DE19930628A1 - Topographiemeßgerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Oberflächenstrukturen (3a) im Mikrometerbereich. Gemäß der Erfindung wird dabei die mittels eines Fokusfehlerdetektionssystems über einen unterlagerten Regelkreis bewirkte Axialverschiebung eines Tubus (16) über ein Inkrementalmeßsystem derart ausgewertet, daß ein der zu erfassenden Oberflächenstruktur (30) entsprechendes Profilmeßsignal erhalten wird. In vorteilhafter Ausgestaltung dieser Erfindung kann die Oberflächenerfassungsvorrichtung mit einem integrierten Mikroskop und einer Beobachtungskamera (27) verbunden sein, die über entsprechende Einkopplung eines gemeinsamen Beobachtungsstrahlengangs in den Meßstrahlengang den gemeinsamen Tubus (16) sowie das entsprechende Objektiv (3) nutzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Er­ fassung von Topographien, vorzugsweise im Mikrobereich.

In der DE-OS 30 35 719 sowie der nachfolgenden DE-OS 32 45 075 ist ein optisches Fokusfehlerdetektionssy­ stem für die Audio Technik beschrieben. Bei diesen vorbe­ kannten Fokusfehlerdetektionssystemen handelt es sich im wesentlichen um Vorrichtungen zum Auslesen eines Aufzeich­ nungsträgers mit einer optisch auslesbaren strahlungsre­ flektierenden Informationsstruktur, beispielsweise einer CD-ROM.

Mit derartigen optischen Fokusfehlerdetektionssystemen sol­ len Abweichungen zwischen der Abbildungsfläche eines Objek­ tivsystems in einem optischen System und der strahlungsre­ flektierenden Fläche erkannt werden. Hierzu weisen die vor­ bekannten Fokusfehlerdetektorsysteme eine Strahlungsquelle auf, die über eine Linse und ein astigmatisches System auf eine reflektierende Oberfläche einstrahlen, wobei die re­ flektierte Strahlung durch einen Strahlungsteiler ausgekop­ pelt und auf ein strahlungsempfindliches Detektorarray ge­ geben wird.

Das astigmatische System kann z. B. aus einer Zylinderlinse bestehen, die im Strahlungsgang des reflektierenden Strahl­ ganges angeordnet ist. Zwischen den Brennlinien dieses astigmatischen Systems, das insgesamt durch das verwendete Objektivsystem und die genannte Zylinderlinse gebildet wird, ist das strahlungsempfindliche Detektorarray angeord­ net. Im Falle einer Lageänderung der die Informationsstruk­ tur enthaltenden Oberfläche relativ zum Objektivsystem, än­ dert sich auch die Form des auf dem Detektorarray abgebil­ deten Bildflecks. Diese Formänderung wird von dem Detektor­ array als sogenannter "Fokusfehler" detektiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das aus der Audio Technik vorbekannte optische Fokusfehlerdektektionssystem mit Vorteil zur Oberflächenerfassung nutzbar zu machen.

Hierzu wird gemäß dem Hauptanspruch eine Vorrichtung vorge­ schlagen, die eine Strahlungsquelle, die über ein innerhalb eines axialbeweglichen Tubus angeordnetes Objektivsystem auf eine zur Erfassung vorgesehene strahlungsreflektierende Topographie einstrahlt, wobei die reflektierte Strahlung über ein astigmatisches System einer Detektoreinrichtung zur Generierung eines Fokusfehlersignals einwirkt und die­ ses Fokusfehlersignal gemeinsam mit einem Positionssignal, das einer jeweiligen Auslenkung des Tubus aus einer Ruhela­ ge entspricht, einer Regelstrecke zugeleitet wird, deren Stellglied gegebenenfalls eine Axialverschiebung des Tubus bewirkt, wobei eine Sensoreinheit die jeweilige Axialverschiebung des Tubus erfaßt und in ein Profilmeßsignal umsetzt.

Der Gegenstand der Erfindung löst demnach die gestellte Aufgabe dadurch, daß die infolge des generierten Fokusfeh­ lersignals bewirkte Axialverschiebung des Tubus als eine der jeweiligen Topographie entsprechende Meßgröße erkannt, erfaßt und ausgewertet wird. Der Vorteil einer derart be­ rührungsfreien Oberflächenerfassung liegt neben einer bis­ her nicht erreichbaren Meßgenauigkeit und Meßgeschwindig­ keit in der Generierung einer eindeutigen und leicht erfaß­ baren Meßgröße.

Die Verwendung einer reinen Punktlichtquelle, die vorzugs­ weise mittels eines Single-Mode-Faser-Lichtleiters gewonnen wird, vermeidet Astigmatismus und Instabilität der anson­ sten in diesem Zusammenhang verwendeten Laserdioden.

Das von der Single-Mode-Faser emittierte Licht wird über eine Kollimatorlinse gebündelt und auf das im weiteren Strahlungsgang angeordnete Objektiv gerichtet. Bei richti­ ger Anordnung der Kollimatorlinse relativ zum Objektiv wird das derart eingestrahlte Licht auf der zu untersuchenden Oberfläche beugungsbegrenzt fokussiert.

Der die Axialverschiebung des Tubus bewirkende Regelkreis ist mit Vorteil unterlagert ausgeführt. Die Vorteile eines unterlagerten Regelkreises gegenüber einem einfachen Regel­ kreis sind hinlänglich bekannt.

Eine weitere dynamische Verbesserung wird dadurch erzielt, daß beide Regelkreise mit einem Proportional-Integral- Differentialregler (PID) ausgestattet sind.

Das Stellglied der genannten Regelkreise ist jeweils eine mit dem Tubus fest verbundene Tauchspule, die in elektroma­ gnetischer Wechselwirkung mit einem zur Tauchspule im we­ sentlichen konzentrisch angeordneten Permanentmagneten steht. Je nach Regelabweichung wird die Tauchspule mehr oder minder strombeaufschlagt und hierdurch eine Axialver­ schiebung des Tubus bewirkt. Derartige Tauchspulensysteme werden seit vielen Jahren als hochpräzise Positionssteller geschätzt. Aufgrund der berührungslosen und doch hochpräzi­ sen Ansteuerung sind sie nahezu wartungsfrei.

Eine weitere Eingangsgröße des genannten Regelkreises ist ein der jeweiligen Axialverschiebung des Tubus entsprechen­ des Positionssignal. Dieses kann ebenfalls mit Vorteil be­ rührungslos dadurch erfaßt werden, daß an der Außenwandung des Tubus eine beleuchtete Blende angeordnet ist, die auf einen Lichtsensor einwirkt, der ein der jeweiligen Tubus­ verschiebung entsprechendes Positionssignal generiert.

Die von der erfaßten Oberfläche reflektierte Strahlung ist auf eine lichtempfindliche Detektoreinrichtung gerichtet, die derart zwischen den Brennlinien des von der Zylinder­ linse gebildeten astigmatischen Systems angeordnet ist, daß bei Defokussierung eine meridionale oder sagitale Brennli­ nie abgebildet wird.

Diese Detektoreinrichtung weist neben einem zentralen Diodenarray zur Fokussierung ein Umgebungsdiodenarray auf, das rings um das zentrale Diodenarray angeordnet ist und der sicheren Erkennung von Defokussierungszuständen außer­ halb des aktiven Kennlinienbereichs, des sogenannten "Fang­ bereichs" des zentralen Diodenarrays dient. Im Zusammenhang mit der hier interessierenden Erfassung von Mikrostrukturen auf Oberflächen sind Anwendungen denkbar, bei denen der meßtechnisch nutzbare Fokusfehlerbereich, also der Meßbe­ reich des Systems insgesamt sehr klein ausgelegt werden muß. Aus diesem Grunde muß der eigentlichen Fokussierung ein Suchlauf zugeordnet werden, der mittels des genannten Umgebungsdiodenarrays angesteuert ist.

In der optischen Achse des Meßstrahlengangs ist als Strahl­ teiler ein Strahlteilerwürfel oder Pellicle angeordnet, das beim Strahlhinlauf, wie auch beim Strahlrücklauf einen vor­ bestimmten Anteil des Meßlichtes auskoppelt, wobei das von der zu erfassenden Oberfläche reflektierte Licht des Strahlrücklaufs auf die genannte Detektoreinrichtung ge­ lenkt wird.

Das beim Strahlhinlauf ausgekoppelte Licht wird zur Vermei­ dung unerwünschter Reflexionen und/oder Streulichteffekte von einer entsprechend angeordneten Lichtfalle aufgenommen.

Ein weiterer Beitrag zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist die möglichst ortsnahe Anordnung von Strahlteiler, Detek­ toreinrichtung und Lichtemissionszentrum. Dies ist ein wertvoller Beitrag zur Erhöhung der Langzeitstabilität der Justage der Meßanordnung gegenüber äußeren Einflußgrößen wie der Temperatur.

Der Tubus der Vorrichtung ist mittels wenigstens einer ro­ tationssymmetrischen Membranfeder koaxial gelagert. Diese Lagerung vermeidet die ansonsten im Stand der Technik be­ kannten Probleme einer Tubusverkippung bzw. eines Parallel­ versatzes, die ansonsten bei einer Lagerung mittels einsei­ tig geklemmter Blattfedern auftreten. Darüber hinaus sind die genannten Membranfedern durabler und können auch mehr­ linsige Objektivsysteme sicher lagern. Die erhöhte Reso­ nanzfrequenz eines derartigen Membranfedersystems ist ein weiterer Vorteil. Die verbesserte Lagerung mittels der ge­ nannten Membranfedern wird allerdings mit einem erhöhten Kraftaufwand für das Stellglied bezahlt.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Membranfedersystem mit einer Dämpfung zur Unterdrückung oder Vermeidung von Resonanzschwingungen versehen. Insbesondere erfolgt eine Dämpfung von axial verlaufenden Schwingungen. Die Dämpfung wirkt auch in radialer Richtung und vermeidet hierdurch Schwingungen in der Feldebene. Hierdurch werden stehende Wellen in der Feder selbst vermieden.

Am Außenumfang des Tubus ist darüber hinaus eine physikali­ sche Maßverkörperung befestigt, die beim Vorbeilauf des Tu­ bus an einem positionsfesten Meßwertaufnehmer zumindest mittelbar ein der Oberflächenstruktur entsprechendes Pro­ filmeßsignal generiert. Bei dieser Ausgestaltung wird somit auch das Profilmeßsignal selbst berührungslos aufgenommen.

In vorteilhafter Ausgestaltung erfolgt die Aufnahme des Profilmeßsignals mittels eines Inkrementalgebers mit einer physikalischen Maßverkörperung. Die Vorteile dieser digita­ len Meßwerterfassung hinsichtlich der Meßwertaufnahme und - verarbeitung sind bekannt.

Zusätzlich kann über die Maßverkörperung eine Rückführung auf die jeweils geltenden nationalen Standards erfolgen.

In weiterer Ausgestaltung wird die Tauchspule als Stell­ glied des unterlagerten Regelkreises mit einer periodischen Anregungsfunktion beaufschlagt, die die Durchführung eines die Meßgenauigkeit erhöhenden Oversamplings gestattet.

Diese periodische Anregungsfunktion kann bei entsprechend phasensynchroner Abtastung wieder von dem eigentlichen Po­ filmeßsignal getrennt werden.

Die Phasensynchronität entsteht in einfacher Weise dadurch, daß die abtastende Auswerteeinheit selbst die Anregungs­ funktion generiert. Hierdurch ist die Phasensynchronität in jedem Fall sichergestellt.

Zur Unterdrückung des Einflusses der Anregungsfunktion auf das Positionssignal ist die Abtastrate des Abtastfilters in einem vorbestimmten Verhältnis phasensynchron zur Anre­ gungsfunktion.

Dies kann mit Vorteil dadurch erreicht werden, daß der Ab­ tastfilter selbst die Anregungsfunktion generiert. Hier­ durch entfällt eine ansonsten zur Synchronisation der Pha­ sen von Abtastung und Anregungsfunktion notwendige Einrich­ tung.

Das erfindungsgemäße Topographiemeßgerät kann mit Vorteil durch ein integriertes Mikroskop erweitert werden. Dieses Mikroskop gestattet die Beobachtung der Umgebung der Meß­ stelle. Dabei verwendet das erfindungsgemäß integrierte Mi­ kroskop einen zum Meßstrahlengang koaxialen Strahlengang.

Dies bedeutet, daß die optische Achse des Beobachtungs­ strahlengangs sowie des Meßstrahlengangs zusammenfallen. Die Vorteile dieser Lösung liegen auf der Hand. Es kann ein- und dasselbe Objektiv für das Mikroskop ebenso wie für das astigmatische System eingesetzt werden.

Das Mikroskop und die Oberflächeneinrichtung verwenden ei­ nen einzigen Tubus. Die Vorteile hinsichtlich der Herstel­ lungskosten und des Platzbedarfs sind offensichtlich. Au­ ßerdem stellt das Mikroskop in Verbindung mit dem hier be­ schriebenen Topographiemeßgerät ein äußerst wirkungsvolles Kontrollinstrument dar. Das Mikroskop ermöglich eine direk­ te Meßfleckbeobachtung, deren großer Vorteil in der hiermit verbundenen Positionierhilfe liegt. Dies ist bei einer an­ gestrebten Auflösung im µm-Bereich ein entscheidender Vor­ teil. Bei einem Seitenmikroskop müßte ein unvermeidlicher Offset festgestellt und korrigiert werden, der überdies nicht notwendig über die Zeit konstant ist, sondern auf­ grund thermischer oder mechanischer Störgrößen veränderlich ist.

Der Beobachtungsstrahlengang wird außeraxial ausgeleuchtet. Dies führt zu einer Kontrasterhöhung des erzeugten Bildes.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird in den Beob­ achtungsstrahlengang des Mikroskops eine Kamera zur Auf­ zeichnung und Beobachtung der zu erfassenden Oberfläche eingekoppelt.

Dabei verwendet auch das optische System der Kamera wei­ testgehend denselben Strahlengang und dasselbe Objektiv wie das eigentliche Topographiemeßgerät sowie das erwähnte Mi­ kroskop, dessen Okular von der Kamera mitbenutzt wird.

Im Falle der Ausgestaltung mit der Möglichkeit der Kamera­ beobachtung ergibt sich allerdings notwendig eine veränder­ te Auslegung des Mikroskops.

Zur weiteren Verbesserung des mittels der Kamera erzeugten Bildes ist zwischen den außeraxialen Strahlquellen und dem zur Einkopplung des Beobachtungsstrahlengangs der Kamera vorgesehenen weiteren Strahlteiler eine zur Kamera konju­ giert angeordnete Blende vorgesehen.

Durch entsprechende Anordnung der außeraxialen Strahlquel­ len, der erwähnten Blende sowie des im Beobachtungstrahlen­ gang des Mikroskops angeordneten Okulars relativ zum Objek­ tiv der Kamera bleibt der Scheitel der Objektivrückseite jeweils abgeschattet. Dies garantiert eine exakte Ausleuch­ tung des Bildfeldes der Kamera und reduziert unnötiges Streulicht.

Zusätzlich ist im Beobachtungsstrahlengang des Objektivs der Kamera ein Sperrfilter angeordnet, der im Beobachtungs­ strahlengang enthaltenes Meßlicht so abschwächt, daß keine lokale Übersteuerung der Kamera möglich ist.

Bei Verwendung einer chromatisch nicht auf die Wellenlänge des Beobachtungslichtes korrigierten monochromatischen Lin­ se und der Einstrahlung von quasi monochromatischem Licht im Beobachtungsstrahlengang kann die hierdurch verbundene chromatische Aberration des Objektivs dazu genutzt werden, daß schon Filter geringerer Dämpfung ausreichen, um eine lokale Übersteuerung der Kamera zu vermeiden. Dies gelingt indem die Strahlungsenergie des erfaßten Oberflächenspots auf eine größere Fläche verteilt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels, das in der Zeichnung nur in einer Prinzipskizze dargestellt ist, näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Topographiemeßge­ räts und

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Tubus des To­ pographiemeßgeräts mit einer Draufsicht auf eine Membranfeder zur Lagerung des Tubus.

Das Topographiemeßgerät weist im wesentlichen einen Halb­ leiterlaser 1 auf, der über einen Lichtleiter, beispiels­ weise einer Single-Mode-Faser 30 einen Strahlungsgang emit­ tiert, der im weiteren als Meßstrahlengang bezeichnet wird. Die Strahlachse des Meßstrahlengangs wird als optische Ach­ se der Vorrichtung bezeichnet. In der optischen Achse die­ ser Vorrichtung sind ein Strahlteilerwürfel 4 und eine Kol­ limatorlinse 2 zur Bündelung des Meßstrahlengangs angeord­ net.

Der nach teilweisem Durchgang durch den Strahlteilerwürfel 4 und die Kollimatorlinse 2 gebündelte Meßstrahlengang wird über ein Objektiv 3 auf eine reflektierende Oberfläche 3a fokussiert.

Das auf dem Strahlhinweg durch den Strahlteilerwürfel 4 ausgekoppelte Licht wird zur Vermeidung von Streulichtef­ fekten von einer Lichtfalle 33 aufgefangen. Weitere Licht­ fallen der Anordnung sind mit den Bezugszeichen 34 und 35 bezeichnet.

Die von der zu erfassenden reflektierenden Oberfläche 3a zurückgeworfene Strahlung wird über den Strahlteilerwürfel 4 aus dem reflektierten Meßstrahlengang und damit der opti­ schen Achse zum Teil ausgekoppelt. Der Strahlteilerwürfel 4 weist hierzu eine dielektrische Schicht auf, die einen Teil der von der reflektierenden Oberfläche 3a zurückgeworfene Strahlung auf ein im weiteren Strahlengang angeordnetes De­ tektorarray 5 wirft.

Das von der dielektrischen Schicht umgelenkte reflektierte Strahlenbündel wird bei Durchgang durch eine konkave Zylin­ derlinse 5a, die das eigentliche astigmatische System des Topographiemeßgeräts verkörpert, astigmatisch.

Das Detektorarray 5 ist dabei so zwischen den Brennlinien des erläuterten astigmatischen Systems, also der Zylinder­ linse 5a angeordnet, daß bei einer Defokussierung des Sy­ stems auf dem Detektorarray 5 entweder eine meridionale oder eine sagitale Brennlinie abgebildet wird.

Dies führt zur Generierung eines Fokusfehlersignals, das einer Reglereinrichtung 31 zugeleitet wird.

Das Detektorarray 5 besteht im wesentlichen aus einem im Zentrum angeordneten Photodiodenarray sowie einem weiteren Umgebungsdiodenarray, das um dieses zentrale Photodioden­ array herum angeordnet ist. Die im Zentrum angeordneten Photodioden dienen einer Fokussierung des Systems, während das Umgebungsdiodenarray ggf. einen Suchlauf einleitet, in dessen Verlauf der Tubus solange verfahren wird, bis wieder ein verwertbares Signal auf das zentrale Photodiodenarray fällt, mithin das System wieder in den Fangbereich der De­ tektoreinrichtung zurückgeführt ist.

Ohne das Umgebungsdiodenarray wäre ansonsten keine gesi­ cherte Unterscheidung zwischen den Gegebenheiten eines ge­ ringen Lichteinfalls auf das zentrale Diodenarray wegen ei­ ner völligen Defokussierung des Systems oder einer ledig­ lich schwach reflektierenden Oberfläche möglich.

Die beiden Diodenarrays haben demnach unterschiedliche Funktionen. Sobald das Verhältnis des Lichteinfalls auf das Umgebungsdiodenarray gegenüber dem Lichteinfall auf das zentrale Diodenarray einen definierten Schwellwert über­ schreitet, wird zunächst ein Suchlauf eingeleitet. Der Schwellwert ist je nach Oberflächenstruktur einstellbar.

Die Reglereinrichtung 31 besteht im wesentlichen aus einem Fokusfehlersignalregler 12 mit unterlagertem Lageregler 14, wobei jeder der Regler 12, 14 eine PID Charakteristik auf­ weist. Das von dem Detektorarray 5 generierte Fokusfehler­ signal wird dem Fokusfehlersignalregler 12 als Ist-Größe zugeführt.

Dem Lageregler 14 des unterlagerten Regelkreises wird über einen Summationspunkt ein der aktuellen Lage des Tubus 16 entsprechendes Positionssignal sowie das Ausgangssignal des Fokufehlersignalreglers 12 zugeleitet. Dieses Positions­ signal wird von einem Positionsdetektor 15 generiert, der ortsfest in unmittelbarer Nähe des Tubus 16 befestigt ist.

Die Außenwandung des axialbeweglichen Tubus 16 weist eine linienförmige Blende 17 auf, die von einer nicht weiter dargestellten Infrarotleuchtdiode beleuchtet wird, so daß ein ortsveränderlicher Lichtbalken auf den optoelektroni­ schen Positionsdetektor 15 abgebildet wird.

Der je nach Lage des Tubus 16 ortsveränderliche Lichtbalken erzeugt als proportionales Signal eine Stromverteilung, die vom Positionsdetektor 15 über eine Auswerteschaltung 19 zu­ sammen mit dem Ausgangssignal des Fokusfehlersignalreglers 12 auf den unterlagerten Lageregler 14 gegeben wird.

Dem Lageregler 14 wird über einen Summationspunkt das Stellsignal des Fokusfehlersignalreglers 12 und das erwähn­ te Positionssignal zugeführt. Das Ausgangssignal des Lage­ reglers 14 steuert im weiteren eine nachgeschaltete Endstu­ fe 13 an.

Die Endstufe 13 wirkt auf eine mit dem Tubus 16 fest ver­ bundene Tauchspule 9, die im Magnetfeld eines rotationssy­ metrischen zum Tubus 16 konzentrisch angeordneten, axial magnetisierten Permanentmagneten 10 angeordnet ist. Der ringförmige Permanentmagnet 10 ist ortsfest innerhalb eines den Tubus 16 konzentrisch umschließenden metallischen Zy­ linders 32 angeordnet. Der ferromagnetische Zylinder 32 bildet den notwendigen radialen magnetischen Rückschluß für den Permanentmagneten 10. Je nach Strombeaufschlagung der Tauchspule 9 bewegt sich die mit dem Tubus 16 bewegliche Tauchspule 9 im Luftspalt des axialmagnetisierten Perma­ nentmagneten 10. Die Tauchspule 9 dient somit als Axialan­ trieb des axialverschieblichen Tubus 16. An der Außenwand des Tubus 16 ist zusätzlich ein Inkrementalgeber 20a ange­ ordnet.

Es handelt sich dabei um einen mit dem Tubus 16 verbundenen Gittermaßstab, der mit dem Tubus 16 an einem Referenzgitter des Inkrementalaufnehmers 20 vorbeiläuft.

Hierdurch wird ein der Bewegungsrichtung und der Auslenkung des Tubus 16 aus einer wohldefinierten Ruhelage entspre­ chendes Signal generiert, das mittels einer Auswerteeinheit 22 zur Auswertung des empfangenen Meßsignals letzlich zum gewünschten, der Oberflächenstruktur entsprechenden Profil­ meßsignal umgesetzt wird.

Die Auswerteeinheit 22 tastet mit einer vordefinierten Ab­ tastrate das vom Inkrementalaufnehmer 20 empfangene Signal ab. Diese Abtastrate ist phasensynchron mit einer Anre­ gungsfunktion mit der die als Stellglied fungierende Tauch­ spule 9 beaufschlagt wird. Dies gelingt dadurch, daß die Anregungsfunktion ebenfalls in der Auswerteeinheit 22 gene­ riert wird. Die phasensynchrone Abtastung bewirkt die Aus­ filterung der Anregungsfunktion aus dem dem Postionssignal entsprechenden Meßsignal. Die Anregungsfunktion als solche bewirkt eine minimale, aber stetige Auf- und Abwärtsbewe­ gung des Tubus 16. Hierdurch wird im Wege des Oversampling die Auflösung des Topographiemeßgeräts erhöht, indem die bei einer digitalen Meßwerterfassung bestehende Quantisie­ rung auf ein Least Significant Bit (LSB) durch die be­ schriebene Anregung und anschließende Mittelwertbildung vermieden wird.

Der Tubus 16 ist gemäß Fig. 2 über zwei spezielle konzen­ trisch angeordnete Membranfedern 7 gelagert. Die Membranfe­ dern 7 sind zusätzlich zur Vermeidung von Resonanzerschei­ nungen ein- oder beidseitig mit einem Dämpfungsmaterial 8 beklebt.

Die Membranfedern 7 stellen, im Unterschied zur einseitigen Verklemmung mit Blattfedern, eine Lagerung dar, die den Tu­ bus 16 wirksam gegen Verkanten, Verkippen oder axiale Ver­ schiebung schützen.

Über eine Strahlteilerplatte 24, die in der optischen Achse des Meßstrahlengangs angeordnet ist, wird zusätzlich der Beobachtungsstrahlengang eines Mikroskops eingekoppelt. Das Mikroskop umfaßt im wesentlichen eine Okularlinse 25 und das Objektiv 3. Das integrierte Mikroskop verwendet so­ mit objektivseitig den gleichen Strahlungsgang, das gleiche Objektiv und denselben Tubus 16 des bis dahin beschriebenen Topographiemeßgeräts.

Der Beobachtungsstrahlengang des Mikroskops wird mit au­ ßeraxial angeordneten Leuchtdioden 24a ausgeleuchtet, die über eine Blende 24b auf das Okular 25 und die Strahltei­ lerplatte 24 einstrahlen. Bei der Strahlteilerplatte 24 handelt es sich auch um einen Strahlteiler, der zumindest einen Teil des Beobachtungsstrahlengangs auf das Objektiv 3 umlenkt. In dem erwähnten Beobachtungsstrahlengang des ge­ schilderten Mikroskops wird zusätzlich über einen weiteren Strahlteilerwürfel 26 der Beobachtungsstrahlengang einer CMOS-Kamera 27 eingekoppelt.

Ein zwischen dem weiteren Strahlteilerwürfel 26 und der Ka­ mera 27 angeordneter Sperrfilter 28 schwächt das im Beob­ achtungsstrahlengang enthaltene Meßlicht derart ab, daß keine lokale Übersteuerung der Kamera 27 auftreten kann. Der Sperrfilter 28 kann im Rahmen der Erfindung auch an an­ derer Stelle, beispielsweise zwischen der Strahlteilerplat­ te 24 und dem weiteren Strahlteilerwürfel 26, sinnvoll im Strahlengang positioniert sein.

Die vorstehend beschriebene integrierte Kamera 27 sowie das integrierte Mikroskop gestatten eine exakte Positionierung der zu untersuchenden Meßstelle sowie eine visuelle Kon­ trolle des jeweiligen Fokussierungszustandes an der Meß­ stelle, indem das von der Kamera gezeigte Bild stets nur dann scharf ist, wenn das Topographiemeßgerät meßbereit ist. Darüber hinaus kann im Wege der beschriebenen Kamera 27 die Oberflächenmessung auch optisch erfaßt und einer On­ line-Auswertung zugeführt werden. Die Blende 24b reduziert in der gewünschten Weise die Ausleuchtung des Bildfeldes der Kamera 27 auf ein Minimum.

Das vorstehend beschriebene Topographiemeßgerät erlaubt ei­ ne Oberflächenerfassung mit bisher nicht erreichter Meßge­ nauigkeit und -geschwindigkeit. Letzteres ist insbesondere in Verbindung mit an dem Meßgerät vorbeilaufenden Produkt­ ketten, wie beispielsweise in der Platinenbestückung oder Chipfertigung bedeutsam. Darüber hinaus wird das erfin­ dungsgemäße Topographiemeßgerät mit Vorteil durch ein inte­ griertes Mikroskop und eine integrierte Kamera 27 ergänzt. Das Meßgerät erlaubt eine Vermessung von Oberflächenprofi­ len im Submikrometerbereich.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Halbleiterlaser

2

Kollimatorlinse

3

Objektiv

3

a reflektierte Oberfläche

4

Strahlteilerwürfel

5

Detektorarray

5

a Zylinderlinse

7

Membranfeder

8

Dämpfungsmaterial

9

Tauchspule

10

Permanentmagnet

12

Fokusfehlersignalregler

13

Endstufe

14

Lageregler

15

Positionsdetektor

16

Tubus

17

Blende

19

Auswerteschaltung

20

Inkrementalaufnehmer

20

a Inkrementalgeber

22

Auswerteeinheit

24

Strahlteilerplatte

24

a Mikroskopbeleuchtung

24

b Feldblende

25

Okularlinse

26

weiterer Strahlteilerwürfel

27

CMOS-Kamera

28

Sperrfilter

30

Single-Mode-Faser

31

Reglereinrichtung

32

ferromagnetischer Rückschluß

33

Lichtfalle

34

weitere Lichtfalle

35

weitere Lichtfalle

Claims (25)

1. Vorrichtung zur optischen Erfassung von Topographien, vorzugsweise im Mikrometerbereich, mit einer Strahlungs­ quelle (1), die über ein innerhalb eines axialbeweglichen Tubus (16) angeordnetes Objektivsystem (3) auf eine zur Er­ fassung vorgesehene strahlungsreflektierende Topographie (3a) einstrahlt, wobei die reflektierte Strahlung über ein astigmatisches System (5a) auf eine Detektoreinrichtung (5) zur Generierung eines Fokusfehlersignals einwirkt und die­ ses Fokusfehlersignal gemeinsam mit einem Positionssignal, das einer Auslenkung des Tubus (16) aus einer wohldefinier­ ten Ruhelage entspricht, einer Reglereinrichtung (31) zuge­ leitet wird, deren Stellglied (9, 10) gegebenenfalls eine Axialverschiebung des Tubus (16) bewirkt, wobei eine Sen­ soreinheit (20, 20a) die Axialverschiebung des Tubus (16) erfaßt und in ein Profilmeßsignal umsetzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) als reine Punktlichtquelle, vor­ zugsweise durch die Einstrahlung über eine Single-Mode- Faser-Lichtleiter (30), ausgestaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Single-Mode-Faser-Lichtleiter (30) emittierte Licht über eine Kollimatorlinse (2) gebündelt und auf ein im weiteren Meßstrahlengang angeordnetes Objektiv (3) gelangt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Reglereinrichtung (31) einen unterlagerten Regelkreis umfaßt, wobei die Regelgröße des überlagerten Regelkreises das Fokusfehlersignal und die Re­ gelgröße des unterlagerten Regelkreises ein der Axialver­ schiebung des Tubus (16) entsprechendes Positionssignal ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Regelkreise jeweils einen PID-Regler (12, 14) umfassen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Stellglied der Reglereinrich­ tung (31) eine fest mit dem Tubus (16) verbundene Tauchspu­ le (9) ist, die in elektromagnetischer Wechselwirkung mit einem ortsfest angeordneten Permanentmagneten (10) steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenwandung des Tubus (16) eine beleuchtete Blende (17) befestigt ist, deren Lichtdurchsatz auf einen Positi­ onsdetektor (15) derart einwirkt, daß ein der jeweiligen Axialverschiebung des Tubus (16) entsprechendes Positions­ signal generiert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (5) ein zentrales Diodenarray zur Fokussierung und ein Umgebungsdiodenarray zur Auslösung eines Suchlaufs aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Strahlteiler, vorzugsweise ein Strahlteilerwürfel (4), einen Teil der reflektierten Meßstrahlung aus einer durch die Vorzugsrichtung der Meß­ strahlung definierten optischen Achse auskoppelt und auf die Detektoreinrichtung (5) richtet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Strahlteiler (4) auf dem Strahlhinweg des Meß­ lichtes ausgekoppelte Licht auf einer der Detektoreinrich­ tung (5) abgewandten Seite aus der optischen Achse austritt und von einer Lichtfalle zumindest weitgehend aufgenommen wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlteiler (4), der Lichtausgang des Single-Mode-Faser-Lichtleiters (30) sowie die Detektorein­ richtung (5) unmittelbar benachbart angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tubus (16) mittels wenig­ stens einer roationssymmetrischen Membranfeder (7) koaxial gelagert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Membranfeder (7) mit einem Dämpfungsmaterials (8) ein oder beidseitig beschichtet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenwandung des Tubus (16) eine physikalische Maßverkörperung befestigt ist, die beim Vorbeilauf des Tubus (16) an einem positionsfesten Meßwertaufnehmer ein Profilmeßsignal zumindest mittelbar generiert.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die phyikalische Maßverkörperung mittels eines Gitters verkörpert ist, das bei einer Axialverschiebung des Tubus (16) an einem ortsfesten Referenzgitter vorbeiläuft.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Maßverkörperung eine, innerhalb einer ortsfest angeordneten Interferometers angeordnete, Licht­ quelle definierter Wellenlänge ist, die auf einen mit dem Tubus ortsfest verbundenden Reflektor derart einwirkt, daß die Axialverschiebung des Tubus mittels der Phasenverschie­ bung des reflektierten Lichts feststellbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchpule (9) mit einer periodi­ schen Anregungsfunktion zur Durchführung eines Oversam­ plings beaufschlagt wird.

18. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abtastung des Profilmeßsi­ gnals phasensynchron zur Anregungsfunktion erfolgt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (22) diese Anregungsfunktion generiert.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Mikroskop zur Meßstellenbeobachtung derart integriert ist, daß in die im wesentlichen vom Meßstrahlengang definierte optische Achse zusätzlich ein beleuchteter Beobachtungsstrahlengang über einen Strahlteilerplatte (24) derart eingekoppelt wird, daß im weiteren Strahlengang nach der Einkopplung ein gemeinsa­ mer Strahlengang für Meß- und Beobachtungsstrahlen gegeben ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Beobachtungsstrahlengang mittels außeraxial ange­ ordneter Strahlquellen (24a) außeraxial ausgeleuchtet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über einen weiteren im Beobachtungsstrahlen­ gang angeordneten Strahlteiler (26) eine Kamera (27) zur Aufzeichnung und Beobachtung der zu erfassenden Oberfläche (3a) eingekoppelt ist.

23. Vorrichtung nach Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die außeraxialen Strahlungsquellen (24a) über eine zur Kamera (27) konjugiert angeordnete Blende (24b) auf den weiteren Strahlteiler (26) einstrahlen.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, da­ durch gekennzeichnet, daß die außeraxialen Strahlquellen (24a), die Blende (24b) sowie ein dem weiteren Beobach­ tungsstrahlengang angeordnetes Okular (25) derart relativ zum Objektiv (3) der Kamera (27) angeordnet sind, daß der Scheitel der Rückseite dieses Kameraobjektives (3) abge­ schattet bleibt.

25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Beobachtungsstrahlengang mit quasi monochromatischem Licht und mit einer von der Meßwellenlänge jeweils abweichenden Beobachtungswellenlänge beleuchtet ist, wobei das gemeinsame Objektiv (3) chroma­ tisch nicht korrigiert ist.