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Die vorliegende Erfindung betrifft ein opto-mechanisches System
(Vorrichtung) zur Erfassung der Höhe bzw. der Position einer
lichtreflektierenden Oberfläche eines Objekts gemäß dem ersten
Teil des gegenständlichen Anspruchs 1. Das System eignet sich
für eine Vielzahl von Anwendungen, wie etwa bei
Autofokussierungssystemen für probenbildende
Ladungsteilchenvorrichtungen, wie zum Beispiel
Elektronenmikroskope. Der Stand der Technik, auf dem der
gegenständliche Anspruch 1 basiert, findet sich in dem Artikel
von Toro-Lira, der später im Text erörtert wird.
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Die vorliegende Erfindung ist zwar nicht auf
Autofokussierungssysteme für Elektronenmikroskope
eingeschränkt, jedoch erfolgt die Beschreibung der vorliegenden
Erfindung als Beispiel in diesem Zusammenhang.
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Die manuelle Fokussierung und Stigmatisierung eines
Elektronenmikroskops ist zeitaufwendig, erfordert ausgedehnte
Schulungen und ist unter Umständen nicht gleichmäßig.
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Die automatische Fokussierung verbessert den Durchsatz, ersetzt
die Bedienungsperson, kann gleichmäßiger sein (durch erhöhte
Genauigkeit) und erfordert keine Schulungen. Bei CD-
Rasterelektronenmikroskopen ist der Durchsatz mit einer
Fokussierung durch die Bedienungsperson eingeschränkt, wobei
der Durchsatz unter Einsatz der erfindungsgemäßen automatischen
Fokussierung deutlich höher sein kann.
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Die Annäherungen bezüglich der automatischen Fokussierung für
Elektronenstrahlmikroskope können in Systeme klassifiziert
werden, die:
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1. Den Fokus des Systemobjektivs oder der letzten Linse als
Reaktion auf erfaßte Veränderungen der Höhe bzw. der Position
der Objektoberfläche ändern.
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Die Nachteile bei diesem Versuch sind, daß dafür eine gute
Probenstruktur und ein gutes Videosignal erforderlich sind.
Ferner ist nach der Linseneinstellung normalerweise eine
erneute Stigmatisierung erforderlich. Die Vergrößerung
verändert sich, und Vergrößerungsfehler können als Folge
magnetischer Hysterese auftreten.
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2. Die Strahlenspannung anstatt den Fokus der letzten Linse
andern. Die Nachteile dieses Versuchs sind, daß dafür eine gute
Probenstruktur und ein gutes Videosignal erforderlich sind.
Auch hierbei ist normalerweise eine erneute Stigmatisierung
erforderlich. Die Vergrößerung ändert sich, und es kann eine
deutliche kV-Veränderung eintreten. Wenn sich die Probenhöhe um
500 Mm (Mikron) verändert, so ändert sich der kV-Wert von 1000
Volt bei einer Brennweite von 5 mm um bis zu 100 Volt.
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3. Die Probe nach oben oder unten an einen voreingestellten,
stabilen Fokus der Elektronenoptik bewegen. Die Vorteile dieses
Versuchs sind es, daß keine Veränderung der Vergrößerung, der
Strahlenspannung oder der Stigmatisierung eintritt. Es
existiert kein Vergrößerungsfehler aufgrund magnetischer
Hysterese. Die Fokussierung entspricht der Fokussierung eines
Lichtmikroskops.
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In der Vergangenheit wurde eine Mehrzahl von Techniken
eingesetzt, um Informationen abzuleiten, die die Position der
geprüften Objektoberfläche anzeigen.
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Gemäß der Beschreibung in "An Automatic Focusing and
Astigmatism Correction System for the SEM and CTEM", ein
Artikel von Erasmus und Smith, Journal of Microscopy, Band 127,
Teil 2, Seiten 185-189, August 1982, wurden viele Versuche zur
automatischen Fokussierung eines Rasterelektronenmikroskops
unternommen. Diese gehören zwei Kategorien an: die erste
ermittelt den Punkt des besten Fokuses aus dem Derivat bzw.
Gradient des Videosignals; und die zweite analysiert das
Leistungsspektrum oder das Beugungsbild des Signals.
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Erasmus und Smith beschreiben ferner frühere
Autofokussierungssysteme für das konventionelle Transmissions-
Elektronenmikroskop. Bei der frühesten Beschreibung eines
Fokussierungshilfsmittels für ein konventionelles
Transmissions-Elektronenmikroskop handelte es sich um den
"Wobbler", wobei die durch Kippen des Leuchtstrahls verursachte
Parallaxe eine Bildverschiebung erzeugte, die von der
Bedienungsperson erkannt werden konnte.
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Es wurden Versuche unternommen, das Bild eines konventionellen
Transmissions-Elektronenmikroskops in ein elektrisches Signal
umzuwandeln und danach aus dem Leistungsspektrum des Signals
die Defokussierung des Bilds zu ermitteln. Bei Erasmus von
Smith werden weitere Versuche beschrieben, bei denen eine
elektronische Verarbeitung eines abgeleiteten elektrischen
Signals eingesetzt wird.
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In dem U.S. Patent US-A-3.937.959 wird ein Verfahren zur
automatischen Fokussierung des Elektronenstrahls eines
Rasterelektronenmikroskops offenbart, wobei das Verfahren die
Einstellung der Brennweite des Elektronenstrahl-
Kondensorlinsensystems umfaßt, wenn der Strahl abgetastet wird,
und wobei die Ausgabe der Erfassungseinrichtung über mehrere
Abtastvorgänge überwacht wird, um einen minimalen
Strahlendurchmesser zu ermitteln.
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Das Britische Patent GB-A-2.217.158 betrifft eine
Autofokussierungsvorrichtung für ein Elektronenmikroskop, wobei
die Vorrichtung ein integriertes Videosignal hinsichtlich
verschiedener Werte des Objektivlinsenstroms überwacht, wenn
der Strom durch dessen Bereich linear ansteigt. Dabei werden
Schwierigkeiten beschrieben, die sich aus Verzögerung bzw.
Nacheilung und Hysterese ergeben. Dabei wird eine Lösung
offenbart, bei der der Linsenstrom zwischen dessen Grenzen nach
oben und unten linear ansteigt bzw. abfällt, integrierte Maxima
erfaßt werden, und der Linsenstrom unter Verwendung dieser
Maxima als neue Grenzen linear nach oben ansteigen bzw. nach
unten abfallen kann. Der Prozeß wird solange wiederholt, bis
der Bereich ausreichend verringert worden ist, so daß ein
Durchschnitt der die Maxima für die letzten beiden Durchläufe
erzeugenden Ströme ermittelt werden kann, um den korrekten
Fokussierungswert zu ergeben.
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In dem U.S. Patent US-A-4.990.776 an Fushima u.a. wird auf
dieses dem Stand der Technik entsprechenden System hingewiesen.
"Da die Probe mit dem Elektronenstrahl mehrere Male bestrahlt
werden muß, bis die scharf eingestellte Position erreicht
worden ist, besteht für die Probe die Möglichkeit der
Beschädigung und der Ladung durch den Elektronenstrahl, wodurch
es unmöglich wird, ein Bild genau zu erfassen, wenn eine
Halbleitervorrichtung oder dergleichen beobachtet, gemessen
und/oder geprüft werden soll," (Spalte 1, Zeile 58).
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Bei Fushima u.a. wird ein System beschrieben, bei dem in dem
Autofokussierungsprozeß der Elektronenstrahl an sich nicht
verwendet wird. Bei dem System von Fushima u.a. wird ein
optischer Strahl entwickelt und an der Stelle des
Elektronenstrahlfokus auf das Objekt fokussiert. Das
Elektronenstrahlsystem wird automatisch fokussiert, ohne daß
das Objekt mit dem Elektronenstrahl bestrahlt werden muß.
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Das System von Eushima u.a. weist jedoch eine Anzahl von
Unzulänglichkeiten in bezug auf die Art und Weise auf, wie die
Systeme des optischen Strahls und des Elektronenstrahls
integriert werden. Der optische Strahl fällt auf die
Elektronenstrahlachse. Der optische Strahl wird unter
Verwendung eines Schmidt-Abbildungssystems auf einen Punkt
fokussiert, der mit dem Elektronenstrahlfokus zusammenfällt.
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Der Elektronenstrahl muß durch eine Öffnung in dem konvexen
Reflektor des optischen Abbildungssystems geleitet werden. Das
Resultat ist ein System, bei dem weder das optische System noch
das Elektronenstrahlsystem in bezug auf eine maximale
Leistungsfähigkeit optimiert werden können. Der Betriebsabstand
der Vorrichtung ist unveränderlich bzw. extrem eingeschränkt.
Bei dem System von Fushima u.a. muß ein optisches Bild durch
das Elektronenstrahlsystem auf das Objekt projiziert werden.
Ferner ist der Einsatz des Systems an Fushima u.a. bei
Anwendungen fragwürdig, bei denen es wünschenswert ist, das
Objekt zu kippen, oder wenn das Objekt eine höchst
unregelmäßige Oberflächentopographie aufweist.
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In JP-A-63 254 649 wird ein Elektronenstrahl-
Fokussierungssystem offenbart, das zu dem System von Fushima
u.a. ähnlich ist. Es umfaßt einen Laser zur Entwicklung eines
optischen Strahls auf einer Objektoberfläche in einem Winkel
sowie ein Erfassungssystem zum Empfang des reflektierten
Strahls von dem Objekt, um die Positionsveränderung des Objekts
zu bestimmen. Das Positionsveränderungssignal wird übermittelt,
um die rokussierung eines auf das Objekt projizierten
Elektronenstrahls zu steuern. Das System weist somit die
gleichen Schwierigkeiten auf wie das System von Fushima u.a.
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In einem Artikel von Guillermo Toro-Lira mit dem Titel
"Techniques for High Speed SEN Wafer Inspection for Productions
Applications", SPIE, Band 1087, Integrated Circuit Metrology,
Inspection and Control III (1989), Seiten 17-29, wird ein
automatisches Elektronenstrahl-Fokussierungssystem beschrieben.
Die Figuren 9 und 10 des Systems von Toro-Lira werden hierin in
den Figuren 1 und 2 wiederholt. Bei dem System von Toro-Lira
wird ein Laserstrahl an der Auftreffstelle des
Elektronenstrahls (der Elektronenstrahl ist nicht abgebildet)
auf einen Wafer fokussiert. Der reflektierte Strahl wird von
der Linse L2 aufgenommen, von einem flachen Spiegel M
reflektiert und durch die Linse L2 auf den ersten Brennpunkt
zurück abgebildet. Siehe Figur 1.
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Ein Strahlenteiler P richtet den reflektierten Strahl in eine
Linse L3, die den zweiten Fokus auf einen Detektor D abbildet.
Gemäß der Darstellung aus Figur 2 wird ein von dem Detektor
abgeleitetes Signal durch die "Detektorelektronik", die
"Steuerelektronik" und die "Piezo-Übersetzer-Stromversorgung"
verarbeitet. Die Ausgabe der Stromversorgung wird einem
piezoelektrischen Z-Übersetzer zugeführt, der die Position des
Wafers gemäß den Veränderungen der Höhe der Waferoberfläche
entsprechend der Erfassung durch das optische System einstellt,
so daß die Waferoberfläche an einer festen Position gehalten
wird.
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Das System von Toro-Lira weist einen festen Betriebsabstand
auf, ohne daß die Möglichkeit für Grobeinstellungen des
Betriebsabstands besteht. Jedoch muß ein vollständig geeignetes
Autofokussierungssystem für ein Elektronenmikroskop einen
umfassenden Bereich von Betriebsabständen bearbeiten können,
wobei es sich bei dem Betriebsabstand um den Abstand zwischen
der Objektivlinse bzw. der letzten Linse des
elektronenoptischen Systems und der Oberfläche der Probe bzw.
des Objekts handelt. Das System muß Objekte mit
unterschiedlichen Dicken und topographischen Merkmalen,
elektronenoptische Systeme mit verschiedenen Brennweiten und
verschiedene Anordnungen von XYZ-Stufen bearbeiten können.
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Zweitens muß ein bei der Halbleiterscheibenüberprüfung
verwendetes System Waferneigungen von bis zu 60 Grad bearbeiten
können. Die Eigenschaft des optischen Systems der Vorrichtung
von Toro-Lira läßt nur eine Neigung des Wafers bzw. der
Halbleiterscheibe von wenigen Grad zu.
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Es wird angenommen, daß das System von Toro-Lira mit einer
Objektoberfläche mit einer "gerippten bzw.
kartoffelchipartigen" Oberfläche bzw. mit einer auf andere
Weise gewellten bzw. unregelmäßigen Oberfläche nicht gut
zurecht kommt, da der reflektierte Laserstrahl nicht mit
zufriedenstellender Ausbeute aufgenommen werden würde.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
optisches System zur Erfassung der Position bzw. der Höhe der
Oberfläche einer Probe bzw. eines Objekts in optischen
Oberflächenprüfungssystemen, opto-mechanischen
Autofokussierungssystemen und dergleichen vorzusehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde,
ein derartiges Autofokussierungssystem für probenbildende
Ladungsteilchenvorrichtungen vorzusehen, wobei das System eine
außerordentlich einfache Konstruktion und Anwendung aufweist
und dabei bei der Erfassung von Veränderungen der Position bzw.
der Höhe der Oberfläche eines Objekts eine hohe Genauigkeit
vorsieht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde,
ein derartiges System vorzusehen, das einen umfassenden Bereich
von Grobeinstellungen des Betriebsabstands zwischen einer
Teilchenstrahl-Endlinse und dem Objekt bearbeiten kann, so daß
verschiedene Objekte, XYZ-Stufen und Teilchenstrahl-
Fokussierungsoptiken verwendet werden können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde,
ein derartiges optisches System zur Verwendung mit fokussierten
Ladungsteilchensystemen vorzusehen, wobei das System
außerordentlich flexibel ist und vielseitig eingesetzt werden
kann, wobei Tiltwinkel des Objekts von 60 Grad oder mehr
möglich sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde,
ein optisches Oberflächenprüfungssystem mit hoher Genauigkeit
vorzusehen, das eine einfache Konstruktion und Funktionsweise
aufweist, und das Objekte, deren Oberflächentopographie
gekippt, wellig bzw. höchst unregelmäßig oder verzerrt ist, mit
hoher Effizienz untersuchen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde,
ein Autofokussierungssystern für fokussierte
Ladungsteilchensysteme vorzusehen, wie etwa
Elektronenstrahlmikroskope, wobei das Autofokussierungssystem
und das Elektronenstrahlsystem räumlich nicht integriert sind,
so daß bei beiden Systemen keine Kompromisse hinsichtlich der
Funktion, der Gebrauchbarkeit bzw. anderer Eigenschaften der
beiden Systeme gemacht werden müssen, um die Systeme aneinander
anzupassen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde,
ein opto-mechanisches Autofokussierungssystem vorzusehen, bei
dem eine Probe (zum Beispiel ein Wafer bzw. eine
Halbleiterscheibe) als Reaktion auf erfaßte Veränderungen der
Höhe bzw. der Position der Objektoberfläche nach oben bzw. nach
unten an einen voreingestellten, stabilen Fokus der
Elektronenoptik bewegt wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde,
ein derartiges opto-mechanisches System vorzusehen, bei dem
keine Probenstruktur erforderlich ist, da das Videosignal dabei
nicht dazu verwendet wird, einen defokussierten Zustand zu
ermitteln, wobei dieses System bei Wafern und anderen Proben
ohne Muster gut funktionsfähig ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
derartiges System vorzusehen, bei dem die Probenoberfläche in
einer vorher festgelegten Fokalebene mit einer Genauigkeit von
plus/minus 2 Mikron oder weniger positioniert wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde,
ein opto-mechanisches Autofokussierungssystem vorzusehen,
dessen Funktionsweise durch den Einsatz von Objekten mit höchst
unregelmäßigen Oberflächen nicht eingeschränkt wird.
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Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine
Vorrichtung zur Erfassung der Höhe bzw. Position eines
lichtreflektierenden Objekts in einem opto-mechanischen System
und einem Autofokussierungssystem zur Aufrechterhaltung der
Position in diesem System, wobei die Vorrichtung folgendes
umfaßt: eine Einrichtung zur Erzeugung eines optischen Strahls;
eine Einrichtung, die dazu dient, den genannten optischen
Strahl in einem spitzen Winkel auf eine Oberfläche des
genannten Objekts zu richten, wobei die Einrichtung ferner dazu
dient, auf der Oberfläche des genannten Objekts einen ersten
Fokus des optischen Strahls zu bilden; und ein bezüglich der
Bildposition empfindliches Erfassungssystem; gekennzeichnet
durch einen Kugelspiegel, dessen Krümmungsmittelpunkt sich auf
der Objektoberfläche an dem ersten Fokus befindet, um Strahlung
von dem ersten Fokus des optischen Strahls zu sammeln und um in
der Nähe des ersten Fokus des optischen Strahls einen zweiten
Fokus des optischen Strahls zu bilden, so daß eine Veränderung
der Position des genannten Objekts eine Veränderung der
Position des genannten zweiten Fokus erzeugt, wodurch die
Positionsveränderung des Objekts angezeigt wird, und wobei die
Strahlung von dem zweiten Fokus in Richtung des bezüglich der
Bildposition empfindlichen Erfassungssystems reflektiert wird.
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In den Unteransprüchen werden besondere Ausführungsbeispiele
beschrieben. Die Vorrichtung umfaßt in einem solchen
Ausführungsbeispiel ein Teilchenstrahlsystem mit einer
Teilchenstrahl-Erzeugungseinrichtung zur Gestaltung eines
Strahls von Elektronen, Ionen oder anderen Teilchen, und zur
Richtung des genannten Strahls entlang einer vorbestimmten
Achse auf einen Fokus; und eine Objekt-Trageinrichtung, die das
genannte Objekt auf der genannten Achse trägt, wobei sich der
Fokus auf der Oberfläche des Objekts befindet; und daß das
genannte Autofokussierungssystem die relativen Positionen der
Strahlerzeugungseinrichtung und der Objekt-Trageinrichtung auf
der genannten Teilchenstrahlachse aufrechterhält, wobei der
genannte optische Strahl zur Gestaltung des ersten Fokus quer
zu der Teilchenstrahlachse ist, und wobei die genannte
Positionsveränderung des Objekts die relative
Positionsveränderung der Strahlerzeugungseinrichtung und der
Objekt-Trageinrichtung auf der Teilchenstrahlachse anzeigt.
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Es zeigen:
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die Figuren 1 und 2 Kopien von Figuren einer dem Stand der
Technik entsprechenden Offenbarung aus dem Allgemeinen Stand
der Technik der Erfindung;
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Figur 3 ein opto-mechanisches Autofokussierungssystem für ein
Elektronenmikroskop gemäß den Lehren der vorliegenden
Erfindung;
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die Figuren 4 und 6 veranschaulichende Diagramme, die dem
Verständnis der Theorie dienen, die bestimmten Aspekten der
vorliegenden Erfindung zugrunde liegt;
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Figur 7 eine hoch schematische, vereinfachte Darstellung des
Systems aus Figur 3, wobei die Schlüsselelemente des neuartigen
Systems dargestellt sind;
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Figur 8 eine Darstellung, die dem Verständnis der
Funktionsweise eines Detektors dient, der in Verbindung mit der
veranschaulichten Erfindung eingesetzt wird;
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Figur 8A ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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die Figuren 9 und 10 vereinfachte Figuren, die zeigen, wie die
Tiltwinkel des Objekts von 60 Grad oder mehr durch die
folgenden Grundsätze der vorliegenden Erfindung angepaßt
werden;
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die Figuren 11-13 Einzelheiten eines in der Figur 3
dargestellten Kugelspiegels; und
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Figur 14 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Systems aus
Figur 3, wobei ein 360-Grad-Kugelspiegel verwendet wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein opto-mechanisches System
zur Erfassung der Höhe bzw. Position einer lichtreflektierenden
Oberfläche eines Objekts. Figur 3 veranschaulicht schematisch
ein System, bei dem die Grundsätze der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden.
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In bezug auf das System aus Figur 3 ist ein probenbildendes
Ladungsteilchenstrahlsystem vorgesehen, das hierin als
Rasterelektronenmikroskop dargestellt ist. Das Mikroskop umfaßt
eine Kanone 12 mit einer Feldelektronenquelle und mit einer
elektronenoptischen Säule 14, die zum Beispiel eine konische
Objektivlinse mit 60 Grad und mit geringer chromatischer
Aberration aufweist. Die Kanone 12 und die Säule 14 bilden
gemeinsam einen Elektronenstrahl 15. Der Strahl 15 wird entlang
einer Elektronenstrahlachse 16 geleitet und auf einen Fokus 18
auf einer Oberfläche 20 eines Objekts bzw. einer Probe
konvergiert, wobei das Objekt hier als Halbleiterscheibe bzw.
Wafer 22 dargestellt ist. In der Darstellung umfassen die
Objekt-Trageinrichtungen eine X-Bewegungsstufe 24 und eine Y-
Bewegungsstufe 26. Die X- und Y-Bewegungsstufen 24, 26 sind
hoch schematisch dargestellt, wobei sie in der Praxis eine
Vielzahl verschiedener herkömmlicher elektromechanischer bzw.
mechanischer Übersetzungsvorrichtungen umfassen können.
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Die Objekt-Trageinrichtung umfaßt ferner eine Neigungsstufe,
durch die der Wafer 22 um eine Neigungs- bzw. Kippachse 32
geneigt werden kann.
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Wie dies nachstehend im Text genauer beschrieben wird, ist es
eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
optomechanisches System vorzusehen, das bei fokussierten
Ladungsteilchenvorrichtungen eingesetzt werden kann, wobei eine
Waferneigung über einen großen Bereich von Winkeln möglich ist.
Die Neigungsstufe umfaßt in der Darstellung ein Gestell 34, das
für eine Winkelbewegung auf Zapfen 36, 38 in aufrechten
Basiselernenten 40, 42 angebracht ist, die von einer
horizontalen Basis 43 getragen werden. Die Kippmotoren 48, 50
sind dafür vorgesehen, den Neigungswinkel des Gestells 34 und
somit des Wafers 22 wahlweise zu verändern.
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Gemäß einer anderen sehr wichtigen Aufgabe der vorliegenden
Erfindung werden das Gestell 34 und die gestützte X-
Bewegungsstufe 24 und die Y-Bewegungsstufe 26 an der Z-
Achsenposition eingestellt, um den Betriebsabstand zwischen dem
Objekt und der Elektronenoptik der Säule 14 zu verändern.
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Speziell sind parallele Z-Bewegungsstufen 44, 46 zur
Veränderung der Position des Gestells und des darin vorhandenen
Wafers 22 entlang der Z-Achse dargestellt.
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Die Z-Bewegungsstufen 44, 46 sind hoch schematisch dargestellt,
wobei sie durch Präzisionsmotoren 49, 51 angetriebene Schrauben
45, 47 umfassen. Wie dies nachstehend im Text genauer
beschrieben wird, umfassen die Z-Bewegungsstufen einen Teil
eines Servosystems, das dazu dient, die Oberfläche 20 des
Wafers 22 an einer vorbestimmten Position auf der Z-Achse zu
halten, und wobei die Z-Bewegungsstufen bezüglich der Z-
Position einer Probe bzw. eines Objekts grobe und feine
Einstellungen ausführen können.
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Ein Autofokussierungssystem ist gemäß der vorliegenden
Erfindung mit der Objekt-Trageinrichtung gekoppelt, um die
Position der Trageinrichtung auf der Teilchenstrahl- bzw. "Z"-
Achse einzustellen.
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Das Autofokussierungssystem umfaßt ein neuartiges optisches
Strahlsystem mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines
optischen Strahls, der hier als Laser 52 dargestellt ist. Ein
teildurchlässiger 45-Grad-Spiegel 54, eine Linse 56 und ein
Spiegel 58 leiten den optischen Strahl 59, 60 von dem Laser 52
quer zu der Teilchenelektronstrahlachse 16 und in einem spitzen
Winkel zu der Oberfläche 26 des Wafers 22. Der Spiegel 54, die
Linse 56 und der Spiegel 58 wirken so auf den Strahl ein, daß
ein erster Fokus des optischen Strahls auf einer Oberfläche des
Wafers 22 gebildet wird, und wobei der Fokus vorzugsweise mit
dem Fokus 18 des Elektronenstrahls zusammenfällt.
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Wie dies später im Text beschrieben wird, sammelt ein ein
optisches Bild erzeugender Kugelspiegel 62 gemäß der
Beschreibung in dem gegenständlichen Anspruch 1 Strahlung des
ersten Fokus des optischen Strahls und erzeugt in der Nähe des
ersten Fokus des Strahls einen zweiten Fokus. Eine Veränderung
der Höhe bzw. der Position der Waferoberfläche 20 auf der
Elektronenstrahlachse 16 erzeugt eine Veränderung der Position
des durch den Spiegel 62 erzeugten zweiten Fokus, wodurch eine
Veränderung der Oberflächenhöhe bzw. Position angezeigt wird.
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Die Strahlung des von der Spiegeleinrichtung 62 erzeugten
zweiten Fokus wird von dem Spiegel 58 reflektiert und durch die
Linse 56 und die Linse 64 auf einen bildpositionsempfindlichen
Detektor 66 abgebildet.
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Die Ausgabe des Detektors 68 wird einem Servosteuerungs-
Elektroniksystem für die Z-Achse zugeführt, das eine
Gleichstrom-Korrekturspannung herleitet, die sich auf die Höhe
des Fehlers bezüglich der Höhe bzw. der Position der
Waferoberfläche 20 bezieht. Das Gleichstrom-Korrektursignal
wird über eine Leitung 70 den Z-Bewegungsstufen 44, 46
zugeführt, um an der Z-Position der untersuchten Oberfläche 20
des Wafers 22 eine korrigierende Nulleinstellung vorzunehmen.
Die Schleife wird solange durchlaufen, bis die untersuchte
Waferoberfläche den nominalen, voreingestellten Betriebsabstand
aufweist, wobei dieser Abstand der entsprechenden Fokalebene
des elektronenoptischen Systems in der Säule 14 entspricht.
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Die Grobeinstellungen der Position des Objekts können durch die
Zufuhr einer Gleichstromvorspannung in die
Rückkopplungsschleife durchgeführt werden.
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Eine Vakuumeinfassung wird durch die Bezugsziffer 74
schematisch dargestellt, wobei sie eine Öffnung 76 aufweist,
durch die die Vakuumkammer entleert werden kann.
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Zum besseren Verständnis der der vorliegenden Erfindung
zugrunde liegenden Theorie wird bezug auf die Figuren 4-8
genommen. Die vorliegende Konstruktion basiert auf dem
fundamentalen optischen Phänomen, daß der konjugierte Punkt
einer Punktquelle in der Krümmungsmitte eines konkaven
Kugelspiegels der Punkt selbt ist. Siehe Figur 4. Wenn bei
einem konkaven Kugelspiegel somit ein Lichtstrahl von einer
Punktquelle "C" in der Mitte der Krümmung auf den konkaven
Kugelspiegel geleitet wird, so wird der Strahl zurück auf den
Punkt der Krümmungsmitte "C" abgebildet. Eine Punktquelle bei
"p" auf den optischen Achsen würde ein Bild auf dem Punkt "q"
aufweisen, und eine Quelle bei "q" würde ein Bild bei "p"
aufweisen.
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Wenn sich die Punktquelle an einem Punkt befindet, der etwas
von der optischen Achse entfernt ist, so bildet der
reflektierte Strahl mit dem gleichen achsenversetzten Abstand,
jedoch auf der entgegengesetzten Seite der optischen Achse ein
reelles Bild.
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Wenn somit eine Punktquelle in der Mitte der Krümmung von einer
Waferoberfläche auf den gleichen Punkt und auf einen konkaven
Kugelspiegel reflektiert wird, so fällt das zweite Bild bzw.
der Fokus mit der Punktquelle bzw. mit dem ersten Fokus
zusammen. Siehe Figur 5. Wenn der Wafer um den Abstand "Z"
versetzt wird, erzeugt der von dem Wafer reflektierte Strahl
eine virtuelle Punktquelle 78 im doppelten Abstand "Z" von der
optischen Achse und auf der gleichen Seite dieser. Das Bild 80
der virtuellen Punktquelle 78 wird 2Z von der optischen Achse
entfernt und auf der entgegengesetzten Seite gebildet. Siehe
Figur 6.
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Diese Konstruktionstheorie wird zwar in bezug auf die
Fokussierung auf einer Halbleiterscheibe bzw. einem Wafer
beschrieben, doch können auch andere Werkstoffe und Oberflächen
verwendet werden, wie zum Beispiel Halbleiter-Photomasken,
Computer-Festplatten, Spiegel, usw.
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Gemäß der Darstellung aus Figur 7 umfaßt das Grundsystem in
vereinfachter Form einen Laser 95, einen Strahlenteiler 98, die
Linsen 100, 102, einen konkaven Kugelspiegel 106 und einen
Detektor 108.
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Der Lichtweg des optischen Strahlensystems verläuft wie folgt.
Der parallel gerichtete Lichtstrahl 110 von dem Laser 96 wird
durch einen Achromat 102 auf einen Fokus 112 an dem
entsprechenden Punkt auf der Oberfläche 114 des Objekts 116
geführt. Innerhalb der Grenzen erhöht sich die
Erfassungsgenauigkeit des Systems mit zurückgehendem
Einfallswinkel des Strahls. Ein zulässiger Einfallswinkel liegt
im Bereich von 15 Grad.
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Der Fokus bzw. der erste Fokus 112 der Linse 102 auf der
Oberfläche 114 des Objekts 116 bildet eine neue Punktquelle für
den Kugelspiegel 106.
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Der von der Punktquelle bzw. dem ersten Fokus 112 austretende
Lichtstrahl 118 wird von dem Spiegel 106 empfangen, wobei er
einen neuen Bildpunkt bzw. einen zweiten Fokus auf dem ersten
Fokus oder in der Nähe des ersten Fokus bildet, da sich die
Krümmungsmitte des Kugelspiegels 106 auf dem Fokus 112
befindet. Der zweite Fokus befindet sich vorzugsweise innerhalb
eines Abstands von etwa 200 Nm (Mikron) von dem ersten Fokus
entfernt.
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Wenn der in Betracht kommende Punkt auf der Oberfläche 114 des
Objekts 116 um einen "Z"-Abstand wegbewegt wird, ist der
Bildpunkt bzw. der zweite Fokus, der durch den Spiegel 106
erzeugt worden ist, von der Achse versetzt angeordnet und den
doppelten "Z"-Abstand von der optischen Achse entfernt, wie
dies vorstehend im Text beschrieben worden ist.
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Der zweite Fokus wird durch die Linsen 100, 102 und den
Strahlenteiler 98 auf eine lichtempfindliche Oberfläche des
Detektors 108 abgebildet. Wie dies später im Text erläutert
wird und im Fach allgemein bekannt ist, kann der Detektor 108
ein Signal erzeugen, das die Position des zweiten Fokusbilds
anzeigt, das auf der lichtempfindlichen Oberfläche erzeugt
wird. Siehe Figur 8.
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Aus der Ausgabe des Detektors 108 kann die Position des
Lichtflecks auf der Detektoroberfläche ermittelt werden, und
zwar von der Mitte des Detektors entfernt. Unter Verwendung
einer der Positionen als Bezugspunkt mißt das System die von
dem Bezugspunkt weggehende Bewegung der Objektoberfläche. Bei
einer bzw. mehreren motorisch angetriebenen Z-Bewegungsstufen
führt das Autofokussierungssystem den entsprechenden Punkt auf
der Oberfläche 114 des Objekts 116 wieder zurück zu der
Bezugsebene.
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Bei einem geeigneten Detektor 108 handelt es sich um DSP 1L5,
der von SiTek Electro Optics, Portille, Schweden, hergestellt
und in den Vereinigten Staaten von Amerika von Ontrack
Photonics vertrieben wird. Die Position des Lichtflecks auf dem
Detektor wird durch die folgende Formel ermittelt: y = (V1
-V2)/(V1 + V2) * L, wobei y den Abstand von der Mitte anzeigt,
und wobei V1 und V2 Spannungen darstellen, die an den
entsprechenden Enden des Detektors gemessen werden. L steht für
die Hälfte der Länge der Detektoroberfläche. In Verbindung mit
diesem System kann jeder eindimensionale oder zweidimensionale
Lagemeßdetektor verwendet werden.
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V1 und V2 sind zwar von der Intensität des Lichtstrahls
abhängig, jedoch ist das Differenzverhältnis zu der Summe von
V1 und V2 nicht von der Intensität des auf den Detektor
scheinenden Lichts abhängig. Da L eine Konstante darstellt,
handelt es sich bei der Messung nicht um eine Funktion der
Intensität des Lichts solange die Intensität des Lichtstrahls
ausreicht, um auf dem Detektor anzuzeigen.
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Eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
opto-mechanisches Fokussierungsteilchenstrahl-
Autofokussierungssystem vorzusehen, das bei einen umfassenden
Bereich von Grobeinstellungen des Betriebsabstands zwischen der
Teilchenstrahl-Endlinse und dem Objekt funktionsfähig ist.
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Hiermit wird noch einmal bezug auf Figur 3 genommen. Gemäß
einer Ausführung der Erfindung ist der Kugelspiegel 62 für die
Erfüllung dieser Aufgabe mit der Objekt-Trageinrichtung
mechanisch verbunden bzw. an dieser befestigt, so daß er mit
dieser beweglich ist, um den zweiten Fokus während
Einstellungen der "Z"-Position des Objekts auf der
Objektoberfläche zu halten. Speziell wird der Kugeispiegel 62
in dem System aus Figur 3 durch einen Freiträger 120 auf einem
aufrechten Basiselement 40 getragen. Wenn das Gestell 34 auf
der Z-Achse erhöht bzw. abgesenkt wird, bewegt sich der
Kugeispiegel 62 mit dieser, so daß sich die Krümmungsmitte des
Spiegeis 62 immer auf dem entsprechenden Punkt auf der
Oberfläche des Wafers 22 befindet.
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Eine weitere wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
es, daß der Einfallswinkel des optischen Strahls 60 trotz
Grobeinstellungen der Position des Objekts verhältnismäßig
konstant gehalten wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die
Einrichtung zum Richten des optischen Strahls und zur Erzeugung
eines ersten Fokus des optischen Strahls eine verstellbare
optische Weglänge auf. Wie dies vorstehend bereits kurz erwähnt
worden ist, ist dieses Mittel sehr schematisch als die
Teleskopanordnung 78 dargestellt. In der Praxis wird eine
Verstellschraubenspindel für die Einstellung der Weglänge
vorgesehen, wobei auch eine Feineinsteilvorrichtung eingesetzt
werden kann.
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Durch die Anbringung des Kugelspiegels 62 an dem Gestell 34, so
daß sich der Spiegel 62 entsprechend mit den Grob- bzw.
Feineinstellungen der Objektoberflächenposition bewegt, und
durch das Hilfsmittel der Veränderung der optischen Weglänge
des optischen Prüfstrahls, ist ein umfassender Bereich von
Betriebsabständen möglich, ohne daß die Effizienz des Systems
dadurch beeinträchtigt wird. Trotz der Einstellungen des
Betriebsabstands wird die geometrische Wechselbeziehung
zwischen dem einfallenden optischen Strahl, dem Kugelspiegel 62
und der Waferoberfläche 20 nicht wesentlich verändert.
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Der Kugelspiegel ist aus den oben aufgeführten Gründen zwar
vorzugsweise mechanisch an der Objekt-Trageinrichtung
angebracht bzw. mechanisch mit dieser verbunden, doch kann die
Hauptaufgabe der Erfindung auch anders erfüllt werden. Zum
Beispiel kann der Spiegel unabhängig von dem Objektträger
angebracht werden.
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In Figur 8A wird ein alternatives Ausführungsbeispiel
offenbart, wobei der Kugelspiegel 152 nicht an dem Gestell 34
sondern unabhängig von diesem angebracht ist. Das
Ausführungsbeispiel aus Figur 8A entspricht dem
Ausführungsbeispiel aus Figur 3, mit der Ausnahme, daß der
Kugeispiegel 152 an einem Träger 154 angebracht ist, der sich
für eine präzise Einstellung der Vertikalposition eignet, und
zwar durch eine Z-Bewegungsstufe, wie diese durch die
Bezugsziffer 156 schematisch dargestellt ist, wobei die Z-
Bewegungsstufe die gleiche Konstruktion wie die Z-
Bewegungsstufen 44, 46 aufweisen kann.
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Die Höhe des Spiegels 152 wird eng verbunden mit jedoch
unabhängig von der Einstellung der Höhe des Gestells 34 durch
ein Signal eingestellt, das von der Z-Achsen-
Servosteuerelektronik 68 über die Leitung 70a zugeführt wird.
Die Konstruktion des Spiegels 152 kann der Konstruktion des
Spiegeis 126 des Ausführungsbeispiels aus Figur 3 entsprechen,
wie dies in den Figuren 11-13 genauer dargestellt ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere sehr wichtige
Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optisches System zur
Verwendung mit einem probenbildenden Ladungsteuchensystem
vorzusehen, wobei das optische System außerordentlich flexibel
und vielseitig eingesetzt werden kann, wobei Objekt-Tiltwinkel
von 60 Grad und mehr möglich sind.
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Das vorstehend erörterte System von Toro-Lira eignet sich nicht
für Anwendungen, bei denen das Objekt gekippt werden muß, da
das System von Toro-Lira aufgrund von inhärenten
konstruktionellen Einschränkungen nur Objekt-Tiltwinkel von
wenigen Grad bearbeiten kann. Ein Problem bei großen
Tiltwinkeln des Objekts wird in bezug auf die Figuren 9 und 10
besser verständlich, in denen in hoch schematischer Form ein
Objekt 124, ein Kugelspiegel 126 und eine Lichtquelle 128
dargestellt sind.
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Der einfallende Strahl 130 wird an dem Punkt "P" auf dem Objekt
124 konvergiert. Der einfallende Strahl 130 wird als
austretender Strahl 132 reflektiert und trifft bei B auf dem
Kugelspiegel 126 auf. APB definiert die Ebene des Strahls für
ein Objekt 124 bei 0 Grad, wie dies dargestellt ist.
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Aus Gründen, die später im Text deutlich werden, ist der
Kugelspiegel 126 in bezug auf die durch die einfallenden und
austretenden optischen Strahle 130, 132 definierte Ebene
winkelig asymmetrisch. Die Asymmetrie bevorrechtigt die
Neigungsrichtung des Spiegeis 126. In dem veranschaulichten
Ausführungsbeispiel umfaßt der Kugeispiegel 126 einen 90-Grad-
Sektor mit etwa 75 Grad auf der bevorrechtigten Seite der
obengenannten Ebene.
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Nachstehend wird der Grund für die Asymmetrie erörtert. Diese
basiert auf der Tatsache, daß die Ebene des reflektierten
Strahls 132 in einem Winkel gedreht wird, der doppelt so groß
ist wie der Winkel, in dem das Objekt 124 gekippt wird. Dies
wird aus einer Betrachtung von Figur 10 deutlich. Aus Figur 10
wird erkennbar, daß bei einer Rotation des Objekts 124 an die
durch die gestrichelte Linie 134 dargestellte Position, d.h.
von der Ausgangsstellung von 0 Grad um 60 Grad verschoben, die
neue Bildebene des Strahls gemäß den Gesetzen der gleichen
Einfalls- und Reflexionswinkel APC ist. Der Einfaliswinkel
beträgt 30 Grad und der Reflexionswinkel beträgt ebenfalls 30
Grad. Der Kugelspiegel 126 wird dann an die durch die
gestrichelte Linie 136 dargestellte Position gedreht, und wobei
der reflektierte Strahl an dem Punkt "C" auftrifft. Somit wird
die ursprüngliche Strahlebene APB in einem Winkel von 120 Grad
in die Ebene APC gedreht, wenn der Kugelspiegel 126 um 60 Grad
geneigt wird. (Hierbei muß berücksichtigt werden, daß das
Objekt 124 und der Spiegel 126 mechanisch miteinander verbunden
sind, so daß sie sich gemeinsam drehen). Der Auftreffpunkt "C"
liegt bei 210 Grad, jedoch erstreckt sich der Spiegel an dessen
gedrehten Position bis auf 225 Grad, wobei er so positioniert
ist, daß er den Strahl empfängt. Bei Tutwinkeln von 60 Grad
und etwas mehr, wird deutlich, daß der Spiegel 126 den
empfangenen Strahl durch den Tiltbereich sammelt und neu
fokussiert.
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Das obengenannte System wurde etwa in Figur 7 erfolgreich
eingesetzt, wobei der Kugelspiegel einen Radius von 6 cm (2,5
Inch) sowie einen Krümmungsradius von 19,6 cm (8 Inch) aufwies.
Die Brennweite betrug 9,18 cm (4 Inch). Bei dem Detektor 108
handelte es sich um DSP 1L10 von Sitek.
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Bei diesem System wurde bei dem Einsatz eines 12-Bit-Analog-
Digital-Umsetzers eine Auflösung von 0,236 Nm (Mikron)
festgestellt. Die Oberfläche eignet sich für einen Bereich von
Betriebsabständen von etwa 2mm-20mm, und wobei jeder bestimmte
Betriebsabstand innerhalb von plus oder minus 2 Mikron
aufrechterhalten wird.
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In den Figuren 11-13 ist eine vollständige Spezifikation des
Spiegels 126 in einem Maßstab von 1,30:1 dargestellt. Der
wirksame optische Bereich, der durch die gestrichelte Linien
150 dargestellt ist, ist bis auf eine viertel Wellenlänge
genau. Bei der Zusammensetzung des Spiegeis handelt es sich um
Zerodur und der Überzug ist aus Gold.
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Vorstehend wurden zwar bestimmte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben, jedoch ist
es für den Fachmann offensichtlich, daß Abänderungen und
Modifikationen ausgeführt werden können, ohne dabei vom Umfang
der Ansprüche im weiteren Sinne abzuweichen. Das vorstehend
beschriebene System kann zum Beispiel für eine
Profilmeßfunktion zur genauen Erkennung der Topographie einer
Oberfläche angepaßt werden, anstatt zur Aufrechterhaltung eines
vorgeschriebenen Betriebsabstands von der Teilchenstrahl-
Fokussierungsoptik für eine untersuchte Oberfläche, wie dies
hierin dargestellt und beschrieben ist.
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Das System eignet sich zur genauen Bestimmung des exakten
realen Abstands einer untersuchten Oberfläche zu einem
Bezugspunkt bzw. einer Bezugsebene.
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Das beschriebene Autofokussierungssystem kann bei jeder
Anwendung vorteilhaft eingesetzt werden, bei der es
wünschenswert ist, eine lichtreflektierende Oberfläche mit
außerordentlicher Präzision an einer bestimmten Position zu
halten, und zwar auch über einen großen Betriebsabstand,
insbesondere dann, wenn die Oberfläche mit beibehaltener
Position wellig bzw. krumm ist, oder wenn das Objekt, dessen
Oberflächenposition überwacht wird, gekippt bzw. geneigt ist.
Laser-Oberflächenprüfsysteme sind ein Beispiel für diese
Anwendungen.
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In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist zwar ein
Spiegel mit 90-Grad-Sektor dargestellt, wobei es bei
Anwendungen, bei denen es der Platz zuläßt, wünschenswert sein
kann, größere Winkel einzusetzen. In Figur 11 ist eine
Modifikation von Figur 3 dargestellt, wobei ein 360-Grad-
Spiegel 138 eingesetzt wird. Bei der Anordnung aus Figur 11
tritt das Problem nicht auf, daß der reflektierte Strahl nicht
von dem bildgestaltenden Spiegel aufgenommen wird.
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In den dargestellten Auto fokussierungs-Aus führungsbeispielen
wird die Objektposition so eingestellt, daß ein vorbestimmter
Betriebsabstand aufrechterhalten wird. Statt dessen kann die
Position bzw. die Brennweite der probenbildenden Linse in dem
Ladungsteuchensystem eingestellt werden, und zwar unter
Verwendung der Informationen hinsichtlich der
Objektoberflächenhöhe, die von der Ausgabe des Detektors des
optischen Systems hergeleitet werden.
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Folglich umfassen die anhängigen Ansprüche alle Abänderungen
und Modifikationen, die unter den Umfang der Ansprüche fallen.
Die in der vorstehenden Beschreibung und in den beigefügten
Zeichnungen dargestellte Sache dient nur
Veranschaulichungszwecken und schränkt den Umfang der Ansprüche
nicht ein.