DE3610530C2 - - Google Patents
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- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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- Measurement Of Optical Distance (AREA)
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.
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