DE4105435C1

DE4105435C1 - Interference microscope with image converter connected to evaluating computer - automatically providing contour height differences on sample surface from strip pattern

Info

Publication number: DE4105435C1
Application number: DE19914105435
Authority: DE
Inventors: Gottfried 7505 Ettlingen De Frankowski
Original assignee: Focus Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Focus Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1991-02-21
Filing date: 1991-02-21
Publication date: 1992-06-11
Anticipated expiration: 2011-02-22

Abstract

The optical interference microscope has a sample illumination device (10, 12) an objective lens (26) and a viewing lens (40). A interferometer (32) is installed in the light path between the lenses. An image converter (42) behind the viewing lens has a matrix of LCD elements and is coupled to a computer (44) allowing the strip pattern obtained at the image convertor to be converted into contour height differences, represented numerically or graphically. The strip pattern can be optically enlarged, e.g. via adjustment of the viewing lens. ADVANTAGE - High resolution and improved light intensity.

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferenzmikroskop gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an interference microscope according to the Preamble of claim 1.

Ein derartiges Mikroskop ist in der Zeitschrift Jenaer Rundschau, 1987, Seiten 11 ff. beschrieben.Such a microscope is in the Jenaer magazine Rundschau, 1987, pages 11 ff.

Dieses Interferenzmikroskop gestattet die Beobachtung des Interferenzstreifenmusters auch auf einem Bildschirm anstelle der Beobachtung durch das Okkular; die quantitative Auswer tung des Interferenzstreifenmusters erfolgt jedoch "manuell" durch den Beobachter.This interference microscope allows observation of the Interference fringe pattern also on a screen instead observation through the eyepiece; the quantitative evaluation However, the interference fringe pattern is processed "manually" by the observer.

In der DE-OS 31 48 858 ist ein Verfahren zum Einstellen optimaler Abbildungseigenschaften bei einem Polarisations- Interferenzmikroskop beschrieben, welches bei einfachem Aufbau des Mikroskopes eine so gute Auflösung und so gute Lichtstärke gewährleistet, wie dies zuvor nur mit aufwen digen Beobachtungen zwischen gekreuzten Polarisatoren oder unter Anwendung der Differentialinterferenzkontrast- Mikroskopie möglich war. Es wird vorgeschlagen, den Gang unterschied zwischen Meßstrahl und Referenzstrahl etwa zwei- bis viermal so groß zu wählen, wie bei der üblichen Interferenzmikroskopie. Die Einstellung der optimalen Abbildungsbedingungen erfolgt so, daß bei minimaler Ver stärkung der zum Mikroskop gehörenden Videokamera die Abbildung des optischen Teiles des Interferenzmikroskopes optimiert wird, und zwar bei einer Phasenverschiebung zwischen Meßstrahl und Referenzstrahl, die etwa gleich der Phasenverschiebung durch das Objekt entspricht. Anschließend wird dann die Phasenverschiebung auf den vorgenannten erhöhten Wert eingestellt, und in einem letzten Schritt der Einstellung wird dann die Verstärkung der Videokamera auf den Wert eingestellt, bei dem das am Monitor erhaltene Bild die besten Eigenschaften zeigt. Das mit dieser optimierten Gesamt-Einstellung dann erhaltene Interferenzstreifenmuster wird aber nach wie vor rein visuell ausgewertet.DE-OS 31 48 858 describes a method for setting optimal imaging properties with a polarization Interference microscope described, which with simple Structure of the microscope such a good resolution and so good Luminous intensity ensures, as previously only with expenditure observations between crossed polarizers or using the differential interference contrast Microscopy was possible. It is suggested the aisle difference between measuring beam and reference beam choose two to four times the size of the usual Interference microscopy. Setting the optimal Imaging conditions are such that with minimal Ver Strengthening the video camera belonging to the microscope Image of the optical part of the interference microscope is optimized, namely with a phase shift between measuring beam and reference beam, which is approximately equal to the Phase shift through the object corresponds. Subsequently then the phase shift to the aforementioned increased value set, and in a final step the Then the video camera gain is set to set the value at which the image obtained on the monitor shows the best properties. That with this optimized Overall setting then received fringe pattern is still evaluated purely visually.

In der DE-OS 35 40 496 ist ein Interferenzmikroskop be schrieben, bei welchem im einen Zweig des Interferometers ein transversal zur Strahlrichtung sinusförmig bewegter Kompensationskeil vorgesehen ist, der gemäß seiner Stellung unterschiedliche Gangunterschiede bis hin zu einer Wellen länge erzeugt. Die Momentanstellung des Kompensationskeiles wird über einen auf Strichgitterbasis arbeitenden Stellungs geber gemessen, und durch eine spezielle Elektronikschaltung wird diejenige Kompensationskeil-Stellung automatisch ermittelt, bei welcher man auf einem am Ausgang des Inter ferometers angeordneten lichtempfindlichen Wandler die gleiche Helligkeit erhält wie dies ohne Objekt der Fall ist. Das dieser speziellen Stellung des Kompensationskeiles entsprechende elektrische Kompensationskeil-Stellungssignal ist direkt dem durch das Objekt erzeugten Gangunterschied zugeordnet. Man kann auf diese Weise den durch das Objekt erzeugten Gangunterschied über das Objekt hinweg quantitativ messen, erhält jedoch kein Bild des Objektes.In DE-OS 35 40 496 an interference microscope be wrote in which in a branch of the interferometer a transversely to the beam direction sinusoidally moved Compensation wedge is provided according to its position different path differences up to a wave length generated. The current position of the compensation wedge is a position on a grating-based position encoder measured, and by a special electronic circuit the compensation wedge position becomes automatic determines which one is located at the exit of the Inter arranged photosensitive transducers receives the same brightness as the case without an object is. This special position of the compensation wedge corresponding electrical compensation wedge position signal is directly the path difference created by the object assigned. In this way you can see through the object generated path difference quantitatively across the object measure, but does not receive an image of the object.

Aus der Zeichentechnik und der Geodäsie sind automatische Auswertegeräte bekannt, die ein Muster aus Linien gleicher Höhe in Konturprofile umsetzen können.Drawing technology and geodesy are automatic Evaluation devices known that have a pattern of the same lines Can convert height into contour profiles.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Interferenzmikroskop geschaffen, bei welchem von derartigen digitalen Auswerte möglichkeiten Gebrauch gemacht wird und eine vollautomatische Umsetzung der Abstände im Interferenzstreifenmuster in Konturprofile erhalten wird. Dabei ist durch Einstellung des kleinsten Abstandes zwischen benachbarten Linien des Streifenmusters auf eine vorgegebene Strecke, die einer vorgegebenen ersten Anzahl benachbarter Wandlerelemente des Bildwandlers entspricht, gewährleistet, daß mathematische Näherungsverfahren, die die an sich notwendige Fouriertrans formation durch eine sehr schnelle digitale Filterfunktion annähern, richtig arbeiten. Ist die Anzahl der durch benach barte Wandlerelemente gegebenen Stützpunkte zwischen benach barten Streifen des Interferenzstreifenmusters zu klein, liefert ein solches digitales Filter keine möglichkeitsge treue Umrechnung des Interferenzstreifenmusters in ein Konturprofil.The present invention turns an interference microscope created, in which of such digital evaluations possibilities is used and a fully automatic Implementation of the distances in the interference fringe pattern in Contour profiles is obtained. It is by setting the smallest distance between adjacent lines of the Stripe pattern on a given route, the one predetermined first number of adjacent transducer elements of the Image converter, ensures that mathematical Approximation method that the necessary Fouriertrans formation through a very fast digital filter function approximate, work properly. Is the number of neighboring Beard transducer elements given bases between neighboring beard stripes of the interference fringe pattern too small, such a digital filter does not provide any possibilities faithful conversion of the interference fringe pattern into one Contour profile.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran sprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are in Unteran sayings.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 wird erreicht, daß die Rechenzeit zum Umrechnen des Interferenz streifenmusters in ein Konturhöhenprofil nicht mehr Zeit benötigt als im Hinblick auf die Genauigkeit des Interferenz streifenmusters sinnvoll.With the development of the invention according to claim 2 achieved that the computing time to convert the interference strip pattern in a contour height profile no more time needed than in terms of the accuracy of the interference stripe pattern makes sense.

Die Ermittlung von Konturhöhenprofilen über Abstandsände rungen in einem Interferenzstreifenmuster ist gut einsetzbar für Oberflächenprofile mit nur geringem Hub der Oberflächen kontur. Für manche Einsatzzwecke wäre es wünschenswert, mit ein und demselben Meßgerät sowohl Objekte mit kleinem Hub der Oberflächenkontur als auch Objekte mit großem Hub der Oberflächenkontur ausmessen zu können. Oft finden sich entsprechende Bereiche auch auf ein und demselben Objekt, und es wäre wünschenswert, die Ausmessung beider Bereiche zwangsläufig richtig aneinandersetzen zu können, also ohne neue Einjustierung des Objektes in einem anderen Mikroskop.The determination of contour height profiles over spaced areas stanchions in an interference fringe pattern can be used well for surface profiles with only a small stroke of the surfaces contour. For some uses it would be desirable to use one and the same measuring device both objects with a small stroke the surface contour as well as objects with a large stroke To be able to measure the surface contour. Often found corresponding areas on the same object, and it would be desirable to measure both areas inevitably being able to put them together correctly, i.e. without new adjustment of the object in another microscope.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 wird erreicht, daß in einem Interferenzmikroskop mit automatischer Auswertung des Interferenzstreifenmusters auch Objekte mit großem Hub der Oberflächenkontur vermessen werden können, und zwar unter Verwendung derselben, nicht modifizierten Aus werteeinrichtung.With the development of the invention according to claim 3 achieved that in an interference microscope with automatic Evaluation of the interference fringe pattern also includes objects large stroke of the surface contour can be measured, and using the same, unmodified Aus valuation facility.

Dabei ist die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 wieder im Hinblick auf ein Kleinhalten der zum Umrechnen benötigten Rechenzeit von Vorteil.The development of the invention is according to claim 4 again with a view to keeping the conversion rate small required computing time is an advantage.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt die einzige Figur eine schematische Darstel lung eines Interferenzmikroskopes mit automatischer Umrech nung des unter Beteiligung der Objektoberfläche erzeugten Interferenzstreifenmusters in ein Konturhöhenprofil, welche zusätzlich mit einer Einrichtung zum automatischen Ausmessen von Oberflächenprofilen großen Hubes versehen ist.The invention will now be described with reference to embodiments play explained with reference to the drawing. In this the only figure shows a schematic representation an interference microscope with automatic conversion of the generated with the participation of the object surface Interference fringe pattern into a contour height profile, which additionally with a device for automatic measurement is provided by surface profiles of large stroke.

Eine Lichtquelle 10 beleuchtet über ein Kondensorsystem 12 ein Strichgitter 14, welches durch einen Schieber 16 gefaßt ist, der in einem nichtdargestellten Mikroskopgehäuse läuft. Der Schieber 16 wird zur interferometrischen Objektvermessung aus dem Mikroskopgehäuse herausgezogen, zu einer strahlen geometrischen Objektvermessung in den Strahlengang gestellt, wie noch genauer beschrieben wird.A light source 10 illuminates, via a condenser system 12, a grating 14 which is gripped by a slide 16 which runs in a microscope housing (not shown). The slider 16 is pulled out of the microscope housing for interferometric object measurement, and is placed in the beam path for a geometrical object measurement, as will be described in more detail.

Das Strichgitter 14 bzw. das durch die Schieberebene gehende Licht wird durch eine Beleuchtungsoptik 18 mit einstellbarem Abbildungsfaktor (Zoom-Optik) über einen Spiegel 20, ein schmalbandiges Farbfilter 22 und einen halbdurchlässigen Spiegel 24 durch ein Objektivsystem 26 hindurch auf die Oberfläche eines Objektes 28 abgebildet. Letzteres hat auf seiner Oberseite strukturierte Bereiche, wobei in einzelnen Bereichen die Strukturhöhen vergleichbar oder kleiner als die Wellenlänge des das Farbfilter 22 durchsetzenden Lichtes sind, während sie in anderen Objektbereichen deutlich größer als diese Lichtwellenlänge sind.The dashed grating 14 or the light passing through the slide plane is imaged on the surface of an object 28 by an illumination optics 18 with an adjustable imaging factor (zoom optics) via a mirror 20 , a narrow-band color filter 22 and a semi-transparent mirror 24 through an objective system 26 . The latter has structured areas on its top, the structure heights in individual areas being comparable or smaller than the wavelength of the light passing through the color filter 22 , while in other object areas they are significantly larger than this light wavelength.

Das von der Objektoberfläche reflektierte Licht gelangt über das Objektivsystem 26 und durch den halbdurchlässigen Spiegel 24 auf eine erste Tubuslinse 30. Das Licht durchsetzt dann ein insgesamt mit 32 bezeichnetes Shearing-Interferometer und wird über einen weiteren Umlenkspiegel 34, eine zweite Tubuslinse 36, einen verschwenkbaren Umlenkspiegel 38 und eine Wandleroptik 40 mit einstellbarem Abbildungsmaßstab (Zoom-Optik) auf einen CCD-Bildwandler 42 gegeben. Dieser kann zum Beispiel 256 Wandlerelemente pro Zeile und ent sprechende Zeilenzahl aufweisen.The light reflected from the object surface reaches a first tube lens 30 via the objective system 26 and through the semitransparent mirror 24 . The light then passes through a shearing interferometer, denoted overall by 32 , and is applied to a CCD image converter 42 via a further deflecting mirror 34 , a second tube lens 36 , a pivotable deflecting mirror 38 and a converter lens 40 with an adjustable magnification (zoom lens). This can have, for example, 256 converter elements per line and corresponding number of lines.

Der Bildwandler 42 ist an einen Rechner 44 angeschlossen, der das auf dem Bildwandler 42 erhaltene Streifenmuster umrechnet in die entsprechende Oberflächenkontur des gerade unter dem Objektivsystem 26 stehenden Abschnittes der Oberfläche des Objektes 28. Diese Oberflächenkontur kann auf einem mit dem Rechner 44 verbundenen Drucker 46 ausgegeben werden. Auf dem Bildschirm des Rechners 44 kann wahlweise direkt das Strei fenmuster auf dem Bildwandler 42 und das hieraus durch Umrechnen erhaltene Oberflächenprofil dargestellt werden.The image converter 42 is connected to a computer 44 , which converts the stripe pattern obtained on the image converter 42 into the corresponding surface contour of the section of the surface of the object 28 which is just under the lens system 26 . This surface contour can be output on a printer 46 connected to the computer 44 . On the screen of the computer 44 , the Strei fenmuster can optionally be displayed directly on the image converter 42 and the surface profile obtained from this by converting.

Das im Rechner zur Umsetzung der Abstandsänderungen im Streifenmuster in ein Konturprofil verwendete Rechenprogramm ist ein digitales Filter, welches eine einer Fouriertrans formation ähnlich kommende Signalverarbeitung durchführt. Dieses Programm, dessen Einzelheiten hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden brauchen, arbeitet dann zuverlässig und rasch, wenn der Abstand zwischen benachbarten Linien des Streifenmusters eine vorgegebene Mindestanzahl von Wandlerelementen überdeckt, andererseits auch nicht größer ist als eine zweite vorgegebene Anzahl von Wandlerelementen. Um diesen Linienabstand einstellen zu können, braucht man nur den Abbildungsfaktor der Wandleroptik 40 entsprechend zu ändern.The computer program used in the computer to convert the changes in distance in the stripe pattern into a contour profile is a digital filter which carries out signal processing similar to a Fourier transformation. This program, the details of which need not be described in detail here, operates reliably and quickly when the distance between adjacent lines of the stripe pattern covers a predetermined minimum number of transducer elements, but on the other hand is not greater than a second predetermined number of transducer elements. In order to be able to set this line spacing, it is only necessary to change the imaging factor of the converter optics 40 accordingly.

Verwendet man ein Shearing-Interferometer, besteht an diesem eine weitere Einstellmöglichkeit für den Streifenabstand: Dieses Interferometer umfaßt vier an den Eckpunkten eines Rechteckes aufgestellte Interferometerspiegel 48, 50, 52, 54, von denen der eingangsseitige und ausgangsseitige Spiegel halbdurchlässig ist. In einem ersten festen Interferometerweg sind zwei planparallele Phasenplatten 56, 58 parallel zueinander aufgestellt. Im zweiten Interferometerweg stehen zwei Phasenkeilplatten 60, 62, die in Richtung des Pfeiles 64 als Paar verdrehbar sind. In der in der Zeichnung wieder gegebenen dritten Stellung bewirken die Phasenkeilplatten 60, 62 im wesentlichen die gleiche Phasenverschiebung wie die Phasenplatten 56, 58, durch Drehen in Richtung des Pfeiles 64 wird die Phasenverschiebung entsprechend der nun kleineren im optisch dichten Medium zurückgelegten Strecke verkleinert. Eine Verdrehung der Phasenplatte 56, 58 in entgegengesetztem Sinne vergrößert den Phasenunterschied. Mit dieser Änderung des Phasenunterschiedes geht eine entsprechende Abstandsänderung im Interferenzstreifenmuster einher. Im einzelnen ist die Strahlführung so gewählt, daß die Abbildung der Austrittspupille des Objektivsystems 26 beim Mittel- und Drehpunkt M der Phasenkeilplatten 60, 62 liegt.If a shearing interferometer is used, there is another setting option for the strip spacing: This interferometer comprises four interferometer mirrors 48 , 50 , 52 , 54 set up at the corner points of a rectangle, of which the mirror on the input side and on the output side is semi-transparent. Two plane-parallel phase plates 56 , 58 are set up parallel to one another in a first fixed interferometer path. In the second interferometer path there are two phase wedge plates 60 , 62 which can be rotated as a pair in the direction of arrow 64 . In the third position shown again in the drawing, the phase wedge plates 60 , 62 effect essentially the same phase shift as the phase plates 56 , 58 , by rotating in the direction of arrow 64 the phase shift is reduced in accordance with the now smaller distance covered in the optically dense medium. Rotating the phase plate 56 , 58 in the opposite sense increases the phase difference. This change in the phase difference is accompanied by a corresponding change in distance in the interference fringe pattern. In particular, the beam guidance is selected such that the imaging of the exit pupil of the objective system 26 lies at the center and pivot point M of the phase wedge plates 60 , 62 .

Zur Ausmessung der kleine Konturhöhenunterschiede aufwei senden Bereiche des Objektes 28 arbeitet man interferomet risch, wie oben beschrieben, wobei der das Strichgitter 14 tragende Schieber 16 aus dem Strahlengang herausgenommen ist. Für die Ausmessung großer Konturhöhenunterschiede aufweisender Bereiche des Objektes 28 wird das Strichgitter 14 in den Strahlengang gestellt, und durch Einstellung des Abbildungsfaktors der Beleuchtungsoptik 18 und/oder der Wandleroptik 40 wird der Abstand des nun durch rein geomet rische Strahlenoptik auf dem Bildwandler 42 erhaltenen Streifenmusters auf solche Werte eingestellt, wie man dies bei der interferometrischen Vermessung für das Interferenz streifenmuster tut. Damit kann das geometrische Streifen muster, welches die großen Konturhöhenunterschiede wieder spiegelt, genau so ausgewertet werden wie das Interferenz streifenmuster. To measure the small contour height differences on the send areas of the object 28 , one works interferometrically, as described above, the slider 16 carrying the grating 14 being removed from the beam path. For the measurement of large contour height differences of areas of the object 28 , the grating 14 is placed in the beam path, and by adjusting the imaging factor of the illumination optics 18 and / or the converter optics 40 , the distance of the stripe pattern now obtained by purely geometrical ray optics on the image converter 42 is such values are set as is done in the interferometric measurement for the interference fringe pattern. The geometric stripe pattern, which reflects the large contour height differences, can thus be evaluated in exactly the same way as the interference stripe pattern.

Bei der Ausmessung großer Konturhöhenunterschiede mit dem geometrischen Streifenmuster kann man - falls gewünscht - das Interferometer 32 aus dem Strahlengang herausnehmen und durch zwei Spiegel ersetzen, die an die Stelle der Spiegel 52 und 54 treten (jeweils vollverspiegelt).When measuring large differences in contour height with the geometric stripe pattern, if desired, the interferometer 32 can be removed from the beam path and replaced by two mirrors which replace mirrors 52 and 54 (each fully mirrored).

Die Umstellung vom einen Meß- und Arbeitsbereich des Mikroskopes auf den anderen läßt sich ohne irgendwelchen Einfluß auf die Positionierung des Objektes 28 rasch und einfach durchführen.The changeover from one measuring and working range of the microscope to the other can be carried out quickly and easily without any influence on the positioning of the object 28 .

Falls gewünscht, kann man sowohl das durch die Objektober fläche verzerrte geometrische Streifenmuster als auch das durch die Objektoberfläche verzerrte Interferenzstreifen muster oder das Bild der Objektoberfläche direkt durch ein Okkular 66 betrachten, wenn man den Umlenkspiegel 38 aus dem Strahlengang herausschwenkt.If desired, both the geometric stripe pattern distorted by the object surface and the interference fringe pattern distorted by the object surface or the image of the object surface can be viewed directly through an eyepiece 66 if the deflection mirror 38 is pivoted out of the beam path.

Claims

1. interference microscope, with an illumination device ( 10 , 12 ) for illuminating an object ( 28 ) in reflection or transmission, with an objective system ( 26 ) and observation optics ( 40 ), with one in the beam path between objective system ( 26 ) and observation optics ( 40 ) arranged interferometer ( 32 ) and with an image converter ( 42 ) arranged behind the observation optics ( 40 ), which has a multiplicity of individually readable converter elements, for example arranged in rows and columns, characterized in that the image converter ( 42 ) with an evaluation computer ( 44 ) is connected, which converts the stripe pattern obtained on the image converter ( 42 ) by using a digital filter function approximating a Fourier transformation into contour height differences of the object ( 28 ) and outputs the contour height differences numerically or graphically ( 46 ), and that the beam path is at least one adjustable optical element ( 40 ; 60 , 62 ) to enlarge and reduce the stripe pattern obtained on the image converter ( 42 ) and the smallest distance between adjacent lines of the stripe pattern can be set by this optical element to a value which is greater than that distance which is predetermined by a function of the digital filter used Minimum number of successive converter elements is occupied.

2. interference microscope according to claim 1, characterized in that the adjustable optical element ( 40 ; 60 , 62 ) is adjustable so that the maximum distance between adjacent lines of the stripe pattern obtained on the image converter ( 42 ) is smaller than that distance is occupied by a predetermined second number of successive transducer elements which is greater than the minimum number of successive transducer elements predetermined by the digital filter function used.

3. interference microscope according to claim 1 or 2, characterized in that in the illumination beam path a line grating ( 14 ) is adjustable and the distance between adjacent lines in a stripe pattern, which is obtained thanks to this object lighting on the image converter ( 42 ) by an adjustable optical Element ( 18 ; 40 ) can be set to a value which is greater than the distance occupied by the minimum number of successive converter elements specified by the digital filter function used.

4. interference microscope according to claim 3, characterized in that the adjustable optical element ( 18 ; 40 ) is adjustable so that the maximum distance between adjacent lines of the stripe pattern obtained on the image converter ( 42 ) is smaller than the distance from the second predetermined number of successive transducer elements, which is greater than the minimum number of successive transducer elements predetermined by the digital filter function used.