DE3610530A1

DE3610530A1 - Oberflaechenstrukturmessgeraet

Info

Publication number: DE3610530A1
Application number: DE19863610530
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Hachiouji Tokio/Tokyo Horikawa
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1985-03-27
Filing date: 1986-03-27
Publication date: 1986-10-02
Also published as: US4930896A; JPS61219805A; JPH0723844B2; DE3610530C2

Description

ZUCELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIRES EN BREVETS EUROPSENS

DR. DIETER V. BEZOLD ;

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER PATENTANWÄLTE

MARIA-THERESIA-STRASSE POSTFACH 86 02 60

D-8OOO MUENCHEN

TELEFON (089) 47060

TELEX 522

TELEGRAMM SOMBEZ FAX CR Il + IM <089> 2 7H5O63

11963 Dr.v.B/Ri AT: 27. März 1985 JP Sho P 60-62265

OLYMPUS OPTICAL CO., LTD. Tokyo, Japan

OberfLächenstrukturmeßgerät

POST RO MÜNCHEN NP. 69148-800 BANKKONTO HYPOBANK MÜNCHEN (BLZ 700 200 40) KTO. 60 60 257 378 SVyITT HYPO DE MM

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Oberflächervstrukturmeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Messung von OberfLächenstrukturen werden in jüngerer Zeit zunehmend berührungsfreie optische Meßsysteme verwendet. Dabei finden unter den verschiedenen optischen Kurvensektormeßsystemen diejenigen besonderes Interesse, welche nach der Fokuserfassungsmethode arbeiten, da sie die Möglichkeit bieten, eine hohe Meßgenauigkeit zu erreichen und einen kompakten Geräteaufbau zu realisieren. Bei den Systemen, die mit der Fokuserfassungsoder Fokusdetektormethode arbeiten, wird unter anderem die Grenzwinkeltechnik, die Astigmatismustechnik und die Pupillenteilungstechnik verwendet.

ι /" Das Prinzip der Grenzwinkeltechnik ist in Figur 1 dargestellt. Wenn sich die auszumessene Oberfläche (Meßfläche) in einer Position (2) in der Brennebene einer Objektlinse (1) befindet, so wird das an der Meßfläche reflektierte Licht (5) von der Objektivlinse (1) in ein Parallelstrahlenbündel (6) kollimiert. Das Parallelstrahlenbündel (6) tritt in ein "Grenzwinkel"-Prisma (7) ein. Stellt man das Prisma (7) so ein, daß unter diesen Bedingungen eine Totalreflexion des einfallenden Lichtes stattfindet, so treffen auf zwei Photodioden (8), (9), die sich im Wege des reflektierten Bündels befinden, gleiche Lichtmengen auf. Wenn sich andererseits die Meßfläche in einer Position (3) befindet, die näher an der Objektivlinse (1) liegt als die Brennebene in der Position (2), so erzeugt die Objektivlinse (1) aus dem reflektierten Licht ein divergierendes Lichtbündel (10), das wieder in das Grenzwinkelprisma (7) eintritt. In diesem Falle sind nun die Einfallswinkel auf den beiden Seiten der optischen Achse verschieden. Das Licht auf der einen Seite der optischen Achse erfüllt die Bedingung für die Totalreflexion daher nicht mehr und tritt aus der hypotenusen Fläche des Prismas (7) aus, wie durch den Lichtstrahl (11) dargestellt ist, während das Licht auf derjenigen Seite der

y *

optischen Achse, auf der die Bedingungen für die TotalrefLexion erfüllt sind, totalreflektiert wird und im wesentlichen zur Photodiode (9) gelangt. Auf die Photodiode (8) fällt dagegen in diesem Falle nur eine kleine Lichtmenge. Wenn sich schließlich die Meßfläche in einer Position (4) befindet, die weiter von der Objektivlinse CD entfernt ist, als die Brennebene in der Position (2), sind die Verhältnisse gerade umgekehrt wie die, die sich bei der Position (3) ergeben, und die Photodiode (9) wird dann nur eine geringe Lichtmenge erhalten. Aus den Ausgangssignalen der beiden Photodioden (8) und (9) kann daher mittels eines Operationsverstärkers (12) eine Kennlinie gemäß Figur 2 für das Operationsverstärker-Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Versetzung oder Position der Meßfläche erhalten werden.

Figur 3 zeigt ein optisches Meßsystem eines bekannten Gerätes (Modell HIPOS-ET 10 (Wz) der Firma Kabushiki Kaisha Kosaka Kenkysho, Japan), das mit der oben beschriebenen Grenzwinkeltechnik arbeitet. Mittels einer Laserdiode (13) wird ein infrarotes Laserstrahlungsbündel erzeugt. Das Laserstrahlungsbündel wird durch eine Kollimatorlinse (14) kollimiert und von einem Bündelteiler (15) durch ein λ/4-Plättchen (16) und eine Objektivlinse (17) auf ein Untersuchungsobjekt geworfen. Das von der Oberfläche des Untersuchungsobjekts (18) reflektierte Licht fällt durch die Objektivlinse (17), das λ/4-Plättchen (16) und den Bündelteiler (15) auf einen zweiten Bündelteiler (19). Von diesem gelangen ein transmittiertes bzw. reflektiertes Teilbündel in ein Grenzwinkelprisma (20) bzw. (21). An den Rückseiten der Grenzwinkelprismen (20) und (21) ist jeweils ein Paar von Photodioden (22), (23) bzw. (24), (25) angeordnet. Aus den Ausgangssignalen dieser Photodioden läßt sich die Position der Oberfläche des Untersuchungsobjekts (18) in Richtung der optischen Achse ermitteln. Tastet man die Oberfläche des Untersuchungsobjekts ab, indem man dieses mechanisch quer zur optischen Achse verschiebt, so kann man die Oberflächenstruktur ermitteln.

In den Figuren 4A, 4B und 4C ist das Prinzip der Astigmatismustechnik dargestellt. Bei dieser Technik wird eine Zylinderlinse hinter einer Objektivlinse (nicht dargestellt) angeordnet, um einen Astigmatismus in das optische System einzuführen, so daß die Änderung der Querschnittsform des Lichtbündels durch die Aberration oder Verschiebung der Meßfläche bezüglich der Brennpunktposition durch einen Detektor erfaßt werden kann. Bei einem astigmatischen optischen System ändert sich die Form eines Lichtfleckbildes einer punktförmigen Lichtquelle von der in Figur 4A dargestellten Form (26) über die Form (27) gemäß Figur 4B in die Form (28) gemäß Figur 4C, wenn die Bildebene vom Vordergrund der Brennebene über diese in den Hintergrund der Brennebene verschoben wird. Durch Erfassung dieser Bilder mit Quadrantendetektoren (29), (30), (31) und (32) und Verarbeitung der Ausgangssignale dieser Detektoren gemäß dem Ausdruck (V-,_o + V,.) - (V₃₀ + V₃-) erhält man eine Ausgangssignal-Positions-Kennlinie ähnlich wie die gemäß Figur 2 und man kann dementsprechend den Brennpunkt bzw. die Oberflächenposition messen. In dem obigen Ausdruck bedeutet V das Ausgangssignal des

xy

Quadrantendetektors mit dem Bezugszeichen xy.

Figur 5A zeigt ein Beispiel eines optischen Systems eines Oberflächenstrukturmeßgerätes, das nach der oben beschriebenen Astigmatismusmethode arbeitet. Mittels einer Laserstrahlungsquelle (33) wird ein Laserstrahlungsbündel erzeugt, das durch ein Raumfilter (34), einen Bündelteiler (35), und ein λ/4-Plättchen (36) zu einer Objektivlinse (37) gelangt, von der es fokussiert und auf ein Untersuchungsobjekt (38) geworfen wird. Das vom Untersuchungsobjekt reflektierte Licht gelangt durch die Objektivlinse (37) und das λ/4-Plättchen (36) wieder zum Bündelteiler (35), von der es in einen Bündelteiler (39) reflektiert wird. Die aus diesem austretenden Teilbündel fallen durch Zylinderlinsen (40) bzw. (41) auf Detektoren (42) bzw. (43). Die Zylinderlinsen (40) und (41) dienen zum Erzeugen des gewünschten Astigmatismus. Die Detektoren (42) und (43) enthalten jeweils vier Photodioden (44), (45), (46) und (47), die in Figur 5B dargestellt sind und zur Ermittlung der Fokusposition bzw. der Position der reflektierenden Oberfläche gemäß dem anhand der Figuren 4A, 4B und 4C beschriebenen Prinzip

dienen. Tastet man die Oberfläche der Probe (38) durch mechanische ReLativverschiebung ab, so Liefern die Detektoren (42) und (43) AusgangssignaLe entsprechend der von der Oberflächenstruktur abhängigen Defokussierung. Diese Ausgangssignale können gemäß der anhand von Figur 2 erwähnten Beziehung verarbeitet und zur Bestimmung der Oberflächenstruktur verwendet werden. Eine Fokussierung Läßt sich dadurch erreichen, daß man entweder einen Objekttisch oder die Objektivlinse mittels einer Rückführungsschaltung verstelLt, bei der das Fokalpositiondetektorsigna L der Einrichtung als Fehlersignal verwendet wird. Zur Messung der Oberflächenstruktur wird jedoch im allgemeinen das Fokalpositionsdetektorsignal seLbst aLs Maß für die Änderungen der Oberflächenstruktur erfaßt und die Messung erfolgt aufgrund dieses Signales.

Das Prinzip der PupiILenteilungstechnik ist in den Figuren 6A, 6B und 6C dargestellt. Figur 6B zeigt die Verhältnisse im fokussierten Zustand. Das vom Objektfleck (51) kommende Licht fällt durch eine ObjektivLinse (48) und das aus dieser austretende Lichtbündel wird durch eine Blendenplatte (49), die die eine Hälfte der LinsenpupiLIe abdeckt, auf die eine Hälfte beschnitten. Es wird dann ein Bild im Zentrum eines Detektors (50) erzeugt. Figur 6A zeigt den Fall, daß der ObjektfLeck (52) näher an der Objektivlinse (48) liegt aLs deren Brennpunkt. In diesem Falle erzeugt das durch die BlendenpLatte (49) halbierte LichtbündeL ein Bild oberhalb des Zentrums des Detektors (50). Figur 6C zeigt den Fall, daß der Objektfleck (53) weiter von der ObjektivLinse (48) entfernt ist als der Brennpunkt. In diesem Falle wird durch das von der Blendenplatte (49) halbierte Bündel ein Bild unterhalb des Zentrums des Detektors (50) erzeugt. Indem man die eine Hälfte der Pupille abdeckt, wie es oben beschrieben wurde, kann man die axiale Verschiebung der Objekt- oder Fokalposition in eine laterale Verschiebung des Bildes umsetzen. Die Erfassung der Objektposition bezüglich der Brennebene kann dadurch erfolgen, daß man den Detektor (50) entweder als Partialdetektor oder als Positionsdetektor ausbildet,

wie es in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 58-194007 beschrieben ist.

Figur 7 zeigt ein Beispiel eines optischen Systems eines Oberflächenstrukturmeßgerätes, das mit der PupillenteiLungstechnik arbeitet. Mittels einer Laserstrahlungsquelle (54) wird ein Laserstrahlungsbündel erzeugt, das durch ein Raumfilter (55), eine Kollimatorlinse (56), einen reflektierenden Bündeltenler (57), ein λ/4-Plättchen (58) und eine Objektivlinse (59) auf ein Untersuchungsobjekt (60) fällt. Das vom Untersuchungsobjekt (60) reflektierte Licht gelangt durch die Objektivlinse (59) und das λ/4-PLättchen (58) zum Bündelteiler (57), von dem es auf einen Pupillenteilungsspiegel (61) reflektiert wird. Das Lichtbündel, das seine eine Hälfte durch den Pupillenteilungsspiegel (61) verloren hat, wird durch eine Fokussierungslinse (62) auf Photodioden (63) und (64) fokussiert. Die vom Pupillenteilunsspiegel (61) reflektierte, andere Hälfte des Lichtbündels wird durch eine Fokussierungslinse (65) auf zwei Photodioden (66) und (67) fokussiert. Durch Verarbeitung der Ausgangssignale der Photodioden entsprechend dem Ausdruck (V,, - V,,) + (V,, - V,-,) kann entsprechend dem anhand der Figuren 6A, 6B und 6C beschriebenen Prinzip die Position der reflektierenden Oberfläche bezüglich der Fokalposition ermittelt werden. Das Fokusdetektorsignal wird sich entsprechend ändern, wenn das Untersuchungsobjekt (60) durch mechanische Verschiebung abgetastet wird. Die Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Oberflächenstruktur entspricht der Kennlinie gemäß Figur 2.

Die entstehenden Ausgangssignale V,„ V,.; V,,, V,-,, die durch

OO OM- OO Oi

die Photodioden-Paare (63), (64) bzw. (66), (67) erzeugt werden, hängen auch vom Reflexionsvermögen der Meßfläche ab. Man kann jedoch die durch die Änderung des Reflexionsvermögens verursachten Schwankungen kompensieren, indem man die Differenzen gemäß dem folgenden Ausdruck mittels der Summensignale normalisiert:

^V63 - ^V64 ₊ ^V66 - ^V67

V,, + V,. V,, + V,₇ 63 64 66 67

anstelle der hälftigen Photodioden kann man beispielsweise auch einen Halbleiter-Positionsdetektor verwenden. Es sei ferner bemerkt, daß bei den Figuren 3, 5A, 5B und 7 jeweils zwei Paare von optischen Detektorsystemen vorgesehen sind, um Fehler auszuschalten, die durch eine Neigung der Probe verursacht werden.

Bei den oben beispielsweise beschriebenen bekannten Meßgeräten wird jedoch immer ein in der Achse des optischen Systems verlaufendes Laserstrahlungsbündel verwendet und die Abtastung erfolgt durch mechanisches Verschieben des Untersuchungsobjekts, Dadurch ergeben sich verschiedene Nachteile, wie eine verhältnismäßig geringe Meßgeschwindigkeit und Begrenzungen hinsichtlich der Form, des Gewichts usw. der Probe; auch kann man die Meßfläche nicht beobachten.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend in erster Linie zugrunde, ein Oberflächenstrukturmeßgerät anzugeben, das Messungen mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen gestattet und eine erhebliche Erweiterung des Bereiches der Form, des Gewichts usw. der Meßobjekte ermöglicht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel durch ein Gerät erreicht, welches eine Lichtquelle, eine Objekivlinse zum Sammeln des von der Lichtquelle emittierten Lichtes auf die Oberfläche einer Probe oder eines Meßobjekts, eine zwischen der Lichtquelle und der Objektivlinse angeordnete Lichtablenkeinrichtung, welche eine zweidimensionale Abtastung der Oberfläche des Meßobjekts durch 'Änderung des Winkels des in die Objektivlinse eintretenden Lichts gestattet, und eine Fokusdetektoranordnung, die das an der Oberfläche des Meßobjekts reflektierte Licht erfaßt und die Abweichung der Oberfläche des Meßobjekts von einer vorgegebenen Fokusposition erfaßt, enthält.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die LichtabLenkeinrichtung am Ort einer Pupille des optischen Systems angeordnet. Hierdurch wird die Position der optischen Achse im Abtastsystem konstant gehalten und werden Meßfehler vermieden, auch wenn das Lichtbündel zum Zwecke der Abtastung durch die Lichtablenkeinrichtung abgelenkt wird.

Gemäß einem anderen bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist zwischen der Lichtablenkeinrichtung und der Objektivlinse ein optisches Betrachtungssystem angeordnet, mit dem die Oberfläche des Untersuchungsobjekts betrachtet werden kann. Es ist dadurch immer möglich, die Meßfläche direkt zu betrachten und zu überwachen.

Gemäß wieder einem anderen bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine BiIdverarbeitungs- und Anzeige- oder Wiedergabeeinrichtung vorgesehen, welche die Oberflächenstruktur des untersuchten Meßobjekts anzuzeigen gestattet und mit der Fokusdetektoranordnung verbunden ist. Hierdurch ist es möglich, die Oberflächenstruktur schnell, einfach und mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

'D Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden auch noch weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung zur Sprache kommen. Es zeigen:

Figur 1 eine Darstellung des Prinzips der Grenzwinkelmethode;

Figur 2 eine Darstellung einer Positions-Ausgangssignal-Kennlinie, die sich bei der Methode gemäß Figur 1 ergibt;

Figur 3 eine Darstellung des optischen Systems eines bekannten Oberflächenstrukturmeßgerätes, das mit der Grenzwinkelmethode arbeitet;

stA

Figur 4A, 4B und 4C schematische DarsteLLungen zur Erläuterung der Astigmatismus-Methode;

Figur 5A und 5B DarsteLLungen des optischen Systems eines bekannten Oberflächenstrukturmeßgerätes, welches mit der Astigmatismus-Methode arbeitet;

Figur 6A, 6B und 6C schematische Darstellungen zur Erläuterung des Prinzips der Pupillenteilungsmethode;

Figur 7 eine Darstellung des optischen Systems eines bekannten OberfLächenstrukturmeßgerätes, das mit der Pupillenteilungsmethode arbeitet;

Figur 8 eine Darstellung des optischen Systems eines Oberflächenstrukturmeßgerätes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 9 eine Darstellung zur Erläuterung der Verhältnisse, die sich ergeben, wenn die Lichtablenkanordnung des Systems gemäß Figur 8 nicht am Ort einer Pupille angeordnet ist;

Figur 10 eine Figur 9 entsprechende Darstellung in einer senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Ebene, und

Figur 11 eine Darstellung des optischen Systems und der Verarbeitungsschaltung eines Oberflächenstrukturmeßgerätes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welches nach der Pupillenteilungsmethode arbeitet.

Die Erfindung soll nun als erstes anhand des in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden. Mit dem Block (68) ist ein optisches Oberflächenstrukturmeßsystem dargestellt, welches eine Quelle für ein Laserstrahlungsbündel und ein optisches System zum Erfassen und Messen des vom

Meßobjekt ("Probe") zurückkommenden Lichtes enthält, wie es beispielsweise in den Figuren 3, Figur 5A und 5B sowie Figur 6A, 6B und 6C dargestellt ist. Das vom optischen Oberflächenstrukturmeßsystem (68) kommende Laserstrahlungsbündel fällt auf eine Lichtablenkeinrichtung (71), welche sich an einer Stelle befindet, die zu einer Pupille (70) einer Objektivlinse (69) konjugiert ist. Die Lichtablenkeinrichtung (71) kann einen rotierenden polygonalen Spiegel, einen Galvanometerspiegel, eine akustische Einrichtung oder irgendwelche anderen geeigneten Einrichtungen enthalten. Wenn keine Ablenkung stattfindet, verläuft das Laserstrahlungsbündel längs einer optischen Achse (72). Im Falle einer Ablenkung, d.h. beim Scannen des Laserstrahlungsbündels, verläuft dieses, da die Ablenkeinrichtung (71) sich am Ort einer Pupille befindet, in Richtung eines außeraxialen Hauptstrahles (73) und die Mitte des Laserstrahlungsbündels stimmt ebenfalls mit dem außeraxialen Hauptstrahl (73) überein. Die Laserstrahlungsbündel fallen dann durch Feld- oder Pupillenrelaislinsen (74) und (75) auf eine weitere Lichtablenkeinrichtung (76), die sich ebenfalls am Ort einer Pupille befindet. Wenn die Lichtablenkeinrichtung (76) eine Ablenkung in einer ersten Richtung X, z.B. in Vertikalrichtung eines zweidimensionalen Abtastmusters bewirkt, wird die ersterwähnte Lichtablenkeinrichtung (71) ein Abtasten in der anderen Richtung Y, d.h. in Horizontalrichtung bewirken. Es sei hier jedoch erwähnt, daß man auch eine einzige Lichtablenkeinrichtung verwenden kann, die ein Ablenken in den beiden Richtungen X und Y zu bewirken gestattet. Eine einzige Lichtablenkeinrichtung genügt auch, wenn nur eine eindimensionale Abtastung erforderlich ist. Das durch die Lichtablenkeinrichtungen (71) und (76) in zwei Richtungen abgelenkte Laserstrahlungsbündel wird dann durch eine Feld- oder Pupillenprojektionslinse (77) und eine Fokussierlinse (78) in die Pupille der Objektivlinse (69) geworfen. Die außeraxialen Laserstrahlungsbündel, die durch die Lichtablenkeinrichtungen (71) und (76) erzeugt werden, fallen ebenfalls genau in die Pupille (70> der Objektivlinse (69), welche aus diesen Bündeln einen beugungsbegrenzten Fleck auf der Oberfläche einer Probe (79) erzeugt. Die von der

Probe (79) refLektierte Laserstrahlung durchläuft den Strahlengang in umgekehrter Richtung wieder zurück zum optischen Oberflächenstrukturmeßsystem (68). Da das Strahlungsbündel auf demselben optischen Weg zurückkehrt, treten bei seiner Rückkehr zum optischen Oberflächenstrukturmeßsystem trotz der Auslenkung des Laserstrahlungsbündels aus der Achse keine Fluktuationen auf. Das optische Oberflächenstrukturmeßsystem (68) kann also ganz konventionell aufgebaut sein.

Figur 9 zeigt den Bereich mit der Lichtablenkeinrichtung und der Feldlinse (74) des Systems der Figur 8 für den Fall, daß sich die Lichtablenkeinrichtung (71) nicht am Ort einer Pupille (80) befindet. Wenn das ankommende Laserstrahlungsbündel durch die Lichtablenkeinrichtung (71) abgelenkt wird, fällt der Mittelstrahl (81) des abgelenkten Bündels nicht mit dem außeraxialen Hauptstrahl (73) zusammen, der durch die Pupille der Objektivlinse bestimmt ist. Das außeraxiale Laserstrahlungsbündel fällt daher nicht genau in die Pupille der Objektivlinse. Figur 10 zeigt diese Verhältnisse in einer Ebene, die die optische Achse unter einem rechten Winkel schneidet. Das Bezugszeichen (82) bezeichnet die Pupille der Objektivlinse und es ist aus Figur 10 ersichtlich, daß die Mitte der Pupille auf der optischen Achse (72) und dem Durchstoßpunkt des außeraxialen Hauptstrahles zusammenfällt. Wenn sich die Lichtablenkeinrichtung (71) am Ort der (Eintritts-)PupiUe der Objektivlinse oder einer hierzu konjugierten Stelle befindet, wie es oben vorgeschlagen wird, fällt das abgelenkte Laserstrahlungsbündel mit dem außeraxialen Hauptstrahl (73) zusammen und wird genau durch die Pupille (82) der Objektivlinse gehen. Wenn jedoch die Lichtablenkeinrichtung (71) wie bei Figur 9 nicht am Ort (80) der Pupille angeordnet ist, fällt die Mitte (81) des Laserstrahlungsbündels nicht mit dem außeraxialen Hauptstrahl (73) zusammen, so daß der Querschnitt (83) des Laserstrahlungsbündels nicht genau auf die Pupille (82) fällt und eine Vignettierung eintritt.

Wenn bei dem optischen. System nicht auf die Pupillen geachtet wird, bleibt die Information in der PupiLLe nicht erhalten und man kann ein Fokusdetektorverfahren, welches auf dem Prinzip der die Information bezüglich der Pupille direkt ausnützenden Grenzwinkelmethode arbeitet/ oder auf dem Prinzip der Pupillenteilungsmethode für außeraxiale Bündel arbeitet, nicht verwenden. Fehler treten nicht nur bei diesen Methoden sondern auch bei der Astigmatismusmethode auf. Im Gegensatz hierzu wird bei der Oberflächenstrukturmeßeinrichtung gemäß der Erfindung ein optisches Abtastsystem verwendet, bei dem den Pupillen Rechnung getragen wird, so daß man Oberflächenstrukturmessungen auf der Basis der obigen Fokusdetektorverfahren in Kombination mit einem Lichtstrahlabtastsystem realisieren kann.

Figur 11 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung das optische System und die Verarbeitungsschaltung eines Oberflächenstrukturmeßgerätes, das mit der Pupillenteilungsmethode arbeitet. Mittels einer Laserstrahlungsquelle (84) wird ein Laserstrahlungsbündel erzeugt, das durch ein Raumfilter (85), eine KollimatorLinse (86), einen Ablenkungs-BündeIteiler (87) und ein λ/4-Plättchen (88) auf einen Galvanometerspiegel (89) fällt, der zur Vertikalablenkung dient und am Ort einer Pupille angeordnet ist. Anschließend fällt das Laserstrahlungsbündel durch Feldlinsen (90) und (91) auf einen Polygonspiegel (92), der zur Horizontalablenkung dient und ebenfalls am Ort einer Pupille angeordnet ist. Das Bündel fällt dann durch eine Pupillenprojektionslinse (93) und eine Fokussierlinse (94) in eine Objektivlinse (95), die auf einer Probe (96) einen beugungsbegrenzten Abtastfleck bildet. Außerdem sind ein Prisma (97) und ein Okular (98), eine Kondensorlinse (99) sowie eine Lampe (100) vorgesehen um eine visuelle Beobachtung der Probe (96) zu ermöglichen. Hierdurch kann man den Zustand des Bereiches der Probe (96), der gemessen werden soll, visuell bestimmen. Die Objektivlinse (95) kann je nach dem vorgesehenen Anwendungszweck hinsichtlich Typ und Vergrößerung auswechselbar sein (der Begriff "Objektivlinse" soll selbstverständlich auch mehrlinsige Objektive umfassen).

Das von der Probe (96) refLektierte Licht geLangt wieder auf demseLben Weg, den es zur Probe durchlaufen hat, zurück zum BündeLteiLer (87) und wird von diesem aus dem BeleuchtungsstrahLengang herausrefLektiert. Es wird dann durch einen PupiLlenteiLungsspiegeL (101) aufgeteilt und die resultierenden TeiLbündeL faLLen durch Fokussierungslinsen (102) bzw. (103) auf HaLbleiterpositionsdetektoren (104) bzw. (105). Diese Halbleiterpositionsdetektoren sind mit einer Bildverarbeitungsund Anzeigeanordnung verbunden, die unten noch näher erläutert werden wird. Die von den HaLbleiterpositionsdetektoren (104) und (105) erzeugten Fleckpositionssignale werden durch Vorverstärker (106), (107) bzw. (108), (109) verstärkt und in der aus Figur 11 ersichtlichen Weise Addierern (110), (111) zugeführt. Die Ausgänge der Addierer (110), (111) sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers (112) verbunden, dessen Analogsignalausgang (113) mit einer Momentanwertspeicherund AnaLog/Digital-Konverterschaltung (114) gekoppelt ist, in der Analogsignal digitalisiert wird. Die Schaltung (114) wird durch ein Synchronisierungssignal von einer Treiberschaltung (115) synchronisiert, welche auch die Antriebe des Galvanometerspiegels (89) und des Polygonspiegels (92) steuert. Die Schaltung (114) speichert ein zweidimensionales BiLd in einem Bildfeldspeicher (116). Die Anordnung enthält ferner einen Computer (117) zur Bildverarbeitung, der verschiedene Verarbeitungsoperationen durchzuführen gestattet, wie die Erzeugung eines Draufsichtbildes. Das Ergebnis der Messung der Oberflächenstruktur wird durch ein Sichtgerät (118) ausgegeben, welches eine Kathodenstrahlröhre enthalten kann, oder es wird ausgedruckt.

Die KolLimatorlinse (86) kann, wie gestricheLt dargestellt ist, durch ein Zoom-Objektiv ersetzt werden, um den Durchmesser des Lichtbündels und den Durchmesser des optischen Abtastfleckes ändern zu können, ohne daß hierfür eine Änderung der Vergrößerung des Objektivs (95) erforderlich ist.

Als Detektorsystem können in Kombination mit der vorliegenden
Erfindung auch Systeme verwendet werden, die mit der Grenzwinkeltechnik oder der Astigmatismustechnik arbeiten, wie sie in
Figur 3 bzw. 5A dargestellt sind.

Die als Linsen bezeichneten und dargestellten optischen Elemente brauchen keine Einzellinsen zu sein sondern können in der Praxis aus mehrlinsigen Systemen bestehen.

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Claims

1 PATENTANSPRÜCHE

1. Oberflächenstrukturmeßgerät mit einer Lichtquelle und einem Objektiv zum Sammeln des von der Lichtquelle emittierten Lichtes, gekennzeichnet durch

- eine zwischen der Lichtquelle (84) und dem Objektiv (85) angeordnete Lichtablenkanordnung (89), (92), zum Abtasten der Oberfläche durch Änderung des Winkels, unter dem das von der Lichtquelle kommende Licht in das Objektiv (95) eintritt, und

- eine Fokusdetektoranordnung (87), (101), (105), welche das von der Oberfläche reflektierte Licht empfängt und auf eine Versetzung des gemessenen Teiles der Oberfläche bezüglich einer vorgegebenen Fokusposition anspricht.

2. Oberflächenstrukturmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkanordnung an einer Stelle angeordnet ist, die bezüglich einer Pupille des Objektivs konjugiert ist.

3. Oberflächenstrukturmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkanordnung zwei Lichtablenkeinrichtungen (89), (92) enthält, die eine Abtastung der Oberfläche einer Probe in zwei zueinander senkrechten Richtungen und damit eine zweidimensionale Untersuchung ermöglicht.

4. Oberflächenstrukturmeßgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtablenkanordnung (89), (92) und dem Objektiv (95) ein optisches Betrachtungssystem (97-100) angeordnet ist.

5. Oberflächenstrukturmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Fokusdetektoranordnung eine BiLdverarbeitungs- und Anzeigeanordnung (106-118) zur Anzeige der Struktur der gemessenen Oberfläche der Probe gekoppelt ist.

6. Oberflächenstrukturmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Lichtquelle (84) ein als Zoom- oder Varioobjektiv ausgebildeter Kollimator (86) zum Erzeugen eines Parallelstrahlenbündels angeordnet ist.