DE2059106A1

DE2059106A1 - Verfahren und Hilfsvorrichtung zum selbsttaetigen Messen von Strichbreiten oder Kantenabstaenden kleiner Objekte

Info

Publication number: DE2059106A1
Application number: DE19702059106
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dipl-Phys Mangelsdorf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-12-01
Filing date: 1970-12-01
Publication date: 1972-06-08
Also published as: GB1377656A; US3758214A; DE2059106B2; BE776071A; FR2117173A5; NL7116520A; DE2059106C3

Description

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Berlin und München Wittelsbacherplatz 2

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Verfahren und Hilfsvorrichtung zum selbsttätigen Messen von Strichbreiten oder Kantenabständen kleiner Objekte

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum selbsttätigen Messen eines in einem Meßfeld eines optischen Systems, vorzugsweise in der Zwischenbildebene eines Meßmikroskopes abgebildeten Objekts, wobei das Objektbild auf die fotoempfindliche Schicht einer Vidikonröhre einer Fernsehkamera Übertragen und in einzelne Hell- und Dunkelstellen aufweisende Bildzeilen zerlegt wird und die so erzeugten Abtast-Signalfolgen einer, die gesuchten Meßwerte liefernden Auswertelogik, vorzugsweise einem Rechner, zugeführt werden.

Die genaue Messung von Längen, Breiten oder Abständen erfolgt insbesondere bei zweidimensionalen Körpern, vorzugsweise mit Hilfe eines Meßmikroskopes. Dabei wird u.a. die zu ermittelnde Meßstrecke in der Zwischenbildebene des Meßmikroskopes mit Hilfe von Okularmikrometern oder anderen geeigneten Maßstäben, z.B. Strichplatten, vermessen. Hierbei wird z.B. das mit einer Skala versehene Fadenkreuz oder eine Strichleiete visuell an das Bild des Gegenstandes angelegt. Dieser Meßvorgang ist umständlich, zeitraubend und seine Genauigkeit stark von der Bedienungeperson abhängig. Die Meßdaten werden manuell erfaßt. Eine direkte Eingabe der Meßwerte in eine Datenverarbeitungsanlage - wie es zur Rationalisierung oft gewünscht wird - ist auf diesem Wege nicht möglich.

Auch ist es bekannt, das Meßobjekt unter Verwendung eines Meßmikroskopes und einer Fernsehkamera elektronisch abzutasten. Die entsprechend den Hell- und Dunkelstellen des Objektbildes erzeugten Äbtast-Slgnalfolgen werden einer, die gesuchten Meßwerte liefernden Auswertelogik zugeführt. Die Auswertelogik kann hierbei aus einem Zähler und Rechner bestehen, wobei letzterer

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sodann das Meßergebnis liefert. Bekanntlich besitzen die üblichen komerziellen Industrie-Pernsehanlagen eine relativ schlechte Linearität und Stabilität der opto-elektrischen Bildwandlung, so daß eine maximale relative Meßsicherheit von annähernd 1$o bei der Längenbestimmung nicht gegeben ist. Für sehr genaue Messungen, wie solche beispielsweise bei der Vermessung von Strichbreiten in der Halbleitertechnologie oder Dick- oder Dünnfilmverdrahtungstechnik vorkommen, ist daher das bekannte Verfahren schlecht anwendbar.

Ausgehend von einem Verfahren zum selbsttätigen Messen eines in einem Meßfeld eines optischen Systems, vorzugsweise in der Zwischenbildebene eines Meßmikroskopes abgebildeten Objektes, wobei das Objektbild auf die fotoempfindliche Schicht einer Vidikonröhre einer Fernsehkamera übertragen und in einzelne Hell- und Dunkelstellen aufweisenden Btldzeilen zerlegt wird und die so erzeugten Abtastimpuls-Signalfolgen einer die gesuchten Meßwerte liefernden Auswertelogik, vorzugsweise einem Rechner, zugeführt werden, besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, dieses Verfahren derart weiterzubilden, daß die Messung von Leiterbreiten in Druckvorlagen oder Druckoriginalen, so wie sie in der Feinätztechnik oder Verdrahtungstechnik vorkommen, mit hoher Genauigkeit gemessen werden können. Diese Aufgabe wird gemäß dem erfinderischen Verfahren dadurch gelöst, daß man in das Objektbild eine Begrenzungsmarken aufweisende Eichstrecke einblendet und das Objektbild zusammen mit der Eichstrecke abtastet und während des Abtastens die Impulse beim Durchlaufen der Eichstrecke in einem ersten Zähler zählt und die Impulse beim Durchlaufen des Objektbildes in einem zweiten Zähler zählt und in einem Rechner den Quotienten aus den beiden Summen bildet und diesen Quotienten zur Ermittlung des gewünschten Meßwertes mit einem aus den optischen und elektrischen Konstanten errechneten Faktor im Rechner multipliziert.

Durch diese erfinderische Verfahrensweise werden die relativ schlechte Linearität und Stabilität der opto-elektrischen BiId-

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Wandlung eliminiert. TTm eine maximale Meßsicherheit von weniger als 1^o im Arbeitsbereich des Vidikons der FemBehanlage zu erzielen» muß die Abtastgeschwindigkeit, die Generatorfrequenz . und die optische Abbildungskonstante auf etwa 10 für lange Zeit definiert und konstant sein. Die Bedingung für die Langzeitstabilita+, insbesondere der elektronisch erzeugten Größen, für die Abtastgeschwindigkeit und die Generatorfrequenz, ist bei den herkömmlichen Fernsehgeräten mit der gewünschten Genauigkeit nir«ht zu erzielen oder wäre doch nur mit hohem Aufwand zn erreichen. Die heute üblichen Fernsehanlagen unterliegen wesentlich größeren Driften und Schwankungen, insbesondere in ihrem Ablenkungssystem, welches letztlich für die Abtastgeschwindigkeit des Objektbildes ausschlaggebend sind. Durch die Einführung der Begrenzungsmarken aufweisenden Eichstrecken in das Objektbild werden dem Videosignal geometrisch definierte Bezugsmarken aufmoduliert, wobei die beiden Begrenzungsmarken den Anfang- und Endpunkt des auszuwertenden Abtastbereiches darstellen. Die Begrenzungsmarken der Eichstrecke werden vorzugsweise über eine Hilfslichtquelle, ?.B. mittel? Lichtleiterfaser, gleichmäßig ausgeleuchtet. Dadurch wird die Eichstrefcke von deutlichen Begrenzungpsignalen begrenzt. Die iEpulsraten beim Durchlaufen der Eichstecke einerseits und ΐ»in Durchlaufen des Cbjektbildes andererseits werden in der bereits beschriebenen Weise in zwei elektronischen Zählern gleichzeitig gebildet. Durch diese verfahrensmäßigen und erfinderischen KäSnehr.en werden somit weder an die ittastgeschwindigkeit noch an ^iρ Impulsfrequenz absolute, noch relative Genauigkeitsanforderungen gestellt. Mögliche DriftSchwankungen werden durch die Verhältnisbildung eliminiert. Lediglich im Zeitintervall der Abtastung einer Zeile, d.h. im Bereich der Begrenzungsmarken der Meßstecke, müssen beide Größen mit hinreichender Genauigkeit konstant sein. In diesem relativ kurzen Zeitintervall von weniger als 40 fV. see kann diese Forderung als gewährleistet angesehen werden. Die Zählerwerte stehen sofort in digitaler Form an, so daß sie direkt in eine datenverarbeitende Anlage zur weiteren Auswertung eingegeben werden können. Der Eichfaktor sowie die Abbildungskonstante sind bekannt und werden einmalig ermittelt und

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ίη den Rechner ale Konstanten eingegeben.

Nach einem weiteren Merkmale der Erfindung besteht die Hilfsvorrichtung zum selbsttätigen Messen eines in einem Meßfeld eines optischen Systems, vorzugsweise in der Zwischenbildebene eines Meßmikroskopeß, abgebildeten Objektes aus einer Meßfeldblende, welche nach Art eines Rahmens gebildet ist und eine Eichstrecke aufweist, deren Endpunkte in Form von beleuchtbaren Begrenzungsmarken gebildet sind. Die Lichtweite des Rahmens ist hierbei größer als die grfißte zu messende Strichbreite. Zur Beleuchtung der Begrenzungsmarken dienen Lichtleitfasern, welche von einer gemeinsamen Hilfslichtquelle beleuchtet werden.

Weitere Einzelheiten des erfinderischen Verfahrens sowie der Hilfs vorrichtung 7MT "Durchführung des Verfahens sind aus den Zeichnungen ersichtlich.

Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht der Meßvorrichtung. Das Objekt 1 besteht, z.B. aus einer Ätzkonturen aufweisenden Leiterplatte und ruht auf einem Mikroskoptisch 2. Der auszumessende Gegenstand, nämlich das Objekt, wird über ein geeignetes Wechselobjektiv 3 in die Zwischenbildehfcne 4 und die Zwischenbildebene über ein feste» Objektiv 5 auf die fotoempfindliche Schicht 6' einer Vidikonröhre 6 einer Fernsehkamera abgebildet. Das bekannte Fernsehsystem zerlegt das Bild in einzelne Bildzeilen, wobei die Amplitude des Videosignals ein Maß für die Helligkeit des Gegenstandes ist.

In Figur 2 ist der Amplitudenverlauf einer so gewonnenen Fernsehzeile dargestellt. Dieser Amplitudenverlauf kann elektrisch aus der Impulszentrale der Fernsehanlage entnommen werden. Die Anzahl der elektrischen Rechteckimpulse T ist ein Maß für die Breite des Meßobjekts, z.B. eines Ätzstriches, wenn die optischen AbbildungsverhMltnisse bekannt sind. Ferner ist eine Grundvoraussetzung, daß die Abtastgeschwindigkeit ν des Elektronenstrahlpunktes in der YidikonflMche definiert und konstant ist.

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Unter dieser Voraussetzung ergibt sich eine Strichbreite

1
G = v (t_? - O -

V
opt

Die Impulsdauer T = t₂ - t* wird beispielsweise so ermittelt, daß zum Zeitpunkt t| ein Impulszähler gestartet wird, in dem Imgeeigneter Folgefrequenz f-erzeugt durch einen Frequenzgenerator - eingezählt werden. Zum Zeitpunkt t₂ wird der Zähler gesperrt. Die Zahl der gezählten Impulse N ist bereits ein digitales Maß für die Strichbreite

H = f . T

opt

wobei Vo; die Abbildungskonstante, beispielsweise des Meßmikroskopes, ist. TJm insgesamt eine maximale relative Meßsicherheit von 1#o im Arbeitsbereich des Vidikons zu erzielen, muß die Abtastgeschwindigkeit v, die Generatorfrequenz f und die optische Abbildungskonstante V + auf etwa 10 für lange Zeit definiert und konstant sein. Vor allem die Bedingung der LangzeitStabilität, insbesondere der elektronisch erzeugten Größen ν und f, ist mit dieser Genauigkeit keinesfalls gegeben und wäre nur mit hohem Aufwand zu erreichen. Zur Erreichung der gewünschten Meßgenauigkeit dient eine Meßfeldblende.

Die in Fig.3 dargestellte MeßTeldblende besteht aus einem Rahmen 7 mit einer Ausnehmung 8, welche in ihrer Längenausdehnung S größer ist als die größte zu erwartende Meßgröße G. Das in der Ausnehmung 8 schraffierte Feld 9 ist das Meßob^ekt, dessen Ausdehnung als Größe G zu messen ist. In der Meßfeldblende sind Schlitze 10 und 10' eingebracht, wobei der Abstand dieser Schlitze die Eichstrecke K ist. Die Schlitze sind die Begrenzungsmarken der Eichstrecke. ; Von einer Lichtquelle 11 führen Lichtleitfasern 12 und 12* zu den Begrenzungsmarken 10 und 10'. Die dargestellte Meßfeldblende wird ^! in die Zwischenbildebene der Figur 1 eingeblendet, so daß dem Vi- j deoslgnal geometrisch definierte Bezugsmarken aufmoduliert werden. ■ Das Meßobjekt 9 ist nunmehr in dem den Arbeite- bzw. Meßbereich ' des Gerätes definierenden Blendenfeld abgebildet, wobei die Be-

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grenzungsmarken 10 und 10' den Anfang- und Endpunkt des Arbeitsbereiches darstellen. Wesentlich ist es hierbei, daß die durch den Abstand der Begrenzungsmarken gegebene Eichstrecke K zur ?rmittlung der Meßstrecke G dient. Die Meßfeldblende wird von dem Linsensystem 5 auf das Vidikon abgebildet.

Der durch diese Anordnung gewonnene Verlauf des Videosignals zeigt Fig.4. Die zu messende Strichbreite G ergibt sich aus den nachfolgenden Beziehungen:

G = j N_B *5 oder

opt

G = ^NB K i wobei

opt

η.

K = γ N_A ist.

Die Impulsraten N. und N-^ werden in der bereits beschriebenen Weise in zwei elektronischen Zählern gleichzeitig gezählt. An die Abtastgeschwindigkeit ν und an den Frequenzgenerator bzw. an die Impulsfrequenz f werden weder absolute noch relative Genauigkeit sf orderungen gestellt, da diese Größen durch die Verhältnisbildung eliminiert werden. Lediglich während der reinen Meßzeit (Zeit für die Abtastung der Zeilen im Bereich der Bezugsmarken) - deren Dauer höchstens 40/U see beträgt - müssen beide Größen mit hinreichender Genauigkeit konstant bleiben. Diese Forderung» ist bei den handelsüblichen, industriellen Fernsehgeräten gewährleistet. Die Zählerwerte N. und Ή-q stehen sofort in digitaler Form an und werden unmittelbar in eine datenverarbeitende Anlage, z.B. einen Rechner zur weiteren Auswertung zugeführt. Der Eichfaktor K und die Abbildungskonstante V + werden einmalig ermittelt und als Konstante in den Rechner einprogrammiert.

In Fialen praktischen Anwendungen interessiert nicht nur die Breite, z.B. einer Leiterbahn, sondern auch ihr Abstand zu einer anderen Leiterbahn. Auch diese Meßaufgabe kann mit einem, nach obigen Verfahren gebauten Fernsehmeßkopf gelöst werden. Hierzu wird der Meßkopf in eine geeignete Koordinatenmeßmaschine eingebaut.

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Wie insbesondere aus Figur 5 hervorgeht, ergibt sich die Lage des Striohbildes in Bezug zur optischen Achse des Meßkopfes aus drei Zählraten N_Ä, N und N,. Die optische Achse wird so definiert, daß sie die Bildebene an der Stelle 1/2 K durchstößt. Die Abweichung P ist die Abweichung der Strichmitte von der optischen Achse.

ρ _ 0.5 (N₀ - N_c) + N₀ - 0.5 U_A

P = ^ND ⁺ *c - ^NA · ^K

Zur Ermittlung der Lage des Striches in der Meßebene der Koordinatenmeßmaschine wird die Abweichung P vorzeichenrichtig zum Maßstabswert der Maschine hinzuaddiert.

Da die Bildfolge im Fernsehsystem mit 50 Hz synchronisiert ist, werden für die Bildung eines einzelnen Meßwertes nur 20 msec benötigt. Es können daher in kürzester Zeit mehrere Einzelwerte gewonnen werden, so daß über eine statistische Auswertung die Meßunsicherheit erheblich reduziert wird. Die Auswertung kann hierbei in der gleichen Rechenanlage, die zur Errechnung des Einzelwertes benötigt wird, erfolgen. Es entsteht somit kein Mehraufwand.

In Figur 1 ist die Meßfeldblende in der Zwischenbildebene 4 angeordnet. Hierzu wird eine Blende gemäß der Figur 3 benötigt. Die Herstellung einer solchen Blende ist jedoch technisch aufwendig. Ein weiterer technischer Lösungsweg ist in der Figur 6 dargestellt. Hier erfolgt die Einblendung der Elchstrecke durch Einspiegelung in den Mikrosköpstrahlengang über einen Strahlenteiler 13. Die Meß- und Eichstreeke werden dadurch gleichzeitig auf der ¥idikonflache abgebildet, so daß die Zwischenbildebene entfällt. Durch diese Anordnung kann die Tubuslänge des Meßmikroskopes kürzer gehalten werden, wobei sich außerdem ein einfacherer optischer Aufbau für das Abbildungszentrum ergibt. Im vorliegenden Beispiel besteht 4ie Meßfeldblende lediglich aus einem beliebigen Träger mit eingearbeiteten Schlitzen 10 und 10% der

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von einer Beleuchtungseinrichtung 15 über einen Kondensor 16 gleichmäßig ausgeleuchtet wird.

Wie aus Fig.7 7λχ ersehen, ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Begrenzungsmarken so anzuordnen, daß das Objekt 9 im Meßfeld 18 durch Umsteuerung des Ablenksystems der Fernsehkamera in seiner Breite und Höhe abtastbar bzw. meßbar ist. In diesem Falle trifft die Meßfeldblende zwei orthogonal zueinander verlaufende Eichstrecken K und K', die durch die Begrenzungsmarken 10 und 10' sowie 100 und 100' begrenzt sind.

Die leuchtenden Begrenzungsmarken der Eichstrecke 10 und 10' werden von einem Objektiv 16 mittels des Strahlenteilers 13 auf die Vidikonflache 6' des Vidikons 6 abgebildet. Der Strahlenteiler 13 bietet den weiteren Vorteil, gleichzeitig einen geeigneten Auflicht-Beleuchtungsstrahlengang zum Beleuchten des Objektes 1 mit einzuspiegeln.

7 Figuren

6 Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

.J Verfahren zum selbsttätigen Messen eines in einem Meßfeld einee optischen Systems, vorzugsweise in der Zwischenbildebene eines Meßmikroskopes abgebildeten Objektes, -wobei das Objektbild auf die fotoempfindliche Schicht einer Vidikonröhre einer Fernsehkamera übertragen und in einseine HeIl- und Dunkelsteilen aufweisende Bildzeilen zerlegt wird und die so erzeugte Abtast-Signalfolge einer die gesuchten Meßwerte liefernden Auswertelogik, vorzugsweise einem Rechner zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet , daß man in das Objektbild eine Begrenzungsmarken (10,1O¹) aufweisende Eichstrecke (K) einblendet und das Objektbild zusammen mit der Eichstrecke abtastet und während des Abtastens die Impulse (N) beim Durchlaufen der Eichstrecke in einem ersten Zähler zählt und die Impulse beim Durchlaufen des Objektbildes in einem zweiten Zähler zählt und in einem Rechner den Quozienten aus den beiden Summen bildet und diesen Quozienten zur Ermittlung des gewünschten Meßwertes mit einem aus den optischen und elektrischen konstanten (V .) errechneten Paktor im Rechner multipliziert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß man die Eichstrecke (K) in den Strahlengang des optischen Systems einspiegelt derart, daß die Streckenhälften

(•j) der Eichstrecke (K) beidseitig von der optischen Achse des optischen Systems gelegen sind und das Objektbild mit der eingespiegelten Eichstrecke auf die fotoempfindliche Schicht (6') einer Vidikonröhre (6) einer Fernsehanlage überträgt.
3. Hilfsvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zum selbsttätigen Messen eines in einem Meßfeld eines optischen Systems abgebildeten Objektes, wobei das ObjekfBild auf die fotoempfindliche Schicht einer Vidikonröhre einer Fernsehkamera übertragen wird, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß in der Zwischenbildebene des optischen Systems, vorzugsweise eines Meßmikroskopes, eine Meßfeldblende eingeblendet ist, wobei die Meßfeldblende in Art eines Rahmens (14) gebildet ist und beleu<-htbare Begrenzungsmarken (10,10·) aufweist

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4. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Begrenzungsmarken (1O,1OM mittels von einer Hilfslichtquelle (11) führender Lichtleitfasern (12, 12·) beleuchtet sind.
5. Hilfsvorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet , daß in der Meßfeldblende zur Begrenzung von zwei orthogonal zueinander gerichtete Eichetrecken (K,K') jeweils zwei Begrenzungsmarken (10,10' sowie 100,100'} eingebracht sind.
6. Hilfsvorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2 zum selbsttätigen Messen eines in einem Meßfeld eines optischen Systems abgebildeten Objektes, wobei das Objektbild auf die fotoempfindliche Schicht einer Vidikonröhre einer Fernsehkamera übertragen wird, dadurch gekennzeichnet , daß eine Begrenzungsmarken (10,10·) aufweisende Eichstrecke (K) über einen im optischen System eingebrachten Strahlenteiler (13) zusammen mit dem Objektbild auf die fotoempfindliche Schicht (6') einer Vidikonröhre (6) übertragen wird.

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