmiges Abscannen der abzubilden Oberfläche zu erzielen. Gleichzeitig kann die abgebildete Oberfläche in der Bildebene zeilenförmig erfasst werden, beispielsweise durch eine Erfassung mit einem Sensor entsprechend den Pixelzeilen.
Das Inspektionssystem kann ferner eine Bewegungseinrichtung aufweisen, mit der das zu inspizierende Objekt bzw. die abzubildende Oberfläche relativ zu dem zeilenförmigen Abbildungsbereich bewegt wird, wobei die Bewegungseinrichtung so ausgebildet sein kann, dass das zu inspizierende Objekt bzw. die abzubildende Oberfläche auf einer gekrümmten Bewegungsbahn bewegt werden kann. Insbesondere kann bei einer gekrümmten Bewegungsbahn des abzubildenden Objekts mit einem Krümmungsradius, der sich von dem Krümmungsradius der Objekt - bzw. Bildfeldkrümmung unterscheidet, eine torische, abzubildende Oberfläche mit guter Auflösung und in einfacher Weise inspiziert werden.
Insbesondere kann mit der erfindungsgemäßen, optischen Anordnung ein Inspektionssystem geschaffen werden, das in einem Bearbeitungssystem zur Bearbeitung der zur inspizieren Bauteile integriert sein kann, beispielsweise in einer Poliereinrichtung für optische Elemente. Hier ist es möglich, die optische Anordnung beispielsweise an einer Halterung für ein Bearbeitungswerkzeug vorzusehen und damit die zu inspizierende Oberfläche des Bauteils zu untersuchen. Dies kann insbesondere dadurch verwirklicht werden, dass die Oberfläche rasterartig abgefahren wird, also eine Vielzahl von einzelnen Abbildungen von Segmenten der abzubilden Oberfläche erstellt werden, die anschließend zu einer Abbildung zusammengefügt werden. Bei einem entsprechenden Inspektionsverfahren kann die optische Anordnung hinsichtlich der Verzeichnung so angepasst werden, dass ein einfaches Zusammenfügen der Teilbilder in Abhängigkeit von der Art der Krümmung der zu überprüfenden Oberfläche erfolgen kann.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in

1 einen Linsenschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mikroskopobjektivs mit einer Tubuslinse,
2 ein Diagramm mit einer Darstellung der Objektfeldrümmung für das Ausführungsbeispiel der 1,
3 ein Diagramm mit einer Darstellung der Bildfeldkrümmung für das Ausführungsbeispiel der 1,
4 ein Diagramm mit einer Darstellung der Verzeichnung in der Bildebene für das Ausführungsbeispiel der 1 und in
5 in den Teilbildern a) bis c) die schematische Darstellung, wie eine torische Oberfläche eines zu inspizierenden Objekts durch eine Kombination von Feldkrümmung und gekrümmter Scanbewegung inspiziert werden kann.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung des Ausführungsbeispiels ersichtlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Die 1 zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform einer optischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welchem die Anordnung und Form der in der optischen Anordnung vorgesehenen optischen Linsen so gestaltet ist, dass sich eine gewünschte Objektfeldkrümmung bzw. Bildfeldkrümmung ergibt, wie in den 2 und 3 gezeigt ist, die jeweils ausgehend vom Rand des entsprechenden, rotationssymmetrischen Objektfeldes bzw. Bildfeldes die entsprechende Position der Fokuslage zeigen.
Zudem ist das Design der optischen Anordnung so gewählt, dass sich in der Bildebene, in der beispielsweise ein Detektor angeordnet sein kann, eine starke Verzeichnung einstellt, wie in der 4 dargestellt ist.
Entsprechend kann ein Objekt mit einer gekrümmten, abzubildenden Objektoberfläche, bei dem sich die abzubildende Objektoberfläche über einen bestimmten Bereich in Richtung der optischen Achse der optischen Anordnung erstreckt, scharf auf die Bildebene abgebildet werden, wobei die Verzeichnung, die durch die optische Anordnung bewirkt wird, die Krümmung der abzubilden Objektoberfläche zumindest teilweise kompensiert wird. Entsprechend ist es möglich, größere abzubildende Objektflächen durch Zusammensetzen einer Vielzahl von Einzelbildern in einem Gesamtbild abzubilden, wobei das Zusammensetzen der Einzelbilder, das sogenannte Stitching, durch die kompensierende Wirkung der Verzeichnung vereinfacht wird.
Die 5 zeigt in den Teilbildern a) bis c) eine schematische Darstellung, wie eine torische Oberfläche 1 eines zu inspizierenden Objekts durch eine Kombination von Feldkrümmung 3 und gekrümmter Scanbewegung inspiziert werden kann. Im Teilbild b) der 5 ist ein Schlitzfeld 2 dargestellt, welches einen Abbildungsbereich der abzubildenden Oberfläche des zu inspizierenden Objekts für eine zeilenmäßige Scan - Abbildung definiert. Das zu inspizierende Objekt kann unter dem Schlitzfeld, welches die Beleuchtung des zu inspizierenden Objekts darstellt, hindurch bewegt werden, sodass sich das Schlitzfeld 2 bzw. der Abbildungsbereich über das zu inspizierende Objekt bzw. relativ zu diesem bewegt. Gemäß der im Teilbild a) der 5 dargestellten Feldkrümmung, die der Krümmung der zu inspizierenden, torischen Oberfläche 1 in einer ersten Krümmungseinrichtung entspricht, kann die abzubildende Oberfläche 1 trotz der Krümmung in der ersten Krümmungsrichtung in der Bildebene scharf dargestellt werden. Zusätzlich kann durch eine gekrümmte Bewegungsbahn des zu inspizierenden Objekts unter dem Schlitzfeld 2 die Krümmung der torischen Oberfläche 1 in einer weiteren Krümmungsrichtung berücksichtigt werden, wenn der Krümmungsradius der gekrümmten Bewegungsbahn des Objekts dem Krümmungsradius der torischen Oberfläche 1 entspricht, die quer zur der ersten Krümmungsrichtung der torischen Oberfläche verläuft, an die die Feldkrümmung angepasst ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere schließt die vorliegende Offenbarung sämtliche Kombinationen der verschiedenen gezeigten Einzelmerkmale mit ein, sodass einzelne Merkmale auch in nicht explizit dargestellten Kombinationen von Einzelmerkmalen eingesetzt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/013100 A2 [0004]
US 2015/0276616 A1 [0005]

Claims

Optische Anordnung mit mehreren optischen Elementen entlang einer optischen Achse zur Abbildung eines Objekts, dessen abzubildende Oberfläche im Objektraum der optischen Anordnung angeordnet ist, auf eine Bildebene der optischen Anordnung, wobei die optische Anordnung so ausgebildet ist, dass die optische Anordnung eine Bild - oder Objektfeldkrümmung aufweist, sodass ein einer gekrümmten, abzubildenden Oberfläche des Objekts entsprechendes, gekrümmtes Objektfeld der optischen Anordnung, das sich über einen Bereich in Richtung der optischen Achse der optischen Anordnung erstreckt, innerhalb der Schärfentiefe der optischen Anordnung liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung eine Verzeichnung der Abbildung bewirkt, die eine Krümmung der abzubildenden Objektfläche kompensiert.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung zur Erzielung einer Feldkrümmung Mittel zur Ebnung der Abbildung aus der Gruppe, die hohe Brechzahlen von optischen Linsen, Menisken mit großer Durchbiegung und Mittendicke, Hohlspiegel und stark gebogene Hohlflächen als Begrenzungen eines Luftraums umfasst, außerhalb des Optimums für eine Vermeidung der Feldkrümmung einsetzt.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldkrümmung einen Krümmungsradius von 10 mm, insbesondere 20 mm oder größer aufweist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung auf die abzubildende Objektfläche hinsichtlich Feldkrümmung und / oder Verzeichnung und / oder Objektfeldgröße angepasst ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzeichnung der optischen Anordnung bei hohlen, abzubildenden Oberflächen des Objekts so eingestellt ist, dass die Verzeichnung kissenförmig ist, und / oder dass die Verzeichnung der optischen Anordnung bei erhabenen, abzubildenden Oberflächen des Objekts so eingestellt ist, dass die Verzeichnung tonnenförmig ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung ein Tubuslinsensystem mit einer Brennweite kleiner oder gleich 100 mm umfasst.
Inspektionssystem zur Inspektion von Bauteilen mit gekrümmter Oberfläche, insbesondere von optischen Elementen mit einer optischen Anordnung zur Abbildung der gekrümmten Oberfläche auf eine Bildebene nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Inspektionssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bildebene ein Sensor angeordnet ist, der die erfassten Abbildungen an eine automatische Auswerteeinheit zur automatisierten Auswertung übermittelt.
Inspektionssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Inspektionssystem eine Scanvorrichtung umfasst, sodass die abzubildende Oberfläche im Objektraum zeilenförmig abgebildet und zeilenförmig in der Bildebene erfasst wird, wobei ein zeilenförmiger Abbildungsbereich relativ zur abzubildenden Oberfläche bewegt wird und synchron zur relativen Bewegung des Abbildungsbereichs zur abzubildenden Oberfläche ein Erfassungsbereich relativ zur Bildebene bewegt wird.
Inspektionssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanvorrichtung eine Bewegungseinrichtung umfasst, mit der die abzubildende Oberfläche des zu inspizierenden Objekts auf einer gekrümmten Bahn bewegbar ist, deren Krümmungsradius unterschiedlich zum Krümmungsradius der Bildfeldkrümmung ist.
Inspektionssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung in einem Bearbeitungssystem zur Bearbeitung des zu inspizierenden Bauteils integriert ist, insbesondere einer Poliereinrichtung für optische Elemente.
Verfahren zur Inspektion von Bauteilen mit mindestens einer gekrümmten Oberfläche, insbesondere von optischen Elementen von vorzugsweise Projektionsbelichtungsanlagen, wie Linsen oder Spiegeln, bei welchem eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und / oder ein Inspektionssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11 eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Abbildungen von Segmenten der zu inspizierenden, gekrümmten Oberfläche erzeugt werden, die zu einer Abbildung zusammengefügt werden, wobei insbesondere die optische Anordnung hinsichtlich der Verzeichnung angepasst wird, um ein Zusammenfügen der Abbildungen zu erleichtern.