DE2013101A1

DE2013101A1 - Anordnung zur periodischen Scharf einstellung

Info

Publication number: DE2013101A1
Application number: DE19702013101
Authority: DE
Inventors: Gunter 7034 Maichingen Makosch
Original assignee: IBM Deutschland Internationale Bueromaschinen GmbH
Current assignee: IBM Deutschland Internationale Bueromaschinen GmbH
Priority date: 1970-03-19
Filing date: 1970-03-19
Publication date: 1971-10-07
Also published as: US3709579A

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Matdiinen GeeelUcha/t mbH

Böblingen, den 9. März 1970 Pr-ba ■ ι "
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin; Docket GE 969 039; GE 869 124

Anordnung zur periodischen Scharfeinstellung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur periodischen Scharfeinstellung eines abbildenden Systems, insbesondere eines Mikroskops, auf zwei oder mehrere Objektebenen.

Bei zahlreichen Anwendungen auf den verschiedensten Gebieten der Forschung und der Technik ist es erforderlich, ein abbildendes System, beispielsweise ein Mikroskop, nacheinander periodisch auf mehrere Objektebenen scharf einzustellen. Diese Notwendigkeit tritt beispielsweise bei der Auszählung oder Ausmessung von Strukturen auf, deren Tiefenausdehnung größer als die Tiefenschärfe des verwendeten Mikroskops ist* ·

Ein andere» wichtiges Anwendungsgebiet liegt auf dem Gebiet der Herstellung monolithischer Schaltkreise nach dem Verfahren der Photolithographie. Dabei werden mehrere sogenannte Photomasken in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten auf photolackbeschichtete Halbleiterplättchen durch Belichten übertragen. Da die einzelnen Schaltelemente und Leitungszüge einer monolithischen Schaltung sehr klein sind, sie liegen zur Zeit in der Größenordnung

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von 1 μ, muß die Ausrichtung der Photomasken auf ein schon einmal belichtetes Halbleiterplättchen sehr genau erfolgen. Da die elektrischen Eigenschaften der nach diesem Verfahren hergestellten monolithischen Schaltungen wesentlich von der Genauigkeit der Maskenausrichtung abhängen» muß dieser Verfahrensschritt sehr sorgfältig durchgeführt werden. Die dafür zur Verfügung stehenden Mikroskope mit starker Vergrößerung und hohem Auflösungsvermögen über das ganze Bildfeld haben eine Schärfentiefe von wenigen μ, so daß eine gleichzeitige Scharfeinstellung auf Photomaske und Halbleiterplättchen, zwischen denen bei der Ausrichtung ein Luftspalt von etwa 25 μ liegen muß, nicht möglich ist. Der genannte Luftspalt ist deshalb erforderlich, weil die Oberflächen der Halbleiterplättchen nicht eben sind sondern beispielsweise durch das epitaktische Aufwachsen bedingte Erhöhungen von etwa 10 μ aufweisen können. Um eine Beschädigung der sehr empfindlichen monolithischen Schaltungen und Masken zu vermeiden» ist der oben genannte Luftspalt erforderlich. Bei den bisher bekannten Verfahren erfolgte die Ausrichtung der Maske auf das Halbleiterplättchen bei einer Scharfeinstellung auf eine zwischen ihnen liegende Ebene, so daß beide Elemente unscharf abgebildet wurden, was zu einer Herabsetzung der Ausrichtgenauig.keit führte. Auch abwechselnde Scharfeinstellungen auf die Maske und das Halbleiterplättchen konnte zu keinen befriedigenden Ergebnissen führen, da der übergang von einer Objektebene auf die andere relativ viel Zeit in Anspruch nimmt.

Diese Machteile werden gemäß der Erfindung durch eine Anordnung zur periodischen Scharfeinstellung eines abbildenden Systems, insbesondere eines Mikroskops, auf zwei oder mehrere Objektebenen vermieden, die gekennzeichnet ist durch einen in Strahlengang bewegbar angeordneten durchsichtigen Körper, mit nacheinander in den Strahlengang gelangenden Bereichen, die die jeweils zur Scharfeinstellung auf eine der Objektebenen erforderlichen optischen Weglängenänderungen bewirkenden Abmessungen und Brechungsindizes aufweisen.

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Eine vorteilhafte Heiterbildung des Erfindungsgedankens ist gekennzeichnet durch eine stabförmig oder flügeiförmig ausgebildete planparallele» drehbar angeordnete Platte, mit abwechselnd in den Strahlengang gelangenden und den Strahlengang freigebenden Bereichen.

Eine andere besondere vorteilhafte AusfUhrungsform des Erfindungsgedankens ist gekennzeichnet durch einen treppenförmig ausgebildeten» nacheinander mit Bereichen unterschiedlicher Dicken und/oder Brechungsindizes in den Strahlengang gelangenden drehbar oder schwingend angeordneten Körper.

Eine andere besonders vorteilhafte Ausfuhrungsform des Erfindungsgedankens 1st gekennzeichnet durch eine das Verhältnis der Verweilzeiten im Strahlengang der einzelnen Bereiche des die periodische Scharfeinstellung bewirkenden Körpers bestimmende Längenausdehnung dieser Bereiche, durch die unterschiedliche Helligkeiten und/oder Kontraste aufweisende Objektebenen Abbildungen alt nahezu gleichen Belichtungswerten bzw. Kontrasten erzeugen.

Die unterschiedlichen Helligkeiten und/oder Kontraste der einzelnen Objektebenen können auch durch die Durchlässigkeit, insbesondere die spektrale Durchlässigkeit der einzelnen Bereiche berücksichtigt werden·

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgedankens 1st gekennzeichnet durch eine das Verhältnis der Verweilzeiten der einzelnen Bereiche im Strahlengang beeinflussende Verschiebbarkeit des die periodische Scharfeinstellung bewirkenden Körpers.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung des im Strahlengang bewegbar angeordneten Körpers senkrecht zur optischen Achse des abbildenden Systems liegt. Es kann aber auch zweckmäßig sein» die Anordnung so zu treffen, daß die Bewegungsrichtung des im Strahlengang bewegbar angeordneten Körpers mit der optischen Achse des Systems einen spitzen Winkel einschließt.

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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgedankens

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1st dadurch gekennzeichnet, daß die von der Strahlung durchsetzten Flächen des im Strahlengang bewegbar angeordneten, die periodische Scharfeinstellung bewirkenden Körpers zur Korrektur von Abbildungsfehlern gekrümmt sind.

Sine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet» daß der die periodische Scharfeinstellung bewirkende durchsichtige Körper im objektseitigen Strahlengang angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, diesen Körper im bildseitigen Strahlengang anzuordnen. In diesem Fall tritt aber eine bei manchen Anwendungen störende periodische Änderung der Vergrößerung ein.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung 1st es möglich, ein abbildendes System so schnell abwechselnd jeweils auf eine von zwei oder mehreren Objektebenen scharf einzustellen, daß ein Beobachter die in den einzelnen Objektebenen liegenden Objektpunkte gleichzeitig scharf sieht. Zu diesem Zweck muß jede Objektebene mindestens 16 mal in der Sekunde scharf abgebildet werden, da diese Zahl die Flimmergrenze darstellt.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fign. 1 und 2 Schematische Darstellungen von Strahlen-

verlaufen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung,

Flg. 3 die schematisch· Darstellung einer erfin

dungsgemäßen Anordnung«

Fign. 4 und 5 schematisehe Darstellungen von zwei möglichen Formen eines im Strahlengang angeordneten, die periodische Scharfeinstellung mehrerer Objektebenen bewirkenden Körpers,

Fig. $ die schematische Darstellung von Strahlen-

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verlaufen zur Erläuterung der bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auftre-

I tenden Abbildungsfehlern·

I .

Di« in Fig» 1 wiedergegebene Anordnung besteht aus einer Linse 1 Bit der optischen Achse 8 und der planparallelen Glasplatte 2 mit der Dicke p. Die Objektpunkte O und O* liegen auf den Objektebenen S. und 6, die mit einem Abstand h voneinander angeordnet sind. Der Objektpunkt O wird bei Vorhandensein der Glasplatte 2 im auf der Bildebene 7 liegenden Bildpunkt B in bekannter Heise scharf abgebildet. Der Einfachheit halber ist nur der Hauptstrahl 4 des abbildenden Strahlenbündels wiedergegeben. Wird die Glas*· platte 2 aus dem Strahlengang entfernt, so wird ein auf der Ebene 6 liegender Objektpunkt O' durch ein durch den Hauptstrahl 3 vereinfacht dargestelltes Strahlenbündel auf der Bildebene 7 scharf abgebildet· Wird angenommen, daß der Tiefenschärfenbereich der Linse 1 kleiner als der Abstand h zwischen den Objektebenen und 6 ist, so kann nur jeweils einer der beiden Objektpunkte O oder O' auf der Bildebene 7 scharf abgebildet werden* Sollen bei* de Objektebenen 5 und 6 gleichzeitig beobachtet werden,so ist die Glasplatte 2 mindestens 16 mal in einer Sekunde in den abbildenden Strahlengang der Linse 1 zu bringen und wieder daraus zu entfernen. Auf diese Weise sieht ein die Bildebene 7 betrachtender Beobachter gleichzeitig flimmerfreie Abbildungen der Objektebenen 5 und 6.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung werden die Verhältnisse bei der-Abbildung eines einzigen auf einer Objektebene 9 liegenden Objektes 0 wiedergegeben. Je nachdem ob sich die Glasplatte 2 im Strahlengang der Linse 1 befindet oder nicht, wird der Objektpunkt O als auf der Bildebene 11 liegender Bildpunkt B oder als auf der Bildebene IO liegender Bildpunkt B¹ abgebildet. Die abbildenden Strahlenbündel sind durch die Hauptstrahlen 14 bzw. 13 veranschaulicht.

Der Abstand h zwischen den beiden Objektebenen 5 und 6 1st mit der Dick« d und dem Brechungsindex η der Glasplatte durch die

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Beziehung

verknüpft.

Xn Fig. 3 wird ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben» das aus einem Mikroskopobjektiv 21 mit der Hauptachse 8, einer Glasplatte 22 »it der Dicke d, einer Maske 25 und einem von der Maske den Abstand h aufweisenden und in bezug auf die Maske auszurichtenden Halbleiterplättchen 26 besteht. Die Im oberen

& Teil der Figur in Schnittansicht dargestellte Glasplatt· 22 ist im unteren Bereich der Figur als Draufsicht dargestellt und um die Achse 28 drehbar angeordnet. Befindet sich die Glasplatte im Strahlengang des Mikroskopobjektivs 21, so wird auf der Bildebene 27 ein auf der unteren Fläche der Maske 25 liegender Objektpunkt durch die Strahlen 24 scharf abgebildet. Bei Abwesenheit der Platte 22 wird der gleiche Objektpunkt, wie in Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 2 erläutert, auf einer anderen Bildebene scharf abgebildet, so daß seine Abbildung auf der Ebene 27, eine Schärfentiefe des Mikroskopobjektivs 21 kleiner als h vorausgesetzt, auf der Ebene 27 unscharf wird. In diesen Zustand, d. h. bei Nichtvorhandensein der Glasplatte 22, wird ein auf dem Halbleiterplättchen 26 liegender Objektpunkt auf der

• Bildebene 27 scharf abgebildet. Wird die Glasplatte 22 gedreht, so erfolgt im Bereich des durch G bezeichneten Bogens eine scharfe Abbildung der unteren Fläche der Maske 25 während in Bereich des durch L bezeichneten Bogens das Halbleiterplättchen 26 auf der Bildebene 27 scharf abgebildet wird. Bei genügend schneller Drehung der Glasplatte 22, d. h. bei mindestens 8 Umdrehungen pro Sekunde, sieht ein die Bildebene 27 betrachtender Beobachter gleichzeitig flimmerfreie scharfe Abbildungen der unteren Fläche der Maske 25 und des Ilalbleiterplättchens 26. Ein Vergleich der mit G und L bezeichneten Bogen zeigt, daß bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit der Glasplatte 22 das Halbleiterplättchen auf der Bildebene 27 länger scharf abgebildet wird als die untere

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Fläche der Maske 25. Auf diese Weise können Helligkeits- oder Kontrastunterschiede ausgeglichen werden, so daß ein Beobachter der Bildebene 27 gleichmäßig hell ausgeleuchtete Abbildungen der unteren Fläche der Maske 25 und des Halbleiterplättchens 26 sieht. Es hat sich gezeigt, daß die scharfen Abbildungen auf der Ebene 27 durch die gleichzeitig auf dieser Ebene erfolgenden unscharfen Abbildungen der gleichen Fläche besonders wenig gestört werden, wenn der Abstand h zwischen einer Maske 25 und einem Halbleiterplättchen 26 wesentlich größer als die Tiefenschärfe des verwendeten Mikroskopobjektivs 21 ist.

In den Flgn. 4 und 5 werden andere Formen von im abbildenden Strahlengang angeordneten durchsichtigen Körpern zur periodisehen.Scharfeinstellung wiedergegeben. Die in Fig. 4 dargestellte, beispielsweise aus einer planparallelen Glasplatte bestehenden Anordnung bewirkt bei einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit, daß die Abbildungszeiten bei Vorhandensein vom Glas im Strahlengang kürzer sind als die Abbildungszeiten ohne Glas im Strahlengang. Eine Verschiebung der Rotationsachse 28 in bezug auf Hauptachse des abbildenden Systems beispielsweise in Richtung des eingezeichneten Pfeiles verändert das Verhältnis der beiden genannten Abbildungszeiten nicht. Anders liegen die Verhältnisse bei den im unteren Teil der Fig. 3 und in Fig. 5 dargestellten Anordnungen 22 und 30, bei denen das Verhältnis zwischen Abbildungszeiten mit im Strahlengang befindlichen Glas und Abbildungszelten ohne im Strahlengang befindlichen Glas, durch eine Verschiebung der Rotationsachse 28 in bezug auf die optische Achse des abbildenden Ob jektivs verändert wird. Diese Abbildungszeiten werden in den Fign. 3, 4 und 5 durch die mit G bzw. mit L bezeichneten Bögen wie dergegeben. Es 1st ohne weiteres ersichtlich, daß bei den im unteren Teil der Fig. 3 und in Fig. 5 dargestellten Anordnungen das Verhältnis der Längen der Bögen G und L durch eine Verschiebung der Rotationsachse 28 in bezug auf den abbildenden Strahlengang verändert wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Abbildungszeiten der beiden Abbildungsebenen ihren Helligkeiten in weiten Grenzen anzupassen ohne die Anordnungen zur periodischen

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Docket GE 969 039| GE 869 124 Scharfeinstellung auszuwechseln.

Werden öle einzelnen abwechselnd in den abbildenden Strahlengang gebrachten Bereiche der Anordnungen 22, 29 oder 30 ver· schieden dick ausgebildet oder aus durchsichtigen Substanzen mit verschiedenen Brechungsindizes hergestellt, so kann eine periodische Scharfeinstellung auf mehr als zwei Objektebenen durchgeführt werden. Mit der in Fig. 4 dargestellten Anordnung 29 könnte ein optisches System abwechselnd auf drei verschiedene Objektebenen scharf eingestellt werden, während mit der in Fig. 5 dargestellten Anordnung auf fünf verschiedene Objektebe^nen scharf eingestellt werden kann.

Das Verhältnis der Abbildungszeiten bei Vorliegen vom Glas im Abbildungsstrahlengang und der Abbildungszeiten bei Fehlen vom Glas im abbildenden Strahlengang wird als Tastverhältnis bezeich net und durch die Beziehung

definiert, wobei G der Bogen des Glassektors und L der Bogen des Luftsektors ist. Bei den im unteren Teil der Fig. 3 und in Fig. dargestelten Anordnungen ist dieses Verhältnis eine Funktion des Abstandes r zwischen der optischen Achse 8 des abbildenden Systems und der Rotationsachse 28. Bei einer Versuchsanordnung wurde ein Zeißobjektiv 20/0.35 oo/1.5 verwendet. Die Dicke der einen Brechungsindex von 1,52 aufweisenden Glasscheibe war 0,8 mm. Dabei %furdem.wei Objektebenen mit einem Abstand von h · 0,27 mm abwechselnd scharf abgebildet.

In Fig. 6 werden die bei Verwendung einer planparallelen Platte auftretenden sphärischen Aberrationen veranschaulicht. Alle von einem Objektpunkt S ausgehenden Strahlen 34 werden durch fin3 Glasplatte 2 parallel zu sich selbst verschoben. Beim Eintritt in ein Objektiv 31 scheinen die Strahlen von einem Objektpunkt S¹

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auszugehen. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, hängt der Ort der den Abständen S ' und S₂* entsprechenden scheinbaren Objektpunkten vom Divergentwinkel if ab· Durch die auf diese Weise erzeugte sphärische Aberration bildet das Objektiv 31 den Objektpunkt S unscharf ab.

Der Betrag dieser sphärischen Aberration ist gleich dem Abstand zwischen den scheinbaren Objektpunkten S * und den Randstrahlen der paraxialen Strahlen S₂ ¹. Bs gilt die Beziehung

S · S * - S* - d 2—- A*

²¹ 2rT

wobei S.' und S₂* von der Frontlinse des Objektivs gemessen wer* den# d die Dicke und η der Brechungsindex der Glasplatte sind. A * sin yist die numerische Apertur des Objektivs. Daraus ergibt sich, daß die durch eine planparallele Platte erzeugte sphärische Aberration eine Funktion der Plattendicke und der numerischen Apertur des Objektivs ist. Normalerweise sind für die durch die Verwendung eines Deckglases von etwa 0,17 mm Dicke entstehenden sphärischen Aberration korrigiert. Die zur Ausrichtung von Masken auf Halbleiterplättchen verwendeten Mikroskopobjektive müssen auch für die die Masken tragenden Glasplatten korrigiert sein, die im allgemeinen etwa 1,6 mm dick sind.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

■\y Anordnung zur periodischen Scharfeinstellung eine* abbildenden Systeme, insbesondere eines Mikroskops, auf jeweils eine von zwei oder mehreren Objektebenen, gekennzeichnet durch einen im Strahlengang bewegbar angeordneten durchsichtigen Körper (2, 22, 29 oder 30) mit nacheinander in den Strahlengang gelangenden Bereichen, die die jeweils sur Scharfeinstellung auf eine der Objektebenen erforderlichen optischen Heglängenänderungen bewirkenden Abmessungen und/oder Brechungsindizes aufweisen«
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine stabförmig oder flügeiförmig ausgebildete, planparallele drehbar angeordnete Platte, mit abwechselnd in den Strahlengang gelangenden und den Strahlengang freigebenden Bereichen.
3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen treppenförmig ausgebildeten, nacheinander mit Bereichen unterschiedlicher Dicken und/oder Brechungsindizes in den Strahlengang gelangenden drehbar oder schwingend angeordneten Körper.
_Ä 4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine das Verhältnis der Verweilzeiten der einzelnen Bereich« des die periodische Scharfeinstellung bewirkenden Körpers bestimmende Längenausdehnungen in Bewegungsrichtung dieser Bereiche, durch die unterschiedliche Helligkeiten und/oder Kontraste aufweisende Objektebenen Abbildungen mit nahezu gleichen Belichtungswerten bzw. Kontrasten erzeugen.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein· unterschiedliche Helligkeiten und/oder Kontraste der ein* seinen Objektebenen ausgleichende Wahl der Durchlässigkeiten, insbesondere der spektralen Durchlässigkeiten der einzelnen Bereiche des die periodisch« Scharfeinstellung bewirkenden Körpers. 109841/0828

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6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine das Verhältnis der Verweilzeiten der einzelnen Bereiche im Strahlengang beeinflussende Verschiebbarkeit , des die periodische Scharfeinstellung bewirkenden Körpers (2, 22, 29 oder 30).
7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung des im strahlengang bewegbar angeordneten Körpers zur periodischen Scharfeinstellung senkrecht zur optischen Achse des abbildenden Systems liegt»
8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung des im Strahlengang bewegbar angeordneten Körpers zur periodischen Scharfeinstellung mit der optischen Achse des abbildenden Systems einen spitzen Winkel einschließt.
9. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Strahlung durchsetzten Flächen des im Strahlengang bewegbar angeordneten durchsichtigen Körpers zur periodischen Scharfeinstellung zwecks Korrektur von Abbildungsfehlern von der planparallelen Lage abweichen und/oder gekrümmt sind.
10. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der die periodische Scharfeinstellung bewirkende durchsichtige Körper (2, 22, 29 oder 30) im objektsei tigen Strahlengang angeordnet ist.
11. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der die periodische Scharfeinstellung bewirkende durchsichtige Körper (2, 22, 29 oder 30) im bildseitigen Strahlengang angeordnet ist.
12. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das abbildende System (1, 21 oder 31) unter

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Berücksichtigung der Dicke und der Brechungsindizes des im Strahlengang angeordneten, die periodische Scharfeineteilung bewirkenden durchsichtigen Körpers (2, 22, 29 oder 30) und weiterer, im Strahlengang befindlicher Elemente korrigiert ist.
13. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den einzelnen, abwechselnd jeweils scharf abzubildenen Objektebenen mindestens gleich der Tiefenschärfe vorzugsweise gleich eine» Vielfachen der Tiefenschärfe des abbildenden Systems ist«

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