EP1169616A1 - Scannen mit positionsgebung zur triggerung der messwertaufnahme - Google Patents

Scannen mit positionsgebung zur triggerung der messwertaufnahme

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Publication number
EP1169616A1
EP1169616A1 EP01909453A EP01909453A EP1169616A1 EP 1169616 A1 EP1169616 A1 EP 1169616A1 EP 01909453 A EP01909453 A EP 01909453A EP 01909453 A EP01909453 A EP 01909453A EP 1169616 A1 EP1169616 A1 EP 1169616A1
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EP
European Patent Office
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sensor
measuring
controller
signals
measured values
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01909453A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen VALENTIN
Marcus Grigat
Hans-Hermann Schreier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NanoFocus AG
Original Assignee
OM Engineering GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/30—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring roughness or irregularity of surfaces

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring, in particular, surface topologies in microscopic resolution, in which a measuring sensor and a sample to be detected are moved relative to one another in the xy direction, the movement being controlled by means of a controller, which records the measured values of the sensor, whereby After starting the sensor and moving the sensor at defined intervals, the sensor is read out and individual detected profiles which are displaced from one another in a dimension perpendicular to the profile direction are combined to form a measuring surface after the measurement has been carried out.
  • the invention further relates to a device for carrying out the method with a distance sensor arranged above a sample surface and a sample carrier, which can be moved by motor in the xy direction relative to one another, a controller for the travel movement and a controller which, on the one hand, has the sensor for recording the sensor measured values and on the other hand is connected to the control for the movement.
  • Such surface measuring devices are used to inspect technical surfaces in microscopic resolution. During the inspection, surface heights can be measured at defined locations on a sample.
  • the measuring device is also equipped with a precise coordinate control.
  • the device is used in all areas of microstructure technologies.
  • the spatial resolution of the sensor is on the order of 1 ⁇ m.
  • the table and sensor are started in quick succession via a software start signal.
  • individual profiles which are displaced from one another in a dimension perpendicular to the profile direction, are combined to form a measuring surface after the measurement has been carried out.
  • the location x of the i-th measuring point can thus be determined subsequently as follows (the starting point is the reference point):
  • the invention is therefore based on the object of carrying out a method of the type mentioned at the outset in such a way that the local accuracy in the measurement of location-related measurement signals is improved.
  • the invention solves this problem in accordance with the characterizing part of claim 1 in that the travel control is started via a software command to start the travel movement, position-triggering pulses for location-based reading of the sensor are taken at discrete and constant spatial distances from the moving element. location-based signals derived from the basic signals obtained in this way by means of electronic data processing are used to trigger the measurement recording of the sensor and the measured values obtained are stored and then transmitted asynchronously to the controller.
  • a position transmitter is provided on the movable element, the signals of which are transmitted by means of an interface upstream of the sensor and downstream of the travel control into location-based derived trigger signals for triggering the measured value recording of the sensor are converted and that the direction-dependent location increments are summed in a memory, the direction detection being carried out by means of programming logic.
  • the problem addressed in the introduction is thus circumvented according to the invention in that only a start signal is required for the traversing movement due to the interposition of the sensor interface and the removal of position signals.
  • the measured values determined can be read out asynchronously according to the method according to the invention.
  • the sample is preferably arranged on a table which can be moved in the x-y direction.
  • the sensor can be moved.
  • An incremental angle encoder is provided on the table to take the position-giving trigger pulses, the spatial distances of which are discrete and constant, on the corresponding axis of the motor in whose direction the direction of travel of the measurement profile falls.
  • an incremental or absolute measuring position transmitter can also be attached directly to the table, preferably a so-called glass scale.
  • the basic signals (primary signals) received by the position transmitters are converted into derived signals by means of electronic data processing, which in turn are location-related.
  • a programmable microcontroller is used for this. This micro-controller can also be part of the table control.
  • the derived signals serve the absolute (not only incremental) location determination.
  • derived signals can be interpreted signals that both by means of digital electronic circuit technology can also be generated using the programming of microprocessors from the input signals present as digital signals. For example, it is possible to digitally divide the basic signal so that only every nth pulse triggers a triggering of the measured value signal (with n> 1). The Ors distance of the measurements is thus enlarged in a defined manner.
  • Figure 1 schematic circuit structure of the surface measuring device
  • Figure 2 schematic circuit arrangement according to the prior art.
  • FIG. 2 The structure of a surface measuring device according to the prior art is shown schematically in Figure 2. It essentially consists of a distance sensor 1 (preferably a laser spot sensor), a controller 2 for the travel movement in the xy direction of a travel table 3 on which a sample to be detected is arranged.
  • the sensor 1 is fixed above the sample.
  • the table 3 with the sample on it is moved in a continuous movement between two locations, the sensor being read out at defined time intervals at the same time.
  • the measured values are transmitted to a controller 4 (primarily a PC) at defined time intervals.
  • the controller 4 in each case sends a start signal to the sensor 1 and to the controller 2.
  • the table and sensor are hereby started in quick succession. If the travel speed v is assumed to be constant, the location distance can be retrospectively assigned for values measured at defined time intervals.
  • Figure 1 shows the schematic structure of a surface measuring device according to the invention.
  • This measuring device differs essentially from the known measuring device by a sensor interface 5 interposed between the controller 2 and the sensor 1 and by the fact that the controller 4 only emits a start signal to the controller.
  • Position signals are continuously taken at table 3 (for example by means of an angle encoder or a glass scale arranged on table 3), which are fed to interface 5 via the controller.
  • the position signals (basic signals) are converted into derived signals that are used to trigger the measurement of the sensor.
  • the interface 5 has, in addition to a programming logic, also a memory logic in which the direction-dependent location increments are summed up for the absolute location determination.
  • the programming logic includes required for the detection of the directions.
  • the stored measured values are then transmitted asynchronously to the controller 4.

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Bei der Messung von Oberflächentopologien in mikroskopischer Auflösung wird über einen Software-Befehl (2, 3) der start der Verfahrbewegung veranlasst. In diskreten Ortsabständen werden über einen Positionsgeber Trigger-Impulse erzeugt, die zur Triggerung der Messwertaufnahme an dem Sensor (1) dienen. Die erhaltenen Messwerte werden gespeichert und dann asynchron zum Controller (4) übertragen.

Description

SCANNEN MIT POSITIONSGEBUNG ZUR TRIGGERUNG DER MESSWERTAUFNAHME
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung insbesondere von Oberflachentopologien in mikroskopischer Auflösung, bei dem ein Meßsenεor und eine zu detektierende Probe relativ zueinander in x-y-Richtung verfahren werden, wobei die Verfahrbewegung mittels eines Controllers, der die Meßwerte des Sensors aufnimmt, gesteuert wird, wobei nach dem Start von Sensor und Verfahrbewegung in definierten Abständen der Sensor ausgelesen wird und einzelne detektierte Profile, die voneinander in einer senkrechten zur Profilrichtung liegenden Dimension ortsverscho- ben sind, nach erfolgter Messung zu einer Meßfläche zusammengefaßt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem oberhalb einer Probenoberfläche angeordneten Abstandsεenεor und einem Probenträger, die relativ zueinander in x-y-Richtung motorisch verfahrbar sind, eine Steuerung für die Verfahrbewegung und einem Controller, der einerseits mit dem Sensor zur Aufnahme der Sensormeßwerte und andererseits mit der Steuerung für die Verfahrbewegung verbunden ist.
Derartige Oberflächen-Meßgeräte dienen der Inspektion technischer Oberflächen in mikroskopischer Auflösung. Bei der Inspektion können an definierten Orten einer Probe Oberflächenhöhen gemessen werden. Das Meßgerät ist zusätzlich mit einer präzisen Koordinaten-Steuerung ausgestattet. Anwendung findet das Gerät in allen Bereichen der Mikrostrukturtechnologien. Die Ortsauflösung des Sensors liegt in der Größenordnung von 1 μm.
Stand der Technik ist es, daß zur Messung von Höhenprofilen der die Probe tragende Tisch in einer kontinuierlichen Bewegung zwischen zwei Orten verfahren wird, wobei gleichzeitig in definierten Zeitabständen der Sensor ausgelesen wird.
Über ein Software-Start-Signal werden Tisch und Sensor dabei kurz hintereinander gestartet. Zur Messung zusammenhängender Ortsbereiche in beiden Dimensionen werden einzelne Profile, die voneinander in einer senkrecht zur Profilrichtung liegenden Dimension ortsverschoben sind, nach erfolgter Messung zu einer Meßfläche zusammengefaßt.
Der Abstand benachbarter Meßpunkte dx des derart gemessenen Profils läßt sich wie folgt beschreiben:
dx = v*dt
Bei als konstant angenommener Verfahrgeschwindigkeit v bei in Zeitabständen von dt gemessenen Werten kann somit der Ort x des i-ten Meßpunktes wie folgt nachträglich bestimmt werden (der Startpunkt gilt als Bezugspunkt) :
X(i) = i*dx
Die Problematik dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß der Start von Tisch und Sensorauslesung mit einem nicht konstanten Zeitverzug behaftet ist. Ursache hierfür ist, daß die Tischsteuerung und der Sensor von einem Controller softwaremäßig angesteuert werden und daß es sich bei dem verwendeten Controller in der Regel nicht um ein Echtheitssystem handelt. Hieraus leitet sich eine Ortsungenauigkeit des Startpunktes ab.
Diese Ortsungenauigkeit ist aufgrund der zeitbezogenen Auεle- sung gemäß der obengenannten Gleichung geschwindigkeitsproportional. Sensoren, die aufgrund ihrer hohen Grenzfrequenz schneller (d.h. in kürzeren Zeitabständen) ausgelesen werden können, erlauben bei gleichbleibender Ortsauflösung eine höhere Verfahrgeschwindigkeit v. Hierbei erhöht sich jedoch der Einfluß der Problematik. Eine weitere Schwierigkeit besteht in der Nicht-Konstanz der Verfahrgeschwindigkeit v.
Gemäß der obengenannten Gleichung treten dann Ortsungenauigkei- ten auf. Ursache für die Nicht-Konstanz ist u.a. das Beschleunigungsverhalten des Tisches aus Gründen der Massenträgheit, dem seitens der Tischsteuerung mit einer Beschleunigungs- und Abbrems-Rampenfunktion Rechnung getragen werden muß.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu führen, daß die örtliche Genauigkeit bei der Messung von ortsbezogenen Meßsignalen verbessert wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch, daß über einen Software-Befehl die Verfahrsteuerung zum Starten der Verfahrbewegung veranlaßt wird, in diskreten und konstanten Ortsabstanden von dem verfahrenden Element poεitionsgebende Trigger- Impulse zur ortsbezogenen Auslesung des Sensors abgenommen werden, aus den so gewonnenen Grundsignalen mittels elektroniεcher Datenverarbeitung abgeleitete ihrerseits ortsbezogene Signale erzeugt werden, die zur Triggerung der Meßwertaufnahme des Sensors dienen und die erhaltenen Meßwerte gespeichert und dann asynchron zum Controller übertragen werden.
Vorrichtungsmäßig wir die Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 gelöst, nämlich dadurch, daß an dem verfahrbaren Element ein Positionsgeber vorgesehen ist, dessen Signale mittels eines dem Sensor vorgeschalteten und der Verfahrsteuerung nachgeschalteten Interfaces in ortsbezogene abgeleitete Trigger-Signale zur Triggerung der Meßwertaufnahme des Sensors umgewandelt werden und daß die richtungsabhängigen Ortsinkremente in einem Speicher summiert werden, wobei die Richtungserkennung mittels einer Programmierlogik erfolgt. Die in der Einleitung angesprochene Problematik wird erfindungsgemäß somit dadurch umgangen, daß durch die Zwischenschaltung des Sensor- Interfaces und die Abnahme von Positionεsigna- len lediglich ein Startsignal für die Verfahrbewegung nötig ist.
Statt der dem Controller zugeführten Meßwerten in definierten Zeitabständen können gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die ermittelten Meßwerte asynchron ausgelesen werden.
Bevorzugterweise ist die Probe auf einem in x-y-Richtung verfahrbaren Tisch angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar (gemäß Anspruch 4), daß der Senεor verfahrbar iεt .
Es wird jedoch im folgenden die Erfindung am Beispiel des verfahrbaren Tisches erläutert :
Zur Abnahme der positionsgebenden Trigger- Impulse, deren Orts- abstände diskret und konstant sind, wird ein inkrementeller Winkel-Encoder am Tisch vorgesehen, und zwar an der entsprechenden Achse desjenigen Motors, in dessen Richtung die Verfahrrichtung des Meßprofils fällt.
Als Alternative dazu kann aber auch ein inkrementeller oder absolut mesεender Positionsgeber direkt am Tisch angebracht sein, vorzugsweise ein sogenannter Glasmaßstab.
Die von den Positionsgebern erhaltenen Grundsignale (Primärsignale) werden mittels elektronischer Datenverarbeitung zu abgeleiteten Signalen umgewandelt, die ihrerseits ortsbezogen sind. Insbesondere wird hierzu ein programmierbarer MikroController eingesetzt. Dieser Mikro-Controller kann auch Bestandteil der Tischεteuerung sein. Die abgeleiteten Signale dienen der absoluten (nicht nur inkrementeilen) Ortsbestimmung.
Als "abgeleitete" Signale können Signale aufgefaßt werden, die sowohl mittels digitaler elektronischer Schaltungstechnik als auch mit Hilfe der Programmierung von Mikroprozessoren aus den als Digitalsignale vorliegenden Eingangssignalen erzeugt werden. So ist es z.B. möglich, eine digitale Teilung des Grundsi- gnals vorzunehmen, so daß nur jeder n-te Impuls eine Triggerung des Meßwertsignals auslöst, (mit n>l) . Damit wird der Orsab- εtand der Messungen definiert vergrößert.
Die Datenverarbeitung setzt neben einer Programmierlogik auch eine Speicherlogik voraus, da eine Summation der richtungsabhängigen Ortsinkremente zur absoluten Ortsbestimmung nötig ist. Die Erkennung der Richtungen erfolgt innerhalb der Progammier- logik.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
Bild 1: schematiεcher Schaltungsaufbau des Oberflächen-Meßgeräts,
Bild 2 : schematische Schaltungsanordnung gemäß Stand der Technik .
In Bild 2 ist schematisch der Aufbau eines Oberflächenmeßgeräts gemäß Stand der Technik dargestellt. Es besteht im wesentlichen aus einem Abstandεsensor 1 (vorzugsweiεe ein Laserfleck-Sensor) , einer Steuerung 2 für die Verfahrbewegung in x-y-Richtung eines Verfahrtisches 3 , auf dem eine zu detektierende Probe angeordnet ist. Der Sensor 1 ist oberhalb der Probe fest angeordnet. Der Tisch 3 mit der drauf befindlichen Probe wird in einer kontinuierlichen Bewegung zwischen zwei Orten verfahren, wobei gleichzeitig in definierten Zeitabständen der Sensor ausgelesen wird. Die Meßwerte werden in definierten Zeitabständen einem Controller 4 (vornehmlich ein PC) übertragen. Der Controller 4 sendet jeweilε ein Startsignal an den Sensor 1 sowie an die Steuerung 2. Hiermit werden Tisch und Sensor kurz hintereinander gestartet. Bei als konstant angenommener Verfahrgeschwindigkeit v kann hierbei bei in definierten Zeitabständen gemessenen Werten der Ortsabstand nachträglich zugeordnet werden.
In Bild 1 iεt der schematische Aufbau eines Oberflächenmeßgeräts gemäß der Erfindung dargestellt. Dieses Meßgerät unterscheidet sich im wesentlichen von dem bekannten Meßgerät durch ein zwischen der Steuerung 2 und dem Sensor 1 zwischengeschaltetes Sensor- Interface 5 und dadurch, daß der Controller 4 lediglich an die Steuerung ein Startsignal abgibt.
Am Tisch 3 werden laufend Positionssignale abgenommen (beispielsweise mittels eines Winkelcodierers oder eines am Tisch 3 angeordneten Glasmaßstabs) , die über die Steuerung dem Interface 5 zugeführt werden. In diesem Interface werden die Positionssignale (Grundsignale) in abgeleitete Signale umgewandelt, die zur Triggerung der Meßwertaufnahme des Sensors dienen. Hierzu weist das Interface 5 neben einer Programmierlogik auch eine Speicherlogik auf, in der die richtungsabhängigen Ortsinkremente zur absoluten Ortsbestimmung aufsummiert werden. Die Programmierlogik ist u.a. für die Erkennung der Richtungen erforderlich. Die gespeicherten Meßwerte werden dann asynchron zum Controller 4 übertragen.
Auf diese Weise (also durch die abεolute Ortsbestimmung mit Hilfe der abgeleiteten Signale) wird die örtliche Genauigkeit der Messung der ortsbezogenen Meßsignale gegenüber der in Bild 2 dargestellten Methode erheblich verbeεsert.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Messung insbesondere von Ober- flachentopologien in mikroskopischer AuflösungPatentansprüche :
1. Verfahren zur Messung insbeεondere zur Meεsung von Ober- flächentopologien in mikroskopischer Auflösung, bei dem ein Meßεenεor und eine zu detektierende Probe relativ zueinander in x-y-Richtung verfahren werden, wobei die Verfahrbewegung mittels eines Controllers, der die Meßwerte des Sensors aufnimmt, gesteuert wird, wobei nach dem Start von Sensor und Verfahrbewegung in definierten Abständen der Sensor ausgeleεen wird und einzelne detektierte Profile, die voneinander in einer senkrechten zur Profilrichtung liegenden Dimension ortsverschoben sind, nach erfolgter Messung zu einer Meßfläche zusammengefaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß über einen software-Befehl die Verfahrsteuerung zum Starten der Verf hrbewegung veranlaßt wird, in diskreten und konstanten Ortsabstanden von dem verfahrenden Element positionsgebende Trigger- Impulse zur ortsbezogenen Auslesung des Sensors abgenommen werden, aus den so gewonnenen Grundsignalen mittels elektronischer Datenverarbeitung abgeleitete ihrerseits ortsbezogene Signale erzeugt werden, die zur Triggerung der Meßwertaufnahme des Sensors dienen und die erhaltenen Meßwerte gespeichert und dann asynchron zum Controller übertragen werden.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem oberhalb einer Probenoberfläche angeordneten Abstands-Sensor und einem Probenträger, die relativ zueinander in x-y-Richtung motorisch verfahrbar sind, einer Steuerung für die Verfahrbewegung und einem Controller, der einerεeits mit dem Sensor zur Aufnahme der Sensor-Meßwerte und andererseits mit der Steuerung für die Verfahrbewegung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem verfahrbaren Element (1,3) ein Positionsgeber vorgesehen ist, dessen Signale mittels eines dem Sensor (1) vorgeschalteten und der Verfahrenssteuerung (2) nachgeschalteten Interfaces in ortsbezogene abgeleitete Trigger-Signale zur Triggerung der Meßwertaufnahme deε Sensors (1) umgewandelt werden und daß die richtungsabhängigen Ortsinkremente in einem Speicher summiert werden, wobei die Richtungserkennung mittels einer Programmierlogik erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Probe auf einem in x-y-Richtung verfahrbaren Tisch
(3) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , daß der Sensor (1) in x-y-Richtung verfahrbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abnahme der positionsgebenden Trigger- Impulse am verfahrbaren Element (1,3) ein inkrementeller Winkel-Encoder vorgesehen ist, der an der Achse des Motors angebracht ist, in deεsen Richtung die Verfahrrichtung des Meßprofils fällt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abnahme der positionsgebenden Trigger- Impulse am verfahrbaren Element (1,3) selbεt ein inkrementeller oder absolut meεεender Poεitionεgeber angebracht ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber ein Glasmaßstab ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Ableitung der Grundsignale vorgesehene Interface (8) einen programmierbaren und speichernden Mikrocontroller aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller Bestandteil der Verfahrsteuerung (2) ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Controller (4) ein PC ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) ein optisch arbeitender Sensor ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) ein Laserfleck-Sensor ist.
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