DE102008005356A1

DE102008005356A1 - Autofokusvorrichtung und Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102008005356A1
Application number: DE102008005356A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Arnz; Volkmar Betz; Gerd Dr. Klose; Mikhail Levtonov
Original assignee: Carl Zeiss SMS GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2028-01-22
Also published as: DE102008005356B4

Abstract

Es wird bereitgestellt eine Autofokusvorrichtung für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik (9) mit einer ersten Fokusebene (20) und einen Objekttisch (11) zum Bewegen eines abzubildenden Objektes (3) relativ zur ersten Fokusebene (20) aufweist, wobei die Autofokusvorrichtung (1) - ein Bildaufnahmemodul (9) mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene (20) bekannt ist, - ein Beleuchtungsmodul (BM) zum Abbilden eines Fokussierbildes entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in eine Fokussierbildebene, derart, daß, wenn das Objekt in einer Sollposition mit einem vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene positioniert ist, der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund von Reflexion am Objekt gefaltet ist und das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet oder in dieser liegt, und - ein Steuermodul umfaßt, das zum Fokussieren der Abbildungsvorrichtung (9) den Objekttisch (11) so ansteuert, daß das Objekt (3) in der Solldaufnahmemoduls, das das Bildaufnahmemodul anhand seiner Aufnahme des Fokussierbildes, wenn das Objekt in der Sollposition positioniert ist, erzeugt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition ableitet und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, dem vorbestimmten Abstand und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Autofokusvorrichtung und ein Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung.
Eine solche Autofokusvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 103 19 182 sowie der DE 10 2006 027 836 A1 bekannt. Bei diesen Autofokusvorrichtungen wird ein intensitätsmoduliertes Gitterbild schräg auf die zu fokussierende Probe abgebildet und über eine Kamera aufgenommen. Der lateral in der Aufnahme variierende Kontrast wird ausgewertet, um die Defokussierung in Aufnahmerichtung zu ermitteln.
Bei solchen Autofokusvorrichtungen besteht jedoch die Schwierigkeit, daß häufig Strukturen des Objektes zu einer unerwünschten Modulation der Intensität des abgebildeten Gitterbildes führen. Aufgrund dieser nicht vorhersehbaren Intensitätsvariationen ist die Genauigkeit bei der Bestimmung der Defokussierung und somit auch die Fokussierungsgenauigkeit der Autofokusvorrichtung beschränkt.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Autofokusvorrichtung mit höherer Genauigkeit für eine Abbildungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Ferner soll ein entsprechendes Autofokussierverfahren bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Autofokusvorrichtung für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik mit einer ersten Fokusebene und einen Objekttisch zum Bewegen eines abzubildenden Objektes relativ zur ersten Fokusebene aufweist, wobei die Autofokusvorrichtung ein Bildaufnahmemodul mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene bekannt ist, ein Beleuchtungsmodul zum Abbilden eines Fokussierbildes entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in eine Fokussierbildebene derart, daß, wenn das Objekt in einer Sollposition mit einem vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene positioniert ist, der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am Objekt gefaltet ist und das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet oder in dieser liegt, und ein Steuermodul umfaßt, das zum Fokussieren der Abbildungsvorrichtung den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der Sollposition positioniert ist, aus einem Signal des Bildaufnahmemoduls, das das Bildaufnahmemodul anhand seiner Aufnahme des Fokussierbildes, wenn das Objekt in der Sollposition positioniert ist, erzeugt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition ableitet und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, dem vorbestimmten Abstand und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert ist.
Bei dieser Autofokusvorrichtung wird somit vorteilhaft erreicht, daß das Objekt selbst von der zweiten Fokusebene beabstandet und somit für das Bildaufnahmemodul unscharf ist. Das Fokussierbild jedoch schneidet die zweite Fokusebene oder liegt in dieser, so daß zumindest der Bereich des Fokussierbildes in der zweiten Fokusebene deutlich schärfer vom Bildaufnahmemodul erfaßt wird als das Objekt selbst. Damit wird der Einfluß von Strukturen des Objektes auf die Aufnahme des Bildaufnahmemoduls deutlich reduziert, wodurch die Abweichung der Position des Objektes von der Sollposition äußerst genau bestimmt werden kann. Basierend auf dieser Abweichung kann dann das Objekt unter Berücksichtigung des vorbestimmten Abstandes und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene in der ersten Fokusebene positioniert werden.
Bei der Autofokusvorrichtung können die erste und zweite Fokusebene zusammenfallen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn als Bildaufnahmemodul die Abbildungsoptik der Abbildungsvorrichtung verwendet wird. Dies weist den zusätzlichen Vorteil auf, daß kein separates Bildaufnahmemodul vorgesehen werden muß. Es kann die schon vorhandene Abbildungsoptik für die Autofokussierung benutzt werden.
Bei dem Fokussierbild handelt es sich insbesondere um ein intensitätsmoduliertes Bild, wobei das Bildaufnahmemodul als Signal dann bevorzugt die Aufnahme des Fokussierbildes ausgibt.
Das Steuermodul kann dann die Aufnahme hinsichtlich Intensitätsmodulationen oder des Kontrastverlaufes auswerten.
Das Fokussierbild ist insbesondere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmoduliert. So kann es beispielsweise abwechselnd helle und dunkle Streifen aufweisen.
Die erste Richtung des in der Fokussierbildebene liegenden Fokussierbildes ist bevorzugt nicht parallel zur Schnittgeraden von Fokussierbild und zweiter Fokusebene. Insbesondere ist die erste Richtung senkrecht zur Schnittgeraden.
Das Fokussierbild kann mehrere in einer ersten Richtung periodische intensitätsmodulierte Teilbilder mit gleicher Periode aufweisen, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind. insbesondere können die Teilbilder senkrecht zur ersten Richtung nebeneinander angeordnet sein.
Das Steuermodul kann in diesem Fall für jedes Teilbild eine Teilbildabweichung berechnen, aus der dann die Abweichung abgeleitet wird. Insbesondere kann eine arithmetische Mittelung durchgeführt werden.
Das Bildaufnahmemodul kann insbesondere einen flächigen Bildsensor, wie z. B. einen CCD- oder CMOS-Sensor aufweisen, um das die zweite Fokusebene schneidende Fokussierbild als zweidimensionales Bild aufzunehmen.
Das Beleuchtungsmodul enthält bevorzugt eine Beleuchtungsquelle, die inkohärente oder partiell kohärente Beleuchtungsstrahlung abgibt, und ein Transmissionsgitter. Das Transmissionsgitter weist bevorzugt in einer ersten Richtung ein periodisch variierendes Transmissionsverhalten auf. Das Beleuchtungsmodul bildet das beleuchtete Transmissionsgitter als Fokussierbild in die zweite Fokusebene ab.
Das Bildaufnahmemodul kann das Fokussierbild in der zweiten Fokusebene beispielsweise konfokal detektieren. In diesem Fall kann das Fokussierbild beispielsweise eine konfokale Punkt- oder Strichbeleuchtung sein, wie dies bei konfokalen Mikroskopen bekannt ist.
Die erfindungsgemäße Autofokusvorrichtung kann Bestandteil der Abbildungsvorrichtung sein. Die Abbildungsvorrichtung kann insbesondere als Mikroskop ausgebildet sein. Bevorzugt ist sie ein Mikroskop im Bereich der Untersuchung von Lithographiemasken und/oder Wafern für die Halbleiterindustrie.
Das Gitter kann natürlich nicht nur als transmissives Gitter, sondern auch als reflektives Gitter ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, das Gitter mittels eines räumlichen Lichtmodulators, wie z. B. einer Kippspiegelmatrix zu erzeugen. Das Gitter kann nicht nur passiv sein (also beleuchtet werden), sondern es ist auch möglich, das Gitter aktiv auszubilden. Dazu können beispielsweise selbstleuchtende Lichtmodulatoren eingesetzt werden, wie z. B. OLED-Modulatoren.
Ferner wird ein Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik mit einer ersten Fokusebene aufweist, bereitgestellt, wobei bei dem Autofokussierverfahren ein Bildaufnahmemodul mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene bekannt ist, vorgesehen wird, das Objekt in einer Sollposition mit einem vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene positioniert wird, ein Fokussierbild entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in eine Fokussierbildebene derart abgebildet wird, daß der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am in der Sollposition positionierten Objekt gefaltet wird und das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet oder in dieser liegt, das Bildaufnahmemodul das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild aufnimmt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition anhand der Aufnahme abgeleitet wird und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, dem vorbestimmten Abstand und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert wird.
Mit diesem Autofokussierverfahren wird der Vorteil erreicht, daß das Fokussierbild scharf aufgenommen wird und gleichzeitig das Objekt unscharf ist. Somit können Strukturen des Objektes, die bei der Bestimmung der Defokussierung stören, wirksam unterdrückt werden.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Autofokussierverfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüche angegeben.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung;
2 eine weitere Darstellung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung;
3 eine Draufsicht des Transmissionsgitters 13 in 1 und 2;
4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Bestimmung der Defokussierung basierend auf einer Abbildung des schräg gestellten Gitters 13;
5 eine schematische Darstellung des vom Detektor der CCD-Kamera 10 aufgenommenen Luftbildes;
6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Versatzes der reflektierten Fokussierbildes bei einer Defokussierung des Objektes;
7 eine schematische Darstellung der Aufnahme des CCD-Detektors der Kamera 10 des Luftbildes des reflektierten Fokussierbildes 21 von 6;
8 eine Darstellung des Intensitätsprofils der Aufnahme von 5;
9 eine Darstellung des aus dem Intensitätsprofil von 8 abgeleiteten Kontrastprofils;
10 eine schematische Darstellung des Einflusses eines sich sprunghaft ändernden Reflexionsverhaltens des Objektes auf den Intensitätsverlauf des aufgenommenen reflektierten Fokussierbildes;
11 eine Darstellung zur Erläuterung der erfindungsgemäßen versetzten Anordnung des Objektes 3 relativ zur Fokusebene 20 zur Bestimmung der Defokussierung;
12 eine Darstellung der ermittelten Defokussierung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterperiode g des Fokussierbildes 19 auf dem Objekt 3 für einen Objektversatz Δz von 2 μm;
13 eine Darstellung der ermittelten Defokussierung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterperiode g des Fokussierbildes 19 auf dem Objekt 3 für einen Objektversatz Δz von 4 μm;
14 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der berechneten Defokussierung ΔBF von der Lage der Kante, bei der sich das Reflexionsverhalten des Objektes sprunghaft ändert, auf dem Objekt für unterschiedliche Gitterperioden g;
15 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der berechneten Defokussierung ΔBF von der Anfangsphase für eine Gitterperiode g von 250 nm;
16 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der berechneten Defokussierung ΔBF von der Anfangsphase für eine Gitterperiode g von 1000 nm;
17 ein Gitter mit vier Teilgittern gleicher Periode aber unterschiedlicher Anfangsphasen;
18 der Kontrastverlauf für eines der Teilgitter von 17 unter der Annahme, daß der Ort der optimalen Fokussierung am Rande des Defokus-Meßbereiches liegt;
19 ein weiteres Gitter mit vier Teilgittern gleicher Periode aber unterschiedlicher Anfangsphase, wobei die Gitterperiode im Vergleich zu den Gittern von 17 halbiert ist;
20 der Kontrastverlauf für eines der Teilgitter von 19 unter der Annahme, daß der Ort der optimalen Fokussierung am Rande des Defokus-Meßbereiches liegt;
21 ein weiteres Gitter mit vier Teilgittern gleicher Periode und unterschiedlicher Anfangsphase, wobei die Gitterperiode des Gitters 32 von 21 nur halb so groß ist wie die Gitterperiode des Gitters 31 von 19;
22 der Kontrastverlauf für eines der Teilgitter von 21 unter der Annahme, daß der Ort der optimalen Fokussierung am Rande des Defokus-Meßbereiches liegt;
23 eine Darstellung der dreifachen Standardabweichung σ der Defokussierung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterperiode für ein angenommenes CCD-Rauschen von 2%, und
24 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung für ein konfokales Mikroskop.
Bei der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist die Autofokusvorrichtung 1 in einem Mikroskop 2 zur Untersuchung von Lithographiemasken 3 integriert.
Das Mikroskop 2 umfaßt eine Beleuchtungsquelle 4, die inkohärente oder partiell kohärente Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge von 193 nm abgibt. Die Beleuchtungsstrahlung wird über einen ersten Umlenkspiegel 5 und einen zweiten Umlenkspiegel 6 zum Abbildungsobjektiv 7 geführt und mittels diesem zur Beleuchtung auf die Lithographiemaske (Objekt) 3 gerichtet (1).
Das Objekt 3 wird über das Abbildungsobjektiv 7, den teiltransparenten Umlenkspiegel 6 sowie eine Tubusoptik 8, die zusammen eine Abbildungsoptik 9 bilden, auf eine CCD-Kamera 10 abgebildet, um ein Bild eines Teils des Objektes zu erzeugen. Beispielsweise kann mit dem Mikroskop 2 die laterale Position von Justiermarken der Lithographiemaske 3 hochgenau bestimmt werden.
Das Mikroskop 2 weist ferner einen Objekttisch 11 auf, mit dem das Objekt 3 sowohl lateral als auch in Beobachtungsrichtung (also in z-Richtung) positioniert werden kann.
Die Autofokusvorrichtung 1 nutzt die Beleuchtungsquelle 4 sowie das Abbildungsobjektiv 7 des Mikroskops 2 zur Beleuchtung des Objektes 3 mit einem Fokussierbild und nutzt das Abbildungsobjektiv 7, die Tubusoptik 8 und die CCD-Kamera 9 zur Aufnahme des Fokussierbildes.
Dazu ist einerseits der erste Umlenkspiegel 5 verschiebbar (durch Doppelpfeil P1 angedeutet), so daß er aus dem Strahlengang des von der Beleuchtungsquelle 4 kommende Beleuchtungsstrahlung 5 herausbewegt werden kann, wie in 2 gezeigt ist. Daher trifft die Beleuchtungsstrahlung auf einen dritten Umlenkspiegel 12, der die Beleuchtungsstrahlung durch ein gegenüber der Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung um 45° gekipptes Gitter 13 lenkt. Der Kippwinkel kann jedoch auch jeder andere Winkel aus dem Bereich von 1–89° sein. Die Gitterstruktur wird über eine Autofokusoptik 14, zweier weiterer Umlenkspiegel 15, 16, dem zweiten Umlenkspiegel 6 sowie dem Abbildungsobjektiv 7 auf das Objekt 3 abgebildet. Der Umlenkspiegel 16 ist dabei so verfahrbar vorgesehen (Doppelpfeil P2), daß er von der in 1 gezeigten Stellung in die in 2 gezeigte Stellung verfahrbar ist, um die Abbildung des Fokussierbildes auf das Objekt 3 zu ermöglichen.
Das Gitter 13 kann beispielsweise, wie in 3 gezeigt ist, als Strichgitter ausgebildet sein, das abwechselnd transparente Streifen 17 und nicht transparente Streifen 18 (schraffiert dargestellt) aufweist. Das Gitter erstreckt sich periodisch in x-Richtung.
Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung wird zunächst unter Bezugnahme auf 4 bis 9 das Prinzip der Ermittlung der Fokusposition unter Zuhilfenahme einer Aufnahme des schräg auf das Objekt 3 abgebildeten Gitters 13 beschrieben.
Durch die Schrägstellung des Gitters 13 und die verkleinernde Abbildung des Gitters 13 mittels der Autofokusoptik 14 und dem Abbildungsobjektiv 7 mit einer numerischen Apertur von 0,6 beträgt der Winkel α, den die Fokussierbildebene, in der das Fokussierbild 19 liegt, mit der Fokusebene 20 der Abbildungsoptik 9 des Mikroskops 2 einschließt, ungefähr 9°. Bei der in 4 gezeigten Darstellung wird angenommen, daß das Objekt 3 bzw. seine Oberseite genau in der Fokusebene 20 positioniert ist. Das auf das Objekt 3 abgebildete Gitter 13 und somit das Fokussierbild 19 wird am Objekt 3 reflektiert, wie durch die durchgezogene Linie 21 angedeutet ist, und mittels der Abbildungsoptik 9 in die Detektorebene 22 des CCD-Flächensensors (nicht gezeigt) der CCD-Kamera 10 als Luftbild 23 abgebildet.
Bei optimaler Fokussierung (d. h. Positionierungen des Objektes 3 in der Fokusebene 20) sieht der CCD-Detektor das in 5 angedeutete (Luft-)Bild. Nachdem das Fokussierbild 19 in 4 die Fokusebene 20 in der Mitte (in x-Richtung gesehen) schneidet, schneidet auch das reflektierte Fokussierbild 21 die Fokusebene 20 in der Mitte, wodurch der Ort der besten Fokussierung BF des reflektierten Fokussierbildes 21 in der Mitte liegt und das Luftbild 23 des reflektierten Fokussierbildes 21 am CCD-Detektor in der Mitte M am schärfsten ist und in beiden Richtungen nach außen abnimmt. Gleiches gilt für den Kontrast im Luftbild 23.
Aufgrund der gewählten Schrägstellung des Gitters und der Verkleinerung bei der Abbildung des Gitters beträgt der Abstand ΔF des Randes des reflektierten Fokussierbildes 21 von der Fokusebene 20 hier 2 μm, so daß der Fangbereich bzw. der Defokus-Meßbereich ΔF/2 und somit 1 μm beträgt.
Wenn z. B. das Objekt 3 etwas defokussiert ist, weil es etwas unterhalb der Fokusebene 20 positioniert ist, wie in 6 dargestellt ist, führt dies zu einer Verschiebung des Ortes der besten Fokussierung BF des reflektierten Luftbildes 21. Dadurch liegt auch im Luftbild 23 am CCD-Detektor eine Verschiebung des Ortes der schärfsten Abbildung vor, wie dies z. B. in 7 angedeutet ist. Eine Defokussierung des Objektes 3 (also eine Abweichung in z-Richtung) führt im Luftbild 23 zu einer lateralen Verschiebung (in x-Richtung) des Ortes der schärfsten Abbildung.
Das mittels der CCD-Kamera aufgenommene Luftbild 23 wird einer Steuereinheit 24 (1, 2) der Autofokusvorrichtung 1 zugeführt. Die Steuereinheit 24 kann beispielsweise für jeden x-Wert des Luftbildes eine Mittelung in y-Richtung (5, 7) durchführen, um ein nur von der x-Koordinate abhängendes Intensitätsprofil abzuleiten. Nachdem der Kippwinkel des Gitters 13, der Verkleinerungsfaktor bei der Beleuchtung des Objektes 3 sowie der Vergrößerungsfaktor bei der Aufnahme des Gitterbildes 23 bekannt sind, kann die ermittelte Intensität in Abhängigkeit des Abstandes z von der Fokusebene 20 aufgetragen werden, wie dies in 8 dargestellt ist. In 8 ist dabei die Intensität des Luftbildes 23 von 5 aufgetragen, d. h. das Objekt 3 ist optimal fokussiert. So liegt das Intensitätsmaximum bei z = 0 nm (Ort der optimalen Fokussierung), so daß die berechnete Defokussierung ΔBF auch gleich 0 nm ist. Die Defokussierung ΔBF gibt hier die Abweichung der Oberseite des Objektes 3 von der Fokusebene 20 in nm an.
Durch eine Faltungsoperation kann aus dem Intensitätsprofil das in 9 gezeigte Kontrastprofil abgeleitet werden. Die Position des Kontrastmaximums entspricht der Defokussierung, die hier Null beträgt, da das Kontrastmaximum bei z = 0 nm liegt.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß häufig auf dem Objekt 3 vorhandene Strukturierungen zu einer unerwünschten Intensitätsmodulation des aufgenommen Luftbildes 23 in lateraler Richtung (x-Richtung) führen. Wenn z. B. eine Struktur des Objektes so liegt, daß die Reflektivität des linken Bereiches 25 (4) z. B. ca. 4% und die Reflektivität des rechten Bereiches 26 z. B. ca. 30% beträgt, führt dies zu dem in 10 gezeigten Intensitätsprofil des Luftbildes 23. Aus diesem Intensitätsprofil gemäß 10 läßt sich die vorliegenden Defokussierung nicht mehr mit der gewünschten Genauigkeit ableiten. Es hat sich gezeigt, daß die dann vorliegenden systematischen Fehler (bis zu 20 nm) größer sind als die gewünschte Meßgenauigkeit.
Um den störenden Einfluß solcher Strukturierungen des Objektes 3 bei der Fokussierung zu verringern, wird das Objekt 3 erfindungsgemäß nicht mehr in der Fokusebene 20 positioniert, sondern dazu in z-Richtung um Δz (= Objektversatz) beabstandet angeordnet, wie in 11 dargestellt ist. Des weiteren wird die Autofokusoptik 14 erfindungsgemäß so ausgelegt, daß das Fokussierbild 19 um 2Δz axial verschoben ist. Dadurch wird das in der Stellung von 11 an der Probe 3 reflektierte Fokussierbild 21 in der Mitte der Fokusebene 20 seinen Ort der besten Fokussierung BF aufweisen. Es findet somit eine Faltung des Strahlenganges zur Abbildung des Fokussierbildes so statt, daß die Fokussierbildebene gleich liegt wie in 4, wenn das Objekt genau um Δz von der Fokusebene 20 beabstandet ist und somit in der Sollposition positioniert ist. Der Defokus-Meßbereich bleibt gleich wie in 4 und beträgt somit 1 μm.
Dies führt zu dem Vorteil, daß mittels der Abbildungsoptik 9 der Ort der besten Fokussierung BF des reflektierten Fokussierbildes 21 scharf in die Detektorebene 22 abgebildet wird, während Strukturen des Objektes 3 selbst nur defokussiert in die Detektorebene 22 abgebildet werden. Damit wird der Einfluß von Störkanten und Strukturierung des Objektes 3 auf das gemessene Intensitätsprofil des Luftbildes deutlich reduziert.
In 12 ist die berechnete Defokussierung ΔBF in nm entlang der Ordinate gegenüber der Gitterperiode g des Fokussierbildes 19 auf dem Objekt 3 entlang der Abszisse für Δz = 2 μm aufgetragen, wobei angenommen wurde, daß das Objekt 3 exakt um Δz = 2 μm versetzt ist. Es zeigt sich, daß mit abnehmender Gitterperiode g die berechnete Defokussierung ΔBF abnimmt und sich somit der tatsächlich vorliegenden Defokussierung von 0 nm annähert.
In 13 ist die gleiche Darstellung wie in 12 gezeigt, wobei hier Δz = 4 μm. 13 zeigt den gleichen qualitativen Verlauf wie 12; die berechnete Defokussierung ΔBF nimmt mit abnehmender Gitterperiode g ab. Jedoch beträgt die berechnete Defokussierung ΔBF für z. B. die Gitterkonstante 500 nm lediglich –0,5 nm im Vergleich zu einem Objektversatz von Δz = 2 μm, bei dem die berechnete Defokussierung ΔBF für eine Gitterkonstante von 500 nm etwa –4 nm beträgt.
Somit führt ein Objektversatz Δz = 2 μm schon zu guten Ergebnissen. Eine Verdoppelung des Objektversatzes auf Δz = 4 μm führt zu einer überproportionalen Verringerung des Fehlers bei der Berechnung der Defokussierung ΔBF.
Der gleiche Reflektivitätssprung, der in 10 zu der unerwünschten Helligkeitsmodulation und zu einem systematischen Fehler von 20 nm geführt hat, kann durch den Objektversatz von Δz = 2 μm auf –4 nm und durch einen Objektversatz von 4 μm sogar auf –0,5 nm gedrückt werden. Damit kann selbst im ungünstigsten Fall, bei dem der Reflektivitätssprung genau am Ort der optimalen Fokussierung BF auftritt, die Defokussierung ΔBF hinreichend genau bestimmt werden.
In 14 ist die berechnete Defokussierung ΔBF (Ordinate) für einen Objektversatz Δz von 4 μm in Abhängigkeit der lateralen Lage x (in μm entlang der Abszisse) der Störkante (Kante zwischen den beiden Bereichen 25 und 26 und somit Ort der sich sprunghaft ändernden Reflektivität) auf dem Objekt für drei verschiedene Gitterperioden g aufgetragen. Dabei ist Kurve K1 das Ergebnis für g = 250 nm. Kurve K2 zeigt das Verhalten für g = 500 nm und Kurve K3 für g = 1000 nm. Bei dem Abszissenwert von 0 liegt die Störkante somit genau am Ort BF der besten Fokussierung, wie in Verbindung mit 4 beschrieben wurde. Da sich die Störkante mit zunehmenden Abstand x vom Ort BF im Luftbild 23 aus dem Bereich der maximalen Intensität entfernt, wird der systematische Fehler bei der berechneten Defokussierung ΔBF geringer. Da für die Störkantenposition am Ort BF der systematische Fehler der berechneten Defokussierung ΔBF mit wachsender Gitterperiode g zunimmt, wird somit auch die Variationsbreite des systematischen Fehlers der berechneten Defokussierung ΔBF bei einer Lateralbewegung der Störkante größer.
In Abhängigkeit der bestimmten Defokussierung ΔBF und des bekannten Objektversatzes Δz steuert dann die Steuereinheit 24 den Tisch 11 so an, daß die Oberseite des Objektes 3 in der Fokusebene 20 positioniert ist.
Danach kann in dem in 1 gezeigten Zustand des Mikroskops 2 die gewünschte Messung durchgeführt werden.
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß das Gitter 11 stets so auf das Objekt 3 abgebildet wird, daß ein nicht transparenter Streifen 18 im reflektierten Fokussierbild 21 genau mittig in der besten Fokusposition BF liegt. Tatsächlich kann dies jedoch nicht garantiert werden. So kann der nicht transparente Streifen 18 leicht zur besten Fokusposition BF versetzt sein. Dieser Versatz wird nachfolgend Gitterphase oder auch Anfangsphase genannt.
Wenn man den Einfluß der Gitterphase auf die ermittelte Defokussierung ΔBF simuliert, kommt man bei einer Gitterperiode g von 250 nm auf die in 15 gezeigte Abhängigkeit. In 15 ist entlang der Ordinate für ein optimal fokussiertes Objekt die ermittelte Fokusabweichung ΔBF in Abhängigkeit der Gitterphase, die entlang der Abszisse aufgetragen ist, gezeigt. Wie der Darstellung von 15 zu entnehmen ist, treten maximale scheinbare Defokussierungen ΔBF von ±3 nm auf über eine vollständige Gitterphase auf.
Mit zunehmender Gitterperiode nimmt die scheinbare Defokussierung ab. In 16 ist die gleiche Darstellung wie in 15 für eine Gitterperiode von 1000 nm dargestellt. Hier beträgt die maximale scheinbare Defokussierung ΔBF ± 0,4 nm.
Der Mittelwert über alle Gitterphasen beträgt sowohl bei 15 als auch bei 16 ca. 0 nm, was der tatsächlichen Defokussierung für ein optimal fokussiertes Objekt 3 entspricht. Daher wird gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung zur Verbesserung der Meßgenauigkeit nicht nur ein Strichgitter mit einer Periode und einer Phase verwendet, sondern beispielsweise mehrere Strichgitter mit gleicher Periode aber unterschiedlicher Phase.
In 17 sind vier Strichgitter 30₁ , 30₂ , 30₃ , 30₄ gleicher Periode aber unterschiedlicher Phase bzw. Anfangsphase eines Gitters 30 dargestellt. Für jedes Teilgitter 30₁ , 30₂ , 30₃ , 30₄ wird anhand des Kontrastes die entsprechende Defokussierung ΔBF₁, ΔBF₂, ΔBF₃, ΔBF₄ ermittelt und anschließend wird eine arithmetische Mittelung der Defokussierungswerte ΔBF₁, ΔBF₂, ΔBF₃, ΔBF₄ durchgeführt, um zu einer mittleren Defokussierung ΔBF_M zu gelangen.
In 18 ist der Intensitätsverlauf eines der vier Teilgitter 30₁ , 30₂ , 30₃ , 30₄ von 17 dargestellt, wobei angenommen wird, daß der Ort der optimalen Fokussierung BF am Rande des Defokus-Meßbereichs liegt. In 19 und 20 sind zwei weitere Gitter 31, 32 mit vier zueinander phasenverschobenen Teilgittern gezeigt, wobei die Gitterperiode des Gitters 31 in 19 halb so groß ist wie die des Gitters 30 in 17. Die Gitterperiode des Gitters 32 in 21 ist wiederum halb so groß wie die Gitterperiode des Gitters 31 von 19.
Die entsprechenden Intensitätsverläufe für jeweils eines der Teilgitter von 19 und 21 sind in 20 und 22 dargestellt. Aus einem Vergleich der Darstellungen in 18, 20 oder 22 ist ersichtlich, daß die Steilheit des Intensitätsverlaufes mit abnehmender Gitterperiode zunimmt. Dies kann insbesondere dazu benutzt werden, die Defokussierung zu extrapolieren, falls der Ort der besten Fokussierung außerhalb des Fangbereiches (= Defokus-Meßbereiches) liegt.
Ferner hat sich gezeigt, daß das Rauschen des Bildsensors die Auswertung des von der Lateralposition abhängigen Luftbildkontrastes verfälscht. Daher werden auch die aus dem Kontrastprofil abgeleiteten Defokuswerte beeinträchtigt werden, was sich als sogenannter 3σ-Reproduzierbarkeits-Effekt äußert. Die Werte der ermittelten Defokussierung ΔBF werden mit einer Standardabweichung σ um den Mittelwert schwanken.
Um den Einfluß des CCD-Rauschens zu simulieren, wurde die spezifische Standardabweichung für jede Gitterphase separat ermittelt und anschließend die totale Standardabweichung σ per quadratische Mittelung der spezifischen Standardabweichungen berechnet. Bei einem angenommenen CCD-Rauschen von 2% ergibt sich für Gitterperioden g von 250–750 nm der in 23 gezeigte Verlauf. Mit zunehmender Gitterperiode nimmt der Einfluß des CCD-Rauschens ab. Für Gitterperioden von kleiner 300 nm nimmt jedoch der 3σ-Wert dramatisch zu, da man bei solchen Gitterperioden g in den Bereich der optischen Auflösungsgrenze gelangt (g_lim = λ/(2·NA) ≈ 161 nm) gelangt (NA = numerische Apertur des Abbildungsobjektives 7 auf der Seite des Objektes 3). In diesem Bereich geht der Gitterkontrast des Luftbildes gegen 0, so daß das CCD-Rauschen dominiert.
Die Abnahme von σ mit zunehmendem g liegt insbesondere daran, daß sich mit zunehmendem g auch die Breite der zur Faltung herangezogenen Gauß-Apodisation erhöht, womit das Rauschen effektiv über einen größeren lateralen Bereich senkrecht zu den Gitterlinien gemittelt und damit reduziert wird.
Es kann festgehalten werden, daß bei dem erfindungsgemäßen Vorsehen des Objektversatzes Δz die Defokussierung ΔBF mit abnehmender Gitterkonstante g (immer angegeben im Fokussierbild 19, 21) abnimmt. Das CCD-Rauschen wird jedoch mit zunehmender Gitterkonstante g besser unterdrückt. Ferner führt die in Verbindung mit 15 und 16 beschriebene phasenabhängige Mittelung zu einer geringeren Defokussierung ΔBF. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform mit einer Beleuchtungswellenlänge von λ = 193 nm, einer numerischen Apertur NA des Abbildungsobjektivs 7 von 0,6 und einer inkohärenten oder teilweisen kohärenten Beleuchtung des Gitters 13 wird bevorzugt eine Gitterperiode g von 300–800 nm gewählt. Insbesondere kann die Gitterperiode g im Bereich 400–600 nm liegen. Der Objektversatz ist bevorzugt größer gleich 1 μm. Kann jedoch auch größer gleich 2 μm oder größer gleich 4 μm sein. Er sollte jedoch nicht größer als 10 μm gewählt werden.
Allgemein kann der Bereich der Gitterperiode g in Abhängigkeit der Grenzauflösung g_lim als bevorzugt 1,5 g_lim bis 5 g_lim angegeben werden. Insbesondere kann g im Bereich von 2,5 g_lim bis 4 g_lim liegen. Der Objektversatz Δz kann allgemein in Abhängigkeit der Schärfentiefe DOF der Abbildungsoptik 9 angegeben werden, wobei DOF = λ/NA². Der Objektversatz ist bevorzugt ≥ 2DOF. Er kann jedoch auch ≥ 4DOF oder ≥ 8DOF sein und sollte bevorzugt ≤ 20DOF sein.
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß die Detektorebene 22 senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik 9 (Bildaufnahmemodul) liegt und das Gitter 13 gegenüber der optischen Achse der Autofokusoptik 14 und des Abbildungsobjektives 7 bzw. relativ zur Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung gekippt ist. Dies führt dazu, daß die Fokussierebene, in der das reflektierte Fokussierbild 21 liegt, gegenüber der Fokusebene 20 gekippt ist. Anders gesagt, Fokussierebene und Fokusebene sind nicht zueinander parallel. Dies kann auch dadurch erreicht werden, daß der CCD-Detektor der CCD-Kamera 10 gegenüber der optischen Achse der Abbildungsoptik 9 gekippt ist (z. B. 45°) und das Gitter 13 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung angeordnet ist. Natürlich können sowohl das Gitter 13 als auch der CCD-Detektor gekippt sein. Es muß nur sichergestellt werden, daß die Fokussierebene und die Fokusebene nicht zueinander parallel sind.
In 24 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Autofokussiervorrichtung im Bereich der konfokalen Mikroskopie gezeigt. Das Beleuchtungsmodul BM beleuchtet das zu fokussierende Objekt 3 mit Beleuchtungsstrahlung 40 über eine Autofokusoptik 41 derart, daß nach Reflexion der Beleuchtungsstrahlung 40 am um Δz gegenüber der Fokusebene 20 versetzten Objekt 3 in der Fokusebene 20 die gewünschte konfokale Punktbeleuchtung 42 vorliegt.
Das Bildaufnahmemodul AM ist nun so ausgebildet, daß die konfokale Punktbeleuchtung 42 über den teiltransparenten Umlenkspiegel 43 konfokal scharf abgebildet wird.
Da das Objekt 3 weit außerhalb der Fokusebene 20 positioniert ist, wird das Objekt 3 selbst durch das Bildaufnahmemodul AM nicht erfaßt, so daß der störende Einfluß von Strukturen auf dem Objekt 3 minimiert wird.
Die mittels dem Bildaufnahmemodul detektierte Intensität kann benützt werden, um die vorliegende Defokussierung ΔBF zu ermitteln. Um die Richtung der Defokussierung abzuleiten, können zwei Messungen nacheinander durchgeführt werden, bei denen die Position des Objektes 3 geringfügig variiert wird. Daraus läßt sich dann ableiten, in welcher Richtung die Defokussierung ΔBF gegebenen ist. Anhand der so gemessenen Defokussierung ΔBF kann das Objekt 3 mittels einem Objekttisch (nicht gezeigt in 24) in der Fokusebene 20 positioniert und somit für die konfokale Abbildung fokussiert werden. Für die dann folgende konfokale Untersuchung des Objektes können aus der konfokalen Mikroskopie bekannte Beleuchtungs- und Ablenkeinrichtungen (in 24 nicht gezeigt) eingesetzt werden. Gegebenenfalls kann das Bildaufnahmemodul AM auch zur konfokalen Untersuchung des Objektes 3 eingesetzt werden. Natürlich ist es auch möglich, einen eigenen konfokalen Detektorarm (nicht gezeigt) vorzusehen.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen kann eine Kalibrierung durchgeführt werden. Dazu wird die mittels der Autofokusvorrichtung bestimmte Defokussierung ΔBF ermittelt und mit einem anderen Fokussierverfahren verglichen. Bei dem anderen Fokussierverfahren kann es sich insbesondere um Fokussierverfahren handeln, bei denen das Objekt in der Fokusebene 20 positioniert ist. Der dabei ermittelte Unterschied der Fokussierung (und somit der z-Positionierung des Objektes 3) wird dann zur Kalibrierung der erfindungsgemäßen Autofokusvorrichtung eingesetzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10319182 [0002]
- DE 102006027836 A1 [0002]

Claims

Autofokusvorrichtung für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik (9) mit einer ersten Fokusebene (20) und einen Objekttisch (11) zum Bewegen eines abzubildenden Objektes (3) relativ zur ersten Fokusebene (20) aufweist, wobei die Autofokusvorrichtung (1) – ein Bildaufnahmemodul (9) mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene (20) bekannt ist, – ein Beleuchtungsmodul (BM) zum Abbilden eines Fokussierbildes entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in eine Fokussierbildebene derart, daß, wenn das Objekt in einer Sollposition mit einem vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene positioniert ist, der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am Objekt gefaltet ist und das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet oder in dieser liegt, und – ein Steuermodul umfaßt, das zum Fokussieren der Abbildungsvorrichtung (9) den Objekttisch (11) so ansteuert, daß das Objekt (3) in der Sollposition positioniert ist, aus einem Signal des Bildaufnahmemoduls, das das Bildaufnahmemodul anhand seiner Aufnahme des Fokussierbildes, wenn das Objekt in der Sollposition positioniert ist, erzeugt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition ableitet und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, dem vorbestimmten Abstand und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene den Objekttisch so ansteuert, daß das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert ist.
Autofokusvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste und zweite Fokusebene zusammenfallen.
Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der als Bildaufnahmemodul die Abbildungsoptik verwendet wird.
Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Fokussierbild intensitätsmoduliert ist und das Bildaufnahmemodul als Signal die Aufnahme des Fokussierbildes ausgibt.
Autofokusvorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Steuermodul die Aufnahme hinsichtlich Intensitätsvariationen oder des Kontrastverlaufes auswertet.
Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Fokussierbild in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmoduliert ist.
Autofokusvorrichtung nach Anspruch 6, bei der die erste Richtung des in der Fokussierbildebene liegenden Fokussierbildes nicht parallel zur Schnittgeraden von Fokussierbild und zweiter Fokusebene ist.
Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Fokussierbild mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teilbilder mit gleicher Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind.
Autofokusvorrichtung nach Anspruch 8, bei der das Steuermodul für jedes Teilbild eine Teilbildabweichung berechnet und aus den Teilbildabweichungen die Abweichung ableitet.
Autofokusvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der zumindest einmal die abgeleitete Abweichung mit der mit einer anderen Fokussiervorrichtung bestimmten Abweichung des Objekts aus der Sollposition verglichen und der dabei ermittelte Unterschied zur Kalibrierung der Autofokusvorrichtung verwendet wird.
Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik (9) mit einer ersten Fokusebene (20) aufweist, bei dem ein Bildaufnahmemodul (9) mit einer zweiten Fokusebene, deren Lage relativ zur ersten Fokusebene (20) bekannt ist, vorgesehen wird, das Objekt in einer Sollposition mit einem vorbestimmten Abstand zur zweiten Fokusebene positioniert wird, ein Fokussierbild entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in eine Fokussierbildebene derart abgebildet wird, daß der Beleuchtungsstrahlengang aufgrund Reflexion am in der Sollposition positionierten Objekt gefaltet wird und das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild die zweite Fokusebene schneidet oder in dieser liegt, das Bildaufnahmemodul das in der Fokussierbildebene liegende Fokussierbild aufnimmt, die Abweichung der Objektposition von der Sollposition anhand der Aufnahme abgeleitet wird und basierend auf der abgeleiteten Abweichung, dem vorbestimmten Abstand und der relativen Lage der ersten und zweiten Fokusebene das Objekt in der ersten Fokusebene positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die erste und zweite Fokusebene zusammenfallen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem als Bildaufnahmemodul die Abbildungsoptik verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Fokussierbild intensitätsmoduliert ist und das Bildaufnahmemodul als Signal die Aufnahme des Fokussierbildes ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Aufnahme hinsichtlich Intensitätsvariationen oder des Kontrastverlaufes ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem das Fokussierbild in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmoduliert ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die erste Richtung des in der Fokussierbildebene liegenden Fokussierbildes nicht parallel zur Schnittgeraden von Fokussierbild und zweiter Fokusebene ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem das Fokussierbild mehrere in einer ersten Richtung periodisch intensitätsmodulierte Teilbilder mit gleicher Periode aufweist, wobei die Teilbilder zueinander phasenverschoben sind.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem für jedes Teilbild eine Teilbildabweichung berechnet und aus den Teilbildabweichungen die Abweichung abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, bei dem zumindest einmal die abgeleitete Abweichung mit der aus einem anderen Fokussierverfahren bestimmten Abweichung des Objekts aus der Sollposition verglichen und der dabei ermittelte Unterschied zur Kalibrierung des Autofokussierverfahrens verwendet wird.