WO2009092555A1 - Autofokusvorrichtung und autofokussierverfahren für eine abbildungsvorrichtung - Google Patents

Autofokusvorrichtung und autofokussierverfahren für eine abbildungsvorrichtung Download PDF

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WO2009092555A1
WO2009092555A1 PCT/EP2009/000313 EP2009000313W WO2009092555A1 WO 2009092555 A1 WO2009092555 A1 WO 2009092555A1 EP 2009000313 W EP2009000313 W EP 2009000313W WO 2009092555 A1 WO2009092555 A1 WO 2009092555A1
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image
focal plane
focusing
deviation
plane
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PCT/EP2009/000313
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Michael Arnz
Volkmar Betz
Gerd Klose
Mikhail Levtonov
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Carl Zeiss Sms Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/24—Base structure
    • G02B21/241—Devices for focusing
    • G02B21/244—Devices for focusing using image analysis techniques
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/24—Base structure
    • G02B21/241—Devices for focusing
    • G02B21/245—Devices for focusing using auxiliary sources, detectors

Definitions

  • the present invention relates to an autofocusing apparatus and an autofocusing method for an imaging apparatus.
  • Such an autofocus device is known for example from DE 103 19 182 and DE 10 2006027 836 A1.
  • an intensity-modulated lattice image is imaged obliquely onto the sample to be focused and recorded via a camera.
  • the contrast varying laterally in the image is evaluated in order to determine the defocus in the recording direction.
  • an autofocus device for an imaging device which has an imaging optical unit with a first focal plane and a stage for moving an object to be imaged relative to the first focal plane
  • the autofocus device is an imaging module with a second focal plane whose position is known relative to the first focal plane a lighting module for imaging a focusing image along an illuminating beam path into a focusing image plane such that when the object is positioned at a predetermined position at a predetermined distance from the second focal plane, the illuminating beam path is folded due to reflection at the object and the focusing image located in the focusing image plane is the second Focusing plane intersects or lies in this
  • a control module which controls for focusing the imaging device, the stage so that the object is positioned in the desired position, from a signal of Spara recording module, which generates the image acquisition module based on its recording of the focus image when the object is positioned in the desired position, deriving the deviation of the object position from the target position and based on the derived deviation, the predetermined distance
  • this autofocus device is thus advantageously achieved that the object itself is spaced from the second focal plane and thus blurred for the image pickup module.
  • the focusing image intersects or lies in the second focal plane, so that at least the region of the focusing image in the second focal plane is detected significantly sharperly by the image recording module than the object itself.
  • the influence of structures of the object on the image recording module is significantly reduced. whereby the deviation of the position of the object from the target position can be determined very accurately. Based on this deviation, the object can then be positioned taking into account the predetermined distance and the relative position of the first and second focal plane in the first focal plane.
  • the first and second focal planes may coincide. This is the case in particular if the imaging optics of the imaging device is used as the imaging module. This has the additional advantage that no separate image pickup module must be provided.
  • the already existing imaging optics can be used for autofocusing.
  • the focusing image is an intensity-modulated image
  • the image acquisition module then preferably outputting the image of the focusing image as a signal.
  • the control module can then evaluate the recording with regard to intensity modulation or the course of the contrast.
  • the focusing image is intensity-modulated periodically, in particular in a first direction.
  • it can have alternating light and dark stripes.
  • the first direction of the focusing image lying in the focus image plane is preferably not parallel to the intersection line of the focusing image and the second focal plane.
  • the first direction is perpendicular to the cut line.
  • the focusing image may comprise a plurality of intensity-modulated partial images having the same period and periodic in a first direction, wherein the partial images are phase-shifted relative to one another, in particular the partial images may be arranged side by side perpendicular to the first direction.
  • the control module can calculate a partial image deviation for each partial image, from which the deviation is then derived. In particular, an arithmetic averaging can be performed.
  • the image acquisition module may in particular comprise a planar image sensor, such as e.g. a CCD or CMOS sensor to record the focal plane intersecting the second focal plane as a two-dimensional image.
  • a planar image sensor such as e.g. a CCD or CMOS sensor to record the focal plane intersecting the second focal plane as a two-dimensional image.
  • the illumination module preferably includes an illumination source emitting incoherent or partially coherent illumination radiation and a transmission grating.
  • the transmission grating preferably has a periodically varying transmission behavior in a first direction.
  • the illumination module images the illuminated transmission grating as a focusing image into the second focal plane.
  • the image acquisition module can confocally detect the focus image in the second focal plane, for example.
  • the focusing image can be, for example, a confocal point or line illumination, as is known in confocal microscopes.
  • the autofocus device according to the invention may be part of the imaging device.
  • the imaging device can be designed in particular as a microscope. Preferably, it is a microscope in the field of investigation of lithography masks and / or wafers for the semiconductor industry.
  • the grating can not only be designed as a transmissive grating, but also as a reflective grating.
  • a spatial light modulator e.g. a tilting mirror matrix to produce.
  • the grid can not only be passive (ie illuminated), but it is also possible to actively form the grid.
  • self-luminous light modulators may be used, e.g. OLED modulators.
  • an autofocusing method is provided for an imaging device having imaging optics with a first focal plane, wherein in the autofocusing method an imaging module is provided with a second focal plane whose position relative to the first focal plane is known, the object in a desired position with a predetermined Distance is positioned to the second focal plane, a siersent along an illumination beam path is imaged in a siersentebene such that the illumination beam path is folded due to reflection on the object positioned in the target position and the sierstoryebene focusing image in the second focal plane the object image position is derived from the target position based on the image and based on the derived deviation, the predetermined distance and the relative position of the first and second focal plane, the object in the first focal plane is positioned.
  • the present invention further relates to an autofocus device and an autofocusing method for an imaging device.
  • Such an autofocus device is known for example from DE 103 19 182 and DE 10 2006 027 836 A1.
  • an intensity-modulated lattice image is imaged obliquely onto the sample to be focused and recorded via a camera.
  • the contrast varying laterally in the image is evaluated in order to determine the defocus in the recording direction.
  • an autofocus device for an imaging device, which has an imaging optical unit with a first focal plane and a stage for moving an object to be imaged relative to the first focal plane, wherein the Autofocus device, an image pickup module with a second focal plane, the position of which is known relative to the first focal plane, a lighting module for imaging a sierterrorismes having a plurality of in a first direction periodically intensity modulated Teübüder with the same period, the fields are mutually out of phase, along an illumination beam path over the Object in a focus image plane such that, when the object is positioned in a target position, the focusing image in the focus image plane intersects the second focal plane, and a control module which controls the focusing table of the object table so that the object is positioned in the desired position is, from a signal of the image pickup module, the image acquisition module based on its recording of the focus image when the object is positioned in the desired position, derives the deviation of the object position of the target position and basie rend on the derived deviation, the Autofocus device,
  • the focus image has the mutually phase-shifted partial images, in the derivation of the deviation of the object position from the nominal position, the influence of the phase position of the individual partial images of the focus image in the focus image plane can be taken into account. Thereby, the determination of the deviation of the object position from the target position with higher accuracy is possible.
  • the first and second focal planes may coincide. This is the case in particular if the imaging optics of the imaging device is used as the imaging module. This has the additional advantage that no separate image pickup module must be provided.
  • the already existing imaging optics can be used for autofocusing.
  • the focusing image is an intensity-modulated image
  • the image acquisition module then preferably outputting the image of the focusing image as a signal.
  • the control module can then evaluate the recording with regard to intensity modulation or the course of the contrast.
  • the partial images of the focusing image can be arranged perpendicular to the first direction next to one another.
  • the control module can calculate a partial image deviation for each partial image, from which the deviation is then derived.
  • an arithmetic mean of the field deviations can be performed.
  • the first direction of the focusing image lying in the focus image plane is preferably not parallel to the intersection line of the focusing image and the second focal plane.
  • the first direction p is perpendicular to the intersection line.
  • the image acquisition module may in particular comprise a planar image sensor, such as e.g. a CCD or CMOS sensor to record the focal plane intersecting the second focal plane as a two-dimensional image.
  • a planar image sensor such as e.g. a CCD or CMOS sensor to record the focal plane intersecting the second focal plane as a two-dimensional image.
  • the illumination module preferably includes an illumination source emitting incoherent or partially coherent illumination radiation and a transmission grating.
  • the transmission grating preferably has a periodically varying transmission behavior in a first direction.
  • the illumination module images the illuminated transmission grating as a focusing image into the second focal plane.
  • the autofocus device according to the invention may be part of the imaging device.
  • the imaging device can be designed in particular as a microscope. Preferably, it is a microscope in the field of investigation of lithography masks and / or wafers for the semiconductor industry.
  • the grating can not only be designed as a transmissive grating, but also as a reflective grating.
  • a spatial light modulator e.g. a tilting mirror matrix to produce.
  • the grid can not only be passive (ie illuminated), but it is also possible to actively form the grid.
  • self-luminous light modulators may be used, e.g. OLED modulators.
  • the illumination of the object can be done in transmission.
  • incident light illumination is also possible.
  • the illumination beam path may be folded due to a reflection on the object.
  • the desired position may have a predetermined distance to the second focal plane. This advantageously ensures that the object itself is spaced from the second focal plane and thus blurred for the image pickup module.
  • the focusing image intersects the second focal plane, so that at least the region of the focusing image in the second focal plane is significantly sharperly detected by the image acquisition module than the object itself.
  • the influence of structures of the object on the image acquisition module is significantly reduced, whereby the deviation of the Position of the object of the target position can be determined very accurately. Based on this deviation, the object can then be positioned taking into account the predetermined distance and the relative position of the first and second focal plane in the first focal plane.
  • an autofocusing method for an imaging device having imaging optics with a first focal plane, wherein in the autofocusing method for an imaging device having imaging optics with a first focal plane, an imaging module having a second focal plane, its location relative to the first focal plane is, is provided, the object is positioned in a desired position, a focus picture having a plurality of in a first direction periodically intensity modulated fields with a period, the fields are mutually phase-shifted, along an illumination beam path over the object in a siertruckebene mapped such in that the focusing image lying in the focusing image plane intersects the second focal plane, the image recording module captures the focusing image lying in the focusing image plane, the deviation of the object position from the desired position based on the image is derived and based on the derived deviation, the desired position and the relative position of the first and second focal plane, the object is positioned in the first focal plane.
  • the focus picture has the plurality of mutually phase-shifted partial images, the disturbing influence of the phase position of the individual partial images in the focus image plane can be taken into account in the evaluation, whereby the focusing accuracy can be increased.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the autofocus device according to the invention
  • FIG. 2 shows a further illustration of the first embodiment of the autofocus device according to the invention
  • Fig. 3 is a plan view of the transmission grating 13 in Figs. 1 and 2;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the determination of the defocus based on an image of the slanted grating 13;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the aerial image taken by the detector of the CCD camera 10
  • FIG. 6 shows a schematic representation for explaining the offset of the reflected focusing image during a defocusing of the object
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the image of the CCD detector of the camera 10 of the aerial image of the reflected focusing image 21 of FIG. 6;
  • FIG. 8 is an illustration of the intensity profile of the image of FIG. 5; FIG.
  • FIG. 9 shows a representation of the contrast profile derived from the intensity profile of FIG. 8;
  • FIG. 10 is a schematic representation of the influence of an abruptly changing reflection behavior of the object on the intensity profile of the recorded reflected focusing image
  • FIG. 11 is an illustration for explaining the staggered arrangement of the object 3 according to the invention relative to the focal plane 20 for determining the defocusing;
  • 13 shows a representation of the determined defocusing ⁇ BF as a function of the grating period g of the focusing image 19 on the object 3 for an object offset ⁇ z of 4 ⁇ m;
  • 14 is a diagram for explaining the dependence of the calculated defocusing ⁇ BF on the position of the edge at which the reflection behavior of the object changes abruptly on the object for different grating periods g;
  • Fig. 15 is a diagram for explaining the dependence of the calculated defocus ⁇ BF on the initial phase for a grating period g of 250 nm;
  • 16 is a diagram for explaining the dependence of the calculated defocus ⁇ BF on the initial phase for a grating period g of 1000 nm;
  • Fig. 18 is the contrast plot for one of the sub-grids of Fig. 17, assuming that the location of the optimal focus is at the edge of the defocus range;
  • FIG. 19 shows another grating with four sublattices of the same period but different initial phase, the grating period being halved in comparison with the grids of FIG. 17;
  • Fig. 20 is the contrast plot for one of the sublattices of Fig. 19, assuming that the location of the optimal focus is at the edge of the defocus range;
  • Fig. 21 shows another grating having four sublattices of the same period and different initial phase, wherein the grating period of the grating 32 of Fig. 21 is only half the grating period of the grating 31 of Fig. 19;
  • Fig. 22 is the contrast plot for one of the sublattices of Fig. 21, assuming that the location of the optimal focus is at the edge of the defocus measurement range;
  • Fig. 23 is a plot of three times the standard deviation ⁇ of the defocusing ⁇ BF versus grating period for an assumed CCD noise of 2%, and
  • Fig. 24 is a schematic representation of a second embodiment of the autofocus device according to the invention for a confocal microscope.
  • FIG. 1a shows a first embodiment of the autofocus device according to the invention
  • FIG. 2a shows a further illustration of the first embodiment of the autofocus device according to the invention
  • Fig. 3a is a plan view of the transmission grating 13 in Figs. 1 and 2;
  • 4a is a schematic illustration for explaining the determination of the defocusing based on an image of the slanted grating 13;
  • 5a shows a schematic representation of the aerial image taken by the detector of the CCD camera 10
  • 6a shows a schematic representation for explaining the offset of the reflected focusing image during a defocusing of the object
  • 7a is a schematic representation of the recording of the CCD detector of the camera 10 of the aerial image of the reflected focusing image 21 of FIG. 6;
  • FIG. 8a is a representation of the intensity profile of the recording of Fig. 5;
  • 10a is a diagram for explaining the dependence of the calculated defocusing ⁇ BF on the initial phase for a grating period g of 250 nm;
  • 11a is a diagram for explaining the dependence of the calculated defocusing ⁇ BF on the initial phase for a grating period g of 1000 nm;
  • FIG. 12a shows a grating with four sublattices of the same period but different initial phases
  • Fig. 13a is the contrast plot for one of the sublattices of Fig. 12 assuming that the location of the optimal focus is at the edge of the defocus measurement range;
  • Fig. 14a shows another grating with four sublattices of equal period but different initial phase, the grating period being halved compared to the grids of Fig. 12;
  • Figure 15a is the contrast plot for one of the sublattices of Figure 14 assuming that the location of the optimal focus is at the edge of the defocus range;
  • Fig. 16a shows another grating 32 having four sublattices of the same period and different initial phase, the grating period of the grating 32 being only half the grating period of the grating 31 of Fig. 14;
  • Fig. 17a is the contrast plot for one of the sublattices of Fig. 16 assuming that the location of the optimal focus is at the edge of the defocus measurement range;
  • FIG. 18a shows a representation of the three times the standard deviation ⁇ of the defocusing ⁇ BF as a function of the grating period for an assumed CCD noise of 2%
  • FIG. 19a is a schematic representation of the influence of an abruptly changing reflection behavior of the object on the intensity profile of the recorded reflected focusing image
  • FIG. 20a is an illustration for explaining the staggered arrangement of the object 3 relative to the focal plane 20 for determining the defocusing
  • 21a shows a representation of the determined defocusing ⁇ BF as a function of the grating period g of the focusing image 19 on the object 3 for an object offset ⁇ z of 2 ⁇ m;
  • 23a is a diagram for explaining the dependence of the calculated defocusing ⁇ BF on the position of the edge at which the reflection behavior of the object changes abruptly on the object for different grating periods g;
  • the autofocus device 1 is integrated in a microscope 2 for examining lithography masks 3.
  • the microscope 2 comprises an illumination source 4 which emits incoherent or partially coherent illumination radiation having a wavelength of 193 nm.
  • the illumination radiation is guided via a first deflection mirror 5 and a second deflection mirror 6 to the imaging objective 7 and directed by means of this for illumination onto the lithography mask (object) 3 (FIG. 1).
  • the object 3 is imaged onto a CCD camera 10 via the imaging objective 7, the partially transparent deflecting mirror 6 and a tube optics 8, which together form imaging optics 9, in order to produce an image of a part of the object.
  • the lateral position of alignment marks of the lithography mask 3 can be determined with high precision.
  • the microscope 2 also has an object table 11 with which the object 3 can be positioned both laterally and in the direction of observation (ie in the z-direction).
  • the autofocus device 1 uses the illumination source 4 and the imaging objective 7 of the microscope 2 for illuminating the object 3 with a focusing image and uses the imaging objective 7, the tube optics 8 and the CCD camera 9 to record the focusing image.
  • the first deflection mirror 5 is displaceable (indicated by double arrow P1) so that it can be moved out of the beam path of the illumination source 4 coming from the illumination radiation 5, as shown in Fig. 2. Therefore, the illumination radiation strikes a third deflection mirror 12, which directs the illumination radiation through a grating 13 tilted by 45 ° with respect to the direction of propagation of the illumination radiation.
  • the tilt angle can also be any other angle in the range of 1 - 89 °.
  • the grating structure is imaged on the object 3 via an autofocus optical system 14, two further deflection mirrors 15, 16, the second deflection mirror 6 and the imaging objective 7.
  • the deflection mirror 16 is provided so movable (double arrow P2) that it can be moved from the position shown in Fig. 1 in the position shown in FIG. 2, to allow the image of the focusing image on the object 3.
  • the grating 13 may be formed as a grating which alternately has transparent stripes 17 and non-transparent stripes 18 (shown hatched).
  • the grid extends periodically in the x direction.
  • the angle ⁇ the focus image plane in which the focus image 19 is located, with the focal plane 20 of Imaging optics 9 of the microscope 2, approximately 9 °.
  • the object 3 or its upper side is positioned exactly in the focal plane 20.
  • the grating 13 imaged on the object 3 and thus the focusing image 19 is reflected on the object 3, as indicated by the solid line 21, and by the imaging optics 9 in the detector plane 22 of the CCD area sensor (not shown) of the CCD camera 10th shown as aerial picture 23.
  • the CCD detector sees the (aerial) image indicated in FIG.
  • the reflected focusing image 21 also cuts the focal plane 20 in the middle, whereby the location of the best focusing BF of the reflected focusing image 21 in the middle and the aerial image 23 of the reflected focusing image 21 is sharpest at the CCD detector in the center M and decreases outwardly in both directions. The same applies to the contrast in the aerial image 23.
  • the distance .DELTA.F of the edge of the reflected focusing image 21 from the focal plane 20 here is 2 .mu.m, so that the capture range or defocus measurement range is .DELTA.F / 2 and thus 1 .mu.m ,
  • the aerial image 23 recorded by means of the CCD camera is fed to a control unit 24 (FIGS. 1, 2) of the autofocus device 1.
  • the control unit 24 may, for example, perform averaging in the y direction (FIGS. 5, 7) for each x value of the aerial image in order to derive an intensity profile which depends only on the x coordinate.
  • the determined intensity can be plotted as a function of the distance z from the focal plane 20, as shown in Fig. 8 is. In FIG. 8, the intensity of the aerial image 23 of FIG. 5 is plotted, ie the object 3 is optimally focused.
  • the Defocus ⁇ BF indicates here the deviation of the upper side of the object 3 from the focal plane 20 in nm.
  • the contrast profile shown in FIG. 9 can be derived from the intensity profile.
  • there is a convolution of the beam path for imaging the focusing image so that the sier brieflyebene is the same as in Fig. 4, when the object is precisely spaced by .DELTA.z from the focal plane 20 and thus positioned in the desired position.
  • the defocus measuring range remains the same as in FIG. 4 and is thus 1 ⁇ m.
  • the calculated defocus ⁇ BF (ordinate) for an object offset ⁇ z of 4 ⁇ m as a function of the lateral position x (in ⁇ m along the abscissa) of the interfering edge (edge between the two regions 25 and 26 and thus the location of the abruptly changing Reflectivity) is plotted on the object for three different grating periods g.
  • the systematic error in the calculated defocusing ⁇ BF becomes smaller. Since the systematic error of the calculated defocusing ⁇ BF increases with increasing grating period g for the interfering edge position at location BF, the variation width of the systematic error of the calculated defocusing ⁇ BF thus also increases during a lateral movement of the interfering edge.
  • control unit 24 controls the table 11 in such a way that the top side of the object 3 is positioned in the focal plane 20. Thereafter, in the state of the microscope 2 shown in FIG. 1, the desired measurement can be performed.
  • FIG. 15 If one simulates the influence of the lattice phase on the determined defocusing ⁇ BF, the dependence shown in FIG. 15 is obtained for a lattice period g of 250 nm.
  • the detected focus deviation ⁇ BF is shown in dependence on the lattice phase plotted along the abscissa.
  • maximum apparent defocus ⁇ BF of ⁇ 3 nm occurs over a complete lattice phase.
  • FIG. 16 shows the same representation as in FIG. 15 for a grating period of 1000 nm.
  • the mean value over all grating phases is approximately 0 nm both in FIG. 15 and in FIG. 16, which corresponds to the actual defocusing for an optimally focused object 3. Therefore, not only a grating having a period and a phase is used according to an inventive development to improve the measurement accuracy, but for example, several grating with the same period but different phase.
  • grating 3O 1 , 3O 2 , 3O 3 , 3O 4 the same period but different phase or initial phase of a grating 30 are shown.
  • the corresponding defocusing ABF 1 , ⁇ BF 2 , ⁇ BF 3 , ⁇ BF 4 is determined for each subgrid 30i, 30 2 , 3O 3 , 3O 4 , and then an arithmetic averaging of the defocusing values ABF 1 , ⁇ BF 2 , ⁇ BF 3 , ⁇ BF 4 , to arrive at a mean defocus ⁇ BF M.
  • Fig. 18 the intensity profile of one of the four sub-grids 3O 1 , 3O 2 , 3O 3 , 3O 4 of Fig. 17 is shown, wherein it is assumed that the location of the optimum focus BF is located at the edge of the defocus measuring range.
  • Fig. 19 and 20 two further gratings 31, 32 are shown with four mutually phase-shifted partial gratings, wherein the grating period of the grid 31 in Fig. 19 is half the size of that of the grating 30 in Fig. 17.
  • the grating period of the grating 32 in Fig. 21 is again half the grating period of the grating 31 of Fig. 19.
  • the noise of the image sensor falsifies the evaluation of the dependent on the lateral position aerial image contrast. Therefore, the defocus values derived from the contrast profile will also be affected, which manifests itself as a so-called 3 ⁇ reproducibility effect.
  • the values of the determined defocusing ⁇ BF will fluctuate around the mean value with a standard deviation ⁇ .
  • the specific standard deviation for each lattice phase was determined separately and then the total standard deviation ⁇ was calculated by the quadratic averaging of the specific standard deviations.
  • the profile shown in FIG. 23 results for grating periods g of 250-750 nm.
  • the influence of the CCD noise decreases.
  • the decrease of ⁇ with increasing g is due in particular to the fact that the width of the Gaussian apodization used for the convolution increases with increasing g, whereby the noise is effectively averaged over a larger lateral area perpendicular to the grid lines and thus reduced.
  • the defocusing ⁇ BF decreases with decreasing lattice constant g (always indicated in the focusing image 19, 21).
  • the CCD noise is better suppressed with increasing lattice constant g.
  • the phase dependent averaging described in connection with Figs. 15 and 16 results in less defocus ⁇ BF.
  • a numerical aperture NA of the imaging objective 7 of 0.6 and an incoherent or partial coherent illumination of the grating 13 a grating period g of 300-800 nm is preferably selected.
  • the grating period g can be in the range 400-600 nm.
  • the object offset is preferably greater than or equal to 1 ⁇ m. However, it can also be greater than or equal to 2 ⁇ m or greater than 4 ⁇ m. However, it should not be chosen larger than 10 ⁇ m.
  • the range of the grating period g as a function of the limiting resolution g ⁇ , m as preferably 1, 5 g, ⁇ m to 5 g ⁇ im specified.
  • g can be in the range of 2.5 g l ⁇ r ⁇ to 4 giim.
  • the object offset is preferably> 2DOF. However, it can also be> 4DOF or> 8DOF and should preferably be ⁇ 20DOF.
  • the detector plane 22 is perpendicular to the optical axis of the imaging optics 9 (image acquisition module) and the grating 13 is tilted relative to the optical axis of the autofocus optics 14 and the imaging objective 7 or relative to the propagation direction of the illumination radiation.
  • the focusing plane in which the reflected focusing image 21 lies is tilted with respect to the focal plane 20.
  • the focusing plane and the focal plane are not parallel to each other.
  • both the grating 13 and the CCD detector may be tilted. It only needs to be ensured that the focusing plane and the focal plane are not parallel to each other.
  • FIG. 24 shows an exemplary embodiment of the autofocusing device according to the invention in the field of confocal microscopy.
  • the illumination module BM illuminates the object 3 to be focused with illumination radiation 40 via an autofocus optical system 41 in such a way that the desired confocal point illumination 42 is present in the focal plane 20 after reflection of the illumination radiation 40 at the object 3 offset by ⁇ z from the focal plane 20.
  • the image acquisition module AM is now designed so that the confocal point illumination 42 is confocally focused on the partially transparent deflection mirror 43.
  • the object 3 Since the object 3 is positioned far outside the focal plane 20, the object 3 itself is not detected by the image pickup module AM, so that the disturbing influence of structures on the object 3 is minimized.
  • the intensity detected by the image acquisition module may be used to determine the present defocus ⁇ BF.
  • two measurements can be performed successively in which the position of the object 3 is slightly varied. It can then be deduced in which direction the defocus ⁇ BF is given. Based on the thus measured defocusing ⁇ BF, the object 3 can be positioned in the focal plane 20 by means of a specimen stage (not shown in FIG. 24) and thus focused for the confocal imaging.
  • illumination and deflection devices known from confocal microscopy can be used.
  • the image acquisition module AM can also be used for the confocal examination of the object 3.
  • a calibration may be performed.
  • the defocus ⁇ BF determined by means of the autofocus device is determined and compared with another focusing method.
  • the other focusing method may, in particular, be focusing methods in which the object is positioned in the focal plane 20. The difference of the focusing (and thus the
  • Positioning of the object 3) is then used to calibrate the autofocus device according to the invention.
  • the autofocus device 1a is integrated in a microscope 2a for examining lithography masks 3a.
  • the microscope 2a comprises an illumination source 4a which emits incoherent or partially coherent illumination radiation having a wavelength of 193 nm.
  • the illumination radiation is guided via a first deflection mirror 5a and a second deflection mirror 6a to the imaging objective 7a and directed by means of this illumination to the lithography mask (object) 3a (FIG. 1a).
  • the object 3a is imaged on a CCD camera 10a via the imaging objective 7a, the partially transparent deflection mirror 6a and a tube optics 8a, which together form imaging optics 9a, in order to generate an image of a part of the object.
  • the lateral position of alignment marks of the lithography mask 3a can be determined with high precision.
  • the microscope 2a further has an object table 11a with which the object 3a can be positioned both laterally and in the direction of observation (ie in the z-direction).
  • the autofocus device 1 a uses the illumination source 4 a and the imaging objective 7 a of the microscope 2 a to illuminate the object 3 a with a focusing image and uses the imaging objective 7 a, the tube optics 6 a and the CCD camera 9 a to record the focusing image.
  • the first deflection mirror 5a is displaceable (indicated by double arrow Pia), so that it can be moved out of the beam path of the illumination source 4a coming illumination radiation 5a, as shown in Fig. 2a. Therefore, the illumination radiation strikes a third deflection mirror 12a, which directs the illumination radiation through a grating 13a tilted by 45 ° with respect to the propagation direction of the illumination radiation.
  • the tilt angle can also be any other angle in the range of 1 - 89 °.
  • the grating structure is imaged onto the object 3a via an autofocus optical system 14a, two further deflection mirrors 15a, 16a, the second deflection mirror 6 and the imaging objective 7a.
  • the deflection mirror 16a is provided so movable (double arrow P2a) that it can be moved from the position shown in Fig. 1a in the position shown in Fig. 2a, to allow the image of the focusing image on the object 3a.
  • the grating 13a may be formed as a grating having alternately transparent stripes 17a and non-transparent stripes 18a (shown hatched).
  • the grid extends periodically in the x direction.
  • the angle .alpha which the focusing image plane in which the focusing image 19a lies is with the focal plane 20a Imaging optics 9a of the microscope 2, approximately 9 °. In the representation shown in FIG. 4a, it is assumed that the object 3a or its upper side is positioned exactly in the focal plane 20a.
  • the grating 13a imaged on the object 3a, and thus the focusing image 19a, is reflected on the object 3a as indicated by the solid line 21a and by the imaging optics 9a in the detector plane 22a of the CCD area sensor (not shown) of the CCD camera 10a imaged as aerial view 23a.
  • the CCD detector sees the (aerial) image indicated in FIG.
  • the focal plane 20a intersects in the center (seen in the x direction)
  • the reflected focusing image 21a also intersects the focal plane 20a in the middle, whereby the location of the best focus BF of the reflected focusing image 21a is in the center and the aerial image 23a of the reflected focus image 21a at the CCD detector is sharper in the center M and decreases outwardly in both directions.
  • the contrast in the aerial image 23a is sharper in the center M and decreases outwardly in both directions.
  • the distance .DELTA.F of the edge of the reflected focusing image 21a from the focal plane 20a here is 2 .mu.m, so that the capture range or the defocus measuring range is .DELTA.F / 2 and thus 1 .mu.m ,
  • the aerial image 23a recorded by means of the CCD camera is fed to a control unit 24a (FIGS. 1a, 2a) of the autofocus device 1a.
  • the control unit 24a can, for example, perform an averaging in the y-direction (FIGS. 5a, 7a) for each x value of the aerial image in order to derive an intensity profile which depends only on the x-coordinate.
  • the determined intensity can be plotted as a function of the distance z from the focal plane 20a, as shown in Fig. 8a is.
  • Fig. 8a is the determined intensity
  • the intensity of the aerial image 23a of Fig. 5a is plotted, i. the object 3a is optimally focused.
  • the defocusing ⁇ BF here indicates the deviation of the top side of the object 3a from the focal plane 20a in nm.
  • the contrast profile shown in FIG. 9a can be derived from the intensity profile.
  • the grating 11a is always imaged onto the object 3a in such a way that a non-transparent strip 18a is reflected in the mirror Focusing image 21 a exactly centered in the best focus position BF. In fact, this can not be guaranteed.
  • the non-transparent strip 18a may be slightly offset to the best focus position BF. This offset is called below grid phase or initial phase.
  • FIG. 10a the determined focus deviation ⁇ BF is shown along the ordinate for an optimally focused object as a function of the grating phase, which is plotted along the abscissa.
  • maximum apparent defocus ⁇ BF of ⁇ 3 nm occurs over a complete lattice phase.
  • FIG. 15a shows the same representation as in FIG. 14a for a grating period of 1000 nm.
  • the mean value over all grating phases is approximately 0 nm both in FIG. 10a and in FIG. 11a, which corresponds to the actual defocusing for an optimally focused object 3a. Therefore, according to the present invention, in order to improve the measurement accuracy in the embodiment described here, not only a grating having a period and a phase but also, for example, a plurality of grating having the same period but different phase will be used.
  • grating 3Oa 1 , 3Oa 2 , 3Oa 3 , 3Oa 4 same period but different phase or initial phase of a grating 30a are shown.
  • the corresponding defocusing ⁇ BFai, ⁇ BFa 2 , ⁇ BFa 3 , ⁇ BFa 4 is determined on the basis of the contrast and then an arithmetic averaging of the defocusing values ABFa 1 , ⁇ BFa 2 , ⁇ BFa 3 , ⁇ BFa 4 is performed in order to arrive at a mean defocusing ⁇ BFa M.
  • Fig. 13a the intensity profile of one of the four sub-grids 3Oa 1 , 3Oa 2 , 3Oa 3 , 3Oa 4 of Fig. 12a is shown, it being assumed that the location of the optimum focus BF is located at the edge of the defocus measuring range.
  • Fig. 14a and 15a two further grids 31a, 32a are shown with four mutually phase-shifted sublattices, wherein the grating period of the grating 31a in Fig. 14a is half as large as that of the grating 30a in Fig. 12a. Again, the grating period of the grating 32a in Fig. 16a is half the grating period of the grating 31a of Fig. 14a.
  • the grids of FIGS. 12a, 14a, 16a are referred to below as multi-gratings. It is preferred to use a plurality of multi-gratings with different grating periods, which can be formed on a common carrier and thus simultaneously imaged as a focusing image 19a.
  • the multi-gratings 30a, 31a, 32a are arranged side by side perpendicular to the grating direction, so that the grating directions of the multi-gratings 30a, 31a, 32a are parallel to one another.
  • the grid direction extends from left to right and the multi-gratings 30a, 31a, 32a.
  • each multi-grid 30a-32a may have more or less than four sub-grids. However, it is preferred to provide at least four partial gratings.
  • the phase offset of the adjacent partial gratings is preferably constant.
  • control unit 24a controls the table such that the top side of the object 3a is positioned in the focal plane 20a. Thereafter, in the state of the microscope 2a shown in Fig. 1a, the desired measurement can be performed.
  • the noise of the image sensor falsifies the evaluation of the dependent on the lateral position aerial image contrast. Therefore, the defocus values derived from the contrast profile will also be affected, which manifests itself as a so-called 3 ⁇ reproducibility effect.
  • the values of the determined defocusing ⁇ BF will fluctuate around the mean value with a standard deviation ⁇ .
  • the specific standard deviation for each lattice phase was determined separately and then the total standard deviation ⁇ was calculated by the quadratic averaging of the specific standard deviations.
  • the profile shown in FIG. 18 results for grating periods g of 250-750 nm.
  • the influence of the CCD noise decreases.
  • the decrease of ⁇ with increasing g is due in particular to the fact that the width of the Gaussian apodization used for the convolution increases with increasing g, whereby the noise is effectively averaged over a larger lateral area perpendicular to the grid lines and thus reduced.
  • Area 25a ( Figure 4a) e.g. about 4% and the reflectivity of the right region 26a e.g. about 30
  • the autofocus optical system 14a according to the invention is designed so that the focusing image 19a is axially displaced by 2 ⁇ z.
  • the focusing image 21a reflected in the position of FIG. 20a on the sample 3a will have its best focus location BF in the center of the focal plane 20a.
  • Fig. 22a shows the same qualitative course as Fig. 21a; the calculated defocusing ⁇ BF decreases with decreasing grating period g.
  • the defocusing ⁇ BF can be determined with sufficient accuracy.
  • Fig. 23a the calculated defocus ⁇ BF (ordinate) for an object displacement of ⁇ z of 4 ⁇ m as a function of the lateral position x (in ⁇ m along the abscissa) of the interfering edge (edge between the two areas 25a and 26a and thus the location of the jump changing reflectivity) is plotted on the object for three different grating periods g.
  • the systematic error in the calculated defocusing ⁇ BF becomes smaller. Since the systematic error of the calculated defocusing ⁇ BF increases with increasing grating period g for the interfering edge position at location BF, the variation width of the systematic error of the calculated defocusing ⁇ BF thus also increases during a lateral movement of the interfering edge.
  • control unit 24a controls the table 11a such that the top of the object 3a is positioned in the focal plane 20a. Thereafter, in the state of the microscope 2a shown in Fig. 1a, the desired measurement can be performed.
  • the defocusing ⁇ BF decreases with decreasing lattice constant g (always indicated in the focusing image 19a, 21a).
  • the CCD noise is better suppressed with increasing lattice constant g.
  • the phase dependent averaging described in connection with Figures 10a and 11a results in less defocus ⁇ BF.
  • a numerical aperture NA of the imaging objective 7a of 0.6 and an incoherent or partial coherent illumination of the grating 13a preferably a grating period g of 300-800 nm is selected.
  • the grating period g can be in the range 400-600 nm.
  • the object offset is preferably greater than or equal to 1 ⁇ m. However, it can also be greater than or equal to 2 ⁇ m or greater than 4 ⁇ m. However, it should not be larger than 10 ⁇ m.
  • the object offset is preferably> 2DOF. However, it can also be> 4DOF or> 8DOF and should preferably be ⁇ 20DOF.
  • the detector plane 22a is perpendicular to the optical axis of the imaging optics 9a (image acquisition module) and the grating 13a is tilted relative to the optical axis of the autofocus optics 14a and the imaging objective 7a or relative to the propagation direction of the illumination radiation.
  • the focusing plane in which the reflected focusing image 21a lies is tilted with respect to the focal plane 20a.
  • the focusing plane and the focal plane are not parallel to each other.
  • both the grating 13a and the CCD detector may be tilted. It only needs to be ensured that the focusing plane and the focal plane are not parallel to each other.
  • a calibration may be performed.
  • the defocus ⁇ BF determined by means of the autofocus device is determined and compared with another focusing method.
  • the other focusing method it can in particular are focusing methods in which the object is positioned in the focal plane 20a. The difference of the focusing (and thus the z-positioning of the object 3a) thus determined is then used to calibrate the autofocus device according to the invention.

Abstract

Es wird bereitgestellt eine Autofokusvorrichtung für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik (9) mit einer ersten Fokusebene (20) und einen Objekttisch (11) zum Bewegen eines abzubildenden Objektes (3) relativ zur ersten Fokusebene (20) aufweist, wobei die Autofokusvorrichtung (1) a) ein Bildaufnahmemodul (9) mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene (20) bekannt ist, b) ein Beleuchtungsmodul (BM) zum Abbilden eines Fokussierbildes entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in eine Fokussierbildebene derart, daß, wenn das Objekt in einer Sollposition mit einem vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene positioniert ist, der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am Objekt gefaltet ist und das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet oder in dieser liegt, und c) ein Steuermodul umfaßt, das zum Fokussieren der Abbildungsvorrichtung (9) den Objekttisch (11) so ansteuert, daß das Objekt (3) in der Sollposition positioniert ist, aus einem Signal des Bildaufnahmemoduls, das das Bildaufnahmemodul anhand seiner Aufnahme des Fokussierbildes, wenn das Objekt in der Sollposition positioniert ist, erzeugt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition ableitet und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, dem vorbestimmten Abstand und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert ist.

Description

Autofokusvorrichtunq und Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine AutofoküSvorrichtung und ein Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung.
Eine solche Autofokusvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 103 19 182 sowie der DE 10 2006027 836 A1 bekannt. Bei diesen Autofokusvorrichtungen wird ein intensitätsmoduliertes Gitterbild schräg auf die zu fokussierende Probe abgebildet und über eine Kamera aufgenommen. Der lateral in der Aufnahme variierende Kontrast wird ausgewertet, um die Defokussierung in Aufnahmerichtung zu ermitteln.
Bei solchen Autofokusvorrichtungen besteht jedoch die Schwierigkeit, daß häufig Strukturen des Objektes zu einer unerwünschten Modulation der Intensität des abgebildeten Gitterbildes führen. Aufgrund dieser nicht vorhersehbaren Intensitätsvariationen ist die Genauigkeit bei der Bestimmung der Defokussierung und somit auch die Fokussierungsgenauigkeit der Autofokusvorrichtung beschränkt.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Autofokusvorrichtung mit höherer Genauigkeit für eine Abbildungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Ferner soll ein entsprechendes Autofokussierverfahren bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Autofokusvorrichtung für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik mit einer ersten Fokusebene und einen Objekttisch zum Bewegen eines abzubildenden Objektes relativ zur ersten Fokusebene aufweist, wobei die Autofokusvorrichtung ein Bildaufnahmemodul mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene bekannt ist, ein Beleuchtungsmodul zum Abbilden eines Fokussierbildes entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in eine Fokussierbildebene derart, daß, wenn das Objekt in einer Sollposition mit einem vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene positioniert ist, der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am Objekt gefaltet ist und das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet oder in dieser liegt, und ein Steuermodul umfaßt, das zum Fokussieren der Abbildungsvorrichtung den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der Sollposition positioniert ist, aus einem Signal des Bildaufnahmemoduls, das das Bildaufnahmemodul anhand seiner Aufnahme des Fokussierbildes, wenn das Objekt in der Sollposition positioniert ist, erzeugt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition ableitet und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, dem vorbestimmten Abstand und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert ist. Bei dieser Autofokusvorrichtung wird somit vorteilhaft erreicht, daß das Objekt selbst von der zweiten Fokusebene beabstandet und somit für das Bildaufnahmemodul unscharf ist. Das Fokussierbild jedoch schneidet die zweite Fokusebene oder liegt in dieser, so daß zumindest der Bereich des Fokussierbildes in der zweiten Fokusebene deutlich schärfer vom Bildaufnahmemodul erfaßt wird als das Objekt selbst. Damit wird der Einfluß von Strukturen des Objektes auf die Aufnahme des Bildaufnahmemoduls deutlich reduziert, wodurch die Abweichung der Position des Objektes von der Sollposition äußerst genau bestimmt werden kann. Basierend auf dieser Abweichung kann dann das Objekt unter Berücksichtigung des vorbestimmten Abstandes und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene in der ersten Fokusebene positioniert werden.
Bei der Autofokusvorrichtung können die erste und zweite Fokusebene zusammenfallen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn als Bildaufnahmemodul die Abbildungsoptik der Abbildungsvorrichtung verwendet wird. Dies weist den zusätzlichen Vorteil auf, daß kein separates Bildaufnahmemodul vorgesehen werden muß. Es kann die schon vorhandene Abbildungsoptik für die Autofokussierung benutzt werden.
Bei dem Fokussierbild handelt es sich insbesondere um ein intensitätsmoduliertes Bild, wobei das Bildaufnahmemodul als Signal dann bevorzugt die Aufnahme des Fokussierbildes ausgibt.
Das Steuermodul kann dann die Aufnahme hinsichtlich Intensitätsmodulationen oder des Kontrastverlaufes auswerten.
Das Fokussierbild ist insbesondere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmoduliert. So kann es beispielsweise abwechselnd helle und dunkle Streifen aufweisen.
Die erste Richtung des in der Fokussierbildebene liegenden Fokussierbildes ist bevorzugt nicht parallel zur Schnittgeraden von Fokussierbild und zweiter Fokusebene. Insbesondere ist die erste Richtung senkrecht zur Schnittgeraden.
Das Fokussierbild kann mehrere in einer ersten Richtung periodische intensitätsmodulierte Teilbilder mit gleicher Periode aufweisen, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind, insbesondere können die Teilbilder senkrecht zur ersten Richtung nebeneinander angeordnet sein. Das Steuermodul kann in diesem Fall für jedes Teilbild eine Teilbildabweichung berechnen, aus der dann die Abweichung abgeleitet wird. Insbesondere kann eine arithmetische Mittelung durchgeführt werden.
Das Bildaufnahmemodul kann insbesondere einen flächigen Bildsensor, wie z.B. einen CCD- oder CMOS-Sensor aufweisen, um das die zweite Fokusebene schneidende Fokussierbild als zweidimensionales Bild aufzunehmen.
Das Beleuchtungsmodul enthält bevorzugt eine Beleuchtungsquelle, die inkohärente oder partiell kohärente Beleuchtungsstrahlung abgibt, und ein Transmissionsgitter. Das Transmissionsgitter weist bevorzugt in einer ersten Richtung ein periodisch variierendes Transmissionsverhalten auf. Das Beleuchtungsmodul bildet das beleuchtete Transmissionsgitter als Fokussierbild in die zweite Fokusebene ab.
Das Bildaufnahmemodul kann das Fokussierbild in der zweiten Fokusebene beispielsweise konfokal detektieren. In diesem Fall kann das Fokussierbild beispielsweise eine konfokale Punkt- oder Strichbeleuchtung sein, wie dies bei konfokalen Mikroskopen bekannt ist.
Die erfindungsgemäße Autofokusvorrichtung kann Bestandteil der Abbildungsvorrichtung sein. Die Abbildungsvorrichtung kann insbesondere als Mikroskop ausgebildet sein. Bevorzugt ist sie ein Mikroskop im Bereich der Untersuchung von Lithographiemasken und/oder Wafern für die Halbleiterindustrie.
Das Gitter kann natürlich nicht nur als transmissives Gitter, sondern auch als reflektives Gitter ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, das Gitter mittels eines räumlichen Lichtmodulators, wie z.B. einer Kippspiegelmatrix zu erzeugen. Das Gitter kann nicht nur passiv sein (also beleuchtet werden), sondern es ist auch möglich, das Gitter aktiv auszubilden. Dazu können beispielsweise selbstleuchtende Lichtmodulatoren eingesetzt werden, wie z.B. OLED- Modulatoren.
Ferner wird ein Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik mit einer ersten Fokusebene aufweist, bereitgestellt, wobei bei dem Autofokussierverfahren ein Bildaufnahmemodul mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene bekannt ist, vorgesehen wird, das Objekt in einer Sollposition mit einem vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene positioniert wird, ein Fokussierbild entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in eine Fokussierbildebene derart abgebildet wird, daß der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am in der Sollposition positionierten Objekt gefaltet wird und das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet oder in dieser liegt, das Bildaufnahmemodul das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild aufnimmt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition anhand der Aufnahme abgeleitet wird und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, dem vorbestimmten Abstand und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert wird.
Mit diesem Autofokussierverfahren wird der Vorteil erreicht, daß das Fokussierbild scharf aufgenommen wird und gleichzeitig das Objekt unscharf ist. Somit können Strukturen des Objektes, die bei der Bestimmung der Defokussierung stören, wirksam unterdrückt werden.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Autofokussierverfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüche angegeben.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Autofokusvorrichtung und ein Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung.
Eine solche Autofokusvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 103 19 182 sowie der DE 10 2006 027 836 A1 bekannt. Bei diesen Autofokusvorrichtungen wird ein intensitätsmoduliertes Gitterbild schräg auf die zu fokussierende Probe abgebildet und über eine Kamera aufgenommen. Der lateral in der Aufnahme variierende Kontrast wird ausgewertet, um die Defokussierung in Aufnahmerichtung zu ermitteln.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Fokussiergenauigkeit der bekannten Verfahren gerade für Anwendungen im Bereich der Untersuchung von Lithographiemasken und/oder Wafern in der Halbleiterfertigung nicht ausreichend ist.
Ausgehend hiervon ist es weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Autofokusvorrichtung mit höherer Genauigkeit für eine Abbildungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Ferner soll ein entsprechendes Autofokussierverfahren bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Autofokusvorrichtung für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik mit einer ersten Fokusebene und einen Objekttisch zum Bewegen eines abzubildenden Objektes relativ zur ersten Fokusebene aufweist, wobei die Autofokusvorrichtung ein Bildaufnahmemodul mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene bekannt ist, ein Beleuchtungsmodul zum Abbilden eines Fokussierbildes, das mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teübüder mit gleicher Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind, entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges über das Objekt in eine Fokussierbildebene derart, daß, wenn das Objekt in einer Sollposition positioniert ist, das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet, und ein Steuermodul umfaßt, das zum Fokussieren der Abbildungsvorrichtung den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der Sollposition positioniert ist, aus einem Signal des Bildaufnahmemoduls, das das Bildaufnahmemodul anhand seiner Aufnahme des Fokussierbildes, wenn das Objekt in der Sollposition positioniert ist, erzeugt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition ableitet und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, der Sollposition und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert ist.
Da das Fokussierbild die zueinander phasenverschobenen Teilbilder aufweist, kann bei der Ableitung der Abweichung der Objektposition von der Sollposition der Einfluß der Phasenlage der einzelnen Teilbilder des Fokussierbildes in der Fokussierbildebene berücksichtigt werden. Dadurch ist die Bestimmung der Abweichung der Objektposition von der Sollposition mit höherer Genauigkeit möglich.
Bei der Autofokusvorrichtung können die erste und zweite Fokusebene zusammenfallen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn als Bildaufnahmemodul die Abbildungsoptik der Abbildungsvorrichtung verwendet wird. Dies weist den zusätzlichen Vorteil auf, daß kein separates Bildaufnahmemodul vorgesehen werden muß. Es kann die schon vorhandene Abbildungsoptik für die Autofokussierung benutzt werden.
Bei dem Fokussierbild handelt es sich insbesondere um ein intensitätsmoduliertes Bild, wobei das Bildaufnahmemodul als Signal dann bevorzugt die Aufnahme des Fokussierbildes ausgibt.
Das Steuermodul kann dann die Aufnahme hinsichtlich Intensitätsmodulationen oder des Kontrastverlaufes auswerten.
Insbesondere können die Teilbilder des Fokussierbildes senkrecht zur ersten Richtung nebeneinander angeordnet sein. Das Steuermodul kann für jedes Teilbild eine Teilbildabweichung berechnen, aus der dann die Abweichung abgeleitet wird. Insbesondere kann eine arithmetische Mittelung der Teilbildabweichungen durchgeführt werden.
Die erste Richtung des in der Fokussierbildebene liegenden Fokussierbildes ist bevorzugt nicht parallel zur Schnittgeraden von Fokussierbild und zweiter Fokusebene. Insbesondere ist die erste Richtung p senkrecht zur Schnittgeraden.
Das Bildaufnahmemodul kann insbesondere einen flächigen Bildsensor, wie z.B. einen CCD- oder CMOS-Sensor aufweisen, um das die zweite Fokusebene schneidende Fokussierbild als zweidimensionales Bild aufzunehmen.
Das Beleuchtungsmodul enthält bevorzugt eine Beleuchtungsquelle, die inkohärente oder partiell kohärente Beleuchtungsstrahlung abgibt, und ein Transmissionsgitter. Das Transmissionsgitter weist bevorzugt in einer ersten Richtung ein periodisch variierendes Transmissionsverhalten auf. Das Beleuchtungsmodul bildet das beleuchtete Transmissionsgitter als Fokussierbild in die zweite Fokusebene ab.
Die erfindungsgemäße Autofokusvorrichtung kann Bestandteil der Abbildungsvorrichtung sein. Die Abbildungsvorrichtung kann insbesondere als Mikroskop ausgebildet sein. Bevorzugt ist sie ein Mikroskop im Bereich der Untersuchung von Lithographiemasken und/oder Wafern für die Halbleiterindustrie.
Das Gitter kann natürlich nicht nur als transmissives Gitter, sondern auch als reflektives Gitter ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, das Gitter mittels eines räumlichen Lichtmodulators, wie z.B. einer Kippspiegelmatrix zu erzeugen. Das Gitter kann nicht nur passiv sein (also beleuchtet werden), sondern es ist auch möglich, das Gitter aktiv auszubilden. Dazu können beispielsweise selbstleuchtende Lichtmodulatoren eingesetzt werden, wie z.B. OLED- Modulatoren.
Bei der Autofokusvorrichtung kann die Beleuchtung des Objektes in Transmission erfolgen. Natürlich ist auch eine Auflichtbeleuchtung möglich. Insbesondere kann der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund einer Reflexion am Objekt gefaltet sein.
Ferner kann bei der Strahlengangfaltung aufgrund der Reflexion am Objekt die Sollposition einen vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene aufweisen. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, daß das Objekt selbst von der zweiten Fokusebene beabstandet und somit für das Bildaufnahmemodul unscharf ist. Das Fokussierbild jedoch schneidet die zweite Fokusebene, so daß zumindest der Bereich des Fokussierbildes in der zweiten Fokusebene deutiich schärfer vom Bildaufnahmemodul erfaßt wird als das Objekt selbst. Damit wird der Einfluß von Strukturen des Objektes auf die Aufnahme des Bildaufnahmemoduls deutlich reduziert, wodurch die Abweichung der Position des Objektes von der Sollposition äußerst genau bestimmt werden kann. Basierend auf dieser Abweichung kann dann das Objekt unter Berücksichtigung des vorbestimmten Abstandes und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene in der ersten Fokusebene positioniert werden.
Ferner wird ein Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik mit einer ersten Fokusebene aufweist, bereitgestellt, wobei bei dem Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik mit einer ersten Fokusebene aufweist, ein Bildaufnahmemodul mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene bekannt ist, vorgesehen wird, das Objekt in einer Sollposition positioniert wird, ein Fokussierbild, das mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teilbilder mit einer Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind, entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges über das Objekt in eine Fokussierbildebene derart abgebildet wird, daß das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet, das Bildaufnahmemodul das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild aufnimmt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition anhand der Aufnahme abgeleitet wird und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, der Sollposition und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert wird.
Da das Fokussierbild die mehreren zueinander phasenverschobenen Teilbilder aufweist, kann bei der Auswertung der störende Einfluß der Phasenlage der einzelnen Teilbilder in der Fokussierbildebene berücksichtigt werden, wodurch die Fokussiergenauigkeit erhöht werden kann.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Autofokussierverfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüche angegeben.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Äusführungsform der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung;
Fig. 2 eine weitere Darstellung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung;
Fig. 3 eine Draufsicht des Transmissionsgitters 13 in Fig. 1 und 2;
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Bestimmung der Defokussierung basierend auf einer Abbildung des schräg gestellten Gitters 13;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des vom Detektor der CCD-Kamera 10 aufgenommenen Luftbildes;
Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Versatzes der reflektierten Fokussierbildes bei einer Defokussierung des Objektes;
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Aufnahme des CCD-Detektors der Kamera 10 des Luftbildes des reflektierten Fokussierbildes 21 von Fig. 6;
Fig. 8 eine Darstellung des Intensitätsprofils der Aufnahme von Fig. 5;
Fig. 9 eine Darstellung des aus dem Intensitätsprofil von Fig. 8 abgeleiteten Kontrastprofils;
Fig. 10 eine schematische Darstellung des Einflusses eines sich sprunghaft ändernden Reflexionsverhaltens des Objektes auf den Intensitätsverlauf des aufgenommenen reflektierten Fokussierbildes;
Fig. 11 eine Darstellung zur Erläuterung der erfindungsgemäßen versetzten Anordnung des Objektes 3 relativ zur Fokusebene 20 zur Bestimmung der Defokussierung;
Fig. 12 eine Darstellung der ermittelten Defokussierung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterperiode g des Fokussierbildes 19 auf dem Objekt 3 für einen Objektversatz Δz von 2 μm;
Fig. 13 eine Darstellung der ermittelten Defokussierung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterperiode g des Fokussierbildes 19 auf dem Objekt 3 für einen Objektversatz Δz von 4 μm; Fig. 14 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der berechneten Defokussierung ΔBF von der Lage der Kante, bei der sich das Reflexionsverhalten des Objektes sprunghaft ändert, auf dem Objekt für unterschiedliche Gitterperioden g;
Fig. 15 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der berechneten Defokussierung ΔBF von der Anfangsphase für eine Gitterperiode g von 250 nm;
Fig. 16 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der berechneten Defokussierung ΔBF von der Anfangsphase für eine Gitterperiode g von 1000 nm;
Fig. 17 ein Gitter mit vier Teilgittern gleicher Periode aber unterschiedlicher Anfangsphasen;
Fig. 18 der Kontrastverlauf für eines der Teilgitter von Fig. 17 unter der Annahme, daß der Ort der optimalen Fokussierung am Rande des Defokus-Meßbereiches liegt;
Fig. 19 ein weiteres Gitter mit vier Teilgittern gleicher Periode aber unterschiedlicher Anfangsphase, wobei die Gitterperiode im Vergleich zu den Gittern von Fig. 17 halbiert ist;
Fig. 20 der Kontrastverlauf für eines der Teilgitter von Fig. 19 unter der Annahme, daß der Ort der optimalen Fokussierung am Rande des Defokus-Meßbereiches liegt;
Fig. 21 ein weiteres Gitter mit vier Teilgittern gleicher Periode und unterschiedlicher Anfangsphase, wobei die Gitterperiode des Gitters 32 von Fig. 21 nur halb so groß ist wie die Gitterperiode des Gitters 31 von Fig. 19;
Fig. 22 der Kontrastverlauf für eines der Teilgitter von Fig. 21 unter der Annahme, daß der Ort der optimalen Fokussierung am Rande des Defokus-Meßbereiches liegt;
Fig. 23 eine Darstellung der dreifachen Standardabweichung σ der Defokussierung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterperiode für ein angenommenes CCD-Rauschen von 2 %, und
Fig. 24 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung für ein konfokales Mikroskop.
Fig. 1a eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung; Fig. 2a eine weitere Darstellung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung;
Fig. 3a eine Draufsicht des Transmissionsgitters 13 in Fig. 1 und 2;
Fig. 4a eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Bestimmung der Defokussierung basierend auf einer Abbildung des schräg gestellten Gitters 13;
Fig. 5a eine schematische Darstellung des vom Detektor der CCD-Kamera 10 aufgenommenen Luftbildes;
Fig. 6a eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Versatzes der reflektierten Fokussierbildes bei einer Defokussierung des Objektes;
Fig. 7a eine schematische Darstellung der Aufnahme des CCD-Detektors der Kamera 10 des Luftbildes des reflektierten Fokussierbildes 21 von Fig. 6;
Fig. 8a eine Darstellung des Intensitätsprofils der Aufnahme von Fig. 5;
Fig. 9a eine Darstellung des aus dem Intensitätsprofil von Fig. 8 abgeleiteten Kontrastprofils;
Fig. 10a ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der berechneten Defokussierung ΔBF von der Anfangsphase für eine Gitterperiode g von 250 nm;
Fig. 11a ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der berechneten Defokussierung ΔBF von der Anfangsphase für eine Gitterperiode g von 1000 nm;
Fig. 12a ein Gitter mit vier Teilgittern gleicher Periode aber unterschiedlicher Anfangsphasen;
Fig. 13a der Kontrastverlauf für eines der Teilgitter von Fig. 12 unter der Annahme, daß der Ort der optimalen Fokussierung am Rande des Defokus-Meßbereiches liegt;
Fig. 14a ein weiteres Gitter mit vier Teilgittern gleicher Periode aber unterschiedlicher Anfangsphase, wobei die Gitterperiode im Vergleich zu den Gittern von Fig. 12 halbiert ist;
Fig. 15a der Kontrastverlauf für eines der Teilgitter von Fig. 14 unter der Annahme, daß der Ort der optimalen Fokussierung am Rande des Defokus-Meßbereiches liegt; Fig. 16a ein weiteres Gitter 32 mit vier Teilgittern gleicher Periode und unterschiedlicher Anfangsphase, wobei die Gitterperiode des Gitters 32 nur halb so groß ist wie die Gitterperiode des Gitters 31 von Fig. 14;
Fig. 17a der Kontrastverlauf für eines der Teilgitter von Fig. 16 unter der Annahme, daß der Ort der optimalen Fokussierung am Rande des Defokus-Meßbereiches liegt;
Fig. 18a eine Darstellung der dreifachen Standardabweichung σ der Defokussierung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterperiode für ein angenommenes CCD-Rauschen von 2 %, und
Fig. 19a eine schematische Darstellung des Einflusses eines sich sprunghaft sich ändernden Reflexionsverhaltens des Objektes auf den Intensitätsverlauf des aufgenommenen reflektierten Fokussierbildes;
Fig. 20a eine Darstellung zur Erläuterung der versetzten Anordnung des Objektes 3 relativ zur Fokusebene 20 zur Bestimmung der Defokussierung;
Fig. 21a eine Darstellung der ermittelten Defokussierung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterperiode g des Fokussierbildes 19 auf dem Objekt 3 für einen Objektversatz Δz von 2 μm;
Fig. 22a eine Darstellung der ermittelten Defokussierung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterperiode g des Fokussierbildes 19 auf dem Objekt 3 für einen Objektversatz Δz von 4 μm, und
Fig. 23a ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der berechneten Defokussierung ΔBF von der Lage der Kante, bei der sich das Reflexionsverhalten des Objektes sprunghaft ändert, auf dem Objekt für unterschiedliche Gitterperioden g;
Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist die Autofokusvorrichtung 1 in einem Mikroskop 2 zur Untersuchung von Lithographiemasken 3 integriert.
Das Mikroskop 2 umfaßt eine Beleuchtungsquelle 4, die inkohärente oder partiell kohärente Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge von 193 nm abgibt. Die Beleuchtungsstrahlung wird über einen ersten Umlenkspiegel 5 und einen zweiten Umlenkspiegel 6 zum Abbildungsobjektiv 7 geführt und mittels diesem zur Beleuchtung auf die Lithographiemaske (Objekt) 3 gerichtet (Fig. 1 ). Das Objekt 3 wird über das Abbildungsobjektiv 7, den teiltransparenten Umlenkspiegel 6 sowie eine Tubusoptik 8, die zusammen eine Abbildungsoptik 9 bilden, auf eine CCD-Kamera 10 abgebildet, um ein Bild eines Teils des Objektes zu erzeugen. Beispielsweise kann mit dem Mikroskop 2 die laterale Position von Justiermarken der Lithographiemaske 3 hochgenau bestimmt werden.
Das Mikroskop 2 weist ferner einen Objekttisch 11 auf, mit dem das Objekt 3 sowohl lateral als auch in Beobachtungsrichtung (also in z-Richtung) positioniert werden kann.
Die Autofokusvorrichtung 1 nutzt die Beleuchtungsquelle 4 sowie das Abbildungsobjektiv 7 des Mikroskops 2 zur Beleuchtung des Objektes 3 mit einem Fokussierbild und nutzt das Abbildungsobjektiv 7, die Tubusoptik 8 und die CCD-Kamera 9 zur Aufnahme des Fokussierbildes.
Dazu ist einerseits der erste Umlenkspiegel 5 verschiebbar (durch Doppelpfeil P1 angedeutet), so daß er aus dem Strahlengang des von der Beleuchtungsquelle 4 kommende Beleuchtungsstrahlung 5 herausbewegt werden kann, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Daher trifft die Beleuchtungsstrahlung auf einen dritten Umlenkspiegel 12, der die Beleuchtungsstrahlung durch ein gegenüber der Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung um 45° gekipptes Gitter 13 lenkt. Der Kippwinkel kann jedoch auch jeder andere Winkel aus dem Bereich von 1 - 89° sein. Die Gitterstruktur wird über eine Autofokusoptik 14, zweier weiterer Umlenkspiegel 15, 16, dem zweiten Umlenkspiegel 6 sowie dem Abbildungsobjektiv 7 auf das Objekt 3 abgebildet. Der Umlenkspiegel 16 ist dabei so verfahrbar vorgesehen (Doppelpfeil P2), daß er von der in Fig. 1 gezeigten Stellung in die in Fig. 2 gezeigte Stellung verfahrbar ist, um die Abbildung des Fokussierbildes auf das Objekt 3 zu ermöglichen.
Das Gitter 13 kann beispielsweise, wie in Fig. 3 gezeigt ist, als Strichgitter ausgebildet sein, das abwechselnd transparente Streifen 17 und nicht transparente Streifen 18 (schraffiert dargestellt) aufweist. Das Gitter erstreckt sich periodisch in x-Richtung.
Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung wird zunächst unter Bezugnahme auf Figuren 4 bis 9 das Prinzip der Ermittlung der Fokusposition unter Zuhilfenahme einer Aufnahme des schräg auf das Objekt 3 abgebildeten Gitters 13 beschrieben.
Durch die Schrägstellung des Gitters 13 und die verkleinernde Abbildung des Gitters 13 mittels der Autofokusoptik 14 und dem Abbildungsobjektiv 7 mit einer numerischen Apertur von 0,6 beträgt der Winkel α, den die Fokussierbildebene, in der das Fokussierbild 19 liegt, mit der Fokusebene 20 der Abbildungsoptik 9 des Mikroskops 2 einschließt, ungefähr 9°. Bei der in Fig. 4 gezeigten Darstellung wird angenommen, daß das Objekt 3 bzw. seine Oberseite genau in der Fokusebene 20 positioniert ist. Das auf das Objekt 3 abgebildete Gitter 13 und somit das Fokussierbild 19 wird am Objekt 3 reflektiert, wie durch die durchgezogene Linie 21 angedeutet ist, und mittels der Abbildungsoptik 9 in die Detektorebene 22 des CCD-Flächensensors (nicht gezeigt) der CCD-Kamera 10 als Luftbild 23 abgebildet.
Bei optimaler Fokussierung (d.h. Positionierungen des Objektes 3 in der Fokusebene 20) sieht der CCD-Detektor das in Fig. 5 angedeutete (Luft-)Bild. Nachdem das Fokussierbild 19 in Fig. 4 die Fokusebene 20 in der Mitte (in x-Richtung gesehen) schneidet, schneidet auch das reflektierte Fokussierbild 21 die Fokusebene 20 in der Mitte, wodurch der Ort der besten Fokussierung BF des reflektierten Fokussierbildes 21 in der Mitte liegt und das Luftbild 23 des reflektierten Fokussierbildes 21 am CCD-Detektor in der Mitte M am schärfsten ist und in beiden Richtungen nach außen abnimmt. Gleiches gilt für den Kontrast im Luftbild 23.
Aufgrund der gewählten Schrägstellung des Gitters und der Verkleinerung bei der Abbildung des Gitters beträgt der Abstand ΔF des Randes des reflektierten Fokussierbildes 21 von der Fokusebene 20 hier 2 μm, so daß der Fangbereich bzw. der Defokus-Meßbereich ΔF/2 und somit 1 μm beträgt.
Wenn z.B. das Objekt 3 etwas defokussiert ist, weil es etwas unterhalb der Fokusebene 20 positioniert ist, wie in Fig. 6 dargestellt ist, führt dies zu einer Verschiebung des Ortes der besten Fokussierung BF des reflektierten Luftbildes 21. Dadurch liegt auch im Luftbild 23 am CCD-Detektor eine Verschiebung des Ortes der schärfsten Abbildung vor, wie dies z.B. in Fig. 7 angedeutet ist. Eine Defokussierung des Objektes 3 (also eine Abweichung in z-Richtung) führt im Luftbild 23 zu einer lateralen Verschiebung (in x-Richtung) des Ortes der schärfsten Abbildung.
Das mittels der CCD-Kamera aufgenommene Luftbild 23 wird einer Steuereinheit 24 (Fig. 1 , 2) der Autofokusvorrichtung 1 zugeführt. Die Steuereinheit 24 kann beispielsweise für jeden x- Wert des Luftbildes eine Mittelung in y-Richtung (Fig. 5, 7) durchführen, um ein nur von der x- Koordinate abhängendes Intensitätsprofil abzuleiten. Nachdem der Kippwinkel des Gitters 13, der Verkleinerungsfaktor bei der Beleuchtung des Objektes 3 sowie der Vergrößerungsfaktor bei der Aufnahme des Gitterbildes 23 bekannt sind, kann die ermittelte Intensität in Abhängigkeit des Abstandes z von der Fokusebene 20 aufgetragen werden, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. In Fig. 8 ist dabei die Intensität des Luftbildes 23 von Fig. 5 aufgetragen, d.h. das Objekt 3 ist optimal fokussiert. So liegt das Intensitätsmaximum bei z = 0 nm (Ort der optimalen Fokussierung), so daß die berechnete Defokussierung ΔBF auch gleich 0 nm ist. Die Defokussierung ΔBF gibt hier die Abweichung der Oberseite des Objektes 3 von der Fokusebene 20 in nm an.
Durch eine Faltungsoperation kann aus dem Intensitätsprofil das in Fig. 9 gezeigte Kontrastprofil abgeleitet werden. Die Position des Kontrastmaximums entspricht der Defokussierung, die hier Null beträgt, da das Kontrastmaximum bei z = 0 nm liegt.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß häufig auf dem Objekt 3 vorhandene Strukturierungen zu einer unerwünschten Intensitätsmodulation des aufgenommen Luftbildes 23 in lateraler Richtung (x- Richtung) führen. Wenn z.B. eine Struktur des Objektes so liegt, daß die Reflektivität des linken Bereiches 25 (Fig. 4) z.B. ca. 4 % und die Reflektivität des rechten Bereiches 26 z.B. ca. 30 % beträgt, führt dies zu dem in Fig. 10 gezeigten Intensitätsprofil des Luftbildes 23. Aus diesem Intensitätsprofil gemäß Fig. 10 läßt sich die vorliegenden Defokussierung nicht mehr mit der gewünschten Genauigkeit ableiten. Es hat sich gezeigt, daß die dann vorliegenden systematischen Fehler (bis zu 20 nm) größer sind als die gewünschte Meßgenauigkeit.
Um den störenden Einfluß solcher Strukturierungen des Objektes 3 bei der Fokussierung zu verringern, wird das Objekt 3 erfindungsgemäß nicht mehr in der Fokusebene 20 positioniert, sondern dazu in z-Richtung um Δz (= Objektversatz) beabstandet angeordnet, wie in Fig. 11 dargestellt ist. Des weiteren wird die Autofokusoptik 14 erfindungsgemäß so ausgelegt, daß das Fokussierbild 19 um 2Δz axial verschoben ist. Dadurch wird das in der Stellung von Fig. 11 an der Probe 3 reflektierte Fokussierbild 21 in der Mitte der Fokusebene 20 seinen Ort der besten Fokussierung BF aufweisen. Es findet somit eine Faltung des Strahlenganges zur Abbildung des Fokussierbildes so statt, daß die Fokussierbildebene gleich liegt wie in Fig. 4, wenn das Objekt genau um Δz von der Fokusebene 20 beabstandet ist und somit in der Sollposition positioniert ist. Der Defokus-Meßbereich bleibt gleich wie in Fig. 4 und beträgt somit 1 μm.
Dies führt zu dem Vorteil, daß mittels der Abbildungsoptik 9 der Ort der besten Fokussierung BF des reflektierten Fokussierbildes 21 scharf in die Detektorebene 22 abgebildet wird, während Strukturen des Objektes 3 selbst nur defokussiert in die Detektorebene 22 abgebildet werden. Damit wird der Einfluß von Störkanten und Strukturierung des Objektes 3 auf das gemessene Intensitätsprofil des Luftbildes deutlich reduziert.
In Fig. 12 ist die berechnete Defokussierung ΔBF in nm entlang der Ordinate gegenüber der Gitterperiode g des Fokussierbildes 19 auf dem Objekt 3 entlang der Abszisse für Δz = 2 μm aufgetragen, wobei angenommen wurde, daß das Objekt 3 exakt um Δz = 2 μm versetzt ist. Es zeigt sich, daß mit abnehmender Gitterperiode g die berechnete Defokussierung ΔBF abnimmt und sich somit der tatsächlich vorliegenden Defokussierung von 0 nm annähert. In Fig. 13 ist die gleiche Darstellung wie in Fig. 12 gezeigt, wobei hier Δz = 4 μm. Fig. 13 zeigt den gleichen qualitativen Verlauf wie Fig. 12; die berechnete Defokussierung ΔBF nimmt mit abnehmender Gitterperiode g ab. Jedoch beträgt die berechnete Defokussierung ΔBF für z.B. die Gitterkonstante 500 nm lediglich -0,5 nm im Vergleich zu einem Objektversatz von Δz = 2 μm, bei dem die berechnete Defokussierung ΔBF für eine Gitterkonstante von 500 nm etwa -4 nm beträgt.
Somit führt ein Objektversatz Δz = 2 μm schon zu guten Ergebnissen. Eine Verdoppelung des Objektversatzes auf Δz = 4 μm führt zu einer überproportionalen Verringerung des Fehlers bei der Berechnung der Defokussierung ΔBF.
Der gleiche Reflektivitätssprung, der in Fig. 10 zu der unerwünschten Helligkeitsmodulation und zu einem systematischen Fehler von 20 nm geführt hat, kann durch den Objektversatz von Δz = 2 μm auf -4 nm und durch einen Objektversatz von 4μm sogar auf -0,5 nm gedrückt werden. Damit kann selbst im ungünstigsten Fall, bei dem der Reflektivitätssprung genau am Ort der optimalen Fokussierung BF auftritt, die Defokussierung ΔBF hinreichend genau bestimmt werden.
In Fig. 14 ist die berechnete Defokussierung ΔBF (Ordinate) für einen Objektversatz Δz von 4 μm in Abhängigkeit der lateralen Lage x (in μm entlang der Abszisse) der Störkante (Kante zwischen den beiden Bereichen 25 und 26 und somit Ort der sich sprunghaft ändernden Reflektivität) auf dem Objekt für drei verschiedene Gitterperioden g aufgetragen. Dabei ist Kurve K1 das Ergebnis für g = 250 nm. Kurve K2 zeigt das Verhalten für g = 500 nm und Kurve K3 für g = 1000 nm. Bei dem Abszissenwert von 0 liegt die Störkante somit genau am Ort BF der besten Fokussierung, wie in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben wurde. Da sich die Störkante mit zunehmenden Abstand x vom Ort BF im Luftbild 23 aus dem Bereich der maximalen Intensität entfernt, wird der systematische Fehler bei der berechneten Defokussierung ΔBF geringer. Da für die Störkantenposition am Ort BF der systematische Fehler der berechneten Defokussierung ΔBF mit wachsender Gitterperiode g zunimmt, wird somit auch die Variationsbreite des systematischen Fehlers der berechneten Defokussierung ΔBF bei einer Lateral bewegung der Störkante größer.
In Abhängigkeit der bestimmten Defokussierung ΔBF und des bekannten Objektversatzes Δz steuert dann die Steuereinheit 24 den Tisch 11 so an, daß die Oberseite des Objektes 3 in der Fokusebene 20 positioniert ist. Danach kann in dem in Fig. 1 gezeigten Zustand des Mikroskops 2 die gewünschte Messung durchgeführt werden.
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß das Gitter 11 stets so auf das Objekt 3 abgebildet wird, daß ein nicht transparenter Streifen 18 im reflektierten Fokussierbild 21 genau mittig in der besten Fokusposition BF liegt. Tatsächlich kann dies jedoch nicht garantiert werden. So kann der nicht transparente Streifen 18 leicht zur besten Fokusposition BF versetzt sein. Dieser Versatz wird nachfolgend Gitterphase oder auch Anfangsphase genannt.
Wenn man den Einfluß der Gitterphase auf die ermittelte Defokussierung ΔBF simuliert, kommt man bei einer Gitterperiode g von 250 nm auf die in Fig. 15 gezeigte Abhängigkeit. In Fig. 15 ist entlang der Ordinate für ein optimal fokussiertes Objekt die ermittelte Fokusabweichung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterphase, die entlang der Abszisse aufgetragen ist, gezeigt. Wie der Darstellung von Fig. 15 zu entnehmen ist, treten maximale scheinbare Defokussierungen ΔBF von ± 3 nm auf über eine vollständige Gitterphase auf.
Mit zunehmender Gitterperiode nimmt die scheinbare Defokussierung ab. In Fig. 16 ist die gleiche Darstellung wie in Fig. 15 für eine Gitterperiode von 1000 nm dargestellt. Hier beträgt die maximale scheinbare Defokussierung ΔBF ± 0,4 nm.
Der Mittelwert über alle Gitterphasen beträgt sowohl bei Fig. 15 als auch bei Fig. 16 ca. 0 nm, was der tatsächlichen Defokussierung für ein optimal fokussiertes Objekt 3 entspricht. Daher wird gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung zur Verbesserung der Meßgenauigkeit nicht nur ein Strichgitter mit einer Periode und einer Phase verwendet, sondern beispielsweise mehrere Strichgitter mit gleicher Periode aber unterschiedlicher Phase.
In Fig. 17 sind vier Strichgitter 3O1, 3O2, 3O3, 3O4 gleicher Periode aber unterschiedlicher Phase bzw. Anfangsphase eines Gitters 30 dargestellt. Für jedes Teilgitter 30i, 3O2, 3O3, 3O4 wird anhand des Kontrastes die entsprechende Defokussierung ABF1, ΔBF2, ΔBF3, ΔBF4 ermittelt und anschließend wird eine arithmetische Mittelung der Defokussierungswerte ABF1, ΔBF2, ΔBF3, ΔBF4 durchgeführt, um zu einer mittleren Defokussierung ΔBFM zu gelangen.
In Fig. 18 ist der Intensitätsverlauf eines der vier Teilgitter 3O1, 3O2, 3O3, 3O4 von Fig. 17 dargestellt, wobei angenommen wird, daß der Ort der optimalen Fokussierung BF am Rande des Defokus-Meßbereichs liegt. In Fig. 19 und 20 sind zwei weitere Gitter 31 , 32 mit vier zueinander phasenverschobenen Teilgittern gezeigt, wobei die Gitterperiode des Gitters 31 in Fig. 19 halb so groß ist wie die des Gitters 30 in Fig. 17. Die Gitterperiode des Gitters 32 in Fig. 21 ist wiederum halb so groß wie die Gitterperiode des Gitters 31 von Fig. 19.
Die entsprechenden Intεnsitätsveriäufe für jeweils eines der Teilgitter von Fig. 19 und 21 sind in Fig. 20 und 22 dargestellt. Aus einem Vergleich der Darstellungen in Fig. 18, 20 oder 22 ist ersichtlich, daß die Steilheit des Intensitätsverlaufes mit abnehmender Gitterperiode zunimmt. Dies kann insbesondere dazu benutzt werden, die Defokussierung zu extrapolieren, falls der Ort der besten Fokussierung außerhalb des Fangbereiches (=Defokus-Meßbereiches) liegt.
Ferner hat sich gezeigt, daß das Rauschen des Bildsensors die Auswertung des von der Lateralposition abhängigen Luftbildkontrastes verfälscht. Daher werden auch die aus dem Kontrastprofil abgeleiteten Defokuswerte beeinträchtigt werden, was sich als sogenannter 3σ- Reproduzierbarkeits-Effekt äußert. Die Werte der ermittelten Defokussierung ΔBF werden mit einer Standardabweichung σ um den Mittelwert schwanken.
Um den Einfluß des CCD-Rauschens zu simulieren, wurde die spezifische Standardabweichung für jede Gitterphase separat ermittelt und anschließend die totale Standardabweichung σ per quadratische Mittelung der spezifischen Standardabweichungen berechnet. Bei einem angenommenen CCD-Rauschen von 2 % ergibt sich für Gitterperioden g von 250 - 750 nm der in Fig. 23 gezeigte Verlauf. Mit zunehmender Gitterperiode nimmt der Einfluß des CCD-Rauschens ab. Für Gitterperioden von kleiner 300 nm nimmt jedoch der 3σ- Wert dramatisch zu, da man bei solchen Gitterperioden g in den Bereich der optischen Auflösungsgrenze gelangt (gι,m= λ/(2-NA) « 161 nm) gelangt (NA = numerische Apertur des Abbildungsobjektives 7 auf der Seite des Objektes 3). In diesem Bereich geht der Gitterkontrast des Luftbildes gegen 0, so daß das CCD-Rauschen dominiert.
Die Abnahme von σ mit zunehmendem g liegt insbesondere daran, daß sich mit zunehmendem g auch die Breite der zur Faltung herangezogenen Gauß-Apodisation erhöht, womit das Rauschen effektiv über einen größeren lateralen Bereich senkrecht zu den Gitterlinien gemittelt und damit reduziert wird.
Es kann festgehalten werden, daß bei dem erfindungsgemäßen Vorsehen des Objektversatzes Δz die Defokussierung ΔBF mit abnehmender Gitterkonstante g (immer angegeben im Fokussierbild 19, 21) abnimmt. Das CCD-Rauschen wird jedoch mit zunehmender Gitterkonstante g besser unterdrückt. Ferner führt die in Verbindung mit Fig. 15 und 16 beschriebene phasenabhängige Mittelung zu einer geringeren Defokussierung ΔBF. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform mit einer Beleuchtungswellenlänge von λ = 193 nm, einer numerischen Apertur NA des Abbildungsobjektivs 7 von 0,6 und einer inkohärenten oder teilweisen kohärenten Beleuchtung des Gitters 13 wird bevorzugt eine Gitterperiode g von 300 - 800 nm gewählt. Insbesondere kann die Gitterperiode g im Bereich 400 - 600 nm liegen. Der Objektversatz ist bevorzugt größer gleich 1 μm. Kann jedoch auch größer gleich 2 μm oder größer gleich 4 μrn sein. Er soiiie jedoch nicht größer als 10 μm gewählt werden.
Allgemein kann der Bereich der Gitterperiode g in Abhängigkeit der Grenzauflösung gι,m als bevorzugt 1 ,5 g,ιm bis 5 gιim angegeben werden. Insbesondere kann g im Bereich von 2,5 glιrπ bis 4 giim liegen. Der Objektversatz Δz kann allgemein in Abhängigkeit der Schärfentiefe DOF der Abbildungsoptik 9 angegeben werden, wobei DOF = λ/NA2. Der Objektversatz ist bevorzugt > 2DOF. Er kann jedoch auch > 4DOF oder > 8DOF sein und sollte bevorzugt < 20DOF sein.
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß die Detektorebene 22 senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik 9 (Bildaufnahmemodul) liegt und das Gitter 13 gegenüber der optischen Achse der Autofokusoptik 14 und des Abbildungsobjektives 7 bzw. relativ zur Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung gekippt ist. Dies führt dazu, daß die Fokussierebene, in der das reflektierte Fokussierbild 21 liegt, gegenüber der Fokusebene 20 gekippt ist. Anders gesagt, Fokussierebene und Fokusebene sind nicht zueinander parallel. Dies kann auch dadurch erreicht werden, daß der CCD-Detektor der CCD-Kamera 10 gegenüber der optischen Achse der Abbildungsoptik 9 gekippt ist (z.B. 45°) und das Gitter 13 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung angeordnet ist. Natürlich können sowohl das Gitter 13 als auch der CCD-Detektor gekippt sein. Es muß nur sichergestellt werden, daß die Fokussierebene und die Fokusebene nicht zueinander parallel sind.
In Fig. 24 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Autofokussiervorrichtung im Bereich der konfokalen Mikroskopie gezeigt. Das Beleuchtungsmodul BM beleuchtet das zu fokussierende Objekt 3 mit Beleuchtungsstrahlung 40 über eine Autofokusoptik 41 derart, daß nach Reflexion der Beleuchtungsstrahlung 40 am um Δz gegenüber der Fokusebene 20 versetzten Objekt 3 in der Fokusebene 20 die gewünschte konfokale Punktbeleuchtung 42 vorliegt.
Das Bildaufnahmemodul AM ist nun so ausgebildet, daß die konfokale Punktbeleuchtung 42 über den teiltransparenten Umlenkspiegel 43 konfokal scharf abgebildet wird.
Da das Objekt 3 weit außerhalb der Fokusebene 20 positioniert ist, wird das Objekt 3 selbst durch das Bildaufnahmemodul AM nicht erfaßt, so daß der störende Einfluß von Strukturen auf dem Objekt 3 minimiert wird. Die mittels dem Bildaufnahmemodul detektierte Intensität kann benützt werden, um die vorliegende Defokussierung ΔBF zu ermitteln. Um die Richtung der Defokussierung abzuleiten, können zwei Messungen nacheinander durchgeführt werden, bei denen die Position des Objektes 3 geringfügig variiert wird. Daraus läßt sich dann ableiten, in welcher Richtung die Defokussierung ΔBF gegebenen ist. Anhand der so gemessenen Defokussierung ΔBF kann das Objekt 3 mittels einem Objekttisch (nicht gezeigt in Fig. 24) in der Fokusebene 20 positioniert und somit für die konfokale Abbildung fokussiert werden. Für die dann folgende konfokale Untersuchung des Objektes können aus der konfokalen Mikroskopie bekannte Beleuchtungs- und Ablenkeinrichtungen (in Fig. 24 nicht gezeigt) eingesetzt werden. Gegebenenfalls kann das Bildaufnahmemodul AM auch zur konfokalen Untersuchung des Objektes 3 eingesetzt werden. Natürlich ist es auch möglich, einen eigenen konfokalen Detektorarm (nicht gezeigt) vorzusehen.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen kann eine Kalibrierung durchgeführt werden. Dazu wird die mittels der Autofokusvorrichtung bestimmte Defokussierung ΔBF ermittelt und mit einem anderen Fokussierverfahren verglichen. Bei dem anderen Fokussierverfahren kann es sich insbesondere um Fokussierverfahren handeln, bei denen das Objekt in der Fokusebene 20 positioniert ist. Der dabei ermittelte Unterschied der Fokussierung (und somit der z-
Positionierung des Objektes 3) wird dann zur Kalibrierung der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung eingesetzt.
Bei der in den Figuren 1a und 2a gezeigten Ausführungsform ist die Autofokusvorrichtung 1a in einem Mikroskop 2a zur Untersuchung von Lithographiemasken 3a integriert.
Das Mikroskop 2a umfaßt eine Beleuchtungsquelle 4a, die inkohärente oder partiell kohärente Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge von 193 nm abgibt. Die Beleuchtungsstrahlung wird über einen ersten Umlenkspiegel 5a und einen zweiten Umlenkspiegel 6a zum Abbildungsobjektiv 7a geführt und mittels diesem zur Beleuchtung auf die Lithographiemaske (Objekt) 3a gerichtet (Fig. 1a).
Das Objekt 3a wird über das Abbildungsobjektiv 7a, den teiltransparenten Umlenkspiegel 6a sowie eine Tubusoptik 8a, die zusammen eine Abbildungsoptik 9a bilden, auf eine CCD- Kamera 10a abgebildet, um ein Bild eines Teils des Objektes zu erzeugen. Beispielsweise kann mit dem Mikroskop 2a die laterale Position von Justiermarken der Lithographiemaske 3a hochgenau bestimmt werden.
Das Mikroskop 2a weist ferner einen Objekttisch 11a auf, mit dem das Objekt 3a sowohl lateral als auch in Beobachtungsrichtung (also in z-Richtung) positioniert werden kann. Die Autofokusvorrichtung 1 a nutzt die Beleuchtungsquelle 4a sowie das Abbildungsobjektiv 7a des Mikroskops 2a zur Beleuchtung des Objektes 3a mit einem Fokussierbild und nutzt das Abbildungsobjektiv 7a, die Tubusoptik δa und die CCD-Kamera 9a zur Aufnahme des Fokussierbildes.
Dazu ist einerseits der erste Umlenkspiegel 5a verschiebbar (durch Doppelpfeil Pia angedeutet), so daß er aus dem Strahlengang des von der Beleuchtungsquelle 4a kommende Beleuchtungsstrahlung 5a herausbewegt werden kann, wie in Fig. 2a gezeigt ist. Daher trifft die Beleuchtungsstrahlung auf einen dritten Umlenkspiegel 12a, der die Beleuchtungsstrahlung durch ein gegenüber der Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung um 45° gekipptes Gitter 13a lenkt. Der Kippwinkel kann jedoch auch jeder andere Winkel aus dem Bereich von 1 - 89° sein. Die Gitterstruktur wird über eine Autofokusoptik 14a, zweier weiterer Umlenkspiegel 15a, 16a, dem zweiten Umlenkspiegel 6 sowie dem Abbildungsobjektiv 7a auf das Objekt 3a abgebildet. Der Umlenkspiegel 16a ist dabei so verfahrbar vorgesehen (Doppelpfeil P2a), daß er von der in Fig. 1a gezeigten Stellung in die in Fig. 2a gezeigte Stellung verfahrbar ist, um die Abbildung des Fokussierbildes auf das Objekt 3a zu ermöglichen.
Das Gitter 13a kann beispielsweise, wie in Fig. 3a gezeigt ist, als Strichgitter ausgebildet sein, das abwechselnd transparente Streifen 17a und nicht transparente Streifen 18a (schraffiert dargestellt) aufweist. Das Gitter erstreckt sich periodisch in x-Richtung.
Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung wird zunächst unter Bezugnahme auf Figuren 4a bis 9a das Prinzip der Ermittlung der Fokusposition unter Zuhilfenahme einer Aufnahme des schräg auf das Objekt 3a abgebildeten Gitters 13a beschrieben.
Durch die Schrägstellung des Gitters 13a und die verkleinernde Abbildung des Gitters 13a mittels der Autofokusoptik 14a und dem Abbildungsobjektiv 7a mit einer numerischen Apertur von 0,6 beträgt der Winkel α, den die Fokussierbildebene, in der das Fokussierbild 19a liegt, mit der Fokusebene 20a der Abbildungsoptik 9a des Mikroskops 2 einschließt, ungefähr 9°. Bei der in Fig. 4a gezeigten Darstellung wird angenommen, daß das Objekt 3a bzw. seine Oberseite genau in der Fokusebene 20a positioniert ist. Das auf das Objekt 3a abgebildete Gitter 13a und somit das Fokussierbild 19a wird am Objekt 3a reflektiert, wie durch die durchgezogene Linie 21a angedeutet ist, und mittels der Abbildungsoptik 9a in die Detektorebene 22a des CCD-Flächensensors (nicht gezeigt) der CCD-Kamera 10a als Luftbild 23a abgebildet.
Bei optimaler Fokussierung (d.h. Positionierungen des Objektes 3a in der Fokusebene 20a) sieht der CCD-Detektor das in Fig. 5 angedeutete (Luft-)Bild. Nachdem das Fokussierbild 19a in Fig. 4a die Fokusebene 20a in der Mitte (in x-Richtung gesehen) schneidet, schneidet auch das reflektierte Fokussierbild 21a die Fokusebene 20a in der Mitte, wodurch der Ort der besten Fokussierung BF des reflektierten Fokussierbildes 21a in der Mitte liegt und das Luftbild 23a des reflektierten Fokussierbildes 21a am CCD-Detektor in der Mitte M am schärfsten ist und in beiden Richtungen nach außen abnimmt. Gleiches gilt für den Kontrast im Luftbild 23a.
Aufgrund der gewählten Schrägstellung des Gitters und der Verkleinerung bei der Abbildung des Gitters beträgt der Abstand ΔF des Randes des reflektierten Fokussierbildes 21a von der Fokusebene 20a hier 2 μm, so daß der Fangbereich bzw. der Defokus-Meßbereich ΔF/2 und somit 1 μm beträgt.
Wenn z.B. das Objekt 3a etwas defokussiert ist, weil es etwas unterhalb der Fokusebene 20a positioniert ist, wie in Fig. 6a dargestellt ist, führt dies zu einer Verschiebung des Ortes der besten Fokussierung BF des reflektierten Luftbildes 21a. Dadurch liegt auch im Luftbild 23a am CCD-Detektor eine Verschiebung des Ortes der schärfsten Abbildung vor, wie dies z.B. in Fig. 7a angedeutet ist. Eine Defokussierung des Objektes 3a (also eine Abweichung in z-Richtung) führt im Luftbild 23a zu einer lateralen Verschiebung (in x-Richtung) des Ortes der schärfsten Abbildung.
Das mittels der CCD-Kamera aufgenommene Luftbild 23a wird einer Steuereinheit 24a (Fig. 1a, 2a) der Autofokusvorrichtung 1a zugeführt. Die Steuereinheit 24a kann beispielsweise für jeden x-Wert des Luftbildes eine Mittelung in y-Richtung (Fig. 5a, 7a) durchführen, um ein nur von der x-Koordinate abhängendes Intensitätsprofil abzuleiten. Nachdem der Kippwinkel des Gitters 13a, der Verkleinerungsfaktor bei der Beleuchtung des Objektes 3a sowie der Vergrößerungsfaktor bei der Aufnahme des Gitterbildes 23a bekannt sind, kann die ermittelte Intensität in Abhängigkeit des Abstandes z von der Fokusebene 20a aufgetragen werden, wie dies in Fig. 8a dargestellt ist. In Fig. 8a ist dabei die Intensität des Luftbildes 23a von Fig. 5a aufgetragen, d.h. das Objekt 3a ist optimal fokussiert. So liegt das Intensitätsmaximum bei z = 0 nm (Ort der optimalen Fokussierung), so daß die berechnete Defokussierung ΔBF auch gleich 0 nm ist. Die Defokussierung ΔBF gibt hier die Abweichung der Oberseite des Objektes 3a von der Fokusebene 20a in nm an.
Durch eine Faltungsoperation kann aus dem Intensitätsprofil das in Fig. 9a gezeigte Kontrastprofil abgeleitet werden. Die Position des Kontrastmaximums entspricht der Defokussierung, die hier Null beträgt, da das Kontrastmaximum bei z = 0 nm liegt.
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß das Gitter 11a stets so auf das Objekt 3a abgebildet wird, daß ein nicht transparenter Streifen 18a im reflektierten Fokussierbild 21a genau mittig in der besten Fokusposition BF liegt. Tatsächlich kann dies jedoch nicht garantiert werden. So kann der nicht transparente Streifen 18a leicht zur besten Fokusposition BF versetzt sein. Dieser Versatz wird nachfolgend Gitterphase oder auch Anfangsphase genannt.
Wenn man den Einfluß der Gitterphase auf die ermittelte Defokussierung ΔBF simuliert, kommt man bei einer Gitterperiode g (im Fokusbild 19a und somit im reflektierten Fokusbild 21a) von 250 nm auf die in Fig. 10a gezeigte Abhängigkeit. In Fig. 10a ist entlang der Ordinate für ein optimal fokussiertes Objekt die ermittelte Fokusabweichung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterphase, die entlang der Abszisse aufgetragen ist, gezeigt. Wie der Darstellung von Fig. 10a zu entnehmen ist, treten maximale scheinbare Defokussierungen ΔBF von ± 3 nm auf über eine vollständige Gitterphase auf.
Mit zunehmender Gitterperiode nimmt die scheinbare Defokussierung ab. In Fig. 15a ist die gleiche Darstellung wie in Fig. 14a für eine Gitterperiode von 1000 nm dargestellt. Hier beträgt die maximale scheinbare Defokussierung ΔBF ± 0,4 nm.
Der Mittelwert über alle Gitterphasen beträgt sowohl bei Fig. 10a als auch bei Fig. 11a ca. 0 nm, was der tatsächlichen Defokussierung für ein optimal fokussiertes Objekt 3a entspricht. Daher wird erfindungsgemäß zur Verbesserung der Meßgenauigkeit in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht nur ein Strichgitter mit einer Periode und einer Phase verwendet werden, sondern beispielsweise mehrere Strichgitter mit gleicher Periode aber unterschiedlicher Phase.
In Fig. 12a sind vier Strichgitter 3Oa1, 3Oa2, 3Oa3, 3Oa4 gleicher Periode aber unterschiedlicher Phase bzw. Anfangsphase eines Gitters 30a dargestellt. Für jedes Teilgitter 3Oa1, 3Oa2, 3Oa3, 3Oa4 wird anhand des Kontrastes die entsprechende Defokussierung ΔBFai, ΔBFa2, ΔBFa3, ΔBFa4 ermittelt und anschließend wird eine arithmetische Mittelung der Defokussierungswerte ABFa1, ΔBFa2, ΔBFa3, ΔBFa4 durchgeführt, um zu einer mittleren Defokussierung ΔBFaM zu gelangen.
In Fig. 13a ist der Intensitätsverlauf eines der vier Teilgitter 3Oa1, 3Oa2, 3Oa3, 3Oa4 von Fig. 12a dargestellt, wobei angenommen wird, daß der Ort der optimalen Fokussierung BF am Rande des Defokus-Meßbereichs liegt. In Fig. 14a und 15a sind zwei weitere Gitter 31a, 32a mit vier zueinander phasenverschobenen Teilgittern gezeigt, wobei die Gitterperiode des Gitters 31a in Fig. 14a halb so groß ist wie die des Gitters 30a in Fig. 12a. Die Gitterperiode des Gitters 32a in Fig. 16a ist wiederum halb so groß wie die Gitterperiode des Gitters 31a von Fig. 14a. Die entsprechenden Intensitätsverläufe für jeweils eines der Teilgitter von Fig. 14a und 16a sind in Fig. 15a und 17a dargestellt. Aus einem Vergleich der Darstellungen in Fig. 13a, 15a und 17a ist ersichtlich, daß die Steilheit des Intensitätsverlaufes mit abnehmender Gitterperiode zunimmt. Dies kann insbesondere dazu benutzt werden, die Defokussierung zu extrapolieren, falls der Ort der besten Fokussierung außerhalb des Fangbereiches (=Defokus-Meßbereiches) liegt.
Die Gitter von Fig. 12a, 14a, 16a werden nachfolgend als Multigitter bezeichnet. Es werden bevorzugt mehrere Multigitter mit unterschiedlichen Gitterperioden verwendet, die auf einem gemeinsamen Träger ausgebildet sein können und somit gleichzeitig als Fokussierbild 19a abgebildet werden. Bevorzugt werden die die Multigitter 30a, 31a, 32a senkrecht zur Gitterrichtung nebeneinander angeordnet, so daß die Gitterrichtungen der Multigitter 30a, 31a, 32a parallel zueinander sind. In Fig. 12a, 14a, 16a erstreckt sich die Gitterrichtung von links nach rechts und die Multigitter 30a, 31a, 32a.
Natürlich kann jedes Multigitter 30a-32a mehr oder weniger als vier Teilgitter aufweisen. Es ist jedoch bevorzugt, mindestens vier Teilgitter vorzusehen. Der Phasenversatz der benachbarten Teilgitter ist bevorzugt konstant.
In Abhängigkeit der so bestimmten mittleren Defokussierung ΔBFaM steuert dann die Steuereinheit 24a den Tisch so an, daß die Oberseite des Objektes 3a in der Fokusebene 20a positioniert ist. Danach kann in dem in Fig. 1a gezeigten Zustand des Mikroskops 2a die gewünschte Messung durchgeführt werden.
Ferner hat sich gezeigt, daß das Rauschen des Bildsensors die Auswertung des von der Lateralposition abhängigen Luftbildkontrastes verfälscht. Daher werden auch die aus dem Kontrastprofil abgeleiteten Defokuswerte beeinträchtigt werden, was sich als sogenannter 3σ- Reproduzierbarkeits-Effekt äußert. Die Werte der ermittelten Defokussierung ΔBF werden mit einer Standardabweichung σ um den Mittelwert schwanken.
Um den Einfluß des CCD-Rauschens zu simulieren, wurde die spezifische Standardabweichung für jede Gitterphase separat ermittelt und anschließend die totale Standardabweichung σ per quadratische Mittelung der spezifischen Standardabweichungen berechnet. Bei einem angenommenen CCD-Rauschen von 2 % ergibt sich für Gitterperioden g von 250 - 750 nm der in Fig.18 gezeigte Verlauf. Mit zunehmender Gitterperiode nimmt der Einfluß des CCD-Rauschens ab. Für Gitterperioden von kleiner 300 nm nimmt jedoch der 3σ- Wert dramatisch zu, da man bei solchen Gitterperioden g in den Bereich der optischen Auflösungsgrenze gelangt (gιim= λ/(2 NA) « 161 nm) gelangt (NA = numerische Apertur des Abbildungsobjektives 7 auf der Seite des Objektes 3). In diesem Bereich geht der Gitterkontrast des Luftbildes gegen 0, so daß das CCD-Rauschen dominiert.
Die Abnahme von σ mit zunehmendem g liegt insbesondere daran, daß sich mit zunehmendem g auch die Breite der zur Faltung herangezogenen Gauß-Apodisation erhöht, womit das Rauschen effektiv über einen größeren lateralen Bereich senkrecht zu den Gitterlinien gemittelt und damit reduziert wird.
Es hat sich ferner gezeigt, daß häufig auf dem Objekt 3a vorhandene Strukturierungen zu einer unerwünschten Intensitätsmodulation des aufgenommen Luftbildes 23a in lateraler Richtung (x-
Richtung) führen. Wenn z.B. eine Struktur des Objektes so liegt, daß die Reflektivität des linken
Bereiches 25a (Fig. 4a) z.B. ca. 4 % und die Reflektivität des rechten Bereiches 26a z.B. ca. 30
% beträgt, führt dies zu dem in Fig. 19a gezeigten Intensitätsprofil des Luftbildes 23a. Aus diesem Intensitätsprofil gemäß Fig. 19a läßt sich die vorliegenden Defokussierung nicht mehr mit der gewünschten Genauigkeit ableiten. Es hat sich gezeigt, daß die dann vorliegenden systematischen Fehler (bis zu 20 nm) größer sind als die gewünschte Meßgenauigkeit.
Um den störenden Einfluß solcher Strukturierungen des Objektes 3a bei der Fokussierung zu verringern, wird das Objekt 3a in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung nicht mehr in der Fokusebene 20a positioniert, sondern dazu in z-Richtung um Δz (= Objektversatz) beabstandet angeordnet, wie in Fig. 20a dargestellt ist. Des weiteren wird die Autofokusoptik 14a erfindungsgemäß so ausgelegt, daß das Fokussierbild 19a um 2Δz axial verschoben ist. Dadurch wird das in der Stellung von Fig. 20a an der Probe 3a reflektierte Fokussierbild 21a in der Mitte der Fokusebene 20a seinen Ort der besten Fokussierung BF aufweisen. Es findet somit eine Faltung des Strahlenganges zur Abbildung des Fokussierbildes so statt, daß die Fokussierbildebene gleich liegt wie in Fig. 4a, wenn das Objekt genau um Δz von der Fokusebene 20a beabstandet ist und somit in der Sollposition positioniert ist. Der Defokus- Meßbereich bleibt gleich wie in Fig. 4a und beträgt somit 4 μm.
Dies führt zu dem Vorteil, daß mittels der Abbildungsoptik 9a der Ort der besten Fokussierung BF des reflektierten Fokussierbildes 21a scharf in die Detektorebene 22a abgebildet wird, während Strukturen des Objektes 3a selbst nur defokussiert in die Detektorebene 22a abgebildet werden. Damit wird der Einfluß von Störkanten und Strukturierung des Objektes 3a auf das gemessene Intensitätsprofil des Luftbildes deutlich reduziert.
In Fig. 21a ist die berechnete Defokussierung ΔBF in nm entlang der Ordinate gegenüber der Gitterperiode g des Fokussierbildes 19a auf dem Objekt 3a entlang der Abszisse für Δz = 2 μm aufgetragen, wobei angenommen wurde, daß das Objekt 3a exakt um Δz = 2 μm versetzt ist. Es zeigt sich, daß mit abnehmender Gitterperiode g die berechnete Defokussierung ΔBF abnimmt und sich somit der tatsächlich vorliegenden Defokussierung von 0 nm annähert.
!n Fig. 22a ist die gleiche Darsteiiung wie in Fig. 21 a gezeigt, wobei hier Δz = 4 μm. Fig. 22a zeigt den gleichen qualitativen Verlauf wie Fig. 21a; die berechnete Defokussierung ΔBF nimmt mit abnehmender Gitterperiode g ab. Jedoch beträgt die berechnete Defokussierung ΔBF für z.B. die Gitterkonstante 500 nm lediglich -0,5 nm im Vergleich zu einem Objektversatz von Δz = 2 μm, bei dem die berechnete Defokussierung ΔBF für eine Gitterkonstante von 500 nm etwa -4 nm beträgt.
Somit führt ein Objektversatz Δz = 2 μm schon zu guten Ergebnissen. Eine Verdoppelung des Objektversatzes auf Δz = 4 μm führt zu einer überproportionalen Verringerung des Fehlers bei der Berechnung der der Defokussierung ΔBF.
Der gleiche Reflektivitätssprung, der in Fig. 19a zu der unerwünschten Helligkeitsmodulation und zu einem systematischen Fehler von 20 nm geführt hat, kann durch den Objektversatz von Δz = 2 μm auf -4 nm und durch einen Objektversatz von 4μm sogar auf -0,5 nm gedrückt werden. Damit kann selbst im ungünstigsten Fall, bei dem der Reflektivitätssprung genau am Ort der optimalen Fokussierung BF auftritt, die Defokussierung ΔBF hinreichend genau bestimmt werden.
In Fig. 23a ist die berechnete Defokussierung ΔBF (Ordinate) für einen Objektversatz von Δz von 4 μm in Abhängigkeit der lateralen Lage x (in μm entlang der Abszisse) der Störkante (Kante zwischen den beiden Bereichen 25a und 26a und somit Ort der sich sprunghaft ändernden Reflektivität) auf dem Objekt für drei verschiedene Gitterperioden g aufgetragen. Dabei ist Kurve K1 das Ergebnis für g = 250 nm. Kurve K2 zeigt das Verhalten für g = 500 nm und Kurve K3 für g = 1000 nm. Bei dem Abszissenwert von 0 liegt die Störkante somit genau am Ort BF der besten Fokussierung, wie in Verbindung mit Fig. 4a beschrieben wurde. Da sich die Störkante mit zunehmenden Abstand x vom Ort BF im Luftbild 23a aus dem Bereich der maximalen Intensität entfernt, wird der systematische Fehler bei der berechneten Defokussierung ΔBF geringer. Da für die Störkantenposition am Ort BF der systematische Fehler der berechneten Defokussierung ΔBF mit wachsender Gitterperiode g zunimmt, wird somit auch die Variationsbreite des systematischen Fehlers der berechneten Defokussierung ΔBF bei einer Lateralbewegung der Störkante größer.
In Abhängigkeit der bestimmten Defokussierung ΔBF und des bekannten Objektversatzes Δz steuert dann die Steuereinheit 24a den Tisch 11a so an, daß die Oberseite des Objektes 3a in der Fokusebene 20a positioniert ist. Danach kann in dem in Fig. 1a gezeigten Zustand des Mikroskops 2a die gewünschte Messung durchgeführt werden.
Es kann festgehalten werden, daß bei dem erfindungsgemäßen Vorsehen des Objektversatzes Δz die Defokussierung ΔBF mit abnehmender Gitterkonstante g (immer angegeben im Fokussierbild 19a, 21a) abnimmt. Das CCD-Rauschen wird jedoch mit zunehmender Gitterkonstante g besser unterdrückt. Ferner führt die in Verbindung mit Fig. 10a und 11a beschriebene phasenabhängige Mittelung zu einer geringeren Defokussierung ΔBF. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform mit einer Beleuchtungswellenlänge von λ = 193 nm, einer numerischen Apertur NA des Abbildungsobjektivs 7a von 0,6 und einer inkohärenten oder teilweisen kohärenten Beleuchtung des Gitters 13a wird bevorzugt eine Gitterperiode g von 300 - 800 nm gewählt. Insbesondere kann die Gitterperiode g im Bereich 400 - 600 nm liegen. Der Objektversatz ist bevorzugt größer gleich 1 μm. Kann jedoch auch größer gleich 2 μm oder größer gleich 4 μm sein. Er sollte jedoch nicht größer als 10 μm gewählt werden.
Allgemein kann der Bereich der Gitterperiode g in Abhängigkeit der Grenzauflösung gιim als bevorzugt 1 ,5 gιim bis 5 gιim angegeben werden. Insbesondere kann g im Bereich von 2,5 gιim bis 4 giim liegen. Der Objektversatz Δz kann allgemein in Abhängigkeit der Schärfentiefe DOF der Abbildungsoptik 9a angegeben werden, wobei DOF = λ/NA2. Der Objektversatz ist bevorzugt > 2DOF. Er kann jedoch auch > 4DOF oder > 8DOF sein und sollte bevorzugt < 20DOF sein.
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß die Detektorebene 22a senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik 9a (Bildaufnahmemodul) liegt und das Gitter 13a gegenüber der optischen Achse der Autofokusoptik 14a und des Abbildungsobjektives 7a bzw. relativ zur Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung gekippt ist. Dies führt dazu, daß die Fokussierebene, in der das reflektierte Fokussierbild 21a liegt, gegenüber der Fokusebene 20a gekippt ist. Anders gesagt, Fokussierebene und Fokusebene sind nicht zueinander parallel. Dies kann auch dadurch erreicht werden, daß der CCD-Detektor der CCD-Kamera 10a gegenüber der optischen Achse der Abbildungsoptik 9a gekippt ist (z.B. 45°) und das Gitter 13a senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung angeordnet ist. Natürlich können sowohl das Gitter 13a als auch der CCD-Detektor gekippt sein. Es muß nur sichergestellt werden, daß die Fokussierebene und die Fokusebene nicht zueinander parallel sind.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen kann eine Kalibrierung durchgeführt werden. Dazu wird die mittels der Autofokusvorrichtung bestimmte Defokussierung ΔBF ermittelt und mit einem anderen Fokussierverfahren verglichen. Bei dem anderen Fokussierverfahren kann es sich insbesondere um Fokussierverfahren handeln, bei denen das Objekt in der Fokusebene 20a positioniert ist. Der dabei ermittelte Unterschied der Fokussierung (und somit der z- Positionierung des Objektes 3a) wird dann zur Kalibrierung der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung eingesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Autofokusvorrichtung für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsopiik (9) mit einer ersten Fokusebene (20) und einen Objekttisch (11 ) zum Bewegen eines abzubildenden Objektes (3) relativ zur ersten Fokusebene (20) aufweist, wobei die Autofokusvorrichtung (1 )
- ein Bildaufnahmemodul (9) mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene (20) bekannt ist, - ein Beleuchtungsmodul (BM) zum Abbilden eines Fokussierbildes entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in eine Fokussierbildebene derart, daß, wenn das Objekt in einer Sollposition mit einem vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene positioniert ist, der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am Objekt gefaltet ist und das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet oder in dieser liegt, und
- ein Steuermodul umfaßt, das zum Fokussieren der Abbildungsvorrichtung (9) den Objekttisch (11 ) so ansteuert, daß das Objekt (3) in der Sollposition positioniert ist, aus einem Signal des Bildaufnahmemoduls, das das Bildaufnahmemodul anhand seiner Aufnahme des Fokussierbildes, wenn das Objekt in der Sollposition positioniert ist, erzeugt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition ableitet und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, dem vorbestimmten Abstand und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert ist.
2. Autofokusvorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die erste und zweite Fokusebene zusammenfallen.
3. Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der als Bildaufnahmemodul die Abbildungsoptik verwendet wird.
4. Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Fokussierbild intensitätsmoduliert ist und das Bildaufnahmemodul als Signal die Aufnahme des Fokussierbildes ausgibt.
5. Autofokusvorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Steuermodul die Aufnahme hinsichtlich Intensitätsvariationen oder des Kontrastverlaufes auswertet.
6. Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Fokussierbild in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmoduliert ist.
7. Autofokusvorrichtung nach Anspruch 6, bei der die erste Richtung des in der Fokussierbildebene liegenden Fokussierbildes nicht parallel zur Schnittgeraden von
Fokussierbild und zweiter Fokusebene ist.
8. Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Fokussierbild mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teilbilder mit gleicher Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind.
9. Autofokusvorrichtung nach Anspruch 8, bei der das Steuermodul für jedes Teilbild eine Teilbildabweichung berechnet und aus den Teilbildabweichungen die Abweichung ableitet.
10. Autofokus Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der zumindest einmal die abgeleitete Abweichung mit der mit einer anderen Fokussiervorrichtung bestimmten Abweichung des Objekts aus der Sollposition verglichen und der dabei ermittelte Unterschied zur Kalibrierung der Autofokusvorrichtung verwendet wird.
11. Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik (9) mit einer ersten Fokusebene (20) aufweist, bei dem ein Bildaufnahmemodul (9) mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten
Fokusebene (20) bekannt ist, vorgesehen wird, das Objekt in einer Sollposition mit einem vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene positioniert wird, ein Fokussierbild entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in eine Fokussierbildebene derart abgebildet wird, daß der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am in der Sollposition positionierten Objekt gefaltet wird und das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet oder in dieser liegt, das Bildaufnahmemodul das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild aufnimmt, die
Abweichung der Objektposition von der Sollposition anhand der Aufnahme abgeleitet wird und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, dem vorbestimmten Abstand und der relativen
Lage der ersten und zweiten Fokusebene das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , bei dem die erste und zweite Fokusebene zusammenfallen.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem als Bildaufnahmemodul die Abbildungsoptik verwendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Fokussierbild intensitätsmoduliert ist und das Bildaufnahmemodul als Signal die Aufnahme des
Fokussierbildes ausgibt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Aufnahme hinsichtlich Iπtensitätsvariationen oder des Kontrastverlaufes ausgewertet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem das Fokussierbild in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmoduliert ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die erste Richtung des in der Fokussierbildebene liegenden Fokussierbildes nicht parallel zur Schnittgeraden von Fokussierbild und zweiter
Fokusebene ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem das Fokussierbild mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teilbilder mit gleicher Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem für jedes Teilbild eine Teilbildabweichung berechnet und aus den Teilbildabweichungen die Abweichung abgeleitet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, bei dem zumindest einmal die abgeleitete Abweichung mit der aus einem anderen Fokussierverfahren bestimmten Abweichung des Objekts aus der Sollposition verglichen und der dabei ermittelte Unterschied zur Kalibrierung des Autofokussierverfahrens verwendet wird.
21. Autofokusvorrichtung für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik (9a) mit einer ersten Fokusebene (20a) und einen Objekttisch (11a) zum Bewegen eines abzubildenden Objektes (3a) relativ zur ersten Fokusebene (20a) aufweist, wobei die Autofokusvorrichtung (1a)
- ein Bildaufnahmemodul (9a) mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene (20a) bekannt ist,
- ein Beleuchtungsmodul (BMa) zum Abbilden eines Fokussierbildes, das mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teilbilder mit gleicher Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind, entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges über das Objekt in eine Fokussierbildebene derart, daß, wenn das Objekt in einer Sollposition positioniert ist, das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet, und
- ein Steuermodu! umfaßt, das zum Fokussieren der Abbildungsvorrichtung (9a) den Objekttisch (11a) so ansteuert, daß das Objekt (3a) in der Sollposition positioniert ist, aus einem Signal des Bildaufnahmemoduls, das das Bildaufnahmemodul anhand seiner Aufnahme des Fokussierbildes, wenn das Objekt in der Sollposition positioniert ist, erzeugt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition ableitet und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, der Sollposition und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert ist.
22. Autofokusvorrichtung nach Anspruch 21 , bei der die erste und zweite Fokusebene zusammenfallen.
23. Autofokusvorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, bei der als Bildaufnahmemodul die Abbildungsoptik verwendet wird.
24. Autofokusvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei der das Bildaufnahmemodul als Signal die Aufnahme des Fokussierbildes ausgibt.
25. Autofokusvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, bei der das Steuermodul die Aufnahme hinsichtlich Intensitätsvariationen oder des Kontrastverlaufes auswertet.
26. Autofokusvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, bei der die erste Richtung des in der Fokussierbildebene liegenden Fokussierbildes nicht parallel zur Schnittgeraden von Fokussierbild und zweiter Fokusebene ist.
27. Autofokusvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, bei der das Steuermodul für jedes Teilbild eine Teilbildabweichung berechnet und aus den Teilbildabweichungen die
Abweichung ableitet.
28. Autofokusvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, bei der der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am Objekt gefaltet ist.
29. Autofokusvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, bei der die Sollposition einen vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene aufweist.
30. Autofokusvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, bei der zumindest einmal die abgeleitete Abweichung mit der mit einer anderen Fokussiervorrichtung bestimmten Abweichung des Objekts aus der Sollposition verglichen und der dabei ermittelte Unterschied zur Kalibrierung der Autofokusvorrichtung verwendet wird.
31. Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik (9a) mit einer ersten Fokusebene (20a) aufweist, bei dem ein Bildaufnahmemodul (9a) mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene (20a) bekannt ist, vorgesehen wird, das Objekt in einer Sollposition positioniert wird, ein Fokussierbild, das mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teilbilder mit einer Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind, entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges über das Objekt in eine Fokussierbildebene derart abgebildet wird, daß das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet, das Bildaufnahmemodul das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild aufnimmt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition anhand der Aufnahme abgeleitet wird und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, der Sollposition und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31 , bei dem die erste und zweite Fokusebene zusammenfallen.
33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, bei dem als Bildaufnahmemodul die Abbildungsoptik verwendet wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, bei dem das Bildaufnahmemodul als Signal die Aufnahme des Fokussierbildes ausgibt.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, bei dem die Aufnahme hinsichtlich Intensitätsvariationen oder des Kontrastverlaufes ausgewertet wird.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 35, bei dem die erste Richtung des in der Fokussierbildebene liegenden Fokussierbildes nicht parallel zur Schnittgeraden von Fokussierbild und zweiter Fokusebene ist.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 36, bei dem für jedes Teilbild eine Teilbildabweichung berechnet und aus den Teilbildabweichungen die Abweichung abgeleitet wird.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 37, bei dem der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am Objekt gefaltet ist.
39. Verfahren nach Anspruch 38, bei dem die Sollposition einen vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene aufweist.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 39, bei dem zumindest einmal die abgeleitete Abweichung mit der aus einem anderen Fokussierverfahren bestimmten Abweichung des Objekts aus der Sollposition verglichen und der dabei ermittelte Unterschied zur Kalibrierung des Autofokussierverfahrens verwendet wird.
PCT/EP2009/000313 2008-01-21 2009-01-20 Autofokusvorrichtung und autofokussierverfahren für eine abbildungsvorrichtung WO2009092555A1 (de)

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