DE3610530C2 - - Google Patents

Description

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

Zur Messung von Oberflächenstrukturen werden 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 Fokuserfassungs- oder Fokusdetektormethode arbeiten, wird unter anderem die Grenzwinkeltechnik, die Astigmatismustechnik und die Pupillenteilungstechnik verwendet.

Das Prinzip der Grenzwinkeltechnik ist in Fig. 1 dargestellt. Wenn sich die auszumessende 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 Hypotenusenfläche des Prismas (7) aus, wie durch den Lichtstrahl (11) dargestellt ist, während das Licht auf derjenigen Seite der 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 (1) entfernt ist, als die Brennebene in der Position (2), sind die Verhältnisse gerade umgekehrt wie die, die sich bei der Positon (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 Fig. 2 für das Operationsverstärker-Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Versetzung oder Position der Meßfläche erhalten werden.

Fig. 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 Polarisations- 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 Fig. 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 Fig. 4A dargestellten Form (26) über die Form (27) gemäß Fig. 4B in die Form (28) gemäß Fig. 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 (V₂₉+V₃₁)-(V₃₀+V₃₂) erhält man eine Ausgangssignal- Positions-Kennlinie ähnlich wie die gemäß Fig. 2 und man kann dementsprechend den Brennpunkt bzw. die Oberflächenposition messen. In dem obigen Ausdruck bedeutet V _xy das Ausgangssignal des Quadrantendetektors mit dem Bezugszeichen xy.

Fig. 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 Polarisations-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 Polarisations-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 Fig. 5B dargestellt sind und zur Ermittlung der Fokusposition bzw. der Position der reflektierenden Oberfläche gemäß dem anhand der Fig. 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 Fig. 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 Fokalpositiondetektorsignal 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 Signals.

Das Prinzip der Pupillenteilungstechnik ist in den Fig. 6A, 6B und 6C dargestellt. Fig. 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 Linsenpupille abdeckt, auf die eine Hälfte beschnitten. Es wird dann ein Bild im Zentrum eines Detektors (50) erzeugt. Fig. 6A zeigt den Fall, daß der Objektfleck (52) näher an der Objektivlinse (48) liegt als bei Fig. 6B. In diesem Falle erzeugt das durch die Blendenplatte (49) halbierte Lichtbündel ein Bild oberhalb des Zentrums des Detektors (50). Fig. 6C zeigt den Fall, daß der Objektfleck (53) weiter von der Objektivlinse (48) entfernt ist als bei Fig. 6B. 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 Defokussierung bezüglich der Objektebene in Fig. 6B 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.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines optischen Systems eines Oberflächenstrukturmeßgerätes, das mit der Pupillenteilungstechnik arbeitet. Mittels eines Laserstrahlungsquelle (54) wird ein Laserstrahlungsbündel erzeugt, das durch ein Raumfilter (55), eine Kollimatorlinse (56), einen Polarisations-Bündelteiler (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 Pupillenteilungsspiegel (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 (V₆₃-V₆₄)+(V₆₆-V₆₇) kann entsprechend dem anhand der Fig. 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 Fig. 2.

Die entstehenden Ausgangssignale V₆₃, V₆₄; V₆₆, V₆₇, die durch 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:

anstelle der hälftigen Photodioden kann man beispielsweise auch einen Halbleiter-Positionsdetektor verwenden. Es sei ferner bemerkt, daß bei den Fig. 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.

In der US-PS 35 89 815 wird ein Oberflächenstrukturmeßgerät beschrieben, bei dem ein parallel zur optischen Achse des Gerätes verlaufender Laserstrahl durch einen Spiegel oder ein Prisma abgelenkt und durch eine Sammellinse fokussiert wird, so daß der Brennpunkt des schräg verlaufenden Laserstrahls auf die optische Achse zu liegen kommt. Das Prisma und die Sammellinse oder der Spiegel sind in einer Weise verschiebbar, daß der Brennpunkt des Laserstrahls über einen gegebenen Meßbereich entlang der optischen Achse verschoben werden kann. Wenn beim Verschieben des Brennpunktes, das bei dieser Einrichtung periodisch hin und her erfolgt, der Brennpunkt mit dem Punkt der Oberfläche der Probe zusammenfällt, in welchem die optische Achse die Oberfläche der Probe schneidet, dann wird das Licht des von der Probe reflektierten Laserstrahls ebenfalls in einen auf der optischen Achse der Fokusdetektoranordnung liegenden Punkt abgebildet. Die Fokusdetektoranordnung enthält einen ortsempfindlichen optischen Detektor, dessen Ausgangssignal von der Abweichung der Abbildung des Reflexes von der optischen Achse abhängig ist. Aus der Zuordnung dieses Ausgangssignals zu einem Signal, das die Verschiebung des Brennpunktes des Laserstrahls längs der optischen Achse repräsentiert, läßt sich die Lage der Oberfläche der Probe bestimmen. Soll bei dieser Einrichtung nicht nur ein Punkt, sondern ein Bereich der Probe abgetastet werden, dann ist es notwendig, die Probe quer zur optischen Achse des Gerätes zu verschieben.

Weiter ist aus der DE-OS 28 54 057 eine Ebenheits-Meßeinrichtung bekannt, bei der ein fokussierter Laserstrahl mit Hilfe eines rotierenden Spiegels unter variierendem Neigungswinkel auf die zu untersuchende Probe gerichtet wird. Wenn der Laserstrahl von der Oberfläche der Probe, die im wesentlichen eine spiegelnde Reflexionscharakteristik aufweist, in sich reflektiert wird, dann wird von einem lageempfindlichen Photodetektor ein Ausgangssignal abgegeben, das die Neigung des Punktes der Oberfläche der Probe, in dem der Strahl reflektiert worden ist, repräsentiert. Aus der Neigung der Fläche kann durch Integration des Ausgangssignals des Photodetektors die Lage des Punktes bezüglich einer Referenzfläche berechnet werden. Da bei dieser Einrichtung, ebenso wie bei dem in der US-PS 35 89 815 beschriebenen Gerät zwar der fokussierte Laserstrahl über einen gewissen Bereich der Probe geführt wird, die Lage der Probe jedoch nur in einem einzigen, ausgezeichneten Meßpunkt erfaßt wird, ist es auch hier notwendig, die Probe quer zur optischen Achse des Gerätes zu verschieben, um eine Information über einen größeren Bereich der Oberfläche der Probe zu erhalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Oberflächenstrukturmeßgerät anzugeben, bei dem mehrere auf einer Linie oder einer Fläche liegende Punkte der Oberfläche einer Probe vermessen werden können, ohne daß die Probe bezüglich der optischen Achse des Geräts verschoben werden muß.

Diese Aufgabe wird durch ein Oberflächenstrukturmeßgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Oberflächenstrukturmeßgerätes sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Oberflächenstrukturmeßgerät gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Lichtquelle, ein Objektiv zum Sammeln des von der Lichtquelle emittierten Lichtes auf der Oberfläche einer Probe oder eines Meßobjekts, eine zwischen der Lichtquelle und der Objektivlinse angeordnete Lichtablenkeinrichtung, die eine Abtastung der Oberfläche des Meßobjekts durch Änderung des Winkels des in die Objektivlinse eintretenden Lichts gestattet, eine Fokusdetektoranordnung, die das an der Oberfläche des Meßobjekts reflektierte Licht erfaßt und die Abweichung der Oberfläche des Meßobjekts von einer vorgegebenen Fokusposition erfaßt, und eine Zwischenlinsenanordnung zwischen der Lichtablenkanordnung und dem Objektiv, die so angeordnet ist, daß sich Lichtablenkeinrichtung am Ort einer Pupille des optischen Systems befindet. Hierdurch wird die Position der optischen Achse im Abtastsystem konstant gehalten, auch wenn das Lichtbündel zum Zwecke der Abtastung durch die Lichtablenkeinrichtung abgelenkt wird, so daß Meßfehler vermieden werden.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen der Lichtablenkeinrichtung und dem Objektiv 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 einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Bildverarbeitungs- 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.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden auch noch weitere Vorteile und Ausgestaltungen von Merkmalen der Erfindung zur Sprache kommen. Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung des Prinzips der Grenzwinkelmethode;

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

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

Fig. 4A, 4B und 4C schematische Darstellungen zur Erläuterung der Astigmatismus-Methode;

Fig. 5A und 5B Darstellungen des optischen Systems eines bekannten Oberflächenstrukturmeßgerätes, welches mit der Astigmatismus-Methode arbeitet;

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

Fig. 7 eine Darstellung des optischen Systems eines bekannten Oberflächenstrukturmeßgerätes, das mit der Pupillenteilungsmethode arbeitet;

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

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

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

Fig. 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 Fig. 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 Fig. 3, Fig. 5A und 5B sowie Fig. 6A, 6B und 6C dargestellt ist. Das vom optischen Oberflächenstrukturmeßsystem (68) kommende Laserstrahlungsbündel fällt auf eine Lichtablenkeinrichtung (71), welche sich am Ort einer Pupille befindet, die zu einer Öffnungsblende (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 Zwischenlinsen (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 Zwischenlinse (77) und eine Fokussierlinse (78) in die Öffnungsblende (70) 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.

Fig. 9 zeigt den Bereich mit der Lichtablenkeinrichtung und der Feldlinse (74) des Systems der Fig. 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.

Fig. 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 Fig. 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-)Pupille 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 Fig. 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.

Fig. 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 Polarisations-Bündelteiler (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 Zwischenlinse (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 Bildverarbeitungs- und 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 Fig. 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 Momentanwertspeicher- und Analog/Digital-Konverterschaltung (114) gekoppelt ist, in der das 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 Fig. 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.

Claims (5)

1. Oberflächenstrukturmeßgerät mit einer Lichtquelle, einem Objektiv zum Fokussieren des von der Lichtquelle emittierten Lichts in einem Meßpunkt an der Oberfläche einer zu analysierenden Probe und einer Fokusdetektoranordnung, die von der Oberfläche der Probe reflektiertes Licht empfängt und auf eine Versetzung des Meßpunkts längs der optischen Achse bezüglich einer vorgegebenen Fokusposition anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (84) und dem Objektiv (95) eine Lichtablenkanordnung (89, 92) angeordnet ist, durch die der Meßpunkt durch Änderung des Winkels, unter dem das von der Lichtquelle kommende Licht in das Objektiv (95) eintritt, in einer Richtung quer zur optischen Achse verschiebbar ist, wobei die Probe feststehend ist, daß sich zwischen der Lichtablenkanordnung (89, 92) und dem Objektiv (95) eine Zwischenlinsenanordnung (90, 91) befindet, und daß die Lichtablenkanordnung (89, 92) am Ort einer zur Öffnungsblende des Objektivs (95) bezüglich der Zwischenlinsenanordnung (90, 91) konjugierten Pupille angeordnet ist.

2. 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 ermöglichen.

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

4. Oberflächenstrukturmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Fokusdetektoranordnung eine Bildverarbeitungs- und Anzeigeanordnung (106-118) zur Anzeige der Struktur der gemessenen Oberfläche der Probe gekoppelt ist.

5. Oberflächenstrukturmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Lichtquelle (84) ein als Zoom- oder Varioobjektiv ausgebildeter Kollimator (86) zum Erzeugen eines Parallelstrahlenbündels angeordnet ist.