WO2011080362A1 - Dispositivo y procedimiento para la reducción del error de abbe en sistemas de microscopía - Google Patents

Dispositivo y procedimiento para la reducción del error de abbe en sistemas de microscopía Download PDF

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    • G01B21/045—Correction of measurements

Definitions

  • the present invention relates to a device for measuring the relative displacement of a target with respect to a sample without Abbe error. It also refers to the application of said device to optical microscopy, both conventional and optical techniques for obtaining 3D topologies based on a relative linear displacement between the lens and the sample.
  • Abbe's error is one of the characteristic error sources in all measurement systems applied to dimensional metrology, which work by taking measurements for different distances (displacement) between the target and the sample. Abbe's error originates from the fact that, in general, the measuring elements cannot really calculate the displacements at the point where you want to measure but at a more or less close point.
  • a type of optical system called white light interferometer
  • Michelson 2 interferometer coupled to a microscopy objective 8
  • the system is complemented by a white light source 1 of limited spectrum width, spatial filter and collimator 5, additional filters 6 and diaphragms 7 and an image processing device 3.
  • This type of system is one of the solutions used to measure surface topography (obtaining 3D spatial coordinates of each surface point) of the sample 9 being the uncertainty of the measurement in the coordinate perpendicular to the surface directly linked to the uncertainty of the measurement of the displacement of the focus point on the sample.
  • the Abbe principle indicates: "The measuring instrument must always be constructed in such a way that the distance to be measured is over the extension of the straight line of the measurement scale". Therefore, the further the measurement scale 4 is from the distance to be measured, that is to say the displacement of the focus point with respect to sample 9, the greater the uncertainty of the measurement.
  • the invention aims to alleviate the technical problems mentioned in the previous section.
  • proposes a device for the correction of the Abbe error in interferometric systems of surface metrology comprising means for measuring the displacement of a target with respect to a surface composed of at least two displacement sensors integral with the target on both sides of it capable of measuring the relative displacement of the objective and the sample in four and a half points to calculate the average displacement from these measurements in the four points.
  • the sensors can be capacitive, inductive or based on laser interferometry.
  • the device preferably incorporates two retroreflectors integral with the objective and located in the plane of coherence or focus of said objective, and at least two interferometers integral with the surface and adapted to emit four laser beams in the direction of the retroreflectors.
  • Figure 1 is an example of a interferometer with displacement sensor according to the state of the art.
  • Figure 2 is a side view of an embodiment of the invention where the path of the laser beams can be seen.
  • Figure 3 is the same exemplary embodiment of Figure 2 seen from the top.
  • Figure 4 is a more detailed front view of the previous configuration.
  • Figure 5 is a side view corresponding to Figure 4 and a top view of the reflection points of the configuration.
  • Figure 6 is a view of an alternative embodiment using "cube corners" (retroreflector based on three mirrors mounted on three planes perpendicular to each other) instead of flat mirrors.
  • the solution for the correction of Abbe's error is based on the use of laser interferometry although it could also be replaced by measurements, with the same geometric configuration, by inductive or capacitive techniques depending on the range and the objective uncertainty.
  • the technique that combines any range of displacement with very high resolution and precision is the interferometric which is described here as a solution sample in general.
  • An interferometric displacement measurement system uses an incrernental technique (does not provide absolute positions) and consists of an optics (figures 2 and 3) called interferometer 14 and a retroreflective mirror
  • interferometer 14 an optics (figures 2 and 3) called interferometer 14 and a retroreflective mirror
  • reference beam a laser beam generated from a head 11 is used which is directed by mirrors 12 and beam splitters 16 to the interferometers 14 from which part of the beam is sent to the retroreflectors 15 where it is reflected back to the interferometers. These combine a part of the emitted beam with the reflected one and the combination is sent to a photoreceptor 13.
  • interferometric system corresponds fundamentally to the architecture of a homodyne type interferometer. More complex configurations thereof, using for example 2 polarized frequencies in the laser beam allow to develop heterodyne solutions.
  • interferometer and retroreflector depending on the trajectories of the beams between interferometer and retroreflector, several paths can be generated between them, so there are systems with a beam back and forth between both or two (double pass) or more paths between them.
  • Differential measurement configurations are also available if the reference retroreflector instead of being integral with the inter erometer is placed in external positions.
  • the solution set forth in this particular example of the invention employs four laser beam paths (more paths can also be added as redundant information) for the detection of four points of reference (figure 5). These four paths can be implemented by four interferometers and four retro-reflectors, or by two double-pass interferometers with two flat retroreflectors or two linear interferometers with two cat-eye or "cube corners" retroreflectors (figure 6).
  • the solution based on the configurations with two interferometers and with flat mirrors is shown in Figures 2 and 3.
  • the beam path of the laser interferometer is the one shown in the diagrams of Figures 4 and 5.
  • Two mirrors and two interferometers are integrated as indicated on both sides of the target or interferometer that focuses on the point. of interest in the sample.
  • the displacement is carried out by the objective in the direction of the sample, this configuration being the one that allows a greater reduction of the Abbe error compared to a displacement of the sample.
  • the two flat mirrors are fixed with high rigidity and stability to the lens support seeking maximum coplanality between them so that the reflection points of the beam in both are located at the height of the focus point (or coherence plane if it is a question of a white light interferometer) of the target.
  • the two mirrors are in solidarity with the objective and therefore move with it along the measurement range.
  • Laser interferometers are, as indicated, double-pass beam, so they are two independent beams. Interferometers must be rigidly supportive of the Sample to measure. The position of the interferometer is adjusted so that the center of the two beams also corresponds to the focus point.
  • Figures 4 and 5 show the positioning of the beams of the interferometers 22, reflected in the retroreflectors 24 with respect to the coherence plane or focus point 26 on the sample 25.
  • each flat optical laser interferometer optically performs an average of the path of the two beams it generates. That is, it automatically compensates for the effects of pitching of the lens or interferometer displacement 21, 22, 23.
  • a software averaging of the measurements acquired from each interferometer provides compensation for the effects of yaw angles of the lens or interferometer displacement.
  • heterodyne double-pass flat optics interferometric system which employs a double beam with two frequencies fl (reference frequency) and f2 (measurement frequency).
  • the frequency f2 is sent in two steps to the flat mirror that moves with respect to the interferometer.
  • the Doppler effect will cause a mirror shift to produce a frequency variation Af 5 in the reflected beam that will have a frequency f2 ⁇ ⁇ f a .
  • the beam reflected in the first step is sent back to the flat mirror by the second separated path a certain distance from the first.
  • the displacement of this second reflection point causes a second Doppler Af displacement so that the finally reflected beam will reach the interferometer with a frequency that will be f2 + Af a + ⁇ .
  • the configuration of the reference beam with the reflected beam will be combined in the interferometer creating the interference pattern corresponding to fl - (f2 + Af a + ⁇ 3 ⁇ 4).
  • a hardware capable of obtaining displacements from the interfered signals receives on the one hand the interference fl - f2 from the laser head and on the other the interference generated on the interferometer, that is, fl - (f2 + Af a + ⁇ ft,) . By subtracting both interference the hardware gets Af a + Af- D .
  • a configuration based on contactless inductive or capacitive sensors is an alternative to the use of interferometry for reduced measuring ranges (these sensors reduce their uncertainty proportionally to the measurement range).
  • Non-contact sensors allow you to determine how far a metal surface is from the sensor's sensor surface without physical contact between the sensor and the surface.
  • the capacitor that forms between the metal surface and the pickup surface changes value with distance. Measuring the charge time of the capacitor formed by both surfaces, the distance measurement is obtained.
  • the inductive and capacitive techniques without contact are therefore similar to those that use laser beams while there are no interaction forces between the fixed part and the mobile part caused by the measurement.
  • the configuration with these devices would be similar to interferometry with flat mirrors.
  • the device finds a practical application in reducing the error of A be in the measurement of the shift of the focus point in the direction of the axial axis in systems that employ microscope targets and interferometers.

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Abstract

La invención se refiere a un dispositivo para la corrección del error de Abbe en sistemas interferométricos de metrología de superficies y que comprende medios para medir el desplazamiento de un objetivo (21) respecto a una superficie (25) compuestos por al menos dos sensores (22) de desplazamiento solidarios al objetivo a ambos lados de éste capaces de medir el desplazamiento relativo del objetivo (21) y la muestra (25) en cuatro puntos y medios para calcular el desplazamiento medio a partir de dichas medidas en los cuatro puntos. Gracias al dispositivo es posible corregir el error de Abbe en un sistema de microscopía.

Description

Dispositivo y procedimiento para la reducción del error de Abbe en sistemas de microscopía.
D E S C R I P C I O N
CAMPO DE LA INVENCION
La presente invención se refiere a un dispositivo para medir el desplazamiento relativo de un objetivo respecto a una muestra sin error de Abbe. Se refiere también a la aplicación de dicho dispositivo a la microscopía óptica, tanto a la convencional como las técnicas ópticas para la obtención de topologías 3D basadas en un desplazamiento lineal relativo entre la lente y la muestra.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El error de Abbe es una de las fuentes de error características en todos los sistemas de medida aplicados a metrología dimensional, que funcionan tomando medidas para distintas distancias (desplazamiento) entre el objetivo y la muestra. El error de Abbe tiene como origen el hecho de que, en general, los elementos de medida no pueden calcular realmente los desplazamientos en el punto en que se quiere medir sino en un punto más o menos próximo. En la figura 1 se puede ver un tipo de sistema óptico (denominado interferómetro de luz blanca) basado en un interferómetro Michelson 2 acoplado a un objetivo de microscopía 8 , con una escala de medida que mide el desplazamiento vertical del conjunto 4 . El sistema se complementa con una fuente de luz blanca 1 de ancho de espectro limitado, filtro espacial y colimador 5, filtros adicionales 6 y diafragmas 7 y un dispositivo de tratamiento de la imagen 3. Este tipo de sistemas es una de las soluciones empleadas en la medida de la topografía de superficies (obtención de coordenadas espaciales 3D de cada punto de la superficie) de la muestra 9 estando la incertidumbre de la medida en la coordenada perpendicular a la superficie directamente ligada a la incertidumbre de la medida del desplazamiento del punto de enfoque sobre la muestra.
El principio de Abbe (Ernst Abbe - 1890) indica: "El instrumento de medida siempre debe ser construido de tal forma que la distancia a medir esté sobre la prolongación de la línea recta de la escala de medida". Por lo tanto, cuanto más alejada esta la escala de medida 4 respecto a la distancia que se quiere medir, es decir el desplazamiento del punto de enfoque respecto a la muestra 9, mayor será la incertidumbre de la medida.
Para solucionar este problema, en los sistemas que requieren incertidumbres muy reducidas, se requieren soluciones que buscan bien acercar el elemento de medida al punto de medida, bien caracterizar la contribuciones al error de Abbe para realizar correcciones de la medida final o bien integrar elementos de medida más complejos en geometrías alternativas que limitan o eliminan este error .
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
La invención tiene por objeto paliar los problemas técnicos citados en el apartado anterior. Para ello, propone un dispositivo para la corrección del error de Abbe en sistemas interferométricos de metrología de superficies que comprende medios para medir el desplazamiento de un objetivo respecto a una superficie compuestos por al menos dos sensores de desplazamiento solidarios al objetivo a ambos lados de éste capaces de medir el desplazamiento relativo del objetivo y la muestra en cuatro puntos y medios para calcular el desplazamiento medio a partir de dichas medidas en los cuatro puntos. Los sensores pueden ser capacitativos, inductivos o estar basados en interferometría láser. En este último caso, el dispositivo incorpora preferentemente dos retroreflectores solidarios con el objetivo y situados en el plano de coherencia o enfoque de dicho objetivo, y al menos dos interferómetros solidarios con la superficie y adaptados para emitir cuatro haces láser en dirección a los retrorreflectores .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la siguiente descripción de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo siguiente :
La figura 1 es un ejemplo de interferómetro con sensor del desplazamiento de acuerdo con el estado de la técnica .
La figura 2 es una vista lateral de un ejemplo de realización de la invención donde puede verse el recorrido de los haces láser. La figura 3 es el mismo ejemplo de realización de la figura 2 visto desde la parte superior.
La figura 4 es una vista frontal más detallada de la configuración anterior.
La figura 5 es una vista lateral correspondiente a la figura 4 y una vista superior de los puntos de reflexión de la configuración.
La figura 6 es una vista de una realización alternativa que emplea "cube corners" (retrorreflector basado en tres espejos montados en tres planos perpendiculares entre si) en lugar de espejos planos.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
A continuación se describen varias configuraciones del dispositivo objeto de la invención.
La solución para la corrección del error de Abbe se basa en el empleo de interferometría láser aunque también podría sustituirse ésta por medidas, con una misma configuración geométrica, mediante técnicas inductivas o capacitivas dependiendo del rango y de la incertidumbre objetivo. Sin embargo, la técnica que combina cualquier rango de desplazamiento con muy elevada resolución y precisión es la interferométrica que es la que aquí se describe como muestra de solución con carácter general.
Un sistema interferométrico de medida de desplazamientos usa una técnica incrernental (no proporciona posiciones absolutas) y consta de una óptica (figuras 2 y 3) denominada interferómetro 14 y un espejo retrorreflector Como haz de referencia se emplea un haz láser generado desde un cabezal 11 que es dirigido por espejos 12 y divisores de haz 16 a los interferómetros 14 desde los que parte del haz se envía a los retrorreflectores 15 donde es reflejado de vuelta a los interferómetros . Éstos combinan una parte del haz emitido con el reflejado y la combinación es enviada a un fotorreceptor 13.
Cuando el retrorreflector es desplazado se produce en el haz reflejado un desplazamiento de frecuencias por efecto Doppler que provoca la aparición de franjas de interferencia en el fotorreceptor . Una electrónica de conteo de franjas y de medida de fase de las mismas permite obtener la medida del desplazamiento del mismo.
Esta descripción del sistema interferométrico corresponde fundamentalmente a la arquitectura de un interferómetro de tipo homodino. Configuraciones más complejas del mismo, empleando por ejemplo 2 frecuencias polarizadas en el haz láser permiten desarrollar soluciones heterodinas. Además, dependiendo de las trayectorias de los haces entre interferómetro y retrorreflector pueden generarse varios caminos entre ambos, por lo que se dispone de sistemas con un haz de ida y otro de vuelta entre ambos o dos (doble paso) o más trayectos entre ambos. También se dispone de configuraciones de medida diferencial si el retroreflector de referencia en lugar de ser solidario al inter erómetro se sitúa en posiciones externas.
La solución planteada en este ejemplo particular de la invención emplea cuatro trayectorias de haz láser (pueden añadirse también más trayectorias como información redundante) para la detección de cuatro puntos de referencia (figura 5) . Estos cuatro caminos pueden estar implementados mediante cuatro interferómetros y cuatro retro-reflectores, o bien mediante dos interferómetros de doble paso con dos retrorreflectores planos o dos interferómetros lineales con dos retrorreflectores del tipo ojo de gato o "cube corners" (figura 6) . En las figuras 2 y 3 se representa la solución basada en las configuraciones con dos interferómetros y con espejos planos .
El recorrido de los haces del interferómetro láser es el que se recoge en los diagramas de las figuras 4 y 5. Se integran como se ha indicado dos espejos y dos interferómetros de forma que están situados a ambos lados del objetivo o interferómetro que enfoca el punto de interés en la muestra. En la configuración representada en ambas figuras se considera que el desplazamiento se realiza por parte del objetivo en dirección a la muestra, siendo esta configuración la que permite una mayor reducción del error de Abbe frente a un desplazamiento de la muestra.
Los dos espejos planos se fijan con elevada rigidez y estabilidad al soporte del objetivo buscando la máxima coplanalidad entre ellos de forma que los puntos de reflexión del haz en ambos este situada a la altura del punto de enfoque (o plano de coherencia si se trata de un interferómetro de luz blanca) del objetivo. Los dos espejos son solidarios con el objetivo y por lo tanto se desplazan con el a lo largo del rango de medida. Los interferómetros láser son, como se ha indicado, de doble paso del haz, por lo que err.iten dos haces independientes. Los interferómetros deben ser rígidamente solidarios a la muestra a medir. La posición del interferómetro se ajusta de forma que el centro de los dos haces corresponde también al punto de enfoque.
En las figuras 4 y 5 se muestra el posicionamiento de los haces de los interferómetros 22, reflejados en los retroreflectores 24 respecto del plano de coherencia o punto de enfoque 26 sobre la muestra 25. A la hora de entender el efecto que la distribución de haces y ópticas tienen sobre la medida debe considerarse que cada interferómetro láser de óptica plana realiza ópticamente un promediado del recorrido de los dos haces que genera. Es decir, automáticamente compensa los efectos de cabeceo del desplazamiento del objetivo o interferómetro 21, 22, 23. Además un promediado por software de las medidas adquiridas de cada interferómetro proporciona la compensación los efectos de ángulos de guiñada del desplazamiento del objetivo o interferómetro . Por lo tanto, los dos efectos combinados proporcionan directamente la medida del desplazamiento, teóricamente real, del punto de enfoque del objetivo o interferómetro independientemente de los giros de cabeceo y guiñada que puedan producirse a lo largo del desplazamiento relativo entre objetivo y muestra. En una realización particular del dispositivo de la invención, se utiliza sistema interferométrico de óptica plana de doble paso heterodino, que emplea un haz doble con dos frecuencias fl (frecuencia de referencia) y f2 (frecuencia de medida) . La frecuencia f2 se envía en dos pasos al espejo plano que se desplaza respecto al interferómetro . En el primer paso el efecto Doppler hará que un desplazamiento del espejo produzca una variación de frecuencia Af5 en el haz reflejado que tendrá una frecuencia f2 ÷ ñfa. El haz reflejado en el primer paso se envía de nuevo al espejo plano por el segundo camino separado una determinada distancia respecto al primero. El desplazamiento de este segundo punto de reflexión provoca un segundo desplazamiento Doppler Af por lo que el haz finalmente reflejado llegara al interferómetro con una frecuencia que será f2 + Afa + Δίβ. La configuración del haz de referencia con el haz reflejado será combinado en el interferómetro creando el patrón de interferencias correspondiente a fl - (f2 + Afa + Δ¾) .
Un hardware con capacidad de obtener desplazamientos a partir de las señales interferidas recibe por una parte la interferencia fl - f2 desde el cabezal láser y por otra la interferencia generada en el interferómetro, es decir, fl - (f2 + Afa + ñft,) . Restando ambas interferencias el hardware obtiene Afa + Af-D.
Integrando, también por hardware, la suma de ambas variaciones de interferencia se obtiene ΔΧ = ΔΧ2 + ΔΧ2 que es el valor de desplazamiento suma del desplazamiento del espejo en el haz del primer paso mas el desplazamiento del espejo en el haz en el segundo paso. Dividiendo por dos, el valor de desplazamiento (ΔΧ/2) se obtiene el desplazamiento del punto intermedio entre los dos haces y que denominaremos ΔΧ . En el segundo conjunto formado por interferómetro y espejo plano se obtiene de la misma forma el valor del desplazamiento del punto intermedio entre sus dos haces ΔΧ . Si se considera que el punto de enfoque esta situado entre los dos centros de los haces de los interferómetros (ver figura 5 derecha) la operación que promedie (ΔΧα + ΔΧβ /2) proporcionará el desplazamiento real del punto de enfoque. Si el punto de enfoque no se encuentra en el centro sino desplazado una determinada distancia D respecto al primer interferómetro, siendo K la distancia entre los interferómetros se aplicará ΔΧα+ ( (ΔΧβ-ΔΧ /Κ) *D) para calcular el desplazamiento de punto de enfoque.
Una configuración basada en sensores inductivos o capacitivos sin contacto es una alternativa al empleo de interferometria para rangos de medida reducidos (estos sensores reducen su incertidumbre proporcionalmente al rango de medida) . Los sensores sin contacto permiten determinar a que distancia esta una superficie metálica respecto a la superficie captadora del sensor sin que exista contacto físico entre el sensor y la superficie. En el caso de uno capacitivo, por ejemplo, el condensador que se forma entre la superficie metálica y la superficie captadora cambia de valor con la distancia. Midiendo el tiempo de carga del condensador formado por ambas superficies se obtiene la medida de la distancia. Las técnicas inductivas y capacitivas sin contacto son por lo tanto similares a las que emplean haces láser en tanto que no hay fuerzas de interacción entre la parte fija y la parte móvil ocasionadas por la medida. La configuración con estos dispositivos sería similar a la interferometria con espejos planos. En lugar de espejos planos se dispondría de superficies metálicas planas conectadas a un potencial común de referencia. Los sensores capacitivos o inductivos se fijarían de forma solidaria a la muestra, situados en las posiciones de los haces de la figura 5 y separados de las superficies metálica la distancia definida por el rango de medida proporcionado por el sensor. Considerando que los desplazamientos medidos por los cuatro sensores son respectivamente ΔΧι, ΔΧ2, ΔΧ3, ΔΧ4, para una disposición de los sensores equidistante del punto de enfoque (tal y como la que se refleja en la figura 5) el desplazamiento del mismo correspondería a (ΔΧι+ΔΧ2+ΔΧ3+ΔΧ4) / . Posiciones alternativas no equidistantes requerirán de cálculos de proporcionalidad geométrica.
El dispositivo encuentra una aplicación práctica en la reducción del error de A be en la medida del desplazamiento del punto de enfoque en la dirección del eje axial en sistemas que emplean objetivos e interferómetros de microscopía.

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Dispositivo para la corrección del error de Abbe en sistemas interferométricos de metrología de superficies caracterizado porque comprende medios para medir el desplazamiento de un objetivo (21) respecto a una superficie (25) compuestos por al menos dos sensores (22) de desplazamiento solidarios al objetivo a ambos lados de éste capaces de medir el desplazamiento relativo del objetivo (21) y la muestra (25) en cuatro puntos y medios para calcular el desplazamiento medio a partir de dichas medidas en los cuatro puntos.
2. - Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque los sensores son capacitativos o inductivos.
3.- Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque los sensores están basados en interferometría láser .
4.- Dispositivo según la reivindicación 3 caracterizado porque incorpora dos retroreflectores solidarios con el objetivo y situados en el plano de coherencia o enfoque de dicho objetivo, y al menos dos interferómetros solidarios con la superficie (22) y adaptados para emitir cuatro haces láser en dirección a los retrorreflectores .
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