WO2013120490A1 - Konfokaler mikroskopischer 3d-lichtschnittsensor - Google Patents

Konfokaler mikroskopischer 3d-lichtschnittsensor Download PDF

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WO2013120490A1
WO2013120490A1 PCT/DE2013/100060 DE2013100060W WO2013120490A1 WO 2013120490 A1 WO2013120490 A1 WO 2013120490A1 DE 2013100060 W DE2013100060 W DE 2013100060W WO 2013120490 A1 WO2013120490 A1 WO 2013120490A1
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light
surface profile
light plane
line
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Bernd Geisler
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Kocos Optical Measurement Gmbh
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    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/245—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using a plurality of fixed, simultaneously operating transducers
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    • G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/56—Measuring geometric parameters of semiconductor structures, e.g. profile, critical dimensions or trench depth

Definitions

  • the invention relates to a measuring arrangement for non-contact measurement of a surface profile of a three-dimensional object, wherein at least one camera is arranged for detecting a region of the object which is linearly illuminated with at least one light source.
  • the invention is particularly suitable for high-resolution surface analysis on small objects and on selected object areas, in particular edge areas, for. As wafers, suitable.
  • a surface detection by means of the light-section method is described in the published patent application DE 100 64 289 A1.
  • an optical system with different imaging scales in horizontal and vertical direction is used here, so that an extension or compression of the image area to improve the imaging ratio can be done. It is to be assumed that in order to achieve an optical structure which is subject to few optical errors, a corresponding effort is required, which seems to make sense only for larger objects to be measured. For high-precision measurement of smaller objects or object sections, this procedure does not seem feasible.
  • the invention is therefore based on the object to find a way to contactless measurement of a surface profile of a three-dimensional object, which has a high accuracy and high spatial resolution.
  • this object is achieved in a measuring arrangement for non-contact measurement of a surface profile of a three-dimensional object, wherein at least one camera for detecting a linearly illuminated with at least one light source area of the object is achieved in that the at least one light source is a line laser module that three line laser modules have almost T-shaped mutually arranged beams whose laser lines are coplanar in a common plane of light, so that in the plane of light is fed by three directions light curtain is present, that the object is introduced with a surface profile to be measured in the plane of light, so that the light plane for the generation of a light sectional view of the surface profile of the object is formed, that the at least one camera for receiving scattered light generated by means of the laser line in the light plane on the surface profile with a in the L lens-focused lens is equipped and has an observation angle that is oriented substantially orthogonal to the light plane and the middle of the T-shaped laser modules.
  • the at least one camera for detecting a linearly illuminated with at least one light source area of the object is achieved
  • the measuring arrangement has line laser modules with an individual power control for influencing the regional light intensity in the light plane.
  • the beam paths of the line laser modules which are arranged almost in T-shape relative to one another and the camera positioned substantially orthogonal to the light plane and to the central line laser module have an observation angle in the range of 85 ° ⁇ 90 °.
  • the objective of the at least one camera has the smallest possible working distance from the illuminated surface profile of the object and is arranged confocally to the line laser modules.
  • a plurality of cameras with microscope objectives are arranged for receiving the scattered light generated by the laser lines in the light plane on the surface profile, all cameras having a confocal arrangement with the line laser modules in the area of the surface profile illuminated in the light plane.
  • up to four cameras with microscope objectives are used simultaneously, wherein the cameras are arranged at such angles that even with highly reflective surfaces direct reflections of the beams of the line laser modules on the surface profile of the object can not get into the respective entrance aperture of the cameras.
  • the line laser modules illuminating the object have a laser line width adapted to the depth of field of the objective.
  • line interference filters tuned to the laser wavelength used for the line laser modules are advantageously used in front of the cameras.
  • the surface profile to be analyzed is the edge profile in the peripheral edge region of a semiconductor wafer.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the measuring arrangement according to the invention in a perspective view and a plan view
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the measuring arrangement when using multiple cameras.
  • a measuring arrangement 1 which is shown in a perspective view (top view) and a plan view (lower view) in FIG. 1, consists of a T-shaped arrangement of three line laser modules 2, which generate a light curtain with their linearly emitted beams 3, and a first camera 7, which receives a profile line of an object 5 which is jointly illuminated by the line laser modules 2.
  • the line laser modules 2 are arranged such that two further line laser modules 2 are oriented approximately vertically to a first central line laser module 2, so that the generated line-shaped beams 3 of all line laser modules 2 are coplanar, ie in one, to a central spatial area in which the profile measurement is to take place common light plane 4 lying, are aligned.
  • a beam 3 of the central T-shaped line laser modules 2 is considered as a reference beam.
  • the beams 3 of the two further line laser modules 2 are arranged on both sides orthogonal to the reference beam or at an angle slightly deviating from 90 °. Thereby stands a light curtain, which is spanned by the linear beams 3 from three different directions in the light plane 4.
  • a laser line is projected onto a surface profile 6 by the line laser modules 2 in the light plane 4, which is approximately 20 ⁇ wide and strictly speaking from three individual, about 90 ° offset from each other coplanar irradiated linear beams 3 is composed.
  • a light curtain enclosing the surface profile 6 to be measured from three independent spatial directions is generated, from which the surface profile 6 of interest is immersed from a fourth direction, which is opposite to the direction of the beam 3 of the first line laser module 2.
  • the measuring arrangement 1 is in principle suitable for all objects 5 whose surface profiles 6 are at least partially insertable into the light curtain and have no pronounced undercuts that could lead to shading of the scattered light generated by the laser line.
  • One of the line laser modules 2 in the light plane 4 collectively illuminated on the surface profile 6 laser line generated in addition to directly reflected light emanating from the object surface scattered light.
  • this Scattered light is detected by means of a first camera 7, which is arranged almost orthogonal to the light plane 4 and consequently can not receive directly reflected light of the surface profile 6.
  • an object edge region is arranged along an object edge region.
  • ünienlasermodulen 2 instead of ünienlasermodulen 2, other light sources can be used, with each of which a sharply demarcated line with a maximum width of 20 ⁇ and sufficient intensity on the surface profile 6 of the object 5 can be generated.
  • the regional strength of the resulting laser line on the object 5 can be adjusted within wide ranges, so that different stray light intensities can be achieved for top and bottom as well as edge area or brightness differences can be compensated.
  • a simplified analysis of the surface profile 6 can be achieved in accordance with the procedure in known light-section methods.
  • its position corresponds exactly to the position of the middle line laser module 2 used as the reference beam in the case of three used laser modules 2.
  • an arrangement is appropriate, as provided in the arrangement described for three ünienlasermodule 2 for the two other ünienlasodule 2, in which case the symmetrical arrangement of the two ünienlasermodule 2 in the light plane 4 at an angle of about 90 ° zueinender takes place.
  • the scattered light of the laser line generated in the light plane 4 by the line laser modules 2 takes place via a lens connected to a first camera 7, whose optical axis 9 is directed to the laser line generated at the object 5 by the reference beam of the central line laser module 2 and close at an observation angle 90 ° (tolerance: - 5 °) to the reference beam and the light plane 4 is arranged.
  • This arrangement of line laser modules 2 and the first camera 7 forms a confocal microscopic 3D üchtschnittsensor and allows of most surface areas an almost distortion-free representation of the complete surface profile 6 in a single shot of the scattered light, without a superposition of images of other spatially distributed cameras is needed ,
  • a confocal arrangement is to be understood here as meaning that the laser lines thrown onto the surface profile 6 of the object 5 are each located within the depth of field of the objective of the first camera 7 at the selected working distance.
  • an observation angle of 88 ° between the optical axis 9 of the lens of the first camera 7 and the light plane 4 can be regarded as disturbing light reflections can be largely excluded under this observation angle.
  • the first camera 7 is arranged confocally to the line laser modules 2 with respect to the laser line generated by the light plane 4 on the surface profile 6.
  • the light curtain collectively generated by the thin-laser modules 2 in this case has a width adapted to the depth of field of the objective of the first camera 7.
  • a high scattered light output can be achieved.
  • the limitation of the imaging area on the range of the depth of field of the lens or the light section method principle limitation of the image capture area on the illuminated by the laser line only about 20 ⁇ wide, illuminated area of the object 5 excludes the influence of extraneous light largely and ensures together with the resolution of the first camera 7 (lens and camera chip) the high spatial resolution of measuring arrangement.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention
  • the cameras 8a and 8b are also arranged laterally to the light plane 4 and approximately orthogonal to the central line laser module 2.
  • these are mounted above and below an edge profile of the surface profile 6 of the object 5 to be measured.
  • the laser line generated from the three linearly emitted beams 3 can be recorded separately in several subareas and the generated individual shots of the laser line can be combined by superposition to form an optimum image.
  • first the distortion resulting from the known detection angle of the further cameras 8a, 8b,... In relation to the first camera 7 is mathematically corrected and then the individually recorded and corrected line components are combined by means of an algorithm for the profile line.
  • the first camera 7 arranged in the plane of the object 5 can not in any case (for example in FIG Undercuts) the top and bottom of the object 5 capture.
  • the arrangement of two further cameras 8a and 8b which are each directed at a detection angle of 45 ° to the top and bottom of the object 5 on the laser line, as a useful complement to the first camera. 7
  • line laser modules 2 having short wavelengths are used to generate the light plane 4, thereby achieving a higher scattering intensity and thus a better scattered light output when detecting the scattered light.
  • HDR High Dynamic Range
  • a rectangular calibration standard is preferably used.
  • an image of the calibration standard is taken and the deviation of the right angle is determined. From this deviation, a correction factor can be formed with which the telecentricity error of the respective microscope objective can be compensated in a linear approximation.
  • a calibration function is provided for the microscope objectives, in which the optical system can be tuned to a calibration standard via a measurement bar displayed in the image.
  • the calibration function a precise and reproducible working distance can be set.
  • the microscope objectives are used for measuring surface profiles 6 of a semiconductor wafer used as object 5.
  • the semiconductor wafer rotatable about its axis of symmetry is arranged orthogonal to the light plane 4 and protrudes with an edge region into the light plane 4, so that in the peripheral edge region of the semiconductor wafer, which is shown stylized in FIG. 1 as a detail of the object 5, the surface profile 6 is illuminated exclusively in the surrounding light plane 4.
  • the optical axis 9 of the scattered light-detecting microscope objective of the camera 7 is arranged in the plane of the semiconductor wafer 5 at a deviating from 90 ° viewing angle of 88 ° to the reference beam and the light plane 4. This disturbing light reflections are largely excluded.
  • a local detection and correction of the wafer deflection can take place and the greatest possible insensitivity to eccentricity of the rotated semiconductor wafer in the light plane 4 can be achieved , Both are corrected in a software algorithm by aligning the vertical axis of the coordinate system with the outer edge of the wafer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung (1) zur berührungslosen Vermessung eines Oberflächenprofils (6) eines dreidimensionalen Objekts (5). Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur berührungslosen Vermessung des Oberflächenprofils (6) eines Objekts (5) mit hoher Genauigkeit und hoher räumlicher Auflösung zu finden, wird erfindungsgemäß gelöst, indem drei Linienlasermodule (2) nahezu T-förmig zueinander angeordnete Strahlen (3) aufweisen, deren Laserlinien koplanar in einer gemeinsamen Lichtebene (4) als Lichtvorhang eingestellt sind und das Objekt (5) mit dem Oberflächenprofil (6) in die Lichtebene (4) eingetaucht ist, sodass die Lichtebene (4) eine Lichtschnittdarstellung des Oberflächenprofils (6) des Objekts (5) erzeugt, und mindestens eine Kamera (7) mit einem in die Lichtebene (4) fokussierten Objektiv zur Aufnahme von am Oberflächenprofil (6) erzeugtem Streulicht unter einem zur Lichtebene (4) nahezu orthogonalen Beobachtungswinkel (α) angeordnet ist.

Description

Konfokaler mikroskopischer 3D-Lichtschnittsensor
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur berührungslosen Vermessung eines Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objekts, wobei mindestens eine Kamera zur Erfassung eines mit wenigstens einer Lichtquelle linienförmig beleuchteten Bereichs des Objekts angeordnet ist. Die Erfindung ist insbesondere zur hochauflösenden Oberflächenanalyse an kleinen Objekten und an ausgewählten Objektbereichen, insbesondere Kantenbereichen, z. B. von Wafern, geeignet.
Für die hochgenaue Vermessung von Objektprofilen haben sich zunehmend berührungslose Messverfahren durchgesetzt. Einen hervorragenden Platz nimmt dabei das Lichtschnittverfahren ein, bei dem ein Linienprojektor eine möglichst schmale Lichtlinie auf die Oberfläche eines Objekts projiziert. Die Projektion der Lichtlinie auf der Objektoberfläche wird mit einem Bildsensor, der unter einem bekannten Winkel (Triangulationsprinzip) auf den Bereich der Linienprojektion gerichtet ist, aufgenommen. Anhand der projizierten Lichtlinie kann der dreidimensionale Verlauf der Objektoberfläche aufgenommen und die genauen Abmessungen des Höhenprofils des Objekts berechnet werden.
Eine Oberflächenerfassung mittels des Lichtschnittverfahrens ist in der Offenlegungsschrift DE 100 64 289 A1 beschrieben. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit, insbesondere an größeren Messobjekten die ein ungünstiges Verhältnis zwischen einer großen Länge der Lichtlinie und einem kleinen zu detektierenden Höhenunterschied auf der Objektoberfläche aufweisen, wird hier eine Optik mit in horizontaler und vertikaler Richtung unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben verwendet, sodass eine Streckung bzw. Stauchung des Bildbereichs zur Verbesserung des Abbildungsverhältnisses erfolgen kann. Es ist anzunehmen, dass zum Erreichen eines mit wenigen optischen Fehlern behafteten optischen Aufbaus ein entsprechender Aufwand erforderlich ist, der dazu auch nur bei größeren zu vermessenden Objekten sinnvoll erscheint. Zur hochgenauen Vermessung kleinerer Objekte oder Objektabschnitte erscheint dieses Vorgehen nicht praktikabel. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur berührungslosen Vermessung eines Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objekts zu finden, die eine hohe Genauigkeit und eine hohe räumliche Auflösung aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Messanordnung zur berührungslosen Vermessung eines Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objekts, wobei mindestens eine Kamera zur Erfassung eines mit wenigstens einer Lichtquelle linienförmig beleuchteten Bereichs des Objekts angeordnet ist, dadurch gelöst, dass die wenigstens eine Lichtquelle ein Linienlasermodul ist, dass drei Linienlasermodule nahezu T-förmig zueinander angeordnete Strahlen aufweisen, deren Laserlinien koplanar in einer gemeinsamen Lichtebene eingestellt sind, sodass in der Lichtebene ein von drei Richtungen gespeister Lichtvorhang vorhanden ist, dass das Objekt mit einem zu vermessenden Oberflächenprofil in die Lichtebene eingeführt ist, sodass die Lichtebene für die Erzeugung einer Lichtschnittdarstellung des Oberflächenprofils des Objekts ausgebildet ist, dass die mindestens eine Kamera zur Aufnahme von mittels der Laserlinie in der Lichtebene am Oberflächenprofil erzeugtem Streulicht mit einem in die Lichtebene fokussierten Objektiv ausgestattet ist und einen Beobachtungswinkel aufweist, der im Wesentlichen orthogonal zur Lichtebene und zum mittleren der T-förmig angeordneten Lasermodule orientiert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Messanordnung Linienlasermodule mit einer individuellen Leistungsregelung zur Beeinflussung der regionalen Lichtstärke in der Lichtebene auf.
Zweckmäßig weisen die nahezu T-förmig zueinander angeordneten Strahlengänge der Linienlasermodule und die im Wesentlichen orthogonal zur Lichtebene und zum mittleren Linienlasermodul positionierte Kamera einen Beobachtungswinkel im Bereich von 85 °< <90° auf.
Weiterhin ist es zur Maximierung der Streulichtausbeute zweckmäßig, dass das Objektiv der mindestens einen Kamera einen möglichst geringen Arbeitsabstand zum beleuchteten Oberflächenprofil des Objekts aufweist und konfokal zu den Linienlasermodulen angeordnet ist. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind mehrere Kameras mit Mikroskopobjektiven zur Aufnahme des mittels der Laserlinien in der Lichtebene am Oberflächenprofil erzeugten Streulichts angeordnet, wobei alle Kameras zu den Linienlasermodulen im Bereich des in der Lichtebene beleuchteten Oberflächenprofils eine konfokale Anordnung aufweisen.
In einer speziellen Ausführung sind bis zu vier Kameras mit Mikroskopobjektiven simultan eingesetzt, wobei die Kameras unter solchen Winkeln angeordnet sind, dass auch bei hochreflexiven Oberflächen direkte Reflexionen der Strahlen der Linienlasermodule am Oberflächenprofil des Objekts nicht in die jeweilige Eintrittsapertur der Kameras gelangen können.
Vorteilhaft weisen die das Objekt beleuchtenden Linienlasermodule eine an den Schärfentiefenbereich des Objektivs angepasste Laserlinienbreite auf.
Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses werden zweckmäßig auf die verwendete Laserwellenlänge der Linienlasermodule abgestimmte Linien- Interferenzfilter vor den Kameras eingesetzt. Es ist aber auch möglich, andere Filter oder Filterkombinationen zu verwenden, mit denen der Einfluss von Störquellen reduziert werden kann.
In einer bevorzugten Realisierungsform der Erfindung handelt es sich bei dem zu analysierenden Oberflächenprofil um das Kantenprofil im peripheren Randbereich eines Halbleiter-Wafers.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Messanordnung in einer perspektivischen Ansicht und einer Draufsicht,
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Messanordnung bei Verwendung von mehreren Kameras.
Eine Messanordnung 1 , die in Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht (obere Darstellung) und einer Draufsicht (untere Darstellung) gezeigt ist, besteht aus einer T-förmigen Anordnung dreier Linienlasermodule 2, die mit ihren linienförmig emittierten Strahlen 3 einen Lichtvorhang erzeugen, sowie einer ersten Kamera 7, die eine durch die Linienlasermodule 2 gemeinschaftlich beleuchtete Profillinie eines Objekts 5 aufnimmt. Dazu sind die Linienlasermodule 2 so angeordnet, dass zu einem ersten mittleren Linienlasermodul 2 zwei weitere Linienlasermodule 2 annähernd senkrecht ausgerichtet sind, sodass auf einen zentralen Raumbereich, in dem die Profilmessung stattfinden soll, die erzeugten linienförmigen Strahlen 3 aller Linienlasermodule 2 koplanar, d. h. in einer gemeinsamen Lichtebene 4 liegend, ausgerichtet sind. Ein Strahl 3 des mittleren der T-förmig angeordneten Linienlasermodule 2 wird dabei als ein Referenzstrahl betrachtet. Die Strahlen 3 der zwei weiteren Linienlasermodule 2 sind beidseitig zum Referenzstrahl orthogonal oder in einem leicht von 90° abweichenden Winkel angeordnet. Dadurch einsteht ein Lichtvorhang, der durch die linienförmigen Strahlen 3 aus drei unterschiedlichen Richtungen in der Lichtebene 4 aufgespannt wird.
An dem in die Lichtebene 4 eingeführten Objekt 5, von dem ein signifikanter Bereich eines Objektquerschnitts, insbesondere ein Spitzen- oder Kantenbereich, vermessen werden soll, wird durch die Linienlasermodule 2 in der Lichtebene 4 eine Laserlinie auf ein Oberflächenprofil 6 projiziert, die ca. 20 μιτι breit und genau genommen aus drei einzelnen, ca. 90° zueinander versetzt koplanar eingestrahlten linienförmigen Strahlen 3 zusammengesetzt ist. Damit wird aus drei unabhängigen Raumrichtungen ein das zu vermessende Oberflächenprofil 6 von drei Seiten umschließender Lichtvorhang erzeugt, in den von einer vierten Richtung, die zur Richtung des Strahls 3 des ersten Linienlasermoduls 2 entgegengesetzt ist, das interessierende Oberflächenprofil 6 eintaucht.
Die Messanordnung 1 ist prinzipiell für alle Objekte 5 geeignet, deren Oberflächenprofile 6 mindestens stückweise in den Lichtvorhang einführbar sind und keine stark ausgeprägten Hinterschneidungen aufweisen, die zu einer Abschattung des von der Laserlinie erzeugten Streulichts führen könnten.
Eine von den Linienlasermodule 2 in der Lichtebene 4 gemeinschaftlich am Oberflächenprofil 6 beleuchtete Laserlinie erzeugt neben direkt reflektiertem Licht auch von der Objektoberfläche ausgehendes Streulicht. Ausschließlich dieses Streulicht wird mittels einer ersten Kamera 7 detektiert, die nahezu orthogonal zur Lichtebene 4 angeordnet ist und folglich kein direkt reflektiertes Licht des Oberflächenprofils 6 aufnehmen kann. Abgebildet wird dabei eine in der Lichtebene 4 durch Streulicht am Oberflächenprofil 6 des Objekts 5 erzeugte Profillinie, die infolge einer Bewegung des Objekts 5 durch den Lichtvorhang der Lichtebene 4 hindurch eine sukzessive Aufnahme des Oberflächenprofils 6, z. B. entlang eines Objektkantenbereichs, gestattet.
Anstelle von ünienlasermodulen 2 können auch andere Lichtquellen verwendet werden, mit denen sich jeweils eine scharf abgegrenzte Linie mit einer Breite von maximal 20 μιτι und ausreichender Intensität auf dem Oberflächenprofil 6 des Objekts 5 erzeugen lässt.
Durch eine individuelle Leistungsregelung der einzelnen Linienlasermodule 2 kann die regionale Stärke der resultierenden Laserlinie auf dem Objekt 5 in weiten Bereichen eingestellt werden, sodass sich für Ober- und Unterseite sowie Kantenfläche unterschiedliche Streulichtstärken erzielen lassen bzw. Helligkeitsunterschiede kompensiert werden können. Durch das Detektieren des Streulichts der Laserlinie kann, entsprechend dem Vorgehen bei bekannten Lichtschnittverfahren, eine vereinfachte Analyse des Oberflächenprofils 6 erreicht werden.
In Abhängigkeit vom zu vermessenden Oberflächenprofil 6 besteht außerdem die Möglichkeit, auch mehr als drei in der Lichtebene 4 angeordnete Linienlasermodule 2 zur Erzeugung der Laserlinie zu verwenden. Dadurch kann eine weitere Steigerung der Intensität des Streulichts der resultierenden Laserlinie und, insbesondere bei unterschiedlichen scharfen Kanten im Oberflächenprofil 6, eine homogenere Laserlinie erreicht werden.
Bei geometrisch besonders einfach gestalteten, den Strahl 3 gut streuenden Oberflächenprofilen 6 kann es auch ausreichend sein, das Oberflächenprofil 6 mit nur zwei oder auch mit nur einem entsprechend zum Oberflächenprofil 6 ausgerichteten Linienlasermodul 2 zu beleuchten. Um bei einem einzelnen Linienlasermodul 2 einen möglichst großen Bereich des Oberflächenprofils 6 zu beleuchten, entspricht dessen Position genau der Position des, bei drei verwendeten ünienlasermodulen 2 als Referenzstrahl verwendeten, mittleren Linienlasermoduls 2. Bei der Verwendung von zwei Linienlasermodulen 2 ist eine Anordnung sinnvoll, wie sie bei der für drei ünienlasermodule 2 beschriebenen Anordnung für die zwei weiteren ünienlasermodule 2 vorgesehen ist, wobei in diesem Fall die symmetrische Anordnung der zwei ünienlasermodule 2 in der Lichtebene 4 mit einem Winkel von etwa 90° zueinender erfolgt.
Die Aufnahme des Streulichts der in der Lichtebene 4 von den Linienlasermodulen 2 erzeugten Laserlinie erfolgt über ein mit einer ersten Kamera 7 verbundenes Objektiv, dessen optische Achse 9 auf die am Objekt 5 durch den Referenzstrahl des mittleren Linienlasermoduls 2 erzeugten Laserlinie gerichtet und in einem Beobachtungswinkel nahe 90° (Toleranz: - 5°) zum Referenzstrahl und zur Lichtebene 4 angeordnet ist. Diese Anordnung aus Linienlasermodulen 2 und der ersten Kamera 7 bildet einen konfokalen mikroskopischen 3D-üchtschnittsensor und gestattet von den meisten Oberflächenbereichen eine nahezu verzeichnungsfreie Darstellung des kompletten Oberflächenprofils 6 in einer einzigen Aufnahme des Streulichts, ohne dass eine Überlagerung von Aufnahmen weiterer räumlich verteilter Kameras benötigt wird. Unter konfokaler Anordnung soll hier verstanden werden, dass sich die auf das Oberflächenprofil 6 des Objekts 5 geworfenen Laserlinien jeweils im gewählten Arbeitsabstand innerhalb des Schärfentiefenbereichs des Objektivs der ersten Kamera 7 befinden.
Als für die verwendeten Objektive (Mikroobjektive) besonders vorteilhaft kann ein Beobachtungswinkel von 88° zwischen optischer Achse 9 des Objektivs der ersten Kamera 7 und der Lichtebene 4 angesehen werden, da unter diesem Beobachtungswinkel störende Lichtreflexe weitestgehend ausgeschlossen werden können.
Die erste Kamera 7 ist zu den Linienlasermodulen 2 bezüglich der durch die Lichtebene 4 am Oberflächenprofil 6 erzeugten Laserlinie konfokal angeordnet. Der durch die ünienlasermodule 2 gemeinschaftlich erzeugte Lichtvorhang weist dabei eine an die Schärfentiefe des Objektivs der ersten Kamera 7 angepasste Breite auf. Durch einen kurzen Arbeitsabstand der ersten Kamera 7 kann eine hohe Streulichtausbeute erreicht werden. Die Beschränkung des Abbildungsbereichs auf den Bereich der Schärfentiefe des Objektivs bzw. die beim Lichtschnittverfahren prinzipbedingte Beschränkung des Bilderfassungsbereichs auf den von der Laserlinie beleuchteten, nur ca. 20 μιη breiten, beleuchteten Bereich des Objekts 5 schließt den Einfluss von Fremdlicht weitestgehend aus und gewährleistet zusammen mit dem Auflösungsvermögen der ersten Kamera 7 (Objektiv und Kamerachip) das hohe räumliche Auflösungsvermögen der Messanordnung.
Durch die Verwendung spezieller Mikroskopobjektive (z. B. ZEISS EPIPLAN- NEOFLUAR), bei denen durch eine kompakte Bauform kürzestmögliche Arbeitsabstände erreicht werden, lässt sich die Streulichtausbeute weiter maximieren. Mit diesen Mikroskopobjektiven kann ein Bilderfassungsbereich mit einem Durchmesser von etwa 100 bis 1000 μιτι abgedeckt werden.
Durch die kompakte Bauform können mit den Mikroskopobjektiven außerdem bis zu drei weitere Kameras 8a, 8b,... simultan zur ersten Kamera 7 eingesetzt werden, die bei besonders ausgeformten Oberflächenprofilen 6 eine Aufnahme des Streulichts aus unterschiedlichen Perspektiven ermöglichen. Eine solche Ausführung der Erfindung ist in Fig. 2 mit zwei weiteren Kameras 8a und 8b gezeigt, wobei die Kameras 8a und 8b ebenfalls lateral zur Lichtebene 4 und annähernd orthogonal zum mittleren Linienlasermodul 2 angeordnet sind. Im Unterschied zur ersten Kamera 7 sind diese aber oberhalb und unterhalb eines Kantenverlaufs vom zu vermessenden Oberflächenprofil 6 des Objekts 5 angebracht. Dadurch ist eine weitere Verkürzung des Arbeitsabstandes im Vergleich zur ersten Kamera 7 möglich.
Durch die sich überlappenden Bilderfassungsbereiche der ersten Kamera 7 und der weiteren Kameras 8a und 8b kann die aus den drei linienförmig emittierten Strahlen 3 erzeugte Laserlinie separat in mehreren Teilbereichen aufgenommen und die erzeugten Einzelaufnahmen der Laserlinie durch Überlagerung zu einem optimalen Bild kombiniert werden. Dazu wird zunächst die Verzeichnung, die sich aus dem bekannten Erfassungswinkel der weiteren Kameras 8a, 8b,... in Relation zur ersten Kamera 7 ergibt, mathematisch korrigiert und anschließend die einzeln aufgenommenen und korrigierten Linienanteile mittels eines Algorithmus zur Profillinie kombiniert. Bei der Untersuchung des Oberflächenprofils 6 eines Randbereichs eines dünnen, flächig ausgedehnten Objekts 5, kann die in der Ebene des Objekts 5 angeordnete erste Kamera 7 nicht in jedem Fall (z. B. bei Hinterschneidungen) die Ober- und Unterseite des Objekts 5 erfassen. Hier erweist sich z. B. die Anordnung von zwei weiteren Kameras 8a und 8b, die jeweils unter einem Erfassungswinkel von 45° zur Ober- und Unterseite des Objekts 5 auf die Laserlinie gerichtet sind, als sinnvolle Ergänzung zur ersten Kamera 7.
In einer bevorzugten Ausführung der Messanordnung 1 werden zur Erzeugung der Lichtebene 4 Linienlasermodule 2 mit kurzen Wellenlängen (z. B. 405 nm) verwendet, um dadurch eine höhere Streuintensität und somit eine bessere Streulichtausbeute bei der Erfassung des Streulichts zu erreichen.
Durch die Verwendung von HDR-Kameras mit hohem Dynamikumfang (HDR = High Dynamic Range) kann eine deutliche Erweiterung des Spektrums an zu vermessenden Objekten 5, z. B. Objekte 5 mit spiegelnden Oberflächen, erreicht werden. Außerdem kann mit den HDR-Kameras die Erfassung von stark streuenden Störstellen, wie beispielweise Partikeln oder Defekten, nochmals verbessert werden.
Durch den Einsatz von auf die Laserwellenlänge abgestimmten Linieninterferenzfiltern kann die eine Einwirkung von Fremdlicht (Tageslicht, Raumbeleuchtung) noch weiter vermindert werden, wodurch sich das Signal-Rausch- Verhältnis bei der Erfassung des von der Laserlinie ausgehenden Streulichts verbessern lässt.
Zur Kompensation des Telezentriefehlers der Mikroskopobjektive der Kameras 7, 8a und 8b wird vorzugsweise ein rechtwinkliges Kalibriernormal verwendet. Dazu wird ein Bild des Kalibriernormals aufgenommen und die Abweichung des rechten Winkels ermittelt. Aus dieser Abweichung kann ein Korrekturfaktor gebildet werden, mit dem der Telezentriefehler des jeweiligen Mikroskopobjektivs in linearer Näherung kompensiert werden kann.
Ferner ist für die Mikroskopobjektive eine Kalibrierfunktion vorgesehen, bei der das optische System über einen im Bild eingeblendeten Messbalken auf ein Kalibriernormal abgestimmt werden kann. Mit der Kalibrierfunktion kann ein genauer und reproduzierbarer Arbeitsabstand eingestellt werden.
In der beschriebenen bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Messanordnung werden die Mikroskopobjektive zur Vermessung von Oberflächen- profilen 6 eines Halbleiter-Wafers als Objekt 5 verwendet. Dazu ist der um seine Symmetrieachse rotierbare Halbleiter-Wafer orthogonal zur Lichtebene 4 angeordnet und ragt mit einem Randbereich in die Lichtebene 4, sodass im peripheren Randbereich des Halbleiter-Wafers, der in Fig. 1 als Ausschnitt des Objekts 5 stilisiert dargestellt ist, das Oberflächenprofil 6 ausschließlich in der umgebenden Lichtebene 4 beleuchtet wird. Die optische Achse 9 des das Streulicht erfassenden Mikroskopobjektivs der Kamera 7 ist in der Ebene des Halbleiter-Wafers 5 unter einem von 90° abweichenden Beobachtungswinkel von 88° zum Referenzstrahl und zur Lichtebene 4 angeordnet. Dadurch werden störende Lichtreflexe weitestgehend ausgeschlossen.
Weiterhin kann bei dieser Anordnung der ersten Kamera 7 (und ggf. weiterer Kameras 8a, 8b, ...) eine lokale Erfassung und Korrektur der Wafer-Durchbiegung erfolgen und eine weitestgehende Unempfindlichkeit gegenüber Exzentrizität des rotierten Halbleiter-Wafers in der Lichtebene 4 erreicht werden. Beides wird in einem Softwarealgorithmus korrigiert, indem die senkrechte Achse des Koordinatensystems zur Waferaußenkante ausgerichtet wird.
Bezugszeichenliste
1 Messanordnung
2 Linienlasermodul
3 Strahl
4 Lichtebene
5 Objekt
6 Oberflächenprofil
7 (erste) Kamera 8a, 8b weitere Kamera 9 optische Achse
Beobachtungswinkel

Claims

Patentansprüche
1 . Messanordnung zur berührungslosen Vermessung eines Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objekts, wobei mindestens eine Kamera zur Erfassung eines mit wenigstens einer Lichtquelle linienförmig beleuchteten Bereichs des Objekts angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- die wenigstens eine Lichtquelle ein Linienlasermodul (2) ist,
- drei Linienlasermodule (2) nahezu T-förmig zueinander angeordnete Strahlen
(3) aufweisen, deren Laserlinien koplanar in einer gemeinsamen Lichtebene (4) eingestellt sind, sodass in der Lichtebene (4) ein von drei Richtungen gespeister Lichtvorhang vorhanden ist,
- das Objekt (5) mit einem zu vermessenden Oberflächenprofil (6) in die Lichtebene (4) eingeführt ist, sodass die Lichtebene (4) für die Erzeugung einer Lichtschnittdarstellung des Oberflächenprofils (6) des Objekts (5) ausgebildet ist, und
- die mindestens eine erste Kamera (7) zur Aufnahme von mittels der Lichtebene
(4) am Oberflächenprofil (6) erzeugtem Streulicht mit einem in die Lichtebene (4) fokussierten Objektiv (5) ausgestattet ist und einen Beobachtungswinkel (cc) aufweist, der im Wesentlichen orthogonal zur Lichtebene (4) und zum mittleren der T-förmig angeordneten Lasermodule (2) orientiert ist.
2. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Linienlasermodule (2) eine individuelle Leistungsregelung zur Beeinflussung der regionalen Lichtstärke in der Lichtebene (4) aufweisen.
3. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die nahezu T- förmig zueinander angeordneten Strahlen (3) der Linienlasermodule (2) und die im Wesentlichen orthogonal zur Lichtebene (4) und zum mittleren der T-förmig angeordneten Strahlen (3) positionierte erste Kamera (7) einen Beobachtungswinkel (cc) im Bereich von 85 °< <90° aufweisen.
4. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Maximierung der Streulichtausbeute das Objektiv der mindestens einen ersten Kamera (7) einen möglichst geringen Arbeitsabstand zum beleuchteten Oberflächenprofil (6) des Objekts (5) aufweist und konfokal zu den Linienlasermodulen (2) angeordnet ist.
5. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kameras (7, 8a, 8b) mit Mikroskopobjektiven zur Aufnahme des mittels der Laserlinien in der Lichtebene (4) am Oberflächenprofil (6) erzeugten Streulichts angeordnet sind, wobei alle Kameras (7, 8a, 8b, ...) zu den Linienlasermodulen (2) im Bereich des in der Lichtebene (4) beleuchteten Oberflächenprofils (6) eine konfokale Anordnung aufweisen.
6. Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu vier Kameras (7, 8a, 8b, ...) mit Mikroskopobjektiven simultan verwendbar sind, wobei die Kameras (7, 8a, 8b, ...) unter solchen Winkeln angeordnet sind, dass auch bei hochreflexiven Oberflächen direkte Reflexionen der Strahlen (3) der Linienlasermodule (2) am Oberflächenprofil (6) des Objekts (5) nicht in die jeweilige Eintrittsapertur der Kameras (7, 8a, 8b, ...) gelangen können.
7. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die das Objekt (5) beleuchtenden Linienlasermodule (2) eine an den Schärfentiefenbereich des Objektivs angepasste Laserlinienbreite aufweisen.
8. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auf die verwendete Laserwellenlänge der Linienlasermodule (2) abgestimmte Linien- Interferenzfilter zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses vor den Kameras (7, 8a, 8b, ...) eingesetzt sind.
9. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zu analysierende Oberflächenprofil (6) das Kantenprofil im peripheren Randbereich eines Halbleiter-Wafers ist.
- Hierzu 2 Seiten Zeichnungen -
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