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Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung für Mikroskope
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Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung für Mikroskope Die Erfindung betrifft
eine Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung für Mikroskope, bei der Teilbereiche des
Beleuchtungsstrahlenbündels ausblendbar sind.
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Eine solche Dunkelfeldbeleuchtung ist z.B. in der EP-PS 0011709 beschrieben.
Diese bekannte Dunkelfeldbeleuchtung wird in Verbindung mit einem Mikroskop benutzt,
das vorzugsweise in der Halbleiterindustrie zur Auffindung, Vermessung und Ausrichtung
von Leiterbahnstrukturen in integrierten Schaltkreisen verwendet wird. Für den genannten
Anwendungsfall, in dem die zu untersuchenden Strukturen sich im wesentlichen in
zwei zueinander rechtwinklige Richtungen erstrecken, bietet eine sektorielle Dunkelfeldbeleuchtung
des Objekts mit bestimmten Vorzugsrichtungen Vorteile bei der Erkennung der Geometrie
der genonnten Strukturen.
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In der bekannten Einrichtung werden zur Erzielung einer solchen sektoriellen
Dunkelfeldbeleuchtung gruppenweise zusammengefaßte Lichtleiterendflächen in einem
ringförmigen Bereich innerhalb der durch die Öffnungsblende des Objektivs bestimmten
Apertur angeordnet. Dies hat jedoch mehrere Nachteile.
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Einmal wird durch diesen Lichtleiterzusatz die für die Beobachtung
zur Verfügung stehende Apertur des Objektivs beschränkt. Darunter leidet jedoch
das Auflösungsvermögen, an das bei fortschreitender Miniaturisierung der Leiterbahnen
immer höhere Anforderungen gestellt werden.
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Zum anderen ist der Inzidenzwinkel des Beleuchtungslichtes nicht optimal,
der im Hinblick auf optimale Beobachtung eher in Richtung auf streifenden Einfall
hin vergrößert werden sollte.
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Schließlich ist es nicht möglich die Abmessungen des eingestellten
Beleuchtungssektors am beobachteten Objekt so zu optimieren, daß sich jeweils das
optimale Signal/Rauschverhältnis bei der Detektion der nachzuweisenden Kanten der
Leiterbahnen ergibt.
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Die vorstehend genannten Nachteile besitzt auch die Beleuchtungseinrich-
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des aus der DE-PS 31 08 389 bekannten Geräts, das ebenfalls die Dunkelfeldbeleuchtung
nur innerhalb eines die Objektivapertur beschränkenden, ringsegmentförmigen Bereiches
auszublenden gestattet.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine sektorielle Dunkelbeleuchtung
zu schaffen, deren Parameter am zu untersuchenden Objekt individuell optimiert werden
können, deren Strahlen unter großem Inzidenzwinkel gegen die optische Achse des
Objektivs einfallen und die die Apertur des Beobachtungsobjektivs nicht beschneidet.
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Diese Aufgabe wird gemäß den im Kennzeichen des Hauptanspruches genannten
Merkmalen gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daB der von den Kanten
einer Leiterbahn gestreute Anteil des Lichtes, der mit Hilfe des Objektivs z.B.
bei der Leiterbahnbreitenvermessung nachgewiesen wird, nur dann besonders hoch ist,
wenn die Einstrahlrichtung senkrecht zur Kante der Leiterbahn verlauft. Strahlbündel,
für die diese Bedingung nicht gilt, tragen nur verhältnismäßig wenig zum Nutzlicht
bei. Dagegen ist die Störstrahlung, die durch Reflexe an Unebenheiten (Rauhigkeiten
oder Defekten der Oberflöche) des Objekts hervorgerufen wird aufgrund ihrer statistischen
Verteilung unabhängig vom Azimutwinkel der auftretenden Beleuchtungsstrahlenbündel.
Ihre Amplitude hängt in erster Linie von der Oberflächenqualität der zu untersuchenden
Probe ab.
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Durch die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung werden nun zwei
einander gegenüberliegende Strahlbündel erzeugt, deren radiale Abmessungen kontinuierlich
bzw. quasikontinuierlich einstellbar sind. Damit lassen sich die Sektoren des Beleuchtungsstrahlenbündels,
die nur zum Störsignal, nicht jedoch zum Nutzsignal beitragen, individuell im Sinne
einer Optimierung des Kontrastes bei visueller Beobachtung bzw. des Signoll Rauschverhöltnisses
bei photoelektrischem Nachweis der Leiterbahnen ausblenden.
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Zweckmäßig sind die von der Blendeneinrichtung erzeugten, gegenüberliegende
Strahlbündel gemeinsam um die optische Achse drehbar, was beispielsweise durch eine
Drehung der Blendeneinrichtung selbst erfolgen
kann. Damit können
die gegenüberliegende Strahlbündel mit ihrer Verbindungslinie senkrecht zu den geometrischen
Strukturen in der Objektebene eingestellt werden ohne das Objekt zu bewegen.
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Außerdem ist es vorteilhaft, daß eines der beiden Lichtbündel ganz
ausblendbar ist, wenn anstelle von Leiterbahnen mit einer Doppelkante singulare
Kanten beobachtet und vermessen werden sollen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
entnehmbar und werden anhand der Figuren 1-5 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 ist eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig.
2 ist eine Aufsicht auf die Blendeneinrichtung (13) aus Fig. 1 in Richtung der optischen
Achse der Beleuchtungseinrichtung; Fig. 3 ist die Prinzipskizze einer alternativen
Ausführungsform für die Blendeneinrichtung aus Fig. 2; Fig. 4 ist eine Prinzipskizze
eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung; Fig. 5a-c sind Diagramme, in denen
aufgetragen ist abhängig vom Azimutwinkel der Beleuchtung, die Intensität a) des
von einer Einzelkante hervorgerufenen Nutzlichtsignals (Ic) b) des von einer Leiterbahn
(Doppelkante) hervorgerufenen Nutzlichtsignals (ins) c) des zum Rauschen beitragenden
Störsignals (IN) und dessen IntegralrINddC aufgrund von Streuung an Oberflächendefekten.
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In Fig. 1 ist der Beleuchtungsstrahlengang eines Auflichtmikroskops
in seinen wesentlichen Bestandteilen skizziert. Dabei ist mit 2 der das Objektiv
1 umgebende Auflichtkondensor in Form eines konkaven Ringspie-
gels
bezeichnet, durch den das von dem verspiegelten Kreisring 4 des Dunkelfeldreflektors
3 im Auflichtilluminator eingespiegelte Beleuchtungsstrahlenbündel auf das Objekt
fokussiert wird.
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Beobachtungsseitig befindet sich über den Dunkelfeldreflektor 3 unter
anderem eine Meßblende 34 und dahinter angeordnet ein photoelektrischer Detektor
33 zum Nachweis des vom Objektiv 1 erfaßten Lichtes. Die übrigen optischen Elemente
des Beobachtungsstrahlenganges wie z.B. mehrere Strahlteiler, Tubusoptik, Okular
etc. sind nicht dargestellt.
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Der Beleuchtungsstrahlengang enthält weiterhin eine Glühlampe 12,
einen Lampenkollektor 9,10 und eine Leuchtfeldblende 8. Daran schließen sich, in
Lichtrichtung gesehen, ein kegelförmiger Spiegel 7 und ein ringförmiger Spiegel
6 an, die zusammen eine Spiegeltreppe bilden, in der das kreisförmig begrenzte Beleuchtungsstrahlenbündel
verlustfrei an die ringförmige Geometrie des Auflicht-Dunkelfeldkondensors 2 angepaßt
wird.
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Hinter dem Ringspiegel 6 ist ein ringförmige Hilfslinse 5 angeordnet.
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Zwischen der Ringlinse 5 und dem Dunkelfeldreflektor 3 im Auflichtilluminator
befindet sich eine Blendeneinrichtung 15, mit deren Hilfe zwei bezüglich der optischen
Achse des Objektivs 1 einander gegenüberliegende Strahlbündel mit radial kontinuierlich
einstellbaren Abmessungen erzeugt werden. Dazu besitzt die Blendeneinrichtung 13,
wie Fig. 2 zeigt, zwei über Hebel 16 und 17 gegeneinander verdrehbare Sektorblenden
14 und 15.
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Diese Sektorblenden decken jeweils zwei Quadranten aus dem ringförmigen
Querschnitt des Beleuchtungsstrahlenbündels ab und erlauben somit eine simultane
Einstellung der radialen Abmessungen des Querschnitts der gegenüberliegenden Beleuchtungsstrahlenbündel
zwischen £= 00 und maximal oG= 90".
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Beide Sektorblenden 15 und 14 können außerdem, wie durch den Pfeil
11 angedeutet ist, gemeinsam um die optische Achse gedreht werden, damit die Verbindungslinie
der beiden Blendenöffnunyen senkrecht zu den Kanten der Strukturen in der Objektebene
eingestellt werden kann.
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Außerdem enthält die Blendeneinrichtung 13 zusätzlich eine weitere,
in Richtung des Pfeils 19 einschaltbare Blende 18, mit der einer der beiden
von
den Sektorblenden 14 und 15 erzeugten, gegenüberliegenden Strahlbündel völlig ausgeblendet
werden kann.
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In Fig. 5a ist das Signal IS aufgetragen, das der Detektor 33 abgibt,
wenn sich eine einzelne Kante im Sehfeld des Objektivs 1 befindet und die beiden
Sektorblenden 14 und 15 so gegeneinander verdreht sind, daß nur zwei sehr schmale,
nahezu strichförmige Strahlbündel durchgelassen werden, von denen einer durch die
eingeschaltete Blende 18 abgeblockt wird. Wird die Blendeneinrichtung 13 gedreht,
und ändert sich der Azimutalwinkel des auf die Kante einfallenden schmalen Lichtbündels
zwischen 0° und 360°, dann durchläuft das von der Kante herrührende Nutzsignal IS
ein Maximum bei 900, was der Einstrahlung senkrecht in Richtung auf die Stufe der
Kante entspricht, und ein Minimum bei 270°, was der Einstrahlung senkrecht über
die Stufe der Kante hinweg entspricht.
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In Fig. 5b hingegen ist das Signal aufgetragen, das unter sonst gleichen
Bedingungen von einer Leiterbahn herrührt, die als Doppelkante angesehen werden
kann. Das Signal dieser Doppelkante besitzt zwei Maxima und zwar jeweils bei Einstrahlung
senkrecht in Richtung auf die Abstufung einer der beiden Kanten der Leiterbahn,
d.h. bei 900 und 2700.
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Den Signalen IS nach Fig. 5a und 5b ist ein winkelunabhängiges Störsignal
IN überlagert, das von statistisch verteilten Oberflächendefekten der Probe herrührt
und beispielsweise von der Rauhtiefe des Materials abhängt (siehe Fig. 5c). Vergrößert
man den Querschnitt des Beleuchtungsstrahlenbündels durch Öffnen der Sektorblenden
13/14, dann nimmt das Störsignal proportional zum Winkelbereich des Sektors zu.
Das Nutzsignal IS nimmt jedoch nicht mehr wesentlich zu, wenn die Sektorenbreite
des Beleuchtungsstrahlenbündels über den von den gestrichelten Linien in Fig. Sa
und 5b begrenzten Winkelbereich vergrößert wird. Eine Ausblendung desjenigen Beleuchtungsstrahlensektors,
der nicht zum Nutzsignal beiträgt, erniedrigt daher die Nachweisgrenze und verbessert
damit die Reproduzierbarkeit der Messung von Kantenstrukturen.
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In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform für die Blendeneinrichtung
13 in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellt. Sie besteht aus einem Träger 20, auf den aus
einer Vielzahl von Einzelsegmenten 24 bestehender, ring-
förmiger
elektrooptischer Schalter 23, beispielsweise in Form einer Flüssigkeitskristallzelle
mit einer fächerförmigen Elektrodenanordnung, aufgebracht ist. Die Einzelsegmente
24 des Schalters 23 sind mit den Ausgängen einer Steuerschaltung 21 verbunden und
können über eine Eingabetastatur von einer Logikeinheit 22 angewählt werden. Der
Transmissionsgrad der Einzelsegmente läßt sich entsprechend der angelegten Spannung
etwa um einen Faktor 50 ändern. Mit einer solchen Blendeneinrichtung lassen sich
daher mehrere sektorförmige Bereiche des Beleuchtungsstrahlenbündels mit quasikontinuierlich
einstellbarer Breite ausblenden.
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Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält als Lichtquelle
einen Laser 32, dessen Strahl durch einen nachgeschalteten Strahlteiler 27 in zwei
Teilstrahlen aufgespalten wird. Nach Reflexion an zwei Umlenkspiegeln 26,29 bzw.
30 fallen die beiden danach parallelversetzt geführten Teilstrahlen des Lasers 32
auf eine Sektorblende 25 auf, die ähnlich wie die Blendeneinrichtung 13 in Fig.
1 aufgebaut ist und eine kontinuierliche Einstellung der Breite der beiden Strahlbündel
erlaubt.
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Eine der beiden Strahlbündel ist wieder durch einen Blendenschieber
28 ausblendbar, der zwischen der Spiegelfläche 29 des Strahlteilerprismas 27 und
dem Umlenkspiegel 26 eingeschoben werden kann.
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Die Sektorblende 25, das Strahlteilerprisma 27, die Schaltblende 28
und die Umlenkspiegel 26 und 30 sind zu einer Baueinheit 31 zusammengefaßt, die
um die optische Achse des einfallenden Strahls des Lasers 32 drehbar ist und anstelle
einer herkömmlichen Auflicht-Dunkelfeldbeleuchtung am Stativ eines Mikroskops oder
Mikrophotometers befestigt werden kann.
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Mit diesem Zusatz eignet sich das Gerät dann besonders gut zur Beobachtung
und Vermessung von Leiterbahnstrukturen in der Halbleiterindustrie.
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