DE3527322A1 - Autofokuseinrichtung fuer auflichtmikroskope - Google Patents

Description

Für bestimmte Anwendungsfälle, wie z.B. bei der Kontrolle von Halblei­ tersubstraten (Wafern) in der Elektronikindustrie, werden Auflichtmi­ kroskope mit einer Autofokuseinrichtung benötigt, die dem Benutzer das beim Durchmustern der ausgedehnten Probebereiche lästige Nachstellen der Schärfenebene auf die Objektoberfläche abnimmt. Für den genannten Anwen­ dungsfall haben sich Autofokussysteme durchgesetzt, die eine in einem speziellen Wellenlängenbereich, dem infraroten, arbeitende Hilfsbeleuch­ tung vorsehen, die in den Strahlengang der Hellfeldbeleuchtung des Mikroskops eingespiegelt wird. Derartige Autofokuseinrichtungen sind bei­ spielsweise aus der DE-PS 21 02 922 und der DE-OS 32 19 503 bekannt bzw. in der älteren Anmeldung P 34 46 727.0 beschrieben.

Die bekannten Autofokuseinrichtungen arbeiten bisher jedoch nur bei Hellfeldbeleuchtung. Wird das damit ausgerüstete Mikroskop durch Einfü­ gen von Blenden bzw. Wechseln des Auflichtreflektors in die Betriebsart "Dunkelfeld" umgeschaltet, fällt der Autofokus aus. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß bei Auflicht-Dunkelfeldbeleuchtung das Kähler′sche Prinzip nicht in dem Maße wie bei Hellfeldbeleuchtung eingehalten werden kann. Denn bei Dunkelfeldbeleuchtung wird das Licht als Ringbündel außerhalb des Objektivs geführt und von einem darum gelegten Ringspiegel auf das Objekt fokussiert. Dabei wird, wenn eine gleichmäßige Dunkel­ feldausleuchtung für eine Reihe von Objektiven erwünscht ist, nicht mehr wie im Hellfeldbetrieb die Leuchtblende exakt in die Objektebene abge­ bildet. Die feste Zuordnung der Luken und Pupillen zur Objektebene, auf die auch die Elemente der Hilfsbeleuchtung abgestimmt sind, und die für den einwandfreien Betrieb der Autofokuseinrichtung unverzichtbar ist, geht vielmehr verloren. Von Hellfeld auf Dunkelfeld umschaltbare Be­ leuchtungseinrichtungen sind u.a. beschrieben in der DE-PS 23 31 750, der DE-OS 25 42 075, der DE-OS 29 41 676 und dem DE-GM 79 17 232.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Autofokuseinrichtung für Auflichtmikroskope zu schaffen, die sowohl bei Hellfeld- als auch bei Dunkelfeldbeleuchtung einwandfrei arbeitet.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruches dadurch gelöst, daß die in Schaltstellung "Dunkelfeld" den zentralen Teil des Beleuchtungslichtbündels abschattende Blende als wellenlängenselektives Filter ausgebildet ist, das im Wellenlängenbereich der Hilfsbeleuchtung transmittiert, und daß auch in Schaltstellung "Dunkelfeld" ein der Ein­ spiegelung eines zentralen Lichtbündels in den Beobachtungsstrahlengang dienender Auflichtreflektor vorgesehen ist.

Mit dieser Maßnahme wird auf höchst einfache Weise erreicht, daß die in die Mikroskopbeleuchtung eingespiegelte Hilfsbeleuchtung für die Auto­ fokuseinrichtung auch in Schaltstellung Dunkelfeld über das Objektiv geführt wird, die Hilfsbeleuchtung vom Umschaltvorgang also unbeeinflußt bleibt. Wenn das mit der Autofokuseinrichtung auszurüstende Mikroskop bereits einen feststehenden Auflichtreflektor besitzt, also einen für beide Schaltstellungen "Hellfeld" und "Dunkelfeld" benutzbaren Reflek­ tor, und die Dunkelfeldumschaltung allein durch Einfügen von Blenden erfolgt, dann ist lediglich ein Ersetzen der Zentralblende durch ein auf den Wellenlängenbereich der Hilfsbeleuchtung abgestimmtes, im sichtbaren Bereich aber undurchlässiges Filter erforderlich.

Wenn die Dunkelfeldumschaltung bei dem mit der Autofokuseinrichtung zu versehenden Mikroskop durch Wechseln des Auflichtreflektors erfolgt, dann ist dafür Sorge zu tragen, daß auch in Schaltstellung "Dunkelfeld" ein Reflektor für den zentralen Bereich des Beleuchtungslichtbündels vorge­ sehen ist. Dieser Reflektor wird dann zweckmäßig als dichromatischer Strahlteiler ausgebildet, der im Wellenlängenbereich der Hilfsbeleuch­ tung reflektiert und im Wellenlängenbereich der Dunkelfeldbeleuchtung transmittiert, damit weder im Beobachtungsstrahlengang noch im Hilfsbe­ leuchtungsstrahlengang Lichtverluste auftreten.

Weitere Vorteile der Erfindung sind der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1-4 der beigefügten Zeichnungen entnehmbar.

Fig. 1 ist eine Prinzipskizze einer Auflicht-Beleuchtungseinrichtung für Hell- und Dunkelfeldbeleuchtung und einer zusätzlichen Hilfsbeleuchtung für eine Autofokuseinrichtung;

Fig. 2 ist die Prinzipskizze einer im Vergleich zu Fig. 1 leicht modi­ fizierten Ausführungsform;

Fig. 3 ist eine detailliertere Darstellung des Auflichtreflektors der Beleuchtungseinrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 ist eine detailliertere Darstellung des Auflichtreflektors der Beleuchtungseinrichtung nach Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Auflicht-Beleuchtungseinrichtung besteht in Lichtrichtung gesehen aus einer Glühlampe 1, einem Kollektor 2, einer Hilfslinse 3 in der Nähe der einstellbaren Aperturblende 4, einer Leuchtfeldblende 5 sowie zwei Linsen 6 und 7 vor dem Auflichtreflektor 9/14. Letzterer ist feststehend und enthält einen ringförmigen Voll­ spiegel 14, über den das im Ouerschnitt ringförmige Dunkelfeld-Beleuch­ tungslichtbündel A auf den um das Objektiv 13 gelegten, konkaven Ring­ spiegel 15 gerichtet wird, und einem ovalen Teilerspiegel 9, über den das dazu koaxiale, im Querschnitt kreisförmige Hellfeld-Beleuchtungs­ lichtbündel B auf das Objektiv 13 gerichtet wird.

Vom Beobachtungsstrahlengang ist allein die Tubuslinse 16 dargestellt, die zusammen mit dem Objektiv 13 das Bild des Objekts 19 in der Zwi­ schenbildebene 17 entwirft.

Die beiden Linsen 6 und 7 haben verschiedene Durchmesser. Für den Hell­ feldstrahlengang sind beide Linsen wirksam und bilden in Verbindung mit dem Objektiv 13 die Leuchtfeldblende 5 in das Objekt 19 ab. Im Dunkel­ feldstrahlengang ist allein die im Durchmesser größere Linse 6 wirksam, die dann die Aperturblende 4 in Verbindung mit dem konkaven Ringspiegel 15 näherungsweise in die Objektebene 19 abbildet.

Die Umschaltung von Hellfeld- auf Dunkelfeldbeleuchtung erfolgt in an sich bekannter Weise dadurch, daß eine in der Nähe des Auflichtreflek­ tors 9/14 angeordnete Zentralblende 8 in den Strahlengang eingeschoben oder eingeschwenkt und die das Dunkelfeldlichtbündel andernfalls be­ schneidende Leuchtfeldblende 5 voll aufgezogen wird.

Zwischen der Aperturblende 4 und der Leuchtfeldblende 5 sowie zwischen der Leuchtfeldblende 5 und der Linse 6 sind je ein dichromatischer Tei­ lerspiegel 20 und 18 angeordnet. Die Spiegel 20 und 18 sind gegen die optische Achse der Auflicht-Beleuchtungseinrichtung geneigt und dienen zur Aus- bzw. Einspiegelung der von zwei Leuchtdioden oder Laserdioden 41 und 42 ausgehenden, im infraroten arbeitenden Hilfsbeleuchtung zur Feststellung der Fokuslage des Objektivs 13 in Bezug auf das Objekt 19. Die Elemente der Hilfsbeleuchtungseinrichtung sind in der älteren Anmel­ dung P 34 46 727.9-51 beschrieben; auf sie wird daher an dieser Stelle nicht näher eingegangen.

Gemäß der Erfindung ist die Zentralblende 8 als wellenlängenselektives Filter ausgebildet, das im Spektralbereich der Hilfsbeleuchtung, d.h. im Infraroten, nahezu vollständig transmittiert und im sichtbaren Spek­ tralbereich praktisch undurchlässig ist. Demzufolge wird, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, in Schaltstellung Dunkelfeld (obere Bildhälfte) der zentrale Teil des von der Lampe 1 ausgehenden Auflicht-Beleuchtungs­ strahlenbündels D durch die Zentralblende 8 zurückgehalten und es ent­ steht das ringförmige Dunkelfeldbündel A, das vom ringförmigen Voll­ spiegel 14 in Richtung auf das Objekt 19 reflektiert wird.

Das konzentrisch zur optischen Achse der Auflicht-Beleuchtungseinrich­ tung eingespiegelte Bündel C der Hilfsbeleuchtung passiert jedoch die Zentralblende 8, tritt durch eine Bohrung 11 in einem der Streulichtab­ schirmung dienenden, zur Achse des Objektivs 13 koaxialen Zylinder 10 hindurch und wird von dem Hellfeldreflektor 9 im Innern des Zylinders 10 zum Objektiv 13 geleitet. Das Objektiv 13 erzeugt dann den für die Aus­ wertung der Fokuslage benötigten Infrarot-Meßspot auf dem Objekt 19. Die Hilfsbeleuchtung für die Autofokuseinrichtung wird demzufolge wie bei Hellfeldbeobachtung betrieben bei gleichzeitiger Beobachtung des Objekt 19 im Dunkelfeld. Die untere Bildhälfte der Fig. 3 gibt die Verhältnisse nach Umschaltung auf Hellfeldbeobachtung wieder.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 liegen die Abbildungsverhältnisse im Beleuchtungsstrahlengang etwas anders. Zwar ist auch hier ein Kollektor 22 vorgesehen, der die Lichtquelle 21 in die Aperturblende 24 abbildet, und eine Hilfslinse 23, die den Kollektor 22 in die Leuchtfeldblende 25 abbildet. Es ist jedoch anstelle der auf den Hellfeld- und Dunkelfeld­ strahlengang unterschiedlich wirkenden Linsen 6 und 7 im Beispiel nach Fig. 1 eine für beide Teilstrahlengänge gleichermaßen wirkende Einzel­ linse 26 vorgesehen, von der die Leuchtfeldblende 25 im Hellfeldstrah­ lengang mit Hilfe des Objektivs 33 exakt und im Dunkelfeldstrahlengang mit Hilfe des konvexen Ringspiegels 35 näherungsweise in das Objektiv 35 abgebildet wird. Die Teilerspiegel 38 und 40 besitzen die gleichen Funk­ tionen wie die Spiegel 18 und 20 in Fig. 1, d.h. sie dienen zur koaxia­ len Einspiegelung der Hilfsbeleuchtung für die Autofokuseinrichtung in den Auflicht-Beleuchtungsstrahlengang.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der gesamte Auflichtreflektor zum Zwecke der Umschaltung zwischen Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung verschiebbar. In Schaltstellung Hellfeld (untere Bildhälfte von Fig. 4) trägt der in seinen Umrissen lediglich angedeutete Schieber 20 allein den Hellfeldreflektor 27, einen im sichtbaren Spektralbereich zu 50% reflektierenden und zu 50% transmittierenden Teilerspiegel.

In Schaltstellung Dunkelfeld (obere Bildhälfte von Fig. 4) trägt der Schieber 20 den Auflicht-Dunkelfeldreflektor in Form eines durchbohrten Ringspiegels 34, in dessen ovale Öffnung wieder eine zylindrische Streu­ lichtabschirmung 30 eingesetzt ist. Der Zylinder 30 ist ebenso wie der Zylinder 10 in Fig. 3 mit einer zu waagerechten Achse der Auflicht-Be­ leuchtungseinrichtung konzentrischen Bohrung 31 versehen. In der ovalen Öffnung des Dunkelfeldreflektors 34 sitzt ein weiterer Reflektor 29, der funktionsmäßig dem Reflektor 9 in Fig. 3 entspricht, jedoch etwas andere Reflektionseigenschaften besitzt. Der Reflektor 29 ist als dichromati­ scher Teiler ausgebildet und im sichtbaren Spektralbereich nahezu völlig transparent, während er jedoch im Infraroten, dem Spektralbereich der Hilfsbeleuchtung, nahezu völlig reflektiert. Vor die Bohrung 31 im Streulicht-Abschirmzylinder 30 ist außerdem eine zentrale Blende 28 gesetzt. Die Blende 28 ist wie die Zentralblende 8 in Fig. 1 bzw. 3 im sichtbaren Spektralbereich undurchlässig und transmittiert nahezu voll­ ständig im Spektralbereich der Dioden 41 und 42 der Hilfsbeleuchtung. Als Material für die Blende 28 kann beispielsweise ein Interferenzfilter oder ein Farbglas mit Langpaßeigenschaften verwendet werden wie z.B. das Filterglas LP 760.

Nach Umschalten in die in Fig. 4, obere Bildhälfte, gezeichnete Schalt­ stellung wird demzufolge von der Blende 28 der zentrale Teil der Auf­ lichtbeleuchtung ausgeblendet und es entsteht das Dunkelfeld-Beleuch­ tungsbündel A. Bei der Beobachtung des Objekts 39 stört der Spiegel 29 nicht, da er ja im visuellen Spektralbereich fast vollständig durch­ lässig ist und somit kein Lichtverlust im Beobachtungsstrahlengang auf­ tritt.

Das zentrische IR-Hilfsbeleuchtungsstrahlenbündel C hingegen tritt durch die Zentralblende 28 hindurch und wird am Spiegel 29 nahezu vallständig in Richtung auf das Objekt umgelenkt. Das von dort remittierte Meßlicht gelangt ebenfalls wieder nahezu ohne Indentitätsminderung über den Spie­ gel 29 und das Filter 28 in den Auflicht-Beleuchtungsstrahlengang zu­ rück. Demzufolge hat das daraus abgeleitete Signal zur Fokusnachstellung in Schaltstellung Dunkelfeld mindestens die gleiche, tatsächlich sogar eine höhere Intensität als in Schaltstellung Hellfeld (untere Bildhälfte von Fig. 4), wenn man davon ausgeht, daß der Spiegel 27 ein einfacher (50%) Teilerspiegel ohne chromatische Wirkung ist.

Im Beispiel nach Fig. 1 bzw. Fig. 3 enthält der Auflicht-Beleuchtungs­ strahlengang eine Linse 7, die aufgrund ihres geringeren Durchmessers nur auf den Hellfeld- und den Hilfsbeleuchtungsstrahlengang wirkt und den Dunkelfeldstrahlengang nicht beeinflußt. Wechselt man diese Linse 7 im Zuge des Umschaltvorganges Hellfeld/Dunkelfeld gegen eine in der Form gleiche Linse aus dem Material, aus dem das Filter 8 besteht, dann kann auf eine separate Zentralblende verzichtet werden. Die Blende ist dann eine für den Hilfsbeleuchtungsstrahl allein wirksame Linse.

Es ist weiterhin möglich für das Ausführungsbeispiel mit dem Dunkelfeld­ strahlengang nach Fig. 1 einen umschaltbaren Auflichtreflektor vorzu­ sehen ähnlich dem in Fig. 4 dargestellten, und für den Dunkelfeldstrah­ lengang nach Fig. 2 einen feststehenden Auflichtreflektor zu verwenden, ähnlich dem nach Fig. 3.

Claims (4)

1. Autofokuseinrichtung für Auflichtmikroskope mit einer zwischen Hell­ feld- und Dunkelfeldbeleuchtung umschaltbaren Optik, wobei die Auto­ fokuseinrichtung eine in einem speziellen Wellenlängenbereich ar­ beitende Hilfsbeleuchtung umfaßt, die in den Strahlengang der Hell­ feldbeleuchtung eingespiegelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die in Schaltstellung "Dunkelfeld" den zentralen Teil des Beleuchtungs­ lichtbündels abschattende Blende (8, 28) als wellenlängenselektives Filter ausgebildet ist, das im Wellenlängenbereich der Hilfsbeleuch­ tung transmittiert, und daß auch in Schaltstellung "Dunkelfeld" ein der Einspiegelung eines zentralen Lichtbündels in den Beobachtungs­ strahlengang dienender Auflichtreflektar (9, 29) vorgesehen ist.

2. Autofokuseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auflichtreflektor (9, 29) für die Schaltstellung "Dunkelfeld" eine zy­ lindrische, koaxial zum Beabachtungsstrahlengang angeordnete Streu­ lichtabschirmung (10, 30) mit einer zentrisch zum Beleuchtungsstrah­ lengang ausgerichteten Bohrung (11, 31) enthält, vor die das im Wel­ lenlängenbereich der Hilfsbeleuchtung transparente Filter (8, 28) gesetzt ist.

3. Autofokuseinrichtung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auflichtreflektor umschaltbar ist und der in Schaltstellung "Dunkelfeld" das zentrale Lichtbündel der Hilfsbeleuchtung in den Beobachtungsstrahlengang einspiegelnder Reflektor als dichromatischer Teilerspiegel (9, 29) ausgebildet ist, der im Wellenlängenbereich der Hilfsbeleuchtung reflektiert und im Wellenlängenbereich der sicht­ baren Dunkelfeldbeleuchtung transmittiert.

4. Autofokuseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (8, 28) als für den Hilfsbeleuchtungsstrahlengang wirksame Linse ausgebildet ist.