DE3616812A1 - Koordinatenmessvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Koordinatenmeßvorrichtung mit einem den Meßraum einschließenden Gehäuse, einem im Meßraum verfahrbaren Koordinatentisch zur Aufnahme des Objektes, einem im Gehäuse verstell­ bar angeordneten System zur berührungslosen Antastung des Meßobjektes und einem im Gehäuse ortsfest angeordneten interferometrischen Längenmeßsystem zur Bestimmung des Verfahrweges eines für jede Meßkoordina­ te mit dem Koordinatentisch fest verbundenen Meßspiegels.

Eine Meßvorrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der DE-OS 32 31 719 bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung dient der hochgenauen räumlichen Messung an Flächen für optisch abbildende Systeme. Zur Antastung wird in der Regel eine Tastkugel verwendet, es wird jedoch auch angegeben, daß eine berührungslose optische An­ tastung, z. B. mit Hilfe eines Mikroskops, möglich ist. Die erforderliche Genauigkeit des Meßsystems wird durch die Verwendung eines z. B. aus DE-PS 23 48 272 bekannten Doppelstrahl-Planspiegelinterferometers erreicht. Bei einem solchen Interferometer können zwei unabhängige Meßstrahlen erzeugt werden, die jeweils mit dem im Interferometerkopf enthaltenen Referenzstrahl fester Länge zur Interferenz gebracht werden. Die bekannte Vorrichtung nutzt diese Eigenschaft, um mit dem einen Meßstrahl die Position des Tasters relativ zum Meßobjekt und mit dem anderen Meßstrahl die Position des Meßobjekts relativ zum ortsfesten Interferometersystem zu ermitteln. Damit wird es möglich, Relativverschiebungen des Tasters gegenüber dem zu messenden Objekt unabhängig von der Verschiebung des Objektes bei der Messung berücksichtigen zu können. Obgleich mit dem Taster selbst nur ein einziges Spiegelelement für jede Koordinatenrichtung zu verbinden ist, benötigt die gesamte Meß­ strahlumlenkung doch eine relativ aufwendige Reflektorkombination.

Hochgenaue Längenmessungen sind auch bei der Vermessung von Weglängen auf Masken und Wafern für die Halbleiterfertigung erforderlich. Die zunehmende Packungsdichte der integrierten Schaltkreise stellt dabei immer höhere Anforderungen an die Meßgenauigkeit. Da es sich um die Vermessung zweidimensionaler Strukturen handelt, werden die Meßobjekte auf Kreuztische aufgelegt, deren Verfahrwege mit Laserinterferometern gemessen werden. An dem Kreuztisch sind dabei zwei senkrecht zueinander stehende Spiegel fest angeordnet, deren Verstellung in Richtung der Laser­ strahlen ausgewertet wird. Wenn die Laser-Meßstrahlen in der Höhe der Objektebene liegen, ist im Kreuzpunkt der x- und y-Meßstrahlen das Komparatorprinzip in beiden Achsen gewahrt.

Im allgemeinen werden bei diesen Geräten die auf den Masken bzw. Wafern befindlichen Strukturen optisch mit hoher Vergrös­ serung angetastet, so daß eine sehr genaue Fokussierung des abbildenden Objektivs erforderlich ist. Bei einer Verschiebung des Meßobjektes muß die Fokussierung dauernd nachgestellt werden. Mit der Stellbewegung kann ein Parallelversatz und eine Kippung der optischen Achse des Objektivs verbunden sein, wodurch im Meßsystem eine tatsächlich nicht vorhandene Objektverlagerung vorgetäuscht wird. Bei der Vermessung von Strukturen im Nano­ meterbereich führt dies zu nicht mehr tolerierbaren Fehlmessungen.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, mit minimalem konstruktivem Aufwand auch kleinste Verlagerungen des abbilden­ den Objektivs gegenüber der jeweils angemessenen Koordinatenrich­ tung mit erfassen und Kippfehlereinflüsse ausschließen zu können.

Diese Aufgabe wird bei einer Koordinatenmeßvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der der jeweiligen Meßkoordinate zugeordnete Referenzspiegel des interferometrischen Längenmeßsystems mit dem System zur Antastung des Meßobjekts starr verbunden wird. Für die Messung der Ablage des Objektivs wird also kein zusätzlicher interferometri­ scher Meßstrahl benötigt. Das Interferomter arbeitet nicht mehr mit einem Referenzstrahl fester Länge, sondern mit einem an die aktuelle Lage des Objektivs angepaßten veränderlichen Referenzstrahl. Bei einer Ablage des Objektivs gegenüber einem ruhenden Objekt entstehen im Interferometer Koordinatenzählsignale, so daß der dann angetasteten Objekstruktur automatisch der richtige Koordinatenwert zugeordnet wird.

Die konstruktiv einfachste Lösung besteht darin, den Referenzspie­ gel als Planspiegel auszubilden und diesen an dem Objektiv zu befestigen. Es ist vorteilhaft, eine nach ∞ abbildende Optik zu verwenden. Für eine komparatorgerechte Längenmessung muß der Meßstrahl des Interferometers in der Höhe der Objektebene liegen. Zur Vermeidung von Fehlmessungen durch Kippungen des am Objektiv angebrachten Referenzspiegels ist es wichtig, daß der Referenzstrahl auf den vorderen Hauptpunkt des abbil­ denden Systems zielt. Das wird erreicht, wenn der Abstand zwischen Meß- und Referenzstrahl gleich der Brennweite des abbildenden Systems ist und der Meßstrahl gleichzeitig in der Objektebene liegt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Darstellung einer Koordinatenmeßvorrichtung näher beschrieben. Die Darstellung beschränkt sich auf eine Koordinatenrichtung. Sie gilt in gleicher Weise für die um 90° zur Zeichenebene gedrehte Koordinatenrichtung.

Die Figur zeigt im Schnitt ein Gehäuse 1, das den Meßraum 2 einschließt. Im Meßraum befindet sich ein in zwei Koodinaten­ richtungen verschiebbarer Tisch 3. Der Tisch ruht auf schematisch dargestellten Lagern 4, 5, die in der Praxis vorzugsweise durch Luftlager realisiert werden. Auf dem Tisch ruht das Meßobjekt 6, das beispielsweise eine Waferscheibe ist. Das in dieser Position angemessene, in der Objektebene 7 liegende Strukturelement ist durch ein Kreuz dargestellt.

Zur berührungslosen Antastung des Meßobjektes 6 ist ein nach ∞ abbildendes Objektiv 8 vorgesehen. Das Objektiv ist an einem Haltewinkel 9 befestigt, der über eine nicht dargestellte Antriebs­ vorrichtung an einer Führungsschiene 10 in Richtung der optischen Achse 11 höhenverstellbar ist. Bei dieser Höhenverstellung handelt es sich um eine Grobeinstellung. Die Führungsschiene 10 ist in einem Federparallelogramm 12, 13 eingespannt, das auf der anderen Seite an dem Gehäuse 1 befestigt ist. Dieses Feder­ parallelogramm dient über ebenfalls nicht dargestellte Antriebsmittel zur Feinfokussierung des Objektivs 8. Während mit der Grobverstellung ein Bereich von einigen Millimetern überbrückt werden kann, bewegt sich die Feinfokussierung in einem Bereich von ±100 Mikro­ metern. Die Grobverstellung ist so ausgeführt, daß während der Feinverstellung eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Haltewinkel 9 und der Führungsschiene 10 besteht. Während eines Meßablaufes bleibt diese Einstellung unverändert, so daß Fehlereinflüsse durch die Grobverstellung ausgeschlossen sind.

Mit dem Gehäuse 1 fest verbunden ist ein interferometrisches Längenmeßsystem 14. Dieses ist nur schematisch dargestellt. Einzelheiten können z. B. aus der DE-OS 17 73 541 entnommen werden. Verwendet wurde an dieser Stelle ein handelsübliches System der Firma Hewlett-Packard. Dieses enthält einen Laser 15 als Lichtquelle und ein System 16 aus polarisierenden, strahlauf­ spaltenden und strahlvereinigenden Elementen, sowie eine Empfangs- und Auswerteeinheit 17. Der Meßspiegel 18 des Interferometers ist an dem Koordinatentisch 3 befestigt. Seine Ausdehnung senk­ recht zur Zeichenebene entspricht dem Verfahrweg des Tisches 3 in der anderen Koordinatenrichtung. Der Referenzspiegel 19 ist fest an dem Haltewinkel 9 angeordnet. Es handelt sich um einen Planspiegel, dessen Ausdehnung in Richtung der optischen Achse 11 dem maximalen Verstellweg des Objektivs 8 angepaßt ist.

Beide Spiegel können räumlich so angeordnet werden, daß sie in einer mittleren Ausgangsstellung der Tischverstellung über­ einander liegen. Die Laufwege der Laserstrahlen im Meß- und Referenzstrahlengang sind dann nahezu gleich. Damit wirken insbesondere lokale Schwankungen im Übertragungsmedium Luft, die zu einer Wellenlängenänderung der interferierenden Strahlen führen, auf beide Strahlenbündel in gleicher Weise ein. Die Meß­ genauigkeit des Laserinterferometers wird damit weiter erhöht.

Tritt beim Fokussieren ein Parallelversatz des Objektivs 8 in x- und/oder y-Richtung auf, so wird dieser durch den gleichzeitigen Versatz des Referenzspiegels 19 automatisch bei der Auswertung der Laserinterferometersignale in der Einheit 17 erfaßt.

Das Objektiv 8 bildet die Objektstrukturen nach ∞ ab. Die nach­ geschaltete Optik 20 ist fest mit dem Gehäuse 1 verbunden. Sie wird also beim Fokussieren nicht mitbewegt. Ein radialer Versatz des Objektivs 8 zur nachgeschalteten Optik 20 hat keinen Einfluß auf die Bildlage der jeweils angetasteten Objektstrukturen.

Der Meßspiegel 18 und der Referenzspiegel 19 sind aus geometrischen Gründen um einen bestimmten Betrag gegeneinander höhenversetzt. Kippungen des Systems Objektiv 8/Referenzspiegel 19 gehen daher in die Meßgenauigkeit mit ein. Während einer Messung wird jedoch der Grobfokus nicht betätigt. Der Feinfokus wird entsprechend der Unebenheit des Objektes nur um einige Mikro­ meter verstellt, so daß bei der hohen Führungsgenauigkeit des Federparallelogramms 12,13 keine störenden Kippungen auftreten.

Bei der beschriebenen Optikanordnung - ∞-Abbildung zwischen Objektiv 8 und nachgeschalteter Optik 20, sowie feste Anordnung der nachgeschalteten Optik 20 - kann das System Objektiv 8/Referenz­ spiegel 19 aber auch kippungsunempfindlich gemacht werden. Wenn der Abstand zwischen Meßstrahl 21 und Referenzstrahl 22 gleich der Brennweite des Objektivs 8 ist und die Meßstrahlen 21 in der Höhe der Objektebene 7 liegen, während die Referenzstrah­ len 22 auf die vordere Hauptebene 23 des Objektivs 8 zielen, tritt bei kleineren Verkippungen des Objektiv/Spiegelsystems keine seitliche Bildverlagerung auf. In diesem Fall sind auch evtl. auftretende Objektivkippungen aufgrund von Führungsfeh­ lern zwischen den Grob- und der Feinfokussierungselementen 9 und 10 unschädlich.

Claims (4)

1. Koordinatenmeßvorrichtung mit einem den Meßraum ein­ schließenden Gehäuse, einem im Meßraum verfahrbaren Koordinaten­ tisch zur Aufnahme des Meßobjektes, einem im Gehäuse verstellbar angeordneten System zur berührungslosen Antastung des Meßobjektes, einem im Gehäuse ortsfest angeordneten interferometrischen Längenmeßsystem zur Bestimmung des Verfahrweges eines für jede Meßkoordinate mit dem Koordinatentisch fest verbundenen Meßspiegels, dadurch gekennzeichnet, daß der der jeweiligen Meßkoordinate zugeordnete Referenzspie­ gel (19) des interferometrischen Längenmeßsystems (14) mit dem System (8) zur Antastung des Meßobjektes (6) starr verbunden ist.

2. Koordinatenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß als Referenz­ spiegel (19) ein Planspiegel vorgesehen ist.

3. Koordinatenmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Antastsystem (8) eine nach ∞ abbildende Optikanordnung vorgesehen ist.

4. Koordinatenmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der optischen Achsen der auf den Meß- (18) und den Referenzspiegel (19) gerichteten Meß- (21) und Referenzstrahlenbündel (22) des Interferometers (14) zumindest nahezu gleich der Brennweite des das Objekt (6) antastenden Objektivs (8) ist, wobei die optische Achse des Meßstrahlenbündels (21) in der Höhe der Objektebene (7) liegt.