DE4115534A1 - Optoelektronische einrichtung zur vermessung von strukturkanten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Vermessung einer optischen Strukturkante mit einer lichtempfindlichen Empfängerfläche, deren Elektroden zumindest angenähert eine Kreis-Kreisring-Struktur haben. Solche Einrichtungen können beispielsweise in Meßgeräten zur Bildauswertung, im Maschinenbau zur Lagefeststellung und in der optischen Interferenzmeßtechnik zur Ausmessung von Interferenzlinien eingesetzt werden.

Einrichtungen dieser Art und die ihnen zu Grunde liegenden Meßverfahren sind u. a. ausführlich in dem Deutschen Wirtschaftspatent 1 56 290 (Az. WP G 012 D/22 68 614) beschrieben. Dort ist auch gezeigt, daß mittels ringförmiger Kreis-Kreisring-Strukturen eine richtungsunabhängige Vermessung von Strukturkanten erreicht werden kann; eine sonst nur schwer verwirklichbare Forderung der Praxis. Die praktische Ausführung stößt aber auf eine Reihe von Schwierigkeiten. So ist der Meßbereich bei der Realisierung mit Halbleiterfotodioden, beispielsweise vom Typ SP 123 oder SP 124 der Firma "Werk für Fernsehelektronik Berlin" durch die Diffusionslänge physikalisch nicht klein genug machbar, wenn der Sperrstrom gering und damit die Güte der Fotodiode hoch gemacht werden soll. Es ist dies in dem Problem des Übersprechens begründet. Weiterhin ist die Differenzbildung mittels mikroelektronischer Wandler und Operationsverstärker nur mit einem unververhältnismäßig hohen Aufwand zu erreichen. Sind die bei der Differenzbildung verwendeten beiden Signale groß und in gleicher Größenordnung, so ist die Differenzbildung mit einem großen Fehler behaftet. Bei verrauschten Kanten und Kanten mit geringem Kontrast werden die Signale so gering und außerdem statistisch verteilt, daß das Meßverfahren nicht mehr einsetzbar ist.

Mit der Erfindung wird ein Weg gewiesen, wie die Abmaße zwischen dem Kreis und Kreisring für eine hohe Auflösung gering gehalten - bei Halbleiterdioden hat dies eine Verschlechterung ihrer Eigenschaften zur Folge - und verrauschte und kontrastlose Kantenübergänge trotz Versagens der Differenzmethode erfaßt werden können. Vorzugsweise wird angestrebt, Strukturkanten mit Auflösungen bis in den Nanometerbereich optoelektronisch zu vermessen.

Gemäß der Erfindung wird dies, ausgehend von einer Einrichtung der einleitend geschilderten Art dadurch erreicht, daß die optoelektronische Empfängerfläche mit ihren zumindest angenähert als Kreis-Kreisring-Struktur ausgebildeten Elektroden unter Bildung von Kondensatoren als Halbleiter-Fotokapazität ausgebildet ist, und daß diese Kondensatoren als getaktete Eingangs- und getaktete Referenzkapazität (Ce bzw. Cref) an die Eingänge eines Ladungsbalance-Spannungs-Frequenz-Wandlers angeschaltet sind, der aus ihren beleuchtungsabhängigen Ladungen das Meßergebnis ableitet.

Spannungs-Frequenz-Wandler nach dem Ladungsbalanceprinzip sind vorbekannt, u. a. durch das Buch "Mikroelektronische Sensoren" von Ahlers-Waldmann, erschienen 1989 im VEB Verlag Technik, Berlin. Die Fig. 1 zeigt als Beispiel und zum besseren Verständnis des Begriffs eine solche Wandlerschaltung, die im erwähnten Buch auf Seite 208 zu finden ist. In dem Buch ist auf Seite 212 auch die Verwendung einer MOS-Fotokapazität als Sensor angegeben. Für die Erfindung ist demgegenüber wesentlich, daß sowohl die Eingangs- als auch die Referenzkapazität als getaktete Fotokapazitäten ausge­ bildet sind und zumindest angenähert Kreis-Kreisring-Struktur aufweisen.

In Weiterbildung der Erfindung können der Kreis der Struktur an einen er­ sten Ladungsbalance-Spannungs-Frequenz-Wandler und der Kreisring der Struk­ tur an einen zweiten Ladungsbalance-Spannungs-Frequenz-Wandler jeweils als getaktete Eingangskapazität (Ce) angeschaltet und beide Wandler nachein­ ander abgefragt werden. Die Differenzbildung der Signale erfolgt dann mit­ tels Vorwärts- und Rückwärtszählen in einem Zähler. Dabei wird zweckmäßig vor dem Zähler ein D/A-Wandler vorgesehen, der mittels einer Hilfsspannung und einer Referenzspannung eine Kennlinienkalibrierung vornimmt oder es wird eine entsprechende Kalibrierung beziehungsweise Korrektur mittels eines dem Zähler nachgeschalteten Rechners vor der Auswertung durchgeführt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die kapazitative Kreis-Kreisring-Struktur mit semitransparenten Elektroden versehen ist und unter den Elektroden Fotowiderstände oder Fotodioden angeordnet sind, die bei Beleuchtung durch die semitransparenten Elektroden hindurch ihren Widerstand ändern, vor­ zugsweise verringern. Eine an einem so angeordneten Fotowiderstand oder einer so angeordneten Fotodiode abgeleitete, bei Beleuchtung sich verän­ dernde, insbesondere sich verringernde Spannung kann als Referenzspannung an den oder die Ladungsbalance-Spannungs-Frequenz-Wandler angeschaltet werden und ermöglicht bei einer geometrischen Anordnung zumindest in der unmittelbaren Nähe der Mitte der erwähnten Struktur eine überproportionale Erhöhung der Frequenz des Ladungsbalance-Spannungs-Frequenz-Wandlers. Das beruht auf der Verringerung der im Nenner der Wandlungsfunktion stehenden Referenzspannung. Diese vorteilhafte Lösung bildet die Empfindlichkeits­ funktion rezeptiver Felder neuronaler Schichten nach und bedeutet informa­ tionstheoretisch gesehen einen Ortswellenhochpaß. Es wird hierdurch mög­ lich, Kantenübergänge besonders gut festzustellen und sogar aus dem Rau­ schen herauszuheben. In dem Deutschen Wirtschaftspatent mit dem Az. WP G 01 N/33 85 868 wird zwar zur Merkmalsgewinnung auch an Strukturkanten an­ gegeben, die laterale Inhibition neuronaler Netze zum Aufbau von Foto­ empfindlichen Arrays einzusetzen. Die Reduzierung auf die Messung eines ein­ zelnen Kantenübergangs ist mit diesem Vorschlag jedoch nicht gelöst.

Erfolgt die Anordnung von zumindest einem Fotowiderstand oder einer Foto­ diode nicht zumindest nahezu in der Mitte der erwähnten Struktur, so lassen sich unterschiedliche Empfindlichkeitsfunktionen und damit unterschiedliche Ortswellenfilterungen vornehmen.

Die Form der erwähnten Struktur muß nicht exakt mathematisch einem Kreis entsprechen. Es sind auch kreisähnliche Strukturen anwendbar, wodurch die Empfindlichkeitsfunktionen weiter ausgestaltet werden können. Ferner kann von linearen Kennlinien auch dadurch abgewichen werden, daß die Anschaltung der Eingangs- und der Referenzkapazität gleichzeitig erfolgt. Dann ist die Aus­ gangsfrequenz fa des Ladungsbalance-Spannungs-Frequenz-Wandlers mit getak­ teten Kapazitäten als Funktion des Ortes

fa = f(x)

vorzuschreiben und die Flächenform aus den Integralen

zu bestimmen.

Wird die Taktfrequenz Ft als ein von einem Sensor abgeleitetes Signal er­ zeugt, so kann eine multiplikative Verknüpfung der Detektionslinie dieses Sensors mit der Detektionskennlinie des Ladungsbalance-Spannungs- Frequenz-Wandlers vorgenommen werden. Dies kann beispielsweise dadurch re­ alisiert werden, daß einer der beiden vorerwähnten Ladungsbalance-Spannungs- Frequenz-Wandler als Taktgenerator ein Signal mit entsprechend ab­ gewandelter Frequenz liefert.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der Fig. 2 sind zwei Ladungsbalance-Spannungs-Frequenz-Wandler (1) und (2) gezeigt, deren Ausgangssignale nacheinander mittels eines Multiplexers (3) abgetastet werden. In einem Vor-/Rückwärtszähler (4) wird die Diffe­ renz der Impulse von (1) und (2) gebildet. Die getakteten Eingangskapazi­ täten (Ce bzw. Cref) sind, wie in den Fig. 3 und 4 angedeutet, als inein­ ander verschachtelter Kreis (5) und Kreisring (6) ausgebildet und als Foto­ kapazität aufgebaut. Dazu liegt eine leitende Elektrode, wie Polysili­ zium der Dicke 1 Millimeter über Siliziumdioxid der Dicke 100 Nanometer und einer p-Wanne, an die eine konstante Eingangsspannung gelegt ist. Die Flächen von (5) und (6) sind gleich groß und betragen je 100 Quadrat­ mikrometer. Der Abstand zwischen (5) und (6) ist 3 Mikrometer. Der Kreis­ durchmesser ist dann 11,3 Mikrometer. Dies entspricht etwa der Größe des geometrischen Meßbereichs, der sich als Differenz der Frequenz von (1) und (2) durch Vor- und Rückwärtszählung in dem Zähler (4) elektronisch ergibt. Bei einer digitalen Auflösung von 10 Bit ist mit diesen Werten die geo­ metrische Auflösung etwa 11 Nanometer. Das ist eine Verbesserung gegenüber einer Fotodiodenanordnung (z. B. SP 123) von mehr als einer Größenordnung.

Unterhalb der Kreisfläche (5) ist, da Polysilizium semitransparent ist, ein Fotowiderstand (7) angeordnet, der mit einer Hilfsspannungsquelle so beschaltet ist, daß bei Beleuchtung eine Spannungserniedrigung erfolgt. Wird diese an Stelle (8) anstelle der festen Referenzspannung angeschal­ tet, so wird bei Beleuchtung der Stelle (7) die Ausgangsfrequenz von (8) stark erhöht. Da der Quotient aus "Fotokapazität (5) durch Referenzspan­ nung an (8)" die Höhe der Frequenz von (1) bestimmt, ist dies ein vorteil­ hafter Weg, um einen Kantenübergang stark aus der Umgebung, z. B. aus dem Rauschen, hervorzuheben. Die Referenzspannungserniedrigung kann im Bereich von 20 . . . 30 Millivolt auf 1 . . . 5 Millivolt liegen. Andere Werte sind möglich und auch vom eingesetzten Typ des Ladungsbalance-Spannungs-Frequenz-Wandlers abhängig.

Die in Fig. 3 gezeigte Detektionslinie (9) ergibt sich durch Diffe­ renzbildung der Frequenzen von (1) und (2). Die in Fig. 3 gezeigte Detek­ tionskennlinie (10) wird dann erhalten, wenn mit dem Signal von (1) zu­ rückgezählt und dem von (2) vorwärtsgezählt wird, sowie (7) an (8) ange­ schaltet ist. Dabei darf nur jeder zweite Impuls von (1) gezählt oder die Fläche von (6) halb so groß wie die von (5) gemacht werden. Diese Werte sind Richtwerte.

In Fig. 4 ist in einer schematischen Darstellung gezeigt, wie ein Schnitt durch die Halbleiter-Vorrichtung aussieht. (5) und (6) sind die Elektroden für die Kondensatoren Ce und Cref, deren Gegenelektrode durch den Sili­ zium-Grundkörper gebildet wird. (7) und (7′) sind die Anschlüsse des vor­ stehend bereits erwähnten Fotowiderstandes, der weitgehend zentrisch, be­ zogen auf die in Fig. 3 strichpunktiert eingezeichnete Achse liegt. Mit p ist die erwähnte p-Wanne angedeutet.

Eine Kennlinienformung kann durch die Höhe der Referenzspannungen (8) oder (11) und/oder durch eine Umrechnungsschaltung in einem der Baugruppe (4) nachgeschalteten Rechner vorgenommen werden.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Vermessung von optischen Strukturkanten mittels opto­ elektronischer Empfängerflächen mit zumindest angenäherter Kreis- Kreisring-Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronische Empfängerfläche mit ihren zumindest angenähert als Kreis-Kreisring- Struktur ausgebildeten Elektroden unter Bildung von Kondensatoren als Halbleiter-Fotokapazität ausgebildet ist, und daß diese Kondensatoren als getaktete Eingangs- und getaktete Referenzkapazität (Ce bzw. Cref) an die Eingänge eines Ladungsbalance-Spannungs-Frequenz-Wandlers ange­ schaltet sind, der aus ihren beleuchtungsabhängigen Ladungen das Meß­ ergebnis ableitet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Meßergebnisses der Wandler zugleich als Quotientenbildungsschaltung ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisflä­ che der Struktur an einen ersten Wandler und der Kreisring der Struktur an einen zweiten Wandler, jeweils als Eingangskapazität oder als Refe­ renzkapazität angeschaltet sind, und daß die Ausgänge beider Wandler über einen Multiplexer an eine vorzugsweise als Vorwärts-Rückwärts­ zähler ausgebildete Auswerteschaltung zur Ermittlung des Differenz­ ergebnisses angeschaltet sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kennlinienkalibrierung und Kennlinienformung mittels Hilfs­ spannung und Referenzspannung vorgesehen ist.

5. Optoelektronische Empfängerfläche mit zumindest angenäherter Kreis- Kreisring-Struktur, insbesondere für eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiven Elektroden der Struktur semistransparent ausgebildet sind, und daß unter den Elektroden, vorzugsweise zentrisch, zumindest ein Fotowiderstand oder eine Fotodichte so angeordnet sind, daß die durch die semitranspa­ renten Elektroden hindurchwirkende Beleuchtung der Struktur ihren Foto­ widerstand verändert.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine an dem Fotowiderstand oder der Fotodiode abge­ leitete, bei einer Beleuchtung sich verändernde Spannung als Referenz­ spannung dem oder den Ladungsbalance-Spannungs-Frequenz-Wandlern zur Anhebung des Nutzsignals zugeführt wird.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Taktfrequenz-Signal ein Signal vorgesehen ist, dessen Frequenz von einem Sensor, wie einer der Fotokapazitäten eines Ladungs­ balance-Spannungs-Frequenz-Wandlers abgeleitet ist.