DE2102122C3 - Schaltungsanordnung zur Bestimmung der linearen Abmessungen oder des Flächeninhalts eines Objekts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß Geltungsteil des Anspruchs 1. Eine solche Schaltungsanordnung ist aus einer Druckschrift der Firma Ernst Leitz GmBH mit dem Impressum VII/69/LX/AS und der Listennummer 521/27a herleitbar.

Bekannte Verfahren und Anordnungen der erwähnten Art lassen sich in zwei Kategorien einteilen, nämlich eine Kategorie, bei welcher die Länge der auf die Kathodenstrahlröhre übertragenen Helligkeitssteuerimpulse gemessen wird, während bei der anderen Kategorie die Anzahl der Zeilen bestimmt wird, welche zwischen zwei Kantenbegrenzungen des auf dem Bildschirm wiedergegebenen Objekts liegen. Bei der erstgenannten Kategorie von Anordnungen ist die Impulslänge der Helligkeitssteuerimpulse wegen der schrägen Impulsflanken nicht mit ausreichender Genauigkeit feststellbar, während bei der zweiten Kategorie die Genauigkeit ohnehin durch die Anzahl der Zeilen pro Dimensionseinheit begrenzt ist.

Bei der zur ersten Kategorie gehörenden Anordnung nach der deutschen Auslegeschrift 10 05 741 wird mittels eines Meßinstrumentes die Länge eines Helligkeitssteuerimpulses gemessen, welcher eine Dimension des zu messenden Objekts darstellt. Zusätzlich zu der begrenzt definierbaren Genauigkeit der Länge des Helligkeitssteuerimpulses wird eine weitere Ungenauigkeit durch das Meßinstrument eingeführt.

Bei einer auf einem ähnlichen Prinzip beruhenden Anordnung nach der deutschen Auslegeschrift 11 49 915 wird die zur Messung verwendete Abtastzeile intensitätsmäßig hervorgehoben, so daß eine bessere Beobachtung auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre möglich ist. Jedoch bestimmen auch hier der Helligkeitssteuerimpuls bzw. dessen Impulsflanken die Genauigkeit der Messung.

Bei einer weiteren auf einem ähnlichen Prinzip beruhenden Anordnung nach dem Artikel von H. Windischbauer in »Elektronik«, Seite 194 bis 196, Juli 1961, wird der Helligkeitssteuerimpuls verstärkt und danach in seiner Amplitude beschnitten, so daß Impulse mit steileren Flanken entstehen, deren Länge proportional der zu messenden Dimension des Objekts ist Diese Impulse werden zum Triggern eines eine konstante Frequenz abgebenden Sinusoszillators verwendet, wobei die Anzahl der Schwingungen pro Helligkeitssteuerimpuls proportional der zu messsenden Dimension ist Die Schwingungen werden auf einen Zähler übertragen, welcher einen Durchschnittswert bildet Auch hier ist indessen trotz objektiver Anzeige durch den Zähler die Meßgenauigkeit begrenzt weil die Länge der HeIHgkeitssteuerimpulse selbst zur Messung herangezogen wird.

Von den zur zweiten Kategorie gehörenden Anordnungen seien diejenigen nach der deutschen Auslegeschrift 1014 465, der deutschen Auslegeschrift 10 40 260

-Ό und den US-Patentschriften 33 90 229, 32 44 810 erwähnt Die Genauigkeit ist hier, wie bereits oben erwähnt wurde, durch den Zeilenabstand beschränkt. Bei einer weiter ausgestalteten Anordnung nach der deutschen Auslegeschrift 19 54 847 werden dem Helligkeitssteuerimpuls zwei Markierungssignale überlagert, so daß die den Kanten des Objekts entspiechenden Zeilen besse^r identifiziert werden können. Die theoretisch erreichbare Genauigkeit entsprechend dem Abstand zweier Zeilen läßt sich hierbei indessen

■JO grundsätzlich nicht verbessern.

Gemäß der deutschen Patentschrift 9 68 235 ist eine Anordnung bekannt, bei welcher versucht wird, durch Anhebung des Verhältnisses von Signalwert zu Störwert in dem Bildhelligkeitssteuersignal die Dimensionen eines Objekts genauer zu erfassen. Die Vergrößerung des Verhältnisses von Signalwert zu Störwert erfolgt hierbei durch Steigerung der Qunrschnittsfläche des Elektronenabtaststrahls. Dadurch wird indessen grundsätzlich eine Ungenauigkeit eingeführt, welche zumin-

ίο dest der Flächenzunahme des abtastenden Kathodenstrahls entspricht.

Gemäß einer Anordnung nach der deutschen Patentschrift 9 40 066, welche keiner der beiden vorangehend erwähnten Kategorien zuzuordnen ist, werden zwei Fernsehkameras jeweils mit ihrer Y-Achse parallel zu den Kanten des zu messenden Objekt!, eingestellt, die eine Fernsehkamera jedoch bezüglich ihrer V-Achse gegenüber der zugeordneten Kante des Objekts etwas verdreht, wobei beide Kanten des Objekts in Form zweier sich spitzwinklig schneidender Linien auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre wiedergegeben werden. Die Lage des Schnittpunktes beider abgebildeter Kantenlinien in ^-Richtung auf dem Bildschirm entspricht Abmessungsänderungen des Ob-

■55 jekts. Auch bei einer solchen Anordnung geht der Abstand der Zeilen als wesentlicher Ungenauigkeitsfaktor ein, weil die Lage des Schnittpunktes beider Linien durch den Zeilenabstand mitbestimmt wird.

Gemäß einer weiteren Anordnung nach der US-Patentschrift 34 49 511, welche keiner der beiden vorangehend erwähnten Kategorien zuzuordnen ist, werden die Abstandkoordinaten zweier Punkte auf dem Bildschirm einer Fernsehkamera in .y- und /-Richtung bestimmt, wobei je ein Digitalzähler für jede Koordinate vorgesehen ist. Beim Abtasten des ersten Punktes seitens des Kathodenstrahls wird der x-Digitalzähler in Betrieb gesetzt und beim Abtasten des zweiten Punktes stillgesetzt, wobei sich eine Zählung proportional der

Länge der zwischen beiden Punkten liegenden Zeilen zuzüglich der Länge der Bruchteile von Zeilen ergibt, welche dem ersten und zweiten Punkt zugeordnet sind. Mittels einer Korrekturschaltung werden diejenigen Zählimpulse, welche von zwischen den beiden Punkten liegenden Zeilen herrühren, eliminiert, so daß sich eine Ablesung entsprechend dem Abstand beider Punkte in der x-Richtung ergibt Der Abstand in der y-Richtung ergibt sich durch die Anzahl zwischenliegender Zeilen. Demgemäß £t die Genauigkeit der Messung in der x-Richtung durch die Begrenzungsschärfe der erfaßten Punkte bestimmt, während die Genauigkeit in der y- Richtung durch den Zeilenabstand beschränkt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachem Schaltungsaufwand ein genaues Meßergeb- '5 nis zu erhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Die Erfindung ist nachstehend an rland der Zeichnungen näher eriäutert Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung in Blockschaltbilddarstellung,

F i g. 2 einige mit der Anordnung gemäß F i g. 1 zu messende Objekte von verschiedenen Umrißformen, jeweils in Draufsicht,

F i g. 3a bis 3g, 3G bis 3J verschiedene Impulsdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1,

F i g. 4 ein gegenüber F i g. 1 abgewandeltes und demgegenüber vereinfachtes Ausführungsbeispiel einT erfindungsgemäßen Anordnung in Blockschaltbilddarstellung.

Die Anordnung gemäß F i g. 1 dient zur Bestimmung der linearen Abmessungen oder des Flächenbereichs eines beliebig geformten mikroskopisch kleinen Objekts 11, vorzugsweise in Form eines auf einem Halbleiterwafer vorhandenen Flächenbereichs, wobei das Objekt 11 auf einer Unterlage 12 angeordnet ist. Mittels eines Mikroskops 13 wird ein Bild des Objekts 11 auf eine Fernsehkamera 14 projiziert, welche mittels einer darin enthaltenen Baueinheit 16 Helligkeitssteuerimpulse über eine Leitung 19 an einen Eingang 20a einer Mischstufe 21 abgibt, deren Ausgang 22 mit einer Steuerelektrode 23 einer Kathodenstrahlröhre 24 verbunden ist. Eine in der Fernsehkamera enthaltene Baueinheit 17 gibt horizontale Synchronisationssignale (Fig. 3d) an die Kathodenstrahlröhre 24 ab; eine ebenfalls in der Fernsehkamera enthaltene baueinheit 18 gibt vertikale Synchronisationssignale (Fig.3a) an die Kathodenstrahlröhre 24 ab. Bei dem vorliegenden Beispiel werden eine Bildfrequenz von 30 Hz und 525 Zeilen pro Bild verwendet, so daß zwischen zwei vertikalen Synchronisationssignalen 51 gemäß Fig.3a horizontale Synchronisationssignale gemäß Fig. 3d liegen.

Die vertikalen Synchronisationssignale werden einem monostabilen Multivibrator 32 innerhalb eines Balkengenerators 26 zugeführt, wobei die Impulsbreite des Multivibrators 32 über einen Widerstand 32a einstellbar ist. Gemäß F i g. 3b spricht der Multivibrator 32 auf eine nachlaufende Kante 50 des vertikalen Synchronisationssignals der Baueinheit 18 an, wobei diese nachlaufende Kante einer Anstiegskante 52 eines von dem Multivibrator 32 abgegebenen Rechteckimpulses (Fig.3b) entspricht.

Dem Multivibrator 32 ist ein monostabiier Multivibrator 33 von analoger Bauart nachgeordnet, dessen Impulsbreite mittels eines Widerstandes 33a einstellbar ist Der Multivibrator 33 spricht wiederum auf die nachlaufende Kante des Ausgangsimpulses des Multivibrators 32 an, so daß eine nachlaufende Kante 53 des Ausgangsimpulses des Multivibrators 32 einer ansteigenden Kante 54 eines von dem Multivibrator 33 abgegebenen Impulses 56 entspricht Eine nachlaufende Kante 57 des Ausgangsimpulses des Multivibrators 33 wird durch den einstellbaren Widerstand 33a festgelegt

Die horizontalen Synchronisationssignale der Baueinheit 17 gelangen über eine Verzögerungsstufe 37 zu einem Eingang 34£> einer Nand-Stufe 35, deren anderer Eingang 34a durch die Ausgangsimpulse des Multivibrators 33 beaufschlagt ist Lediglich beim gleichzeitigen Auftreten eines Impulses 56 gemäß Fig. 3c an dem Eingang 34a sowie eines horizontalen Synchronisationssignals 58 an dem Eingang 346 erscheinen in dem Zeitraum des Auftretens des Impulses 56 beim zusätzlichen Auftreten von Impulsen 58 negative Impulse 59 (Fig.3e), deren Breite den horizontalen Synchronisationsimpulsen 58 entspricht. Mittels eines weiteren monostabilen Multivibrators 38, dessen Aufbau analog den Multivibratoren 32, 33 ist, können die Impulse 59 mittels eines dem Multivibrator 38 zugeordneten Widerstandes 38a verbreitert werden, so daß Impulse 60 mit nachlaufenden Impulskanten 61 entstehen (F > g. 3f). Die am Ausgang des Multivibrators 38 erscheinenden Impulse 60 werden einem analog aufgebauten monostabilen Multivibrator 39 mit einem Einstellwiderstand 39a zugeführt, dessen Einstellung die Breite von Impulsen 62 (Fig.3g) bestimmt, die am Ausgang des Multivibrators 39 erscheinen. Die Ausgangsgröße des Multivibrators 39 liegt an einem Eingang 2Oi der Mischstufe 21.

Wie sich deutlich aus F i g. 3 ergibt, wird zuerst eine gewisse Anzahl von Zeilen der Kathodenstrahlröhre 24 in normaler Weise abgetastet, wobei die Anzahl dieser Zeilen der Anzahl von Impulsen 58 (F i g. 3d) entspricht, welche in das Zeitintervall zwischen der Ansliegskante 52 und der nachlaufenden Kante 53 des Rechteckimpulses gemäß F i g. 3b fallen, weil ohne Auftreten der nachlaufenden Impulskante 53 an dem Ausgang des Multivibrators 32 der Multivibrator 33 nicht ansprechen kann, so daß an dem Eingang 34a der Nand-Stufe 35 kein Signal auftritt, was wiederum die Nand-Stufe 35 im Sperrzustand hält Durch die Einstellung des Widerstandes 32a an dem Multivibrator 32 wird also diejenige Anzahl von Zeilen im oberen Teil des Bildschirmes festgelegt, welche abgetastet werden müssen, bevor die obere horizontale Kante eines dem Bild des Objekts 11 auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 24 zu überlagernden Balkens erscheint.

Der nächste horizontale Steuerimpuls 58, welcher auf die nachlaufende Kante 53 des Ausgangsimpulses des Multivibrators 32 bzw. die ansteigende Kante 54 des Impulses 56 des Multivibrators 33 folgt, beginnt die Abtastung einer Zeile, in welcher die obere Kante ennes horizontalen Balkens durch eine besondere Modulation hervorgehoben bzw. überlagert wird. Die Einstellung des Widerstandes 33a des Multivibrators 33 bestimmt hierbei die Anzahl von Zeilen, in welchen diese den horizontalen Balken symbolisierende Helligkcitsmodulation auftritt, und damit die Höhe des horizontalen Balkens. Im vorliegenden Beispiel gemäß Fig.3 fallen lediglich zwei horizontale Synchronisationssignale 58 in das zeitliche Intervall des Ausgangsimpulses 56 des Multivibrators 33, so daß die Höhe des horizontalen Balkens zwei Zeilen entspricht.

Innerhalb jeder der dem horizontalen Balken

entsprechenden Zeile wird nun wiederum mittels des Widerstandes 38a des Multivibrators 38 der Vorlaufweg festgelegt, welcher zurückgelegt sein muß, bevor eine die linke Kante eines vertikalen Balkens darstellende Helligkeitsmodulation auf die Kathodenstrahlröhre abgegeben werden kann. Die Breite der Impulse 60 gemäß F i g. 3f ist hierbei direkt proportional diesem Vorlaufweg.

Ist innerhalb jeder der dem horizontalen Balken entsprechenden Zeilen die nachlaufende Impulskante 61 eines Impulses 60 gemäß Fig.3f aufgetreten, so wird die Breite des nunmehr aufmodulierten vertikalen Balkens durch die Breite des Impulses 62 gemäß F i g. 3g bzw. gemäß der Einstellung des Widerstandes 39a festgelegt

Im Ergebnis wird daher der Mischstufe 21 der Kathodenstrahlröhre 24 an Stelle zweier zueinander senkrechter Balken lediglich ein rechteckiger Bereich aufmoduliert, bei dem der lichte Abstand von dem oberen Bildschirmrand durch den Widerstand 32a, die Höhe durch den Widerstand 33a, der lichte Abstand vom linken Bildschirmrand durch den Widerstand 38a und die Breite durch den Widerstand 39a festgelegt sind. Mittels der Widerstände 32a, 38a werden die obere und linke Begrenzung des aufmodulierten rechteckigen Schnittbereichs der beiden Balken auf die obere und linke Begrenzung des auf dem Bildschirm 24 wiedergegebenen Bildes des Objekts 11 eingestellt. Alsdann werden der Widerstand 33a auf die Höhe und der Widerstand 39a auf die Breite des Objekts eingestellt

Ein Impulsgenerator 29 nebst nachgeordnetem digitalen Impulszähler 31 liegt am Ausgang einer Und-Stufe 28, deren Eingänge 27a, 27b durch den Ausgang des Balkengenerators 26 bzw. Multivibrators 39 und deren Eingang 276 durch die Helligkeitssteuerimpulse der Baueinheit 16 beaufschlagt sind. Der Impulsgenerator 29 wird daher in jeder Bildschirmzeile der Kathodenstrahlröhre 24 lediglich während eines Zeitintervalls getastet, welches der Breite der Impulse 62 gemäß Fig. 3g entspricht. Der Digitalimpulszähler 31 summiert hierbei die Impulse des Impulsgenerators 29. während der Abtastung sämtlicher Zeilen eines auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 24 wiedergegebenen Bildes oder z. B. einer Serie von 10 Bildern, während zu Beginn eines neuen Bildes oder z. B. einer neuen Serie von 10 Bildern auf den Digitalimpulszähler 31 seitens der Baueinheit 18 ein vertikales Synchronisationssignal entsprechend dem Impuls 51 gemäß Fig. 3a abgegeben wird, was eine Rückstellung des Digitalimpulszählers 31 bedingt Innerhalb der Abtastung aller Zeilen eines Bildes ergibt sich daher, wenn man den jeweiligen Zählstand des Digitalimpulszählers 31 durch die Anzahl der einen Bestandteil des horizontalen Balkens bildenden Zeilen dividiert, eine gute Ausmittelung der Breite des zu messenden Objekts.

F i g. 2 zeigt einige Markierungen an der Oberfläche eines Wafers, welche einzeln oder zusammen auf einem Bildschirm 47 einer Kathodenstrahlröhre wiedergegeben werden können. Es handelt sich hier um ein Quadrat 40, einen runden Punkt 41, eine T-förmige Markierung 42 sowie eine rechteckige Markierung 43. Um die Breite eines vertikalen Balkens 46 des »T« der Markierung 42 zu bestimmen, wird zuerst der Schnittflächenbereich des horizontalen und vertikalen Balkens in Deckung mit der Markierung 42 gebracht Danach wird die Breite des vertikalen Balkens mittels des Widerstandes 39a so eingestellt daß sich die rechte Kante des Balkens mit der rechten Kante des vertikalen Balkens des »T« deckt Die Anzeigegröße des Digitalimpulszählers 31 kann vermöge entsprechender Einstellung der Frequenz des Impulsgenerators 29 bereits auf eine bestimmte Meßgröße geeicht sein, beispielsweise in Mikron, so daß der jeweilige Meßwert unmittelbar an dem Digitalimpulszähler 31 ohne Umrechnung ablesbar ist

Wenn auf dem Bildschirm 47 der Kathodenstrahlröhre 24 die Markierungen 40 bis 43 gleichzeitig vorliegen und der vertikale Balken 46 des »T« der Markierung 42

ic in seiner Breite bestimmt werden soll, so entstehen zwischen je zwei horizontalen Synchronisationsimpulsen 58 gemäß Fig.3H Helligkeitssteuerimpulse 140, 141, 142, 143, weiche in ihrer Länge der jeweils abgetasteten Breite der Markierungen 40 bis 43 entsprechen. Da gemäß der vorangehenden Annahme lediglich die Markierung 42 bzw. deren vertikaler Balken 46 ausgemessen werden soll, werden die Impulse 60 gemäß F i g. 3f mittels des Widerstandes 39a auf eine entsprechende Breite eingestellt so daß sich ein Impuls 60' gemäß Fig.31 innerhalb jeder Zeile ergibt. Die jeweils vorlaufende Kante jedes Impulses 60' löst den Impulsgenerator 29 aus, wobei dieser eine Gruppe von Impulsen 67 erzeugt bis die nachlaufende Kante des Impulses 60' erreicht ist In jeder Zeile wird eine bestimmte Anzahl von Impulsen 67 summiert, so daß man nach vollständiger Abtastung des Gesamtbildes auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 24 eine sehr gute Ausmittelung erhält

Wie sich aus F i g. 3H ergibt könnte auch beispielsweise die Breite des Rechteckes 43 ausgemessen werden, wobei dann die Impulse 60' nach entsprechender Einstellung des horizontalen und vertikalen Balkens auf die Lage des Rechteckes 43 zusätzlich auf die Breite des Impulses 143 zu bringen wären. Dies wiederum würde bedingen, daß entsprechend der größeren Breite der Impulse 143 gegenüber den Impulsen 142 pro Tastung des Impulsgenerators 29 mehr Impulse 67 in jeder Zeile auftreten, so daß in Übereinstimmung mit F i g 2 für das Rechteck 43 eine größere Breite als für den vertikalen Balken 46 des »T« gemessen wird.

Bei der Anordnung gemäß F i g. 1 ist es möglich, mittels der Widerstände 32a, 38a den Schnittflächenbereich des horizontalen und vertikalen Balkens auf jede beliebige Stelle des Bildschirmes 47 der Kathodenstrahlröhre 24 einzustellen, während danach mittels der Widerstände 33a, 39a die Einstellung auf die genaue Höhe und Breite des Objektbildes durchgeführt werden kann. Eine Einstellmöglichkeit für den Schnittflächenbereich des horizontalen und vertikalen Balkens des

so Balkengenerators auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre ist indessen nicht in jedem Fall erforderlich. F i g. 4 zeigt eine gegenüber F i g. 1 vereinfachte Anordnung, bei welcher auf eine derartige Einstellbarkeit verzichtet ist Baueinheiten, die der Anordnung nach Fig. 1 entsprechen, sind mit gleichen Bezugsziffern versehen, solche, die lediglich funktionsähnlich sind, tragen gleiche Bezugsziffern mit einem Indexstrich.

Die Fernsehkamera 14'ist gemäß Fig.4 mit einer Synchronisationsbaueinheit 83 für horizontale und

^fio vertikale Synchronisationssignale verbunden, die wiederum einen Balkengenerator 26' steuert Der Balkengenerator 26' liegt ausgangsseitig zusammen mit der Fernsehkamera 14 an der Mischstufe 21, die einerseits anstatt an eine Kathodenstrahlröhre an eine dieser analoge Fernsehüberwachungseinrichtung 85 angeschlossen ist Eine Und-Nand-Stufe 28' entspricht funktionell im wesentlichen der Und-Stufe 28 von Fig. 1, wobei jedoch über zwei zusätzliche Tastenein-

gänge eine Beaufschlagung seitens der Synchronisationsbaueinheit 83 stattfindet, um zu erreichen, daß die Und-Nand-Stufe 28' jeweils beim Auftreten eines Synchronisationsimpulses von der Synchronisationsbaueinheit 83 gesperrt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Bestimmung der linearen Abmessungen oder des Flächeninhalts eines beliebig geformten, insbesondere mikroskopisch kleinen Objekts durch Fernsehabbildung des Objekts auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre, mit einem von den horizontalen bzw. vertikalen Synchronisationssignalen der Fernsehkamera gesteuerten Balkengenerator zur Erzeugung einer optischen Maske, die in ihren Abmessungen hinsichtlich zumindest der oberen sowie unteren und/oder der linken sowie rechten Grenze einstellbar ist und dem Bild des Objekts auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre überlagerbar -st und mit einem einen Zähler steuernden Impulsgenerator, gekennzeichnet durch eine Und-Stufe (28, 28'), die eingangsseitig mit den Ausgangssignalen des Balkengenerators (26, 26') und der Fernsehkamera (14) und ausgangsseitig mit dem Impulsgenerator (2S) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Balkengenerators (26) und der Fernsehkamera (14) über eine Mischstufe (21) an einer Helligkeiismodulationssteuerung der Kathodenstrahlröhre (24) liegt