DE102020108333B3

DE102020108333B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation von instationären Aberrationen bei der konfokalen Vermessung einer Probenoberfläche

Info

Publication number: DE102020108333B3
Application number: DE102020108333.5A
Authority: DE
Inventors: Johannes Belkner; Eberhard Manske
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-07-15
Anticipated expiration: 2040-03-27

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung sollen die durch instationäre Aberrationen verursachten systematischen Fehler bei der Vermessung von Probenoberflächen, einer Höhenmessung, mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit kompensiert werden. Dazu werden die durch Aberrationen bewirkten asymmetrischen Intensitätsverteilungen punktsymmetrisch über einer Nullstelle der Kennlinie so angeordnet, dass in der Folge eine Stabilisierung ebendieser Nullstelle und damit der Bestimmung der Höhe der Probenoberfläche erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation von instationären Aberrationen bei der konfokalen Vermessung einer Probenoberfläche. Sie bezieht sich auf punkt-, linien- oder arrayförmig angeordnete oberflächen- und koordinatenmessende Mikroskope, insbesondere auf konfokale und laserscannende Mikroskope, die nach dem differentiellen konfokalen Prinzip (Differentielles Konfokalmikroskop) arbeiten, und dient der Kompensation des negativen Einflusses von Aberrationen auf die erfasste Höhe der zu vermessenden Probenoberfläche.
Konfokale oder laserscannende Mikroskope determinieren die Geometrie einer zu untersuchenden Probe über die Zuordnung einer Höhe zu einem beleuchteten Messfleck. Die Zuordnung der Höhe geschieht über die Korrelation der maximalen Intensität im Fokuspunkt des verwendeten Mikroskopobjektivs zur streuenden Probenoberfläche, die von einer Apertur, einer Lochblende [Minsky1957] oder einer optischen Faser [Iwasaki1989] akzeptiert wird. Solche Lochblenden können auch als Spalt oder Felder von Punkten und Spalten mit entsprechenden Matrixdetektoren ausgeführt sein. Das Maximum der Intensität ist eindeutig. Eine Methode zum präzisen Auffinden dieses Maximums ist die Interpolation zwischen oder die Regression einer analytischen Funktion an einigen Stützstellen. Eine andere Methode ist die Schaffung eines differentiellen Signals, einer punktsymmetrischen Funktion um eine Nullstelle. Diese ermöglicht die Detektion der Höhe mit einer höheren Sensitivität. Beide Verfahren gibt es in monochromatischer und polychromatischer Ausführung, wobei nur erstere unabhängig von der charakteristischen spektralen Probenreflektivität sind, zweitere können dafür alle notwendigen Stützstellen in einem Zug aufnehmen. Der Stand der Technik bietet zudem spezielle Techniken zur Erhöhung der Auflösung durch Einbringen eines dritten Detektors [Zhao2018] oder die Teilung der Apertur, bei der nur ein begrenzter Teil der Pupille des Mikroskopobjektives genutzt wird [Wang2017]. Der letztere Ansatz gehört dabei zur ersten von drei Gruppen von Detektorprinzipien: lateral statisch defokussierte Detektion, axial statisch defokussierte Detektion [Liu2009], [Zhao2013] und zeitlich modulierte defokussierte Detektion [Boxmeer2009], [Hausotte2018].
Die in [Hausotte2018] beschriebene, zeitlich modulierte defokussierte Detektion wurde durch die Einstellung eines speziellen optischen Bauelements, einer verstimmbaren akusto-optischen GRIN Linse (sog. TAG-Linse), im von Beleuchtungsstrahlengang und Bildgebungsstrahlengang gemeinsam genutzten unendlich-korrigierten Strahlengang. Durch die periodisch zeitlich veränderte Brennweite derselben, schwingt die Fokusebene des Objektivs entlang der optischen Achse. Das bewirkt an der detektierenden Lochblende einen zeitlichen modulierten Defokus. Die Schwingung mit konstanter Periode ermöglicht die Anwendung des sogenannten Lock-In Filters/Verstärkers. Damit lassen sich auch Signale mit geringem Signal-Rausch-Verhältnis noch gut auswerten. Die notwendige TAG-Linse benötigt einen relativ großen Bauraum und schränkt die Flexibilität zur Integration in verschiedene Systeme ein.
Allen obigen Ansätzen ist die Anfälligkeit für systematische Fehler bei der Bestimmung der Probenhöhe durch die Änderung der agierenden Aberrationen über die Messzeit oder den Messort gemein. Bei konfokalen und laserscannenden Mikroskopen sind Intensitätsverteilungen die Kennlinien für die Bestimmung der Höhe der Probe. Gegenüber interferometrischer Messungen der Höhe der Probe ist diese Auswertung inhärent stabiler gegenüber Umwelteinflüssen [Zhao2013]. Dennoch, die Intensitätsverteilungen werden durch konvergierende Wellenfronten des Lichts geformt. Aberrationen sind im Allgemeinen durch optische Elemente verursachte Verzerrungen der Wellenfronten des Lichts, welches die Probe antastet und danach detektiert wird. Eine Quelle für diese Aberrationen ist auch die spezielle Geometrie der Probe, die sich von Messpunkt zu Messpunkt ändert und so andere Aberrationen zwischen Beleuchtungsstrahlengang und Detektion hinzufügt oder verstärkt [Rhalves2015]. Eine solche Aberration ist räumlich instationär. Andererseits können auch zeitlich instationäre Prozesse, wie zum Beispiel Vibrationen oder Temperaturschwankungen, das optische System selbst verändern. Eine Änderung der Aberrationen während der Messung hat damit den Effekt, dass die Kennlinie von konfokalen und laserscannenden Mikroskopen instabil ist. Das resultiert in einem Messfehler bei der Vermessung der Probenoberfläche.
Im Stand der Technik finden sich Ansätze, diese systematischen Fehler zu verringern. Der erste Ansatz ist, das beobachtende System selbst hinsichtlich optischer Elemente und Optomechanik so zu optimieren, dass systemseitig keine weiteren systematischen Fehler verursacht werden [Saito2007]. Jedoch kann damit die durch Beugung an der Probe entstehende verzerrte Wellenfront nicht beeinflusst werden. Gleiches gilt auch für spezielle Justagevorrichtungen und -verfahren für das optische System [Itoh2005] [Zhao2013]. Eine Justage der Probe in eine für die Messung optimierte Ausrichtung erfordert Annahmen über die Probenform und kostet Zeit. Auch können auf diese Weise häufig nur spezielle Punkte der Probe vermessen werden, welche genau nicht den negativen Einfluss auf die Messung mittels des konfokalen oder laserscannenden Mikroskops haben [Zhao2013]. Entsprechend werden Höheninformationen von Messpunkten außerhalb dieser speziellen Messpunkte vernachlässigt, bzw. nur integriert erfasst.
Durch adaptive Optiken kann versucht werden, das optisches System in Echtzeit nahe der Aberrationsfreiheit zu bringen [Wolleschensky2002]. Dabei kann jedoch kein ideal aberrationsfreies System erreicht und rein durch die Probe induzierte Aberrationen vollständig ausgeglichen werden. Daher ist ein Ansatz zu versuchen, die Beleuchtung der jeweiligen Probe anzupassen [Tomura1991]. Dazu müssen Annahmen über die Probe getroffen werden, die eventuell die Komplexität der Messaufgabe nur begrenzt abbilden können oder die Messzeit durch eine iterative Anpassung an das vorliegende Problem verlängern.
Ein rechnerischer Ansatz ist die Modellierung der Probenoberfläche und der mit ihr verbundenen Aberrationen [Xie2017]. Durch die inverse Anpassung des Modells an die am Detektor gemessene Intensitätsverteilung der Probe auf dem Detektor kann in gewissen Maßen auf die wahre Oberflächenbeschaffenheit zurückgeschlossen werden [Bischoff2005]. Aber auch hierbei werden Annahmen zur Probenbeschaffenheit benötigt, um Uneindeutigkeiten zu umgehen. Damit wird die Flexibilität des Verfahrens eingeschränkt. Außerdem können durch den hohen Bedarf an Rechenleistung im Falle von komplexen Strukturen nach heutigem Stand keine Echtzeitmessungen realisiert werden.
Ein Ansatz zur Erhöhung der Robustheit gegenüber durch die Probe selbst verursachter Aberrationen liefert [Boxmeer2009] für einen zeitlich modulierten Fokussensor. Dieser basiert auf Basis einer Focault'schen Schneide, die entlang der optischen Achse über den bildseitigen Fokus schwingt. Durch diese Modulation ist es möglich den Anstieg der differentiellen Kennlinie zu schätzen. Durch den nun bekannten Anstieg, kann die Probe effizient zurück in die Brennebene geregelt werden. Damit überkommt [Boxmeer2009] zwar das Problem, dass starke Aberrationen zu einem Umklappen der differentiellen Kennlinie führen, jedoch verbleibt damit der durch die instationären Aberrationen verursachte Fehler einer von der besten Brennebene weg verschobenen Nullstelle dieser differentiellen Kennlinie.
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zu Grunde, die im Stand der Technik aufgezeigten Nachteile zu überwinden und den durch instationäre Aberrationen verursachten systematischen Fehler bei der Vermessung von Probenoberflächen, einer Höhenmessung, mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit zu kompensieren.
Die Aufgabe wird verfahrensseitig mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und vorrichtungsseitig mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß werden die durch Aberrationen bewirkten asymmetrischen Intensitätsverteilungen punktsymmetrisch über einer Nullstelle der Kennlinie angeordnet, so dass in der Folge eine Stabilisierung ebendieser Nullstelle und damit der Bestimmung der Höhe der Probenoberfläche erreicht wird. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 - den Stand der Technik zur differentiellen Konfokalmikroskopie
1. a. Prinzipieller Aufbau des konfokalen Mikroskops
2. b. Ideale Intensitätsverteilungen entlang der z'-Achse um die hintere Brennebene bei f'Obj
3. c. Prinzipieller Aufbau des differentiellen konfokalen Mikroskops am Ausführungsbeispiel mit statisch defokussierten Detektoren
4. d. Ermittlung der differentiellen Kennlinie aus idealen Intensitätsverteilungen entlang der z'-Achse
2- den Einfluss instationärer Aberrationen und deren Kompensation
1. a. Verschiebung der Intensitätsverteilungen und Modulation durch Aberrationen
2. b. Abweichungen zwischen den Kennlinien von idealen und aberrierten Intensitätsverteilungen
3. c. Schritt 5 des erfindungsgemäßen Verfahrens
4. d. Schritt 6 des erfindungsgemäßen Verfahrens mit resultierender Kennlinie
3- ein Ausführungsbeispiel für ein zeit-moduliertes differentielles Konfokalmikroskop
1. a. Prinzipieller Aufbau eines zeit-modulierten differentiellen Konfokalmikroskops mit einer schwingenden Lochblende im Bildgebungsstrahlengang für ein unendlich-korrigiertes Mikroskopobjektiv
2. b. Schnittansicht für ein Ausführungsbeispiel einer schwingenden Lochblende als einseitig-eingespanntes mikromechanisches Element
3. c. Schnittansicht für ein Ausführungsbeispiel einer schwingenden Lochblende als doppelseitig oder umlaufend eingespanntes mikromechanisches Element
4. d. Schichtaufbau für ein Ausführungsbeispiel einer schwingenden Lochblende mit integriertem Aktor und externen Detektor
5. e. Schichtaufbau für ein Ausführungsbeispiel einer schwingenden Lochblende mit integriertem Aktor und Detektor
6. f. Schichtaufbau für ein Ausführungsbeispiel einer schwingenden Lochblende mit integriertem Aktor und Detektor für hohe numerische Aperturen
7. g. Schichtaufbau für ein Ausführungsbeispiel einer schwingenden Lochblende mit integriertem Aktor und externen Detektor für hohe numerische Aperturen
4- ein Ausführungsbeispiel für anstiegsunabhängige kompensierte differentielle konfokale Mikroskopie
1. a. Vorrichtung mit zweiten Messsystem am Probentisch
2. b. Vorrichtung mit zweiten Messsystem am bewegten Objektiv

Das differentielle konfokale Mikroskop basiert auf dem Konfokalmikroskop nach [Minsky1957]. Dieses wird zunächst anhand 1a beschrieben. Eine Punktlichtquelle (1, 2) in der hinteren Brennebene eines Mikroskopobjektivs (5) (kurz: Obj.) wird in die Brennebene im Abstand (fObj) vor dem Obj. (5) abgebildet. Durch die endliche Ausdehnung der Apertur des Obj. (5) kommt es zur einer sogenannten Verwaschung der Abbildung der Punktlichtquelle (1, 2). Die so entstandene Intensitätsverteilung, auch Punktverwaschungsfunktion genannt, im Volumen um die vordere Brennebene im Abstand (fObj) des Obj. (5) herum, weist für ein ideales Obj. (5) das höchste Maximum in der Brennebene an der Stelle der abgebildeten Punktlichtquelle (1, 2) auf. Dieser erste Strahlengang durch das Obj. (5) soll im Folgenden Beleuchtungsstrahlengang genannt werden.
Wird eine reflektierende Probenoberfläche (6) auf einer Positioniereinrichtung (7) (Probentisch) in die Brennebene gebracht, wird sie entsprechend rückwärts durch das Obj. (5) abgebildet. Dieser Strahlengang von der Probe (6) (Probenoberfläche) bis zum Detektor (D) soll im Folgenden als Bildgebungsstrahlengang bezeichnet werden. Zur Trennung von Beleuchtungsstrahlengang und Bildgebungsstrahlengang kann beispielsweise ein Strahlteiler (3) in den gemeinsamen Strahlengang eingebracht werden. Durch die in 1a gezeigte Anordnung ergibt sich eine Umlenkung des Bildgebungsstrahlengangs um 90°. Im Abstand (f'Obj) der mitumgelenkten hinteren Brennebene des Obj. (5) wird nun eine punktförmige Detektoreinheit (8, D), zum Beispiel bestehend aus einer Lochblende (8) und einer Photodiode (D), positioniert.
Streulicht von schief verlaufenden Strahlen und Strahlen von Ebenen außerhalb der Brennebene wird nach der Lochblende (2) der Punktlichtquelle (1, 2) des Beleuchtungsstrahlengangs nun durch die Lochblende (8) des Bildgebungsstrahlengangs erneut herausgefiltert. Die objektseitige axiale Koordinate z - und die bildseitige axiale Koordinate z' haben ihren Ursprung jeweils in der vorderen und hinteren Brennebene des Obj. (5). Beide sind über die Vergrößerung z'=M²z verknüpft. Die z-Achse ist dabei parallel der Normale der xy-Ebene. Befindet sich die Oberfläche der Probe (6) im sogenannten Fokus, d.h. in der vorderen Brennebene des Obj. (5), dann ist das detektierte Signal (UD) (siehe 1b) ebenfalls maximal. Ist die Probenoberfläche (6) nicht in der Brennebene vom Obj. (5), also defokussiert, wird ein entsprechend geringeres Signal detektiert. Für kleine Lochblenden (2, 8) handelt es sich um eine kohärente nicht polarisierte (oder partiell kohärent und teilweise polarisierte) Abbildung. Das detektierte Signal UD kann in Abhängigkeit vom Defokus z' von der Brennebene bei z`=0 für ideale infinitesimal kleine Lochblenden (2, 8) durch eine sinc-Funktion beschrieben werden (1b) [Wilson1984]. Hervorzuheben ist die Symmetrie dieser idealen Intensitätsverteilung um die Brennebene bei z'=0.
Die z-Position der Probenoberfläche (6) an der xy-Position der Beleuchtung kann nun klar dem Maximum dieser idealen Intensitätsverteilung zugeschrieben werden.
In 1c wird die Detektion nun um eine Einheit aus zwei idealerweise baugleichen Detektoreinheiten (10, D1) und (11, D2) erweitert. Beide beobachten über einen 50:50 Strahlteiler (9) an der Probe (6) reflektierten Strahlen. Dabei ist die Lochblende (10) und der Detektor (D1) um einen Abstand +z'D positiv von der hinteren Brennebene des Obj. (5) defokussiert und die Lochblende (10) und der Detektor (D2) um einen Abstand -z'D negativ von der hinteren Brennebene des Obj. (5) defokussiert. Die so aufgenommenen Intensitätsverteilungen UD1 und UD2 entlang der z'-Achse weisen nun jeweils ein Maximum bei der jeweiligen Defokusposition ±z'D auf (siehe 1b). Diese Maxima haben eine geringere Intensität als das Maximum des Signals UD der Detektoreinheit (7, D) aus 1a.
Die Signale der beiden defokussierten punktförmigen Detektoreinheiten UD1 und UD2 können nach [Tan2002] miteinander verrechnet werden: $U_{D i f f} (z) = U_{D 1} - U_{D 2}$
Auf diese Weise ergibt sich eine Kennlinie mit näherungsweisem linearem Verlauf um die Nullstelle bei z=0, der z-Position der Probe. Dem Stand der Technik entsprechend kann dieses Signal zudem normalisiert werden, sodass die Reflektivität r der Probe keinen Einfluss auf die Kennlinie hat [Liu2009]: $R (z) = \frac{r U_{D 1} - r U_{D 3}}{r U_{D 1} + r U_{D 3}}$
Die aus den idealen Signalen UD1 und UD2 resultierende Kennlinie R0(z) ist in 1d abgebildet. Sie kann mittels eines Referenzprobe, z.B. ein ideal flacher Spiegel, dessen Flächennormale parallel zur z-Achse (4) ausgerichtet ist, aufgenommen werden. Dazu wird diese Referenzprobe an die Stelle der Probe (6) durch den Probentisch (7) vor dem Obj. (5) entlang z-Achse (4) gefahren.
Messungen an willkürlichen Proben (6) werden durchgeführt indem die Probenoberfläche so entlang der z-Achse (4) verfahren wird, sodass die R(z)=0 wird. Nach Durchführung des gleichen Vorganges an einen zweiten Messpunkt in der xy-Ebene, kann die Höhe der Probe an der Stelle gegenüber dem ersten Punkt der Probe gemessen werden. Alternativ kann der eindeutige und näherungsweise lineare Verlauf der differentiellen Kennlinie R(z) zwischen ihrem tiefsten Minimum bei -z'D und größten Maximum bei +z'D genutzt werden (vergleiche 1d). Prinzipiell ist so eine direkte Zuordnung der Probenhöhe z ohne Verfahren des Probentisches (7) entlang der z-Achse (4) möglich.
Allerdings werden schon allein durch die Kippung eines solchen idealen Spiegels systematische Fehler durch sich nicht mehr aufhebende Aberrationen der Optiken in der Höhenmessung verursacht [Rhalves2015]. Bei komplexeren Probenoberflächen, kann auch die Probe (6) selbst aufgrund der an diesen Oberflächen verursachten Beugung einen ähnlichen Effekt erzeugen. Der Effekt ist, dass sich die gesamte Form der Intensitätsverteilung entlang der z'-Achse verändert [Wilson1989]. Dies ist exemplarisch in 2a gezeigt. Insbesondere ist hier die Verschiebung der beiden Maxima von UD1 und UD2 gegenüber den idealen Signalen aus 1b zu beobachten. Die Auswirkung auf die resultierende aberrierte Kennlinie RA(z) ist in Darstellung 2b veranschaulicht. Die Nullstelle von RA(z) wurde gegenüber der Referenz R0(z) verschoben und der Anstieg des linearen Teils hat sich geändert. Für eine direkte Zuordnung, wie sie für die Referenz R0(z) beschrieben wurde, stellen beide Effekte einen Fehler bei der Messung der Höhe z der Probenoberfläche dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll daher diese durch instationäre Aberrationen verursachten Fehler kompensieren. Ausgangspunkt sind zwei aufgenommene Signale UD1 und UD2 zur Berechnung der Kennlinie nach dem oben beschriebenen Stand der Technik. Zunächst wird ein Nullpunkt auf der z'-Achse gewählt. Dafür dient die Nullstelle bei R0(z'0) = 0 des linearen Bereichs einer nach Stand der Technik aufgenommenen Kennlinie (2b). Diese Nullstelle z'0 unterteilt das Koordinatensystem in mathematischer Reihenfolge in die Quadranten 1 bis 4. Zur Kompensation können nun entweder Signalanteile von UD1 und UD2 in den Quadranten 1 und 2 oder die Signalanteile in den Quadranten 3 und 4 betrachtet werden. Für Signalanteile in den Quadranten 1 und 2, hier -UD2, wird die Verschiebung der Nullstelle kompensiert, wenn das Signal am definierten Nullpunkt gespiegelt (siehe 2c) und um +2z'D verschoben wird (siehe 2d). Zusammengefasst ergibt sich das resultierende Signal U'D2 zu: $U'_{D 2} = - U_{D 2} (- z' + 2 z'_{D})$
Umgekehrt kann das gleiche durch eine Spiegelung der Signalanteile in den Quadranten 3 und 4, hier UD1, erzielt werden, wenn diese ebenfalls gespiegelt und um -2z'D verschoben werden.
Nach der Verarbeitung von den Signalen UD1 und UD2 nach diesem Verfahren kann eine neue resultierende Kennlinie R'(z) mittels Gleichung 2 ermittelt werden, die gegenüber sich ändernden Aberrationen robust ist. Exemplarisch wurde das Verfahren auf die Signale in 2d angewandt. Dabei stellen die idealen Signale die Referenz dar und die aberrierten Signale stehen exemplarisch für eine Messung an einer schwierigen Probe (6). Wie der Vergleich der 2b und 2d klar zeigt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verschiebung der Nullstelle von R'(z) und damit die Position der Probenoberfläche im Falle aberrierter Signale kompensiert werden. Allerdings kann der Anstieg von R'(z) im linearen Bereich der Kennlinie nicht vollständig kompensiert werden. Trotzdem ist dieser im Vergleich zum Stand der Technik bedeutend robuster.
Durch Strahlformung und Aberrationen kann es neben einem Hauptmaximum bei den Signalen UD1 und UD2 zu signifikanten Nebenmaxima kommen. Mit größeren Defokus z'D steigt deren Anteil an der differentiellen Kennlinie R'(z). Als obere Grenze für zulässige Beträge von z'D für eine robuste Messung kann die Halbwertsbreite des Hauptmaximums des aberrierten Signals UD definiert werden (siehe 2a).
Das Verfahren basiert nur auf Daten, die anhand der Aufnahme der Referenzkennlinie R0(z) nach dem Stand der Technik gewonnen werden. Im Fall der Probenmessung muss lediglich die z-Position der Positioniereinheit (6), an welcher die Referenzkennlinie R0(z) aufgenommen wurde, und die Intensität der Beleuchtungsstrahlung an dieser Stelle der Probenoberfläche bekannt sein. Durch die Punktsymmetrie der Kennlinie um die Nullstelle können bei entgegengesetzten Aberrationen die Maxima der Signale UD1 und UD2 jeweils in den zweiten und dritten Quadranten wandern. Bei solchen Aberrationen kommt es zum Umschlag des Anstieges der Kennlinie bei der Messung. Dabei bleibt die Nullstelle jedoch stabil.
Das vorgeschlagene Verfahren setzt nach der Aufnahme der resultierenden Kennlinie an und kann entsprechend in allen auf dem differentiellen konfokalen Prinzip basierenden Messverfahren und -vorrichtungen zum Mehrgewinn verwendet werden. Dies betrifft insbesondere konfokale und laserscannende Messmikroskope. Dabei bleibt eine Allgemeingültigkeit des Verfahrens auf verschiedene Verfahren der differentiellen Detektion erhalten. Das betrifft im Speziellen den derzeitigen Stand der Technik eingeteilt nach den eingangs genannten Kategorien.
Die im Stand der Technik beschriebenen Vorrichtungen zum Erzielen eines differentiellen Signals mittels statischen Defokus haben alle eine limitierte Robustheit gegenüber Messrauschen. Die Anwendung des Lock-In Verfahrens auf das differentielle konfokale Mikroskop wurde eingangs bereits beschrieben [Hausotte2018]. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann so typischerweise um den Faktor 10 verbessert werden und stellt daher gerade bei Proben mit geringem Kontrast eine Bereicherung dar. Die dort verwendete TAG-Linse ist jedoch ein relativ großes zusätzliches optisches Element. Weiter limitiert die dortige Anwendung im für den Beleuchtungsstrahlengang und Bildgebungsstrahlengang gemeinsam genutzten Teil des unendlich-korrigierten Strahlenganges die Flexibilität zur Integration in andere optische Systeme durch die kontinuierliche Änderung der Fokusebene des Gesamtsystems. Dabei wird die Anforderung für die beste Beleuchtung auf der Probe durch über die Zeit verschieden divergente Strahlen vor dem Objektiv verletzt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll daher die aufgezeigten Nachteile eines zusätzlichen Bauraums und einer instationären Beleuchtung überwinden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kennlinie erst nach der Trennung des Detektions- vom Beleuchtungsstrahlengang moduliert wird. In der 3a ist ein Ausführungsbeispiel für ein unendlich-korrigiertes Mikroskop dargestellt. Dabei eignen sich fokusvariante Linsen zur Modulation, wie beispielsweise die TAG-Linse, als Tubuslinse (14) in der Bildgebung. Noch flexibler ist jedoch die Bewegung der konfokalen Lochblende (15) über die Intensitätsverteilung entlang der z'-Achse selbst. So kann noch mehr Platz und eine potenzielle Quelle für Abbildungsfehler gespart werden. [Boxmeer2009] erwähnt ebenfalls die potenzielle Verwendung einer bewegten Lochblende führt diese jedoch nicht konkret aus. Weiterhin wird bei der dortigen Signalverarbeitung nicht das Lock-In Verfahren zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses verwendet und auch nicht die Verschiebung der Nullstelle der differentiellen Kennlinie korrigiert.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt daher in der Verwendung einer neuartigen, schwingenden Lochblende (15) sowie auch in der Verwendung einer neuartigen Detektoreinheit (15, D) mit einem in der Lochblende integrierten Detektor als in der Bildgebung.
Die Lochblende (15) oder auch die Detektoreinheit (15, D) schwingt entlang der z'-Achse, um die hintere Brennebene einer starren Tubuslinse (14) im Abstand f'TL in unendlich-korrigierten Systemen. Die 3b und 3d zeigen Querschnitte der Ausführungsbeispiele mit einseitiger sowie doppelseitiger und umlaufender Einspannung (16). Die Auslenkungsamplituden (17, 18) dieser Schwingung entsprechen damit den maximalen Defokussierungen bei -z'D (17) und z'D (18) ähnlich dem Fall der statisch defokussierten Lochblenden (10, 11) in 1c. Die Schwingung der Lochblende (15) bzw. Detektoreinheit (15, D) stellt ein Referenzsignal URef(t) dar (siehe 3a). Während der Aufnahme einer Kennlinie R0(z) wie vorher beschrieben, wird durch ein durch URef(t) moduliertes Signal am Detektor (D) erfasst. Nach Verstärkung (24) kann dieses Signal nach dem Lock-In Verfahren [ZI] mit der bekannten Referenzschwingung URef(t) multipliziert (25) werden. Zur Kompensation instationärer Aberrationen kann für dieses Produkt (25) das bereits beschriebene erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden. In einem nächsten Schritt wird das Signal noch über mehrere Perioden integriert, bzw. von hohen Frequenzen mittels Tiefpasses (26) befreit [Hausotte2018]. Das resultierende Signal weißt eine dem statischen Defokus analoge Kennlinie R(t) mit Nullstelle und nahezu linear verlaufender Umgebung auf.
Die Lochblende (15) bzw. Detektoreinheit (15, D) wird dabei durch ein Treibersignal zu Auslenkung gebracht. Das Treibersignal ist das verstärkte Referenzsignal URef(t) und wird von einem Frequenzgenerator, der im besten Fall im Lock-In Filter integriert ist, erzeugt. Die Lochblende (15) selbst muss für die grundlegende Funktion nur die Anforderung erfüllen, dass ein Teil des Lichtflecks in der xy-Ebene zum eigentlichen Detektor (D), passieren kann und ein Teil blockiert wird. Nach dem Stand der Technik ist der kleinere passierbare Teil umschlossen von einem blockierenden Bereich. Ersterer ist das Loch (19) und zweiterer die Blende (20) der Lochblende (19, 20) (siehe 3b-3g). Die Lochblende (19, 20) weist dabei mindestens ein Loch (19) auf. Mehrere dieser Löcher können in einer Linie oder arrayförmig angeordnet sein. Auch mindestens eine lichtleitende Faser oder ein räumlicher Modulator für Licht kann eingesetzt werden. Im Falle der Beschränkung auf den Signalteil innerhalb des ersten Beugungsringes der Punktverwaschungsfunktion kann so beugungsbegrenzte Auflösung hergestellt werden [Wilson1990].
Ausführungsformen dieser Lochblenden (19, 20) sind in den 3b - 3g dargestellt. Die Lochblende (19, 20) kann freitragend (siehe 3d und 3e) oder auf einem für die Wellenlänge transparenten Substrat (siehe 3f und 3g) abgeschieden sein. Für die Verwendung mit Detektoren nach dem Stand der Technik kann die schwingende Lochblende (15) vor dem Detektor (D) das Licht modulieren (siehe 3d und 3g). Für Proben mit geringer Reflektivität wird das zu detektierende Signal sehr klein. Dafür eignet sich, wie in 3e und 3f dargestellt, die Integration des Detektors (D) als Funktionsschichtpaket (23) auf der schwingenden Lochblende (15) selbst.
Eine periodische Auslenkung der Lochblende (19, 20) kann über externe und interne Anregungen realisiert werden. Eine externe Anregung bewegt dabei eine passive Lochblende (15) bzw. Detektoreinheit (15, D) parallel, aber nicht notwendigerweise auf, der z'-Achse. Die dabei erreichbaren Schwingungsfrequenzen sind jedoch durch größere bewegte Massen und andere Umladevorgänge begrenzt.
Höhere Schwingungsfrequenzen lassen sich durch die vorgeschlagenen Ausführungsbeispiele für als Schichtstapel ausgeführte Lochblenden (19, 20) in den 3d-3g realisieren. Sie stellen Anordnungen von Schichtstapeln für integrierte Anregungen der Lochblende (15) bzw. Detektoreinheit (15, D) dar. Die Anregungsschicht (22) besteht dabei aus mindestens einer strukturierten und/oder unstrukturierten Schicht. Dabei können die Blende (20) und/oder die transparente Schicht (21) mit der Anregungsschicht (22) wechselwirken, um die Auslenkung zu realisieren. Die Anregungsschicht (22) fasst dabei die notwendigen Funktionsschichten zusammen, um eine Auslenkung auf Basis elektrostatischer Anziehung, dem piezoelektrischen Effekt, thermischer Ausdehnung und pneumatischer oder hydraulischer Volumenänderung oder Kombinationen dieser zu realisieren. Die Anregungsschichten (22) sind dabei hinsichtlich Materialien und/oder Strukturierung so gewählt, dass diese den Strahlengang durch das Loch (19) nicht abschatten. Für die größten Auslenkungen wird das mikromechanische System in einer seiner Resonanzfrequenzen betrieben.
Für eine stabile Messung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll die Auslenkung der Lochblende (15) bzw. der Detektoreinheit (15, D) besonders stabil sein. Diese hohe Stabilität der Schwingung kann durch die Regelung dieser erreicht werden. Dafür ist die Rückkopplung mittels Sensoren notwendig. Diese können den oben genannten Anregungsformen entsprechend in den Schichtstapeln (20, 21 und 22) als unstrukturierte oder strukturierte Schichten integriert sein.
Ein Ausführungsbeispiel für eine schwingende Lochblende (15) basiert auf dem Prinzip der thermischen Ausdehnung. Dafür wurde Aluminium-Nitrid als transparente dielektrische Schicht (21) (siehe 3g) gewählt. Vor dieser befindet sich eine optisch dichte Schicht (20) aus einem Edelmetall, die nur von einem Loch in der Mitte (19) unterbrochen wird. Hinter der transparenten Schicht (21) befindet sich eine strukturierte Metallschicht (22) die als Heizer arbeitet. Die Heizer-Struktur (22) ist so angeordnet, dass diese nicht im Strahlengang liegt. Diese Dreifachschicht wird als Membran von einem Siliziumsubstrat freigestellt. Sie ist eine allseitig eingespannte Lochblende (15) (siehe 3c). Durch elektrische Verlustleistung am Heizer wird so eine Temperaturerhöhung gegenüber der Ausgangstemperatur erzeugt. Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen der transparenten Schicht (21) und der intransparenten metallischen Schicht (20) kommt es zur Auslenkung (17, 18) der Lochblende entlang der z'-Achse. Die transparente Schicht kann für eine hohe Schwingungsfrequenz dick ausgeführt werden, ohne dabei die Transmissionseffizienz stark zu senken. Die Ausführungsform als rundum geschlossene Membran schattet den auf der z'-Achse hinter der geschichteten Lochblende (20, 21, 22) liegenden Detektor (D) ideal von Streustrahlung ab und ermöglicht auch größere Auslenkungen bei höherer Frequenz als nicht-allseitig eingespannte Mikrostrukturen wie z.B. Mikroausleger und - brücken. Auch dieses Ausführungsbeispiel wird in Resonanz betrieben.
Mit der vorgeschlagenen Lösung können systematische Fehler der Fokusposition, die durch die Nullstelle der Kennlinie ausgedrückt wird, kompensiert werden. Der Anstieg der Kennlinie R'(z) wird ebenfalls stabilisiert, jedoch nur eingeschränkt. Bei der Ausnutzung des eindeutigen linearen Bereiches der Kennlinie würde es weiterhin zu nun geringeren, aber immer noch vorhandenen Fehlern bei der Vermessung der Probenoberfläche kommen.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll den Einfluss durch die Änderung des Anstieges der Kennlinie R'(z) um die Nullstelle ausschließen und nur von der Nullstelle selbst abhängen. Der Abstand der Probe gegenüber dem Obj. (5 oder 13) muss dafür mit einem zweiten Längenmesssystem (MS) gegengemessen werden (siehe 4a und 4b). Dabei sollen, ohne die Messungen zu stören, zudem ein geringer Bauraum und eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Probengeometrie und der Integration weiterer optischer Systeme gewahrt werden.
Zwei Ausführungsvarianten für anstiegsunabhängige kompensierte differentielle konfokale Mikroskopie sind in den 4a und 4b abgebildet. Die Messachsen (4, 27) beider Messsysteme sind zueinander fluchtend angeordnet. Für höchste Längenmessgenauigkeit sind Laserinterferometer als Messsystem geeignet. Diese messen gegen einen Referenzspiegel (28). In dem Ausführungsbeispiel nach 4a befindet sich dieser Referenzspiegel (28) auf der Rückseite des Probentisches (7). Bei dem in 4b gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Obj. (13) entlang der z-Achse bewegt. Um diese Bewegung auf einen fluchtend angeordneten Referenzspiegel zu übertragen, wird ein starrer Käfig in einer Führung (30) mitbewegt. Dabei misst das zweite Messsystem (MS) gegen einen Referenzspiegel (27). Der bewegte starre Käfig (30) ist nicht rundum geschlossen, sodass über einen außerhalb des bewegten starren Käfigs (30) am Gestell befestigten Spiegel (28) der Strahlengang des bewegten Obj. (13) in das ebenfalls gestellfeste erfindungsgemäße zeit-modulierte differentielle konfokale Mikroskop und andere optische Systeme umgelenkt wird.
Die erfindungsgemäße Lösung kompensiert den systematischen Fehler durch eine Verschiebung des Maximums bei sich räumlich und zeitlich ändernden Aberrationen in differentiell detektierenden Konfokalmikroskopen. Diese Aberrationen können sowohl durch optische Elemente im Strahlgang als auch durch die Probegeometrie selbst verursacht werden. Der Anstieg um die Nullstelle der Kennlinie kann dabei stabilisiert werden, jedoch nicht vollständig fixiert werden. Es wird daher auf die Nutzung des Anstieges der Kennlinie für die Tiefenbestimmung verzichtet und durch ein zweites Messsystem ersetzt. Dabei sei erwähnt, dass auch die Nutzung des linearen Bereichs der Kennlinie eine einmalige Charakterisierung dieser gegen ein Referenzsystem oder Referenzobjekt erfordert.
Durch das eingesetzte Lock-In Verfahren können auch Oberflächen mit einer geringeren Reflektivität gemessen werden. Fast transparente Proben mit geneigten Oberflächen, wie sie in der Biologie oder Optik vorkommen, können so korrigiert gemessen werden. Die dabei eingesetzte schwingende Lochblende bietet dabei die Möglichkeit auf kleinem Bauraum eine hohe Modulationsfrequenz mit hohem Kontrast durch eine hohe Auslenkung zu erreichen. Durch die spezielle Bauform der Lochblende können sehr kleine Aperturen ermöglicht werden, sodass das Beugungslimit des konfokalen Messprinzips maximal genutzt werden kann.
Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch der Einsatz fehlerbehafteter optischer Elemente noch zu ausreichenden Ergebnissen bei der Vermessung von Probenoberflächen kommen. Eine Ausführung in miniaturisierter Form geht damit einher. Anwendungen leiten sich von derzeitigen Anwendungen des Konfokalmikroskops ab. So können dreidimensional Profile und Oberflächen, Abstandsmessungen und auch Dickenmessungen korrigiert durchgeführt werden. Die Kompensation gilt auch für den Zeitbereich, sodass harsche Umgebungen, wie in der Fertigung üblich, sich weniger stark auswirken. Damit wird die differentielle Konfokalmikroskopie attraktiver für die Online-Inspektion. Speziell auf die hier vorgeschlagene Umsetzung mittels des Lock-In Verfahrens müssen diese Einflüsse jedoch langsamer als die Schwingungsperiode des Referenzsignals sein.
Literaturliste
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Claims

Verfahren zur Kompensation von instationären Aberrationen bei der konfokalen Vermessung einer Probenoberfläche, die in einer xy-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems im Beleuchtungsstrahlengang mindestens einer Punktlichtquelle (1, 2) angeordnet ist und von welcher ein Bildgebungsstrahlengang auf mindestens eine punktförmige Detektoreinheit, die jeweils eine Lochblende (8, 10, 11,15) und einen Detektor (D, D1, D2) aufweist, abgebildet wird, bei dem durch Detektion an mindestens zwei voneinander verschiedenen Positionen zwei unterschiedlich defokussierte Signale UD1 und UD2 generiert werden, umfassend folgende Schritte: • Einstellung eines Defokusabstandes ±z'D generierten Signale UD1 und UD2, derart, dass der Defokusabstand z'D kleiner als die Halbwertsbreite des größten Maximums der Intensitätsverteilung über der z'-Achse für eine Lochblende (8,10, 11, 15) und einen Detektor (D, D1, D2) bei z'D=0 ist; • Erfassung der Detektorsignale UD1 und UD2; • Verarbeitung der erfassten Detektorsignale UD1 und UD2 zu einer differentiellen Referenzkennlinie R0; • Definition des Nullpunktes der z-Achse des kartesischen Koordinatensystems in der Nullstelle des linearen Abschnittes der idealen differentiellen Kennlinie (R0 = 0); • Spiegelung der positiven oder der negativen Anteile der Detektorsignale UD1 und UD2 an der kalibrierten Nullstelle des linearen Abschnittes der differentiellen Referenzkennlinie R0; • Verschiebung des gespiegelten Signals um den doppelten Abstand z'D der Lochblende (10 oder 11) von der hinteren Brennebene des Mikroskops in entgegengesetzter Richtung und • Bereitstellung einer resultierenden differentiellen Kennlinie R'(z) mit einer stabilen Nullstelle zur Kompensation von Aberrationsfehlern bei der konfokalen Vermessung der Probenoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation von durch Aberrationen verursachten Messfehlern im Bildgebungsstrahlengang realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenoberfläche mit einer Positioniereinheit (7) entlang der z-Achse des kartesischen Koordinatensystems verschoben wird, wobei diese Verschiebung mit Hilfe eines Messsystems (MS) an einem Referenzobjekt (28) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (27) des Messsystems (MS) fluchtend zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs ausgerichtet ist.
Vorrichtung, derart eingerichtet, ein Verfahren zur Kompensation von Aberrationsfehlern bei der konfokalen Vermessung einer Probenoberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen, aufweisend eine in den Beleuchtungsstrahlengang der Punktlichtquelle (1, 2) angeordnete Probenoberfläche (5), mindestens eine in dem Bildgebungsstrahlengang angeordnete Detektionseinheit mit mindestens einer Blende (15) und mindestens einem Detektor (D), dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (15) dazu ausgebildet ist, entlang der optischen Achse des Bildgebungsstrahlengangs nach einem Signal (URef) zu schwingen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (15) als Lochblende, als optische Faser oder als Einheit mit detektierenden Flächen ausgebildet ist, die in einer orthogonalen Ebene zur optischen Achse des Bildgebungsstrahlengangs einzeln, linien- oder arrayförmig angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (15) einen mehrschichtigen Aufbau aufweist, wobei eine transparente Schicht (21) auf ihrer Unterseite eine intransparente Schicht (20) mit einer Aperturvorrichtung (19) und auf ihrer Oberseite mindestens eine strukturierte Funktionsschicht (22) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (22) eine Anregung sind, mit der die Blende (15) piezoelektrisch, thermisch, pneumatisch, hydraulisch oder daraus kombiniert in Schwingung versetzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite der transparenten Schicht (21) mindestens eine strukturiere Funktionsschicht (23) zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie umfasst ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (15) als zumindest teilweise eingespannte Membran oder Balken ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel aufweist, mit denen die durch die schwingende Blende (15) am Detektor (D) aufgenommenen Signale mit der Blendenschwingung (URef) multipliziert und danach über mehrere Perioden tiefpassgefiltert werden.