WO2007054396A1 - Dunkelfeldobjektiv für ein mikroskop - Google Patents

Dunkelfeldobjektiv für ein mikroskop Download PDF

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Michael Heiden
Wolfgang Vollrath
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Vistec Semiconductor Systems Gmbh
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G02B21/08—Condensers
    • G02B21/10—Condensers affording dark-field illumination

Definitions

  • the invention relates to a lens for a microscope for dark field microscopy with alternating illumination in grazing incidence.
  • a lens for dark field microscopy is known from DE 199 03 486 C2.
  • an annular beam is guided past the objective lens system and deflected concentrically in the area of the sample-side end of the objective lens system at an angle to the sample.
  • the sample is illuminated in grazing incidence mutually from two opposite directions perpendicular to a sample structure.
  • the illumination takes place laterally from the lens.
  • the AGID method assumes a main structure direction on the sample, such as traces of a wafer.
  • the sample is oriented perpendicular to its main structure direction to the illumination directions.
  • the webs to be examined are successively illuminated from one side and from the opposite side perpendicular to the main structure direction, with a separate image being taken for each illumination process.
  • two images of the same recording area are created.
  • the one illumination direction emphasizes one edge side
  • the other illumination direction emphasizes the other edge side.
  • the two images are individually analyzed for the position of the corresponding edges and then superimposed on the analyzed images. This is how it succeeds, structural widths less than half the wavelength of light to resolve.
  • the illumination light is polarized so that the E-FeId is aligned parallel to the edge of the structure.
  • a disadvantage of the known state of the art is that it is either unsuitable for the AGI D process or requires a complicated structure.
  • the invention is therefore based on the object to provide a lighting device for a microscope for dark field microscopy with alternating illumination in grazing incidence, which is simple and compact. This object is achieved by the dark field lens defined in claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention are specified in the further subclaims.
  • Light outcoupling comprises, which are each arranged opposite the optical axis to the front lens for alternating, counterparallel illumination of the sample.
  • the combination of lens and counterparallel illumination makes the lighting design simple and compact.
  • the light output elements are offset in pairs by 180 °. This realizes the beneficial effect of the AGID process.
  • the coupling elements are prisms. These are easier to arrange than mirrors and make the lens encapsulate with their final surface.
  • the prisms and the front lens end on the sample side in the region of a common plane results in a particularly compact design.
  • the prisms and the front lens end on the sample side in a common plane to rest on an immersion liquid film.
  • the dark field illumination device guides the illumination light in at least one beam pair through the objective. The top of the lens can thus simultaneously serve for the exit of the imaging beam and for the entry of the illumination beams.
  • the dark field illumination device guides the illumination light through the objective at least partially parallel to the optical axis. This realizes a particularly simple beam guidance. According to a further embodiment, it is provided that the dark field illumination device receives the illumination light perpendicular to the optical axis from an illumination source. Thus, the coupling can be done directly from the side into the lens. This can save a Einkoppelspiegel above the lens. With particular advantage it is provided that the dark field illumination device and the front lens are surrounded by a common housing. As a result, a particularly compact and robust design is achieved. The arrangement becomes less susceptible to misalignment.
  • the dark field illumination device comprises two pairs of light output elements, which are arranged in pairs crossed.
  • the dark field illumination device is provided for coupling the illumination light to the sample at an angle of 65 ° to 89 °, in particular from 75 ° to 80 ° to the optical axis. It showed that the specified angle ranges give a particularly good image.
  • Fig. 1 is a lens with decoupling prisms
  • Fig. 2 is a lens with Auskoppel mirror
  • Fig. 3 is an immersion objective with decoupling prisms
  • Fig. 4 shows an inventive lens from the bottom Fig. 5 an associated lighting device
  • FIG. 1 shows an objective 20 according to the invention over a sample 10 on a sample support 11.
  • the lens comprises a front lens 30 and a left Auskoppelprisma 43 and a right Auskoppelprisma 44.
  • the front lens 30 and the prisms 43 and 44 terminate with a common plane 32 from.
  • the front lens and the prisms are partially surrounded by the housing 22 of the lens.
  • the prisms 43 and 44 form part of the dark field illumination device 40.
  • the alternately incident left and right illumination beams 41 and 42 are simultaneously visible in all figures for simplicity.
  • the illumination beams 41 and 42 fall parallel to the optical axis 21 within the housing 22 on the prisms 43 and 44. These direct the illumination beams grazing on the sample 10.
  • the imaging rays 31 are received by the front lens 31 of the sample 10.
  • FIG. 2 shows an objective 20 according to the invention analogous to the objective of FIG. 1.
  • a left and a right Auskoppelspiegel 45 and 46 are provided.
  • the Auskoppelspiegel are located in the region of the plane 32 of the sample-side end of the front lens. They can also be arranged slightly above or below it.
  • FIG. 3 shows an objective 20 according to the invention for use with immersion media again analogously to the objective of FIG. 1.
  • the sample is fixed here with a sample cover 12.
  • the immersion liquid 13 is located between the sample cover and the sample-side end of the front lens and the sample-side end of the prisms 43 and 44. This is a liquid having a refractive index in the region of the front lens 30.
  • FIG. 4 shows the underside of another objective according to the invention analogous to the objective of FIG. 1.
  • the housing 22 here comprises 4 pairs of decoupling elements 48.
  • the prism pair 43, 44 shown in FIGS. 1 or 3 is shown.
  • a pair of prisms which are offset in a crossed manner to the prism pair 43, 44 is likewise drawn with a solid line. This further pair of prisms makes the analysis of 2 mutually perpendicular structures of the sample particularly well possible.
  • FIG. 5 shows an illumination source 50 of the illumination device 40.
  • the illumination source comprises a laser 51 for linearly polarized light of a wavelength of approximately 500 nm.
  • the laser radiates through a Pockels cell 52 onto a polarization beam splitter 53. This splits the beam into the left illumination beam 41 and The Pockels cell is driven so that it rotates the polarization periodically and thus forms together with the polarization beam splitter 53 an optical changeover switch.
  • the lambda / 2 plate 42 serves to align the polarization of the right illumination beam 42.
  • the illumination beams 41 and 42 are ideally aligned so that the E fields of the illumination beams on the sample 10 are perpendicular to the direction of incidence and parallel to the sample structure.
  • the illumination source shown is for a lens according to the figures 1 to 3 designed.
  • the illumination source is to be expanded analogously.
  • FIG. 6 shows the principle of a microscope 60 with the objective 20 according to the invention analogously to FIGS. 1 to 4.
  • a control and evaluation unit 62 controls on the one hand via a connection 65, the illumination source 50 for alternately illuminating the sample 10 via a respective decoupling element
  • control and evaluation unit 62 synchronizes the illumination and the recording and carries out the analysis of the individual images and the superposition of analyzed individual images.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Objektiv für ein Mikroskop zur Dunkelfeldmikroskopie mit alternierender Beleuchtung bei streifendem Einfall. Gezeigt wird ein Dunkelfeldobjektiv mit einer Frontlinse zur Aufnahme von Licht von einer Probe und mit einer Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung zur Führung von Beleuchtungslicht auf die Probe wobei die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung mindestens ein Paar Lichtauskoppelelemente umfasst, die jeweils paarweise gegenüber der optischen Achse um die Frontlinse angeordnet sind zur gegenparallelen Beleuchtung der Probe.

Description

Dunkelfeldobiektiv für ein Mikroskop
Die Erfindung betrifft ein Objektiv für ein Mikroskop zur Dunkelfeldmikroskopie mit alternierender Beleuchtung bei streifendem Einfall.
Ein Objektiv zur Dunkelfeldmikroskopie ist nach DE 199 03 486 C2 bekannt. Bei dem bekannten Objektiv wird ein ringförmiges Strahlenbündel um das Objektivlinsensystem vorbeigeführt und im Bereich des probenseitigen Endes des Objektivlinsensystem unter einem Winkel konzentrisch auf die Probe umgelenkt.
Eine Beleuchtung zur Dunkelfeldmikroskopie mit alternierender Beleuchtung bei streifendem Einfall nach dem sogenannten AGI D-Verfahren (Alternating grazing incidence) ist nach B. Brodermann et.al.: „Alternating grazing incidence dark field scanning optical microscopy for dimensional measurements", Proc. of SPIE 4277:352-361 (2002) bekannt. Bei diesem
Verfahren wird die Probe bei streifendem Einfall wechselseitig aus zwei gegenüberliegenden Richtungen senkrecht zu einer Probenstruktur beleuchtet. Die Beleuchtung erfolgt dabei seitlich vom Objektiv.
Das AGID-Verfahren setzt eine Hauptstrukturrichtung auf der Probe voraus, so etwa Leiterbahnen eines Wafers. Die Probe wird senkrecht mit Ihrer Hauptstrukturrichtung zu den Beleuchtungsrichtungen orientiert. Die zu untersuchenden Bahnen werden nacheinander von der einen und von der gegenüber liegenden Seite senkrecht zur Hauptstrukturrichtung beleuchtet, wobei für jeden Beleuchtungsvorgang ein eigenes Bild aufgenommen wird. Es entstehen jeweils zwei Bilder des gleichen Aufnahmebereichs. Die eine Beleuchtungsrichtung betont dabei eine Kantenseite, die andere Beleuchtungsrichtung betont die andere Kantenseite. Die beiden Bilder werden einzeln auf die Lage der entsprechenden Kanten hin analysiert und anschließend die analysierten Bilder überlagert. So gelingt es, Strukturbreiten kleiner als die halbe Lichtwellenlänge aufzulösen. Vorzugsweise ist dabei das Beleuchtungslicht so polarisiert, dass das E- FeId parallel zur Kante der Struktur ausgerichtet ist.
Nachteilig ist dem bekannten Stand der Technik, dass er entweder für das AGI D- Verfahren nicht geeignet ist oder einen komplizierten Aufbau benötigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop zur Dunkelfeldmikroskopie mit alternierender Beleuchtung bei streifendem Einfall anzugeben, die einfach und kompakt ist. Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 bestimmte Dunkelfeldobjektiv gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe bei einem Dunkelfeldobjektiv für ein Mikroskop mit einer Frontlinse zur Aufnahme von Licht von einer Probe und mit einer Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung zur Führung von Beleuchtungslicht auf die Probe dadurch gelöst, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung mindestens ein Paar
Lichtauskoppelelemente umfasst, die jeweils gegenüber der optischen Achse um die Frontlinse angeordnet sind zur abwechselnden, gegenparallelen Beleuchtung der Probe. Die Zusammenführung von Objektiv und gegenparalleler Beleuchtung lässt die Ausführung der Beleuchtung einfach und kompakt gestalten.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die Lichtauskoppelelemente paarweise um 180° versetzt sind. Dies realisiert den beim AGID-Verfahren bezweckten Effekt am günstigten.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Einkoppelelemente Prismen sind. Diese sind einfacher anzuordnen als Spiegel und lassen das Objektiv mit ihrer abschließenden Fläche gekapselt gestalten.
Günstigerweise ist vorgesehen, dass die Prismen und die Frontlinse probenseitig im Bereich einer gemeinsamen Ebene enden. Dies ergibt eine besonders kompakte Bauform. Idealerweise ist vorgesehen, dass die Prismen und die Frontlinse probenseitig in einer gemeinsamen Ebene enden zur Auflage auf einen Immersionsflüssigkeitsfilm. Damit wird das AG I D- Verfahren mit einem einfachen Objektiv für die Mikroskopie mit Immersionsflüssigkeit zugänglich. Entsprechend einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung das Beleuchtungslicht in mindestens einem Strahlenpaar durch das Objektiv führt. Die Oberseite des Objektivs kann so gleichzeitig zum Austritt des Abbildungsstrahles und zum Eintritt der Beleuchtungsstrahlen dienen. Dadurch wird die Bauform des Objektivs ebenso wie die des gesamten Mikroskops besonders kompakt.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung das Beleuchtungslicht mindestens teilweise parallel zur optischen Achse durch das Objektiv führt. Dies realisiert eine besonders einfache Strahlführung. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung das Beleuchtungslicht senkrecht zur optischen Achse von einer Beleuchtungsquelle aufnimmt. Damit kann die Einkopplung direkt von der Seite in das Objektiv erfolgen. Damit kann ein Einkoppelspiegel über dem Objektiv eingespart werden. Mit besonderem Vorteil ist vorgesehen, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung und die Frontlinse von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sind. Dadurch wird eine besonders kompakte und robuste Bauform erreicht. Die Anordnung wird weniger anfällig gegen Dejustage. Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung zwei Paar Lichtauskoppelelemente umfasst, die paarw eise gekreuzt angeordnet sind. Durch diese Anordnung ist es möglich das AG I D- Verfahren auf eine gekreuzt strukturiere Probe anzuwenden. Idealerweise ist vorgesehen, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung zur Auskopplung des Beleuchtungslicht auf die Probe in einem Winkel von 65° bis 89°, insbesondere von 75° bis 80° zur optischen Achse vorgesehen ist. Es zeigte sich, dass die angegebenen Winkelbereiche eine besonders gute Abbildung ergeben.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Darstellu ngen zu einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren beizeichnen dabei gleiche Elemente. Es zeigen
Fig. 1 ein Objektiv mit Auskoppel- Prismen
Fig. 2 ein Objektiv mit Auskoppel-Spiegel
Fig. 3 ein Immersionsobjektiv mit Auskoppel- Prismen
Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Objektiv von der Unterseite Fig. 5 eine zugeordnete Beleuchtungseinrichtung
Fig. 6 Prinzipskizze des zugeordneten Mikroskops
Die Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Objektiv 20 über einer Probe 10 auf einer Probenauflage 1 1 . Das Objektiv umfasst eine Frontlinse 30 und eine linkes Auskoppelprisma 43 und ein rechtes Auskoppelprisma 44. Die Frontlinse 30 und die Prismen 43 und 44 schließen mit einer gemeinsamen Ebene 32 ab. Die Frontlinse und die Prismen sind teilweise von dem Gehäuse 22 des Objektivs umgeben. Die Prismen 43 und 44 bilden einen Teil der Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung 40. Die abwechselnd einfallenden linken und rechten Beleuchtungsstrahlen 41 und 42 sind zur Vereinfachung in sämtlichen Figuren gleichzeitig sichtbar gezeichnet. Die Beleuchtungsstrahlen 41 und 42 fallen parallel zur optischen Achse 21 innerhalb des Gehäuses 22 auf die Prismen 43 und 44. Diese lenken die Beleuchtungsstrahlen streifend auf die Probe 10. Die Abbildungsstrahlen 31 werden von der Frontlinse 31 von der Probe 10 aufgenommen. Die Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Objektiv 20 analog dem Objektiv der Figur 1 . Statt der Prismen sind hier ein linker und ein rechter Auskoppelspiegel 45 und 46 vorgesehen. Die Auskoppelspiegel befinden sich im Bereich der Ebene 32 des probenseitigen Endes der Frontlinse. Sie können auch leicht darüber oder auch darunter angeordnet sein. Die Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Objektiv 20 zur Verwendung mit Immersionsmedien wiederum analog dem Objektiv der Figur 1 . Die Probe ist hier mit einer Probenabdeckung 12 fixiert. Zwischen der Probenabdeckung und dem probenseitigen Endes der Frontlinse und dem probenseitigen Endes der Prismen 43 und 44 befindet sich die Immersionsflüssigkeit 13. Dies ist eine Flüssigkeit mit einem Brechungsindex im Bereich der Frontlinse 30. Die parallel zur optischen Achse auf die Prismen 43 und 47 fallenden Beleuchtungsstrahlen 41 und 42 werden hier innerhalb der Prismen 43 und 44 in Richtung der Probe 10 gespiegelt und treten weitgehend ungebrochen aus den Prismen in die Immersionsflüssigkeit aus. Die Prismen sind dazu hier als Parallelogramme ausgebildet. Die Figur 4 zeigt die Unterseite eines weiteren erfindungsgemäßen Objektivs analog dem Objektiv der Figur 1 . Das Gehäuse 22 umfasst hier 4 Paare an Auskoppelelementen 48. Das in den Figuren 1 oder 3 gezeigte Prismenpaar 43, 44 ist gezeigt. Zusätzlich ist ein dem Prismenpaar 43, 44 gekreuzt versetztes Prismenpaar ebenso mit Volllinie gezeichnet. Durch dieses weitere Prismenpaar ist die Analyse von 2 aufeinander senkrecht stehenden Strukturen der Probe besonders gut möglich. Des weiteren sind noch zwei weitere Prismenpaare um 45° gegenüber den vorgenannten beiden Prismenpaaren versetzt mit gestrichelter Linie gezeigt. Dadurch ist die Analyse von Proben mit Strukturen unterschiedlicher Richtung gut möglich. Die Figur 5 zeigt eine Beleuchtungsquelle 50 der Beleuchtungseinrichtung 40. Die Beleuchtungsquelle umfasst einen Laser 51 für linear polarisiertes Licht einer Wellenlänge von etwa 500 nm. Der Laser strahlt durch eine Pockelszelle 52 auf einen Polarisationsstrahlteiler 53. Dieser teilt den Strahl in den linken Beleuchtungsstrahl 41 und über den Spiegel 54 und eine Lambda/2- Platte in den rechten Beleuchtungsstrahl 42. Die Pockelszelle ist dabei so angesteuert, dass sie die Polarisation periodisch dreht und so zusammen mit dem Polarisationsstrahlteiler 53 einen optischen Wechselschalter bildet. Die Lambda/2- Platte 42 dient zur Ausrichtung der Polarisation des rechten Beleuchtungsstrahls 42. Die Beleuchtungsstrahlen 41 und 42 werden idealerweise so ausgerichtet, dass die E- Felder der Beleuchtungsstrahlen auf der Probe 10 senkrecht zur Einfallsrichtung und parallel zur Probenstruktur stehen. Die gezeigte Beleuchtungsquelle ist für ein Objektiv nach den Figuren 1 bis 3 ausgelegt. Für ein Objektiv nach Figur 4 ist die Beleuchtungsquelle analog zu erweitern.
Die Figur 6 zeigt das Prinzip eines Mikroskops 60 mit dem erfindungsgemäßen Objektiv 20 analog Figur 1 bis 4. Es sind hier 2 Paare an Auskoppelelementen 48 realisiert. Eine Steuer- und Auswerteeinheit 62 steuert zum Einen über eine Verbindung 65 die Beleuchtungsquelle 50 zur abwechselnden Beleuchtung der Probe 10 über jeweils ein Auskoppelelement
48 und zum Anderen über eine Verbindung 64 die Aufnahme der Probe 10 durch die Kamera 61 . Dabei synchronisiert die Steuer- und Auswerteeinheit 62 die Beleuchtung und die Aufnahme und führt die Analyse der Einzelbilder und die Überlagerung analysierten Einzelbilder durch.
Bezuqszeichenliste
10 Probe
11 Probenauflage 12 Probenabdeckung
13 Immersionsflüssigkeit
20 Objektiv
21 optische Achse
22 Gehäuse 30 Frontlinse
31 Abbildungsstrahlen
32 Ebene des probenseitigen Endes der Frontlinse
40 Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung
41 linker Beleuchtungsstrahl 42 rechter Beleuchtungsstrahl
43 linkes Auskoppel- Prisma
44 rechtes Auskoppel- Prisma
45 linker Auskoppel-Spiegel
46 rechter Auskoppel- Spiegel 47 Umlenkspiegel
48 Auskoppelelemente
50 Beleuchtungsquelle
51 Laser
52 Pockelszelle 53 Polarisations-Strahlteiler
54 Umlenkspiegel
55 Lamda/2- Platte
60 Mikroskop
61 Kamera 62 Steuer- und Auswerteeinrichtung
64 Verbindung zu Kamera
65 Verbindung zur Beleuchtungsquelle

Claims

Ansprüche
1. Dunkelfeldobjektiv für ein Mikroskop mit einer Frontlinse zur Aufnahme von Licht von einer Probe und mit einer Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung zur Führung von Beleuchtungslicht auf die Probe dadurch gekennzeichnet, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung mindestens ein Paar
Lichtauskoppelelemente umfasst, die jeweils gegenüber der optischen Achse um die Frontlinse angeordnet sind zur abwechselnden, gegenparallelen Beleuchtung der Probe.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die paarweisen Lichtauskoppelelemente jeweils um 180° versetzt sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelelemente Prismen sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen und die Frontlinse probenseitig im Bereich einer gemeinsamen Ebene enden.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen und die Frontlinse probenseitig in einer gemeinsamen Ebene enden zur Auflage auf einen
Immersionsflüssigkeitsfilm.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung das Beleuchtungslicht in mindestens einem Strahlenpaar durch das Objektiv führt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung das Beleuchtungslicht mindestens teilweise parallel zur optischen Achse durch das Objektiv führt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung das Beleuchtungslicht senkrecht zur optischen Achse von einer Beleuchtungsquelle aufnimmt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung und die Frontlinse von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung zwei Paar Lichtauskoppelelemente umfasst, die paarweise gekreuzt angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung zur Auskopplung des Beleuchtungslicht auf die Probe in einem Winkel von 65° bis 89°, insbesondere von 75° bis 80° zur optischen Achse vorgesehen ist.
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