DE102012025551B3 - Method for spatially resolved measurement of inclination of surface area of reflective surface of object, involves evaluating reflected color structure in beam cross section of reflected light beam in image plane - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur ortsaufgelösten Messung der Neigungen eines Oberflächenbereichs einer spiegelnden Oberfläche eines Objektes, bei dem ein kollimierter Beleuchtungsstrahl mit einem Strahlquerschnitt so erzeugt und auf die spiegelnde Oberfläche gerichtet wird, dass der zu vermessende Oberflächenbereich vollständig innerhalb des Strahlquerschnitts des Beleuchtungsstrahls liegt, eine Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt des an dem Oberflächenbereich reflektierten Beleuchtungsstrahls in mindestens einer Bildebene mit einer optischen Detektoranordnung erfasst und aus Messdaten der optischen Detektoranordnung ortsaufgelöst die Neigungen des Oberflächenbereiches bestimmt werden. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens.The present invention relates to a method for the spatially resolved measurement of the inclinations of a surface area of a specular surface of an object in which a collimated illumination beam having a beam cross section is generated and directed onto the specular surface so that the surface area to be measured is completely within the beam cross section of the illumination beam. an intensity distribution over the beam cross-section of the reflected on the surface region illumination beam detected in at least one image plane with an optical detector assembly and location of the optical detector arrangement spatially resolved the inclinations of the surface area are determined. The invention also relates to a device for carrying out the proposed method.
Das Verfahren eignet sich zur ortsaufgelösten Neigungsmessung beliebiger spiegelnder Oberflächen und lässt sich vor allem zur Topographiebestimmung dieser Oberflächen im Millimeter-, Mikrometer- und Nanometerbereich einsetzen. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist bspw. die Topographiebestimmung von Halbleiterscheiben, wie sie für die Qualitätssicherung bei der Halbleiterfertigung erforderlich ist.The method is suitable for the spatially resolved inclination measurement of arbitrary reflecting surfaces and can be used above all for the topography determination of these surfaces in the millimeter, micrometer and nanometer range. An important field of application is, for example, the topography of semiconductor wafers, as required for quality assurance in semiconductor manufacturing.
Stand der TechnikState of the art
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung basieren auf der sog. „Makyoh”- oder „magic mirror”-Methode. Dabei wird ein kollimierter Beleuchtungsstrahl auf eine spiegelnde Oberfläche gerichtet und die Intensitätsverteilung des an der Oberfläche reflektierten Beleuchtungsstrahls in einer Ebene senkrecht dazu aufgenommen. Diese Aufnahme wird auch als Makyoh-Bild bezeichnet. Unebenheiten der vermessenen Oberfläche wirken als lokale konvexe oder konkave Spiegel, die das Licht lokal etwas fokussieren oder defokussieren. Entsprechend kommt es in der aufgezeichneten Bildebene im Abstand L zur Oberfläche zu Intensitätsschwankungen, die Informationen über die Topographie der Oberfläche beinhalten. Diese Informationen sind zunächst nur qualitativer Natur. Das Makyoh-Bild kann damit zur Erkennung von Defekten oder Unebenheiten verwendet werden, wie dies bspw. in S. Hahn et al., „Characterization of mirror-like wafer surfaces using the magic mirror technique,” J. Cryst. Growth 103, 423–432 (1990), beschrieben wird.The proposed method and the associated device are based on the so-called "Makyoh" or "magic mirror" method. In this case, a collimated illumination beam is directed onto a reflecting surface and the intensity distribution of the illumination beam reflected at the surface is recorded in a plane perpendicular thereto. This shot is also known as the Makyoh picture. Unevennesses of the measured surface act as local convex or concave mirrors, which locally focus or defocus the light. Accordingly, intensity fluctuations occur in the recorded image plane at a distance L from the surface, which contain information about the topography of the surface. This information is initially qualitative only. The Makyoh image can thus be used to detect defects or imperfections, as described, for example, in S. Hahn et al., "Characterization of mirror-like wafer surfaces using the magic mirror technique," J. Cryst. Growth 103, 423-432 (1990).
Für die Erzielung quantitativer Ergebnisse aus diesem Messverfahren sind verschiedene Ansätze bekannt. Einer dieser Ansätze basiert auf einem geometrisch-optischen Modell, in dem das Makyoh-Bild in gewisser Näherung als das Laplacebild der Oberfläche angesehen wird. Die Topographie kann dann durch Lösen einer Poissongleichung ermittelt werden. Dieses Modell gilt allerdings nur für kleine Abstände L. Für eine hohe Sensitivität der Neigungsmessung und damit eine hohe Auflösung sind jedoch große Abstände L der Bildebene zur Oberfläche notwendig. Daher muss bei diesem Ansatz ein Kompromiss zwischen Gültigkeit des Modells und Auflösung gefunden werden. Ein anderer Ansatz verwendet ein iteratives Verfahren, um damit die Phase der reflektierten Wellenfront und die Reflektivität der Oberfläche zu berechnen. Grundgedanke dieses wellenoptischen Ansatzes ist eine Bestimmung der Phase der reflektierten Wellenfront durch Aufnahme des Makyoh-Bildes in mindestens zwei verschiedenen Abständen L zur Oberfläche. Durch einen iterativen Phasenbestimmungsalgorithmus kann dann die Phase der Wellenfront und damit die Topographie der Oberfläche bestimmt werden. Es handelt sich dabei jedoch um ein aufwendiges Verfahren, das lange Rechenzeiten beansprucht, wie es bspw. in Z. J. Laczik, „Quantitative makyoh topography”, in: Optical Engineering 39 (9), 2562 (2000), erläutert ist.Various approaches are known for obtaining quantitative results from this measurement method. One of these approaches is based on a geometrical-optical model in which the Makyoh image is considered, to some extent, as the Laplace image of the surface. The topography can then be determined by solving a Poisson equation. However, this model only applies to small distances L. For a high sensitivity of the inclination measurement and thus a high resolution, however, large distances L of the image plane to the surface are necessary. Therefore, this approach must find a compromise between model validity and resolution. Another approach uses an iterative method to calculate the phase of the reflected wavefront and the reflectivity of the surface. The basic idea of this wave-optical approach is a determination of the phase of the reflected wavefront by recording the Makyoh image in at least two different distances L from the surface. An iterative phase determination algorithm can then be used to determine the phase of the wavefront and thus the topography of the surface. However, this is a complex process that requires long computing times, as described, for example, in Z.J. Laczik, "Quantitative Makooh Topography", in: Optical Engineering 39 (9), 2562 (2000).
Aus J. E. Lukács et al., „Sub-pixel detection of a grid's node position for optical diagnostics”, in: Thin Solid Films 516 8082–8086 (2008), ist ein Verfahren zur Neigungsmessung einer spiegelnden Oberfläche bekannt, bei dem strukturierte Beleuchtung für die Neigungsmessung eingesetzt wird, um quantitative Ergebnisse zu erhalten. Bei diesem Verfahren wird über ein optisches Gitter eine Gitterstruktur auf die Oberfläche projiziert. Aus F. Riesz et al., „Realisation of quantitative Makyoh topography using a Digital Micromirror Device”, in: Proc. Of SPIE Vol. 6616 66160L-1 (2007), ist auch die Projektion anderer binärer Intensitätsmuster bekannt, die über ein elektronisch ansteuerbares DMD (digital micromirror device) erzeugt werden. In diesen Fällen strukturierter Beleuchtung wird durch eine Analyse der Verzerrung des projizierten Musters nach Reflexion die Neigung der Oberfläche an den Positionen der in der projizierten Struktur identifizierbaren Punkte, im Folgenden als Labelpunkte bezeichnet, berechnet. Allerdings ist bei einer starken Verzerrung die ursprüngliche Struktur nicht mehr eindeutig nachvollziehbar, so dass die betrachteten Labelpunkte mangels Unterscheidbarkeit nicht mehr eindeutig zugeordnet werden können. Gerade bei großem Abstand L, der für die Detektion kleinster Neigungen erforderlich ist, tritt für vorhandene größere Neigungen eine entsprechend große Verschiebung der betrachteten Punkte und damit die Gefahr einer Überschneidung auf. Der Messbereich muss daher bei dieser Technik entsprechend eingeschränkt werden. Außerdem ist die laterale Auflösung bspw. bei Projektion einer Gitterstruktur durch die diskreten Labelpunkte beschränkt, da neben den hellen Labelpunkten auch dunkle Zwischenbereiche (Stege des Gitters) erforderlich sind.From JE Lukács et al., "Subpixel detection of a grid's node position for optical diagnostics", in: Thin Solid Films 516 8082-8086 (2008), a method for measuring the inclination of a specular surface is known in which structured illumination for The inclination measurement is used to obtain quantitative results. In this method, a grating structure is projected onto the surface via an optical grating. From Riesz et al., "Realization of quantitative Makyoh topography using a Digital Micromirror Device," in: Proc. Of SPIE Vol. 6616 66160L-1 (2007), also the projection of other binary intensity patterns is known, which are generated by an electronically controllable DMD (digital micromirror device). In these cases of structured illumination, by analyzing the distortion of the projected pattern after reflection, the inclination of the surface at the positions of the points identifiable in the projected structure, hereinafter referred to as label points, is calculated. However, in the case of a strong distortion, the original structure is no longer clearly comprehensible, so that the considered label points can no longer be unambiguously assigned for lack of distinctness. Especially at a large distance L, which is required for the detection of minute inclinations occurs for existing larger inclinations a correspondingly large shift of the considered points and thus the risk of overlap. The measuring range must therefore be restricted accordingly with this technique. In addition, the lateral resolution is limited, for example, in the projection of a grid structure by the discrete label points, since in addition to the bright label dots and dark intermediate areas (webs of the grid) are required.
Aus A. von Finck et al., „Makyoh-Imaging zur Charakterisierung reflektierender Oberflächen”, in: tm – Technisches Messen 2009 76: 1, 26–33, ist ein Verfahren bekannt, bei dem lineare Graufilter im Strahlengang der Beleuchtungsstrahlung eingesetzt werden, um dadurch eine mehrstufige Intensitätskodierung der Beleuchtungsstrahlung zu erhalten. Verschiedene Bereiche des auf die Oberfläche projizierten Strahlquerschnitts können dann anhand ihres Helligkeitswertes identifiziert werden. Damit wird die Zuordnung einzelner Punkte des projizierten Musters erleichtert. Allerdings können sich bei einer Überlagerung von Teilstrahlen durch die Reflexion die Helligkeitswerte aufsummieren und sind daher im aufgenommenen Bild nicht mehr voneinander trennbar. Weiterhin erfordert dieses Verfahren Oberflächen mit einer homogenen Reflektivität, da auch der Reflexionskoeffizient der Oberfläche an der entsprechenden Stelle Einfluss auf die Intensität des reflektierten Teilstrahles hat. Eine Vermessung von bspw. strukturierten Halbleiterscheiben mit über die Oberfläche variierendem Reflexionskoeffizienten ist dann nicht mehr möglich. Aber auch für Oberflächen mit homogener Reflektivität hat dieser Ansatz Nachteile. Die Intensität des reflektierten Strahles bzw. Strahlenbündels wird in einem definierten Bereich (z. B. ein Pixel eines CCD) als Helligkeitswert gemessen. Die gemessene Helligkeit verändert sich auch, wenn das Strahlenbündel durch die Oberfläche lokal etwas fokussiert oder defokussiert wird. Je nach Stärke der Änderung der Topographie innerhalb der Größenordnung eines kodierten Strahlenbündels ergibt sich dadurch eine Ungenauigkeit in der Identifikation der Strahlenbündel, die ja gerade über die Intensität kodiert werden und durch Auswerten der Helligkeitswerte unterschieden werden. From A. von Finck et al., "Makyoh Imaging for Characterizing Reflective Surfaces", in: tm - Technisches Messen 2009 76: 1, 26-33, a method is known in which linear gray filters are used in the beam path of the illumination radiation, to thereby obtain a multi-level intensity coding of the illumination radiation. Different areas of the beam cross-section projected onto the surface can then be identified on the basis of their brightness value. This facilitates the assignment of individual points of the projected pattern. However, when superposition of partial beams by the reflection, the brightness values can add up and are therefore no longer separable from one another in the recorded image. Furthermore, this method requires surfaces with a homogeneous reflectivity, since the reflection coefficient of the surface at the appropriate point has an influence on the intensity of the reflected partial beam. A measurement of, for example, structured semiconductor wafers with a reflection coefficient varying over the surface is then no longer possible. But also for surfaces with homogeneous reflectivity, this approach has disadvantages. The intensity of the reflected beam or beam is measured in a defined range (eg a pixel of a CCD) as a brightness value. The measured brightness also changes when the beam is locally focused or defocused by the surface. Depending on the magnitude of the change in the topography within the order of magnitude of a coded beam, this results in an inaccuracy in the identification of the beams, which are indeed coded via the intensity and distinguished by evaluating the brightness values.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Messung der Neigungen eines Oberflächenbereiches einer spiegelnden Oberfläche eines Objektes anzugeben, mit denen spiegelnde Planflächen großflächig, d. h. auch mit Durchmessern des zu vermessenden Oberflächenbereichs von ≥ 300 mm, und mit einer aus der Neigungsmessung ableitbaren Höhenauflösung im Nanometerbereich schnell und kostengünstig vermessen werden können. Das Verfahren und die Vorrichtung sollen sich insbesondere auch für die Topographiebestimmung von Halbleiterscheiben eignen.The object of the present invention is to provide a method and a device for the spatially resolved measurement of inclinations of a surface area of a specular surface of an object, with which specular plane surfaces over a large area, d. H. also with diameters of the surface area to be measured of ≥ 300 mm, and can be measured quickly and inexpensively with a derived from the slope measurement height resolution in the nanometer range. The method and the device should in particular also be suitable for the topography determination of semiconductor wafers.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the method and the device according to
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein kollimierter Beleuchtungsstrahl so erzeugt und auf die spiegelnde Oberfläche gerichtet, dass der zu vermessende Oberflächenbereich vollständig innerhalb des Strahlquerschnitts des Beleuchtungsstrahls liegt. Bei dem zu vermessenden Oberflächenbereich kann es sich auch um die gesamte spiegelnde Oberfläche handeln, soweit diese eine ausreichende Planität für die vorgeschlagene Messung aufweist. Mit einer optischen Detektoranordnung wird eine Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt des an dem Oberflächenbereich reflektierten Beleuchtungsstrahls in mindestens einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des reflektierten Beleuchtungsstrahls erfasst, in der vorliegenden Anmeldung als Bildebene bezeichnet. Aus den Messdaten der optischen Detektoranordnung und entweder dem bekannten Abstand der Bildebene(n) zur Oberfläche oder dem bekannten Abstand mehrerer Bildebenen zueinander werden dann die Neigungen an unterschiedlichen Positionen oder Punkten des Oberflächenbereiches bestimmt. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der kollimierte Beleuchtungsstrahl mit einer Farbstruktur über den Strahlquerschnitt erzeugt und auf die spiegelnde Oberfläche gerichtet wird, wobei mit der optischen Detektoranordnung ein durch die Reflexion an der Oberfläche erhaltene reflektierte Farbstruktur im Strahlquerschnitt des reflektierten Beleuchtungsstrahls in der Bildebene erfasst und für die Bestimmung der Neigungen des Oberflächenbereiches ausgewertet wird. Unter einer Farbstruktur wird hierbei eine Ortsabhängigkeit der Wellenlänge bzw. Farbe des Beleuchtungsstrahls über den Strahlquerschnitt verstanden, bei der die Wellenlänge bzw. Farbe über den Strahlquerschnitt variiert. Unter Farbe wird eine Wellenlänge oder die Überlagerung zweier oder mehrerer Wellenlängen mit unter Umständen unterschiedlichen Intensitäten verstanden. Eine derartige Farbstruktur stellt ein farbliches Muster dar und wird im Folgenden auch als Farbmuster bezeichnet.In the proposed method, a collimated illumination beam is generated and directed onto the specular surface so that the surface area to be measured is completely within the beam cross section of the illumination beam. The surface area to be measured may also be the entire reflecting surface, provided that it has sufficient planarity for the proposed measurement. With an optical detector arrangement, an intensity distribution over the beam cross section of the illumination beam reflected at the surface area is detected in at least one plane perpendicular to the propagation direction of the reflected illumination beam, referred to in the present application as the image plane. The inclinations at different positions or points of the surface area are then determined from the measured data of the optical detector arrangement and either the known distance of the image plane (s) to the surface or the known distance of several image planes from one another. The proposed method is characterized in that the collimated illumination beam is generated with a color structure over the beam cross section and directed to the specular surface, wherein the optical detector array is a reflected color structure obtained by the reflection at the surface in the beam cross section of the reflected illumination beam in the image plane recorded and evaluated for the determination of the inclinations of the surface area. In this case, a color structure is understood to be a spatial dependence of the wavelength or color of the illumination beam over the beam cross section, in which the wavelength or color varies over the beam cross section. Color means a wavelength or the superposition of two or more wavelengths with possibly different intensities. Such a color structure represents a color pattern and is also referred to below as a color pattern.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit über das erzeugte Farbmuster eine Unterscheidbarkeit von benachbarten Labelpunkten erreicht, so dass auch nach einer Änderung des Farbmusters durch die Reflexion an der Oberfläche die einzelnen Labelpunkte noch eindeutig identifiziert bzw. ihrer ursprünglichen Position im Farbmuster zugeordnet werden können. Bei dem Verfahren wird somit ein definiertes Farbmuster auf die zu vermessende Oberfläche bzw. den zu vermessenden Oberflächenbereich projiziert, wobei verschiedene Punkte des Musters vorzugsweise über die Auswertung der Wellenlänge oder Farbe gelabelt bzw. identifiziert werden anstatt wie bei dem letztgenannten Stand der Technik ausschließlich über die Intensität. Die Wellenlängenkodierung des kollimierten Beleuchtungsstrahls vermeidet die im Stand der Technik im Zusammenhang mit der strukturierten Beleuchtung auftretende Überlagerungsproblematik. Eine Überlagerung von einzelnen Labelpunkten in der Bildebene des reflektierten Beleuchtungsstrahls oder ein Überkreuzen der dazugehörigen Teilstrahlen ist unproblematisch, da jeder Labelpunkt unterschiedlicher Wellenlänge unabhängig von den anderen Labelpunkten detektiert werden kann und somit eine Rückverfolgung des dazugehörigen Teilstrahls und damit eine Richtungsbestimmung dieses Teilstrahls möglich ist. Eine Einordnung des jeweils detektierten Labelpunktes in das ursprünglich projizierte Muster ist damit auf einfache und eindeutige Weise möglich. Das vorgeschlagene Verfahren ist auch unabhängig von Reflektivitätsunterschieden der Objektoberfläche, sofern Licht der entsprechenden Wellenlänge nicht vollständig vom Objektmaterial absorbiert wird. Eine Messung von bspw. strukturierten Halbleiterscheiben stellt damit kein Problem dar. Durch das Lösen des Überlagerungsproblems ist der maximal wählbare Abstand L der Bildebene von der Objektoberfläche nicht mehr durch den Abstand beschränkt, an dem sich Labelpunkte bei gegebener maximaler Neigung des Oberflächenbereiches überlagern. Ein größerer möglicher Abstand L ermöglicht damit eine kleinere noch messbare Neigung. Die Anzahl unterscheidbarer Labelpunkte ist so groß wie die Anzahl an unterschiedlichen Wellenlängen, die durch die Beleuchtung zur Verfügung stehen. Besteht eine Kenntnis über die maximal zu erwartenden Neigungsunterschiede und damit maximalen Labelpunktverschiebungen, kann das Muster bestehend aus unterschiedlichen Labelpunkten auf eine bestimmte Fläche beschränkt werden und sich dann entsprechend wiederholen. D. h. Labelpunkte gleicher Kodierung (= Wellenlänge) können mehrmals vorkommen, wenn man weiß, dass es in dem Bereich zu keiner Überlagerung oder Überkreuzung von nicht unterscheidbaren Labelpunkte kommt.In the proposed method a distinctness of adjacent label points is thus achieved via the color pattern generated, so that even after a change of the color pattern by the reflection on the surface, the individual label points can still be clearly identified or assigned to their original position in the color pattern. In the method, a defined color pattern is thus projected onto the surface to be measured or to the surface area to be measured, wherein different points of the pattern are preferably labeled or identified via the evaluation of the wavelength or color instead of exclusively using the latter as in the latter prior art Intensity. The wavelength encoding of the collimated illumination beam avoids those occurring in the prior art in the context of structured illumination Overlay problems. A superimposition of individual label points in the image plane of the reflected illumination beam or a crossing of the associated sub-beams is unproblematic, since each label point of different wavelengths can be detected independently of the other label points and thus traceability of the associated sub-beam and thus a direction determination of this sub-beam is possible. An arrangement of the respectively detected label point in the originally projected pattern is thus possible in a simple and unambiguous manner. The proposed method is also independent of reflectivity differences of the object surface, as long as light of the corresponding wavelength is not completely absorbed by the object material. By solving the overlay problem, the maximum selectable distance L of the image plane from the object surface is no longer limited by the distance at which the label points overlap at a given maximum inclination of the surface region. A larger possible distance L thus allows a smaller still measurable inclination. The number of distinguishable label points is as large as the number of different wavelengths available through the illumination. If there is knowledge about the maximum expected inclination differences and thus maximum shift of the label point, the pattern consisting of different label points can be limited to a certain area and then repeated accordingly. Ie. Label points of the same coding (= wavelength) can occur several times, if one knows that there is no overlapping or crossing of indistinguishable label points in the area.
Mit dem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung stehen ein einfacher Aufbau und ein schnelles und komfortables Verfahren zur Realisierung eines quantitativen Makyoh-Sensors zur Verfügung. Durch die Erzeugung eines kollimierten Beleuchtungsstrahls mit einem ausreichend großen Strahldurchmesser kann in Verbindung mit der Wellenlängen- oder Farbkodierung eine großflächige Neigungsmessung einer spiegelnden Oberfläche, bspw. einer Halbleiterscheibe mit einem Durchmesser von 300 mm, durchgeführt werden. Die Auswertung der Messdaten der Detektoranordnung für die Bestimmung der ortsaufgelösten Neigung kann dann mit bekannten Verfahren durchgeführt werden, wie sie auch aus den in der Beschreibungseinleitung genannten Druckschriften bekannt sind, die strukturierte Beleuchtung für die Neigungsmessung einsetzen.With the method and the associated device, a simple structure and a fast and convenient method for realizing a quantitative Makyoh sensor are available. By generating a collimated illumination beam having a sufficiently large beam diameter, in conjunction with the wavelength or color coding, a large-scale inclination measurement of a specular surface, for example a semiconductor wafer with a diameter of 300 mm, can be performed. The evaluation of the measurement data of the detector arrangement for the determination of the spatially resolved inclination can then be carried out by known methods, as are known from the publications mentioned in the introduction, which use structured illumination for the inclination measurement.
Die Vorrichtung für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens umfasst entsprechend eine Beleuchtungseinheit, mit der ein Beleuchtungsstrahl mit einer geeigneten Farbstruktur erzeugbar ist, sowie eine der Beleuchtungseinheit nachgeschaltete Kollimatoreinheit, die den von der Beleuchtungseinheit erzeugten Beleuchtungsstrahl kollimiert. Der kollimierte Beleuchtungsstrahl stellt den Mess- oder Ausgangsstrahl der Vorrichtung dar, der auf den zu vermessenden Oberflächenbereich gerichtet wird. Die Vorrichtung umfasst eine optische Detektoranordnung, mit der die reflektierte Farbstruktur im Strahlquerschnitt des an dem Oberflächenbereich reflektierten Messstrahls in mindestens einer Bildebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des am Oberflächenbereich reflektierten Messstrahls erfassbar ist.The device for carrying out the proposed method accordingly comprises a lighting unit with which an illumination beam with a suitable color structure can be generated, and a collimator unit connected downstream of the lighting unit, which collimates the illumination beam generated by the lighting unit. The collimated illumination beam represents the measuring or output beam of the device which is directed at the surface area to be measured. The device comprises an optical detector arrangement with which the reflected color structure in the beam cross section of the measurement beam reflected at the surface area can be detected in at least one image plane perpendicular to the propagation direction of the measurement beam reflected at the surface area.
Bei der optischen Detektoranordnung handelt es sich um einen oder mehrere ortsauflösende Detektoren, mit denen, ggf. in Kombination mit entsprechenden Farbfiltern, die Farbstruktur im Strahlquerschnitt des reflektierten Beleuchtungs- bzw. Messstrahls in der Bildebene erfasst werden kann. Hierbei kann es sich um einen oder mehrere CCD-Chips oder CMOS-Chips handeln, die senkrecht zur optischen Achse des reflektierten Beleuchtungsstrahls angeordnet sind. Jede unterschiedliche Wellenlänge bzw. jeder unterschiedliche Wellenlängenbereich des eingesetzten Beleuchtungsstrahls muss detektiert werden können. Dies kann bspw. durch unterschiedliche CCD-Chips mit entsprechend vorgeschalteten Farbfiltern für jede Wellenlänge oder jeden Wellenlängen-Bereich oder durch einen CCD-Chip mit einem vorgeschalteten Filterrad erfolgen, das die entsprechenden Farbfilter beinhaltet. Bei Verwendung einer Farbstruktur mit drei unterschiedlichen Wellenlängen bzw. Farben, insbesondere rot, grün und blau, kann eine 3-CCD-Kamera, eine normale RGB-Kamera oder ein CCD-Chip mit Filterrad mit entsprechenden Filtern für rot, grün und blau eingesetzt werden. Um Aufnahmen des reflektierten Lichts in verschiedenen Abständen der Bildebene von der zu vermessenden Oberfläche zu machen, kann entweder ein Detektor bzw. eine Kamera eingesetzt werden, die axial zur optischen Achse des reflektierten Beleuchtungsstrahls verschoben wird oder eine feste Anordnung von mehreren Kameras in unterschiedlichen Abständen zueinander. Möglich ist auch der Einsatz eines verstellbaren Kameraobjektives. Der Abstand der Bildebene zur zu vermessenden Oberfläche kann dann durch Ändern des Objektivabstandes variiert werden.The optical detector arrangement is one or more spatially resolving detectors with which, if appropriate in combination with corresponding color filters, the color structure in the beam cross section of the reflected illumination or measurement beam in the image plane can be detected. This may be one or more CCD chips or CMOS chips, which are arranged perpendicular to the optical axis of the reflected illumination beam. Each different wavelength or each different wavelength range of the illumination beam used must be able to be detected. This can be done for example by different CCD chips with corresponding upstream color filters for each wavelength or each wavelength range or by a CCD chip with an upstream filter wheel, which includes the corresponding color filter. When using a color structure with three different wavelengths or colors, in particular red, green and blue, a 3-CCD camera, a normal RGB camera or a CCD chip with filter wheel with corresponding filters for red, green and blue can be used , In order to take images of the reflected light at different distances from the image plane of the surface to be measured, either a detector or a camera can be used, which is displaced axially to the optical axis of the reflected illumination beam or a fixed arrangement of several cameras at different distances from each other , It is also possible to use an adjustable camera lens. The distance of the image plane to the surface to be measured can then be varied by changing the lens distance.
Das zur Beleuchtungsstrukturierung genutzte bzw. von der Probenoberfläche reflektierte Farbmuster setzt sich aus Bereichen unterschiedlicher Wellenlänge bzw. Farbe zusammen, bspw. aus einem Spektrum oder einzelnen Punkten unterschiedlicher Wellenlänge. Diese Labelpunkte können entsprechend ihrer unterschiedlichen Wellenlänge detektiert und voneinander getrennt werden. Sich überlagernde Labelpunkte lassen sich dadurch jederzeit zuordnen. Dies ist unabhängig von der Reflektivität der Objektoberfläche, durch die sich lediglich die Intensität der reflektierten Wellenlängenanteile, nicht jedoch deren Wellenlänge selbst ändert. Damit ermöglicht das Verfahren die Vermessung der Oberfläche von z. B. strukturierten Halbleiterscheiben, die aus Bereichen mit unterschiedlichen Materialien und entsprechend unterschiedler Reflektivität bestehen können. Für die Erzeugung einzelner Wellenlängen bzw. sehr schmalbandiger Wellenlängenbereiche der Beleuchtung können bspw. unterschiedliche monochromatische Lichtquellen in der Beleuchtungseinrichtung oder schmalbandige dichroitische Filter zum Einsatz kommen. Durch Auswerten der Deformation bzw. Veränderung des kodierten Musters in der aufgezeichneten Bildebene gegenüber der bekannten Zusammensetzung des Musters im eingestrahlten Beleuchtungsstrahl kann die Neigung des vermessenen Oberflächenbereiches an unterschiedlichen Punkten des Oberflächenbereiches berechnet werden.The color pattern used for illumination structuring or reflected by the sample surface is composed of regions of different wavelength or color, for example from a spectrum or individual points of different wavelengths. These label points can be detected according to their different wavelengths and separated from each other. Overlapping label points can be assigned at any time. This is independent of the reflectivity of the object surface, through which only the intensity of the reflected wavelength components, not however, the wavelength itself changes. Thus, the method allows the measurement of the surface of z. As structured semiconductor wafers, which may consist of areas with different materials and correspondingly different reflectivity. For example, different monochromatic light sources in the illumination device or narrow-band dichroic filters can be used for the generation of individual wavelengths or very narrow-band wavelength ranges of the illumination. By evaluating the deformation of the encoded pattern in the recorded image plane versus the known composition of the pattern in the irradiated illumination beam, the inclination of the measured surface area at different points of the surface area can be calculated.
Beim vorgeschlagenen Verfahren ist es auch möglich, durch eine Überlagerung verschiedener Wellenlängen kombiniert mit einer Intensitätsmodulation eine größere Anzahl von Farben zu erzeugen, über die die Labelpunkte dann entsprechend identifiziert werden können. Bei Verwendung einer Beleuchtung mit bspw. drei Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen, z. B. rot, grün und blau, können durch Überlagerung der drei Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche und entsprechender Intensitätsmodulation beliebige Farben des RGB-Farbraums erzeugt werden. Zur Auswertung wird das von der Detektoranordnung aufgenommene RGB-Bild des reflektierten Beleuchtungs- oder Messstrahls z. B. in den HSI-Farbraum (Hue (Farbton), Saturation (Sättigung), Intensity (Intensität)) transferiert und der Farbton zur Identifizierung der Labelpunkte verwendet. Bei Überlagerung von Labelpunkten ist dabei eine eindeutige Zuordnung allerdings nicht in jedem Falle mehr möglich. Für Topographien mit geringen Neigungsunterschieden kann jedoch die Entfernung L der Bildebene zur Objektoberfläche so gewählt werden, dass es zu keiner Überlagerung oder Überschneidung von Labelpunken kommt. Für relativ ebene Oberflächen wie z. B. polierte Halbleiterscheiben kann dieser Aspekt zutreffend sein. Gegenüber einer mehrstufigen reinen Intensitätscodierung besteht dann immer noch der Vorteil, dass eine eindeutige Identifizierung der Labelpunkte anhand der unterschiedlichen Farben auf einfache Weise möglich ist. Bei einer binären Intensitätscodierung hingegen kann bei großer Verzerrung des Musters unter Umständen nicht mehr entschieden werden, welcher ursprünglichen Position (z. B. Zeile und Spalte in einer Matrixanordnung von Labelpunkten) der Labelpunkt zugeordnet werden muss, da sich die Labelpunkte intrinsisch nicht unterscheiden. Gegenüber einer binären reinen Intensitätscodierung gemäß dem Stand der Technik hat das Verfahren noch die folgenden Vorteile. Es steht eine größere Anzahl an unterscheidbaren Labelpunkten zur Verfügung. Im Fall einer reinen Intensitätskodierung nach dem Stand der Technik ist die maximale Anzahl an unterscheidbaren Labelpunkten, die ein Muster enthalten kann, in der Regel durch die Anzahl NB an unterscheidbaren Helligkeitsstufen der Detektoranordnung (z. B. mit CCD-Sensor) beschränkt. Das vorgeschlagene Verfahren verwendet eine Farbkodierung, d. h. ein Labelpunkt ist durch die Wellenlänge und den Helligkeitswert bestimmt. Damit stehen (NB)N unterscheidbare Labelpunkte zur Verfügung. Dabei ist N die Anzahl an verfügbaren und von der Detektoranordnung unterscheidbaren Wellenlängen. Ein weiterer Vorteil ist die Lösung des bereits genannten Problems der Abhängigkeit der Intensität eines Detektor-Pixels von lokaler Fokussierung oder Defokussierung des entsprechenden Strahlenbündels. Eine Fokussierung oder Defokussierung ändert die Intensität pro Fläche, jedoch nicht Farbton und Sättigung (im HSI-Farbraum). Stehen bspw. drei verschiedene Wellenlängen zur Verfügung, so erhält man so viele unterscheidbare Labelpunkte, wie es unterschiedliche Farben im HSI-Farbraum für I = const. gibt.In the proposed method, it is also possible to generate a larger number of colors by overlaying different wavelengths combined with an intensity modulation, via which the label points can then be correspondingly identified. When using a lighting with, for example, three wavelengths or wavelength ranges, z. B. red, green and blue, any colors of the RGB color space can be generated by superposition of the three wavelengths or wavelength ranges and corresponding intensity modulation. For evaluation, the RGB image of the reflected illumination or measuring beam recorded by the detector arrangement is z. B. transferred to the HSI color space (Hue, Saturation, Intensity) and the hue used to identify the label points. With overlapping of label points, however, a clear assignment is not always possible in every case. For topographies with slight differences in inclination, however, the distance L of the image plane to the object surface can be chosen so that there is no overlay or overlap of label punk. For relatively flat surfaces such. As polished semiconductor wafers, this aspect may be true. Compared to a multi-level pure intensity coding then there is still the advantage that a clear identification of the label points based on the different colors is possible in a simple manner. In the case of binary intensity coding, on the other hand, if the pattern is greatly distorted, it may no longer be possible to decide to which original position (eg row and column in a matrix arrangement of label points) the label point must be assigned, since the label points do not differ intrinsically. Compared to a binary pure intensity coding according to the prior art, the method still has the following advantages. There is a larger number of distinguishable label points available. In the case of pure prior art intensity coding, the maximum number of distinguishable label points that a pattern may contain is typically limited by the number N B of distinguishable brightness levels of the detector array (eg, CCD sensor). The proposed method uses a color coding, ie a label point is determined by the wavelength and the brightness value. This makes (N B ) N distinguishable label points available. N is the number of wavelengths available and distinguishable by the detector array. Another advantage is the solution of the already mentioned problem of the dependence of the intensity of a detector pixel on local focusing or defocusing of the corresponding beam. Focusing or defocusing changes the intensity per area, but not hue and saturation (in the HSI color space). If, for example, three different wavelengths are available, one obtains as many distinguishable label points as there are different colors in the HSI color space for I = const. gives.
Ist also das beschriebene Problem relevant, kann die oben genannte Anzahl (NB)N an verwendeten Labelpunkten um eine Dimension des HSI-Farbraums eingeschränkt werden, um unabhängig davon zu werden. Da eine Kombination aus Wellenlängenkodierung und Intensitätskodierung verwendet wird, ist das Verfahren in dieser Ausgestaltung im Allgemeinen nicht mehr unabhängig von der Reflektivität der Oberfläche, vielmehr ist eine homogene Reflektivität Voraussetzung.Thus, if the problem described is relevant, the above number (N B ) N of label points used may be constrained by one dimension of the HSI color space to become independent. Since a combination of wavelength coding and intensity coding is used, the method in this embodiment is generally no longer independent of the reflectivity of the surface, but a homogeneous reflectivity is a prerequisite.
Vorzugsweise wird bei der letztgenannten Ausgestaltung ein tiefenscharfes Muster (z. B. ein Sinusmuster) eingesetzt. Da in der Praxis keine ideale Punktlichtquelle zu realisieren ist, hat die Abbildung des Musters eine endliche Schärfentiefe. Um möglichst große laterale Auflösung zu erreichen, empfiehlt es sich, das Muster scharf auf die zu vermessende Oberfläche abzubilden. Je nach Größe des Abstandes L der Bildebene zur Oberfläche, wird das Bild auf dem Detektor dann außerhalb des Fokus aufgenommen. Bei Verwendung großer Abstände L und damit unscharfer Abbildung, sind tiefenscharfe Muster vorteilhaft. Die Verwendung von Sinusmustern in der Intensität hat z. B. den Vorteil, dass sich die Phase des Sinus mit unscharfer Abbildung nicht ändert, nur der Kontrast wieder geringer.Preferably, in the latter embodiment, a deep-sharp pattern (eg, a sine pattern) is used. Since in practice no ideal point light source can be realized, the image of the pattern has a finite depth of field. In order to achieve the greatest possible lateral resolution, it is advisable to image the pattern sharply on the surface to be measured. Depending on the size of the distance L of the image plane to the surface, the image is then recorded on the detector out of focus. When using large distances L and thus blurred image, deep-focus patterns are advantageous. The use of sinusoidal patterns in intensity has z. B. the advantage that the phase of the sine does not change with blurred image, only the contrast again lower.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Phasenschiebeverfahren zur Identifizierung von Labelpunkten eingesetzt. Phasenschiebeverfahren sind z. B. aus der Interferometrie oder Triangulation bekannt. Dabei wird die Intensität in jedem Pixel zeitlich moduliert, wobei für die Auswertung dann mehrere Aufnahmen nacheinander gemacht werden. Durch die a priori bekannte Frequenz der Modulation kann in jedem Pixel die Phase bestimmt werden, die zur Identifizierung des Labelpunktes dient. Es ist eine Reihe von Phasenschiebeverfahren bekannt (z. B. Drei-Shift-Verfahren, Vier-Shift-Verfahren, Least-Square-Verfahren usw.), die sich in der Anzahl an erforderlichen Aufnahmen und der Größe der Verschiebung unterscheiden.In a further advantageous embodiment of the method, a phase shift method for identifying label points is used. Phase shift methods are z. B. from interferometry or triangulation known. In this case, the intensity is modulated in each pixel in time, wherein for the evaluation then several shots are made sequentially. Due to the a priori known frequency modulation can be in each pixel phase be determined, which serves to identify the label point. A variety of phase shift techniques are known (eg, three-shift, four-shift, least-square, etc.) which differ in the number of shots required and the size of the shift.
Für das hier vorgeschlagene Verfahren wird das Phasenschiebeverfahren vorzugsweise in der im Folgenden beschriebenen Weise verwendet. Die Werte der Modulation werden über die Intensität realisiert, während die unterschiedlichen Aufnahmen nicht zeitlich hintereinander erfolgen, sondern gleichzeitig in unterschiedlichen Wellenlängen. Das Muster jeder der genutzten Wellenlängen ist daher entsprechend gegenüber den anderen Wellenlängen in der Phase verschoben. Realisiert wird das z. B. durch die Projektion eines Sinusintensitätsmusters in einer Richtung in einer Wellenlänge, während dasselbe Sinusintensitätsmuster in den anderen Wellenlängen in der besagten Richtung phasenverschoben ist. Bei Verwendung eines Sinusmusters sind wenigstens drei Aufnahmen mit verschobenem Sinus erforderlich, um die Phasenlage der Pixel in einer Richtung bestimmen zu können. Durch die Phasenwerte und anschließendem Phase-Unwrapping sind die Koordinaten der Labelpunkte in einer Richtung dann eindeutig bestimmt. Um die vollständige Position der Labelpunkte zu bestimmen, wird dieselbe Prozedur auch in y-Richtung vollzogen. Es sind in diesem Beispiel also wenigsten sechs Aufnahmen mit verschobenem Sinusintensitätsmuster erforderlich, die gleichzeitig durch die Verwendung von wenigstens sechs unterscheidbaren Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen erhalten werden. Stehen bspw. nur drei verschiedene Farben (z. B. RGB) zur Verfügung, sind wenigstens zwei Aufnahmen zeitlich hintereinander erforderlich. Mit dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird gegenüber der vorgenannten Ausgestaltung eine Unabhängigkeit von Reflektivitätsunterschieden der Oberfläche erreicht. Weiterhin löst auch diese Ausgestaltung das bereits genannte Problem der Abhängigkeit der Intensität eines Detektor-Pixels von lokaler Fokussierung oder Defokussierung des entsprechenden Strahlenbündels.For the method proposed here, the phase shift method is preferably used in the manner described below. The values of the modulation are realized by means of the intensity, while the different recordings are not made consecutively, but at the same time in different wavelengths. The pattern of each of the wavelengths used is therefore shifted in phase relative to the other wavelengths. Realized is the z. By projecting a sinusoidal intensity pattern in one direction in one wavelength, while the same sinusoidal intensity pattern is out of phase in the other wavelengths in said direction. When using a sine pattern, at least three images with shifted sine are required in order to be able to determine the phase position of the pixels in one direction. The phase values and subsequent phase unwrapping then uniquely determine the coordinates of the label points in one direction. To determine the full position of the label points, the same procedure is also performed in the y direction. Thus, in this example, at least six shots with shifted sine intensity patterns are required, which are obtained simultaneously through the use of at least six distinguishable wavelengths or wavelength ranges. If, for example, only three different colors (eg RGB) are available, at least two shots are required in succession. With this embodiment of the method, an independence of reflectivity differences of the surface is achieved over the aforementioned embodiment. Furthermore, this embodiment also solves the already mentioned problem of the dependence of the intensity of a detector pixel on local focusing or defocusing of the corresponding beam.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine Aufnahme des reflektierten Beleuchtungsstrahls in einer Bildebene gemacht, die einen gewissen Abstand L zur Objektoberfläche aufweist. Durch Bestimmung der Verschiebungen Δd der Positionen der Labelpunkte in der Bildaufnahme gegenüber den Positionen der Labelpunkte bei Reflexion an einer perfekt ebenen Objektoberfläche können über eine geometrische Berechnung die Ablenkwinkel der den Labelpunkten entsprechenden Teilstrahlen und damit die Neigungswinkel α der Oberfläche an den Positionen der Labelpunkte berechnet werden: tan(2α) = Δd/L. Die Positionen der Labelpunkte bei Reflexion an einer perfekt ebenen Objektoberfläche können durch eine entsprechende Referenzmessung an einer derartigen Oberfläche erhalten werden. Der Abstand L muss dabei bekannt sein und entsprechend kalibriert werden. Für sehr kleine Neigungen wie bspw. bei Oberflächen von polierten Halbleiterscheiben müssen große Abstände L gewählt werden (bspw. mehr als 10 m), um die Strahlablenkungen noch detektieren zu können. Dabei ist eine sehr genaue Neigungsbestimmung (< 0,1 arcsec) trotz grober Genauigkeit in der Bestimmung von L (Genauigkeit im Millimeterbereich) möglich. Bedingung dafür ist, dass L sehr groß gegen Δd ist. Im Allgemeinen kann dieselbe Verschiebung Δd eines Labelpunktes sowohl durch eine Neigung der Objektoberfläche als auch durch eine dazu unterschiedliche Neigung in Kombination mit einem Höhenunterschied auf der Objektoberfläche zustande kommen. Bei kleinen zu erwartenden Höhenunterschieden und kleinen Neigungswinkeln (L sehr groß gegen Δd) ist die Sensitivität der beschriebenen Neigungsberechnung gegenüber Höhenänderungen jedoch vernachlässigbar.In the proposed method, a recording of the reflected illumination beam is made in an image plane having a certain distance L to the object surface. By determining the displacements Δd of the positions of the label points in the image recording relative to the positions of the label points in reflection on a perfectly flat object surface, the deflection angle of the partial beams corresponding to the label points and thus the inclination angle α of the surface at the positions of the label points can be calculated via a geometrical calculation : tan (2α) = Δd / L. The positions of the label points upon reflection on a perfectly flat object surface can be obtained by a corresponding reference measurement on such a surface. The distance L must be known and calibrated accordingly. For very small inclinations, such as surfaces of polished semiconductor wafers, large distances L have to be selected (eg more than 10 m) in order to be able to detect the beam deflections. In this case, a very accurate inclination determination (<0.1 arcsec) is possible despite coarse accuracy in the determination of L (accuracy in the millimeter range). The condition for this is that L is very large against Δd. In general, the same shift Δd of a label point can be achieved both by an inclination of the object surface and by a different inclination in combination with a height difference on the object surface. With small expected height differences and small angles of inclination (L very large against Δd), however, the sensitivity of the described inclination calculation to height changes is negligible.
Alternativ können die Neigungen der Oberfläche auch dadurch ermittelt werden, dass anstatt einer Referenzaufnahme mindestens zwei Aufnahmen in zwei unterschiedlichen Bildebenen des reflektierten Beleuchtungsstrahls gemacht werden, die unterschiedliche Abstände L1 und L2 zur Objektoberfläche aufweisen. Die Neigung α an einem Punkt der Oberfläche wird dann durch die Positionsänderung Δd eines Labelpunktes der Aufnahme in Abstand L1 zur Aufnahme in Abstand L2 und dem Abstand ΔL = L1 – L2 der beiden Bildebenen berechnet: tan(2α) = Δd/ΔL. Eine Referenzaufnahme ist in diesem Falle nicht mehr nötig (vgl. z. B.
Bei der Aufzeichnung von mindestens zwei Aufnahmen in unterschiedlichem Abstand zur Objektoberfläche ist es vorteilhaft, einen der beiden Abstände negativ zu wählen, vorzugsweise L1 = –L2. Ein negativer Wert des Abstandes L bedeutet dabei eine Bildebene, die ausgehend von der Kamera bzw. dem Detektor nicht vor sondern hinter der Objektoberfläche liegt. Die Wahl eines negativen Abstandes L ist virtuell (virtuelle Bildebene) durch die Abbildung mittels eines Objektivs möglich. Dadurch wird eine Vergrößerung des vertikalen Messbereiches erreicht. Der Abstand L bzw. ΔL muss entsprechend der zu erwartenden Neigungswinkel der zu untersuchenden Oberfläche gewählt werden. Er muss groß genug sein, um die kleinsten erforderlichen Neigungen noch detektieren zu können. Bei großem Abstand L bzw. ΔL sind die Verschiebungen Δd der Labelpunkte von größeren Oberflächenneigungen entsprechen groß und können unter Umständen nicht mehr detektiert werden, da sie die Apertur der Detektoreinheit nicht mehr erreichen oder nicht mehr auf den Detektor-Chip treffen. Daher muss stets ein Kompromiss für die Größe des Abstandes L gefunden werden. Die maximal vorkommenden Oberflächenneigungen beschränken die Größe von L und diese wiederum beschränkt die kleinste noch detektierbare Oberflächenneigung. Durch die Wahl von L2 = –L1 wird der Messbereich um das Doppelte erweitert. Der Abstand der beiden Bildebenen ist dann ΔL = L1 – L2 = 2L1. Die resultierende Verschiebung eines Labelpunktes von Bildebene 1 zu Bildebene 2 bei einer Oberflächenneigung von α ist dann Δd = 2L1tan(2α). In beiden Aufnahmen liegen aber maximale Positionsänderungen von Δd = |L1|tan(2αmaximal) gegenüber einer ebenen Referenz (L = 0) vor. Im Allgemeinen erreicht man eine Vergrößerung des vertikalen Messbereichs, wenn |L1 – L2| = |ΔL| > |L1| und o. B. d. A. |L1| ≥ |L2|.When recording at least two images at different distances from the object surface, it is advantageous to choose one of the two distances negative, preferably L 1 = -L 2 . A negative value of the distance L means an image plane which, starting from the camera or the detector, does not lie before but behind the object surface. The choice of a negative distance L is possible virtually (virtual image plane) by the imaging by means of a lens. As a result, an enlargement of the vertical measuring range is achieved. The distance L or ΔL must be selected according to the expected inclination angle of the surface to be examined. He has to be big enough to be able to detect the smallest required inclinations. At a large distance L or ΔL, the displacements .DELTA.d of the label dots are correspondingly large and may under certain circumstances no longer be detected since they no longer reach the aperture of the detector unit or no longer hit the detector chip. Therefore, always a compromise for the size of the distance L must be found. The maximum occurring Surface slopes limit the size of L, which in turn restricts the smallest detectable surface tilt. By selecting L 2 = -L 1 , the measuring range is doubled. The distance of the two image planes is then ΔL = L 1 - L 2 = 2L 1 . The resulting shift of a label point from
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens werden Aufnahmen bei mehr als zwei unterschiedlichen Abständen L zur Objektoberfläche gemacht. Dadurch wird eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Neigungsmessung erreicht. Durch Bestimmung der Veränderungen der Positionen der Labelpunkte in mehr als zwei Bildebenen im reflektieren Beleuchtungsstrahl kann durch den Fit einer Geraden die Steigung der jeweils durch den Labelpunkt in den verschiedenen Ebenen verlaufenden Geraden mit höherer Genauigkeit und damit auch die zugehörigen Neigung der Oberfläche ebenfalls mit höherer Genauigkeit bestimmt werden.In a further advantageous embodiment of the proposed method, images are made at more than two different distances L to the object surface. This achieves a further increase in the accuracy of the inclination measurement. By determining the changes in the positions of the label dots in more than two image planes in the reflected illumination beam, the inclination of the straight line passing through the label point in the different planes can also increase the accuracy of the slope of the line passing through the label point in the different planes be determined.
Aus den mit dem Verfahren ermittelten ortsaufgelösten Neigungen des vermessenden Oberflächenbereiches lässt sich die Topographie (relative Höhe) der Oberfläche bzw. des Oberflächenbereiches ermitteln. Durch die Neigungsdaten (x- und y-Komponente der Neigung an jedem Punkt) steht das Gradientenfeld der Oberfläche zur Verfügung. Zur Berechnung der Höhe muss dann folgende Gleichung gelöst werden: grad(h(x, y)) = (nx'(x, y), ny'(x, y))T, wobei h(x, y) die relative Höhe an jedem Punkt x, y darstellt und nx' und ny' entsprechend die x'- und y'-Komponenten der Neigung in jedem Punkt x, y. Um h(x, y) zu berechnen, werden geeignete Integrationsalgorithmen angewandt. Es können lokale Integrationsmethoden verwendet werden, bspw. eine direkte Integration mittels Trapezregel, oder globale Integrationsverfahren, bspw. auf Basis der Least Square Methode unter Verwendung z. B. der Fouriertransformation oder Kosinustransformation. Beispiele für globale Integrationsverfahren sind die Methode nach Frankot-Chellappa oder die Poisson-Solver-Methode.The topography (relative height) of the surface or of the surface area can be determined from the spatially resolved inclinations of the measuring surface area determined by the method. The tilt data (x and y component of the slope at each point) provides the gradient field of the surface. To calculate the height, the following equation must then be solved: grad (h (x, y)) = ( nx ' (x, y), ny' (x, y)) T , where h (x, y) the relative height at each point represents x, y and n x ' and n y' corresponding to the x ' and y' components of the slope at each point x, y. To calculate h (x, y), appropriate integration algorithms are used. Local integration methods can be used, for example direct integration by means of a trapezoid rule, or global integration methods, for example based on the least-squares method using z. As the Fourier transform or cosine transform. Examples of global integration methods are the method according to Frankot-Chellappa or the Poisson-Solver method.
Als Lichtquelle der Beleuchtungseinheit wird beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung vorzugsweise eine Punktlichtquelle eingesetzt, bspw. eine LED, ein Laser oder eine sonstige Lampe in Kombination mit einer Lochblende (Pinhole). Zur Beleuchtungsstrukturierung können bspw. Farbfilter eingesetzt werden. So kann bspw. ein Filter eingesetzt werden, der bei Beleuchtung mit weißem Licht ein gewisses Muster verschiedener Wellenlängen transmittiert. Hierbei kann es sich bspw. um eine Glasplatte mit Farbpunkten oder Farbbereichen handeln, die an unterschiedlichen Punkten bzw. in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche transmittieren lassen. Es können z. B. auch Bayer-Filter, Interferenzfilter oder linear variable Farbfilter (LVF) verwendet werden oder in einer Abwandlung auch Wellenlängen-aufspaltende Elemente wie z. B. Beugungsgitter oder Prismen.As a light source of the illumination unit, a point light source is preferably used in the proposed method and the associated device, for example. An LED, a laser or other lamp in combination with a pinhole. For example, color filters can be used for the illumination structuring. Thus, for example, a filter can be used which transmits a certain pattern of different wavelengths when illuminated with white light. This may, for example, be a glass plate with color dots or color areas that allow different wavelengths or wavelength ranges to be transmitted at different points or in different areas. It can z. B. Bayer filter, interference filter or linear variable color filter (LVF) can be used or in a modification and wavelength-splitting elements such. B. diffraction gratings or prisms.
Für die Beleuchtungsstrukturierung können außerdem elektrisch ansteuerbare Lichtmodulatoren eingesetzt werden. Mit diesen Lichtmodulatoren ist es auf einfache Weise möglich, auch zeitlich veränderbare Muster zu projizieren. Das Verfahren bekommt dadurch eine zusätzliche zeitliche Komponente. Bei den elektronisch ansteuerbaren Lichtmodulatoren handelt es sich vorzugsweise um Displays, die aus einer Anordnung von ansteuerbaren Pixelstrukturen bestehen und einen Lichtstrahl entsprechend strukturieren können (Digital Light Processing). Beispiele für derartige Lichtmodulatoren sind DMD (Digital Micromirror Display), LCD (Liquid Crystal Display) und insbesondere LCoS-Displays (Liquid Crystal on Silicon). Diese Displays werden jeweils mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge oder Wellenlängenbereiche bestrahlt (DMD, LCoS) bzw. durchstrahlt (LCD), wodurch eine räumliche Strukturierung des Lichtes einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs möglich ist. Bei LCoS-Displays und LCDs besteht zudem die Möglichkeit, zusätzlich zur räumlichen Modulation eine Intensitätsmodulation in jedem Pixel zu vollziehen. Dies ist möglich, da sowohl in LCoS-Displays als auch in LCDs Flüssigkristalle zum Einsatz kommen, die durch elektrische Ansteuerung unterschiedlich stark ausgerichtet werden können. Damit kann über den Einsatz von Polarisation eine Intensitätsmodulation des Lichtes erreicht werden. Auch bei Verwendung von DMDs können Muster mit verschiedenen Helligkeitsstufen erzeugt werden, indem die Spiegel in unterschiedlicher Frequenz on/off gekippt werden und die Kameraaufnahme mit ausreichend langer Belichtungszeit gemacht wird. Um ein Muster bestehend aus unterschiedlichen Wellenlängen zu erzeugen, werden dann entweder mehrere Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche eingesetzt, die jeweils einen der Lichtmodulatoren durchstrahlen, oder eine Weißlichtquelle wird bspw. mittels dichroitischer Filter oder Wellenlängen-separierender Prismen (X-Cube) in unterschiedliche Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche aufgespaltet, mit denen dann wiederum jeweils ein Lichtmodulator durchstrahlt wird. Die Teilstrahlen der verschiedenen Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche werden durch die unterschiedlichen Lichtmodulatoren strukturiert und schließlich wieder zu einem Strahl vereinigt, insbesondere exakt übereinander gelegt. Dies kann bspw. wiederum mit dichroitischen Filtern oder Wellenlängen-separierenden Prismen erfolgen. Auf diese Weise wird ein farblich strukturierter Beleuchtungsstrahl erzeugt, dessen Struktur durch entsprechende Ansteuerung der Lichtmodulatoren auch jederzeit verändert werden kann. DMDs, LCDs und LCoS-Displays sind derzeit mit Auflösungen bis zu 1920 px×1200 px erhältlich. Ihre Ansteuerung erfolgt über geeignete Steuereinheiten (Controller) z. B. in Verbindung mit einem Computer.For the illumination structuring also electrically controllable light modulators can be used. With these light modulators, it is possible in a simple manner to also project temporally variable patterns. The process gets thereby an additional temporal component. The electronically controllable light modulators are preferably displays which consist of an arrangement of controllable pixel structures and can structure a light beam correspondingly (digital light processing). Examples of such light modulators are DMD (Digital Micromirror Display), LCD (Liquid Crystal Display) and in particular LCoS (Liquid Crystal on Silicon) displays. These displays are each irradiated with light of different wavelength or wavelength ranges (DMD, LCoS) or irradiated (LCD), whereby a spatial structuring of the light of a wavelength or a wavelength range is possible. With LCoS displays and LCDs, it is also possible to perform an intensity modulation in each pixel in addition to the spatial modulation. This is possible because liquid crystals are used both in LCoS displays and in LCDs, which can be aligned differently by electrical control. Thus, an intensity modulation of the light can be achieved by the use of polarization. Even with the use of DMDs, patterns with different levels of brightness can be created by tilting the mirrors in different frequency on / off and taking the camera shot with a sufficiently long exposure time. In order to generate a pattern consisting of different wavelengths, then either a plurality of light sources of different wavelengths or wavelength ranges are used, each of which irradiate one of the light modulators, or a white light source is, for example, by means of dichroic filters or wavelength-separating prisms (X-cube) in different Wavelengths or wavelength ranges are split, which then in turn in each case a light modulator is irradiated. The partial beams of the different wavelengths or wavelength ranges are structured by the different light modulators and finally combined again into a beam, in particular laid exactly one above the other. This can, for example, again with dichroic filters or wavelength-separating Prisms take place. In this way, a color-structured illumination beam is generated, the structure of which can also be changed at any time by corresponding activation of the light modulators. DMDs, LCDs and LCoS displays are currently available in resolutions up to 1920 px × 1200 px. They are controlled by suitable control units (controllers) z. In connection with a computer.
Durch den Einsatz elektronisch ansteuerbarer Lichtmodulatoren besteht auch die Möglichkeit, verschiedene Bereiche der Objektoberfläche zeitlich nacheinander zu beleuchten und damit Überlagerungen von Labelpunkten oder Überschneidungen von Lichtstrahlen zusätzlich zu vermeiden. So können bspw. jeweils nur so viele Labelpunkte Punkt für Punkt nacheinander über die Objektoberfläche gerastert werden, wie unterschiedliche und unterscheidbare Wellenlängen zur Verfügung stehen. Für jeden entsprechenden Zeitpunkt wird dann eine Aufnahme gemacht. Die Positionen der unabhängigen Labelpunkte können dann ohne Einfluss anderer Labelpunkte bestimmt werden. Dies resultiert in einem scannenden optischen Messverfahren, bei dem keinerlei mechanische Bewegungen erforderlich sind. Gerade für hochgenaue Messungen, bspw. von Topographien im Nanometerbereich, sind mechanische Bewegungen stets eine Herausforderung, die mit dieser Ausgestaltung des Verfahrens vermieden werden können.The use of electronically controllable light modulators also makes it possible to illuminate different regions of the object surface in succession, thereby additionally avoiding overlays of label points or overlapping of light rays. Thus, for example, only as many label points can be scanned one after the other over the object surface, point by point, as different and distinguishable wavelengths are available. For each appropriate time then a recording is made. The positions of the independent label points can then be determined without the influence of other label points. This results in a scanning optical measuring method in which no mechanical movements are required. Especially for highly accurate measurements, for example of topographies in the nanometer range, mechanical movements are always a challenge that can be avoided with this embodiment of the method.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird mit dem Einsatz elektronisch ansteuerbarer Lichtmodulatoren eine intelligente und dateneffiziente Beleuchtungsstrukturierung ermöglicht. Das Muster, d. h. die Anzahl und Verteilung der Labelpunkte kann dabei dynamisch an den untersuchten Oberflächenbereich angepasst werden. So kann bspw. zunächst ein relativ grobes Muster, d. h. wenig Labelpunkte in großen Abständen auf den zu vermessenden Oberflächenbereich gerichtet und eine entsprechende Aufnahme zur Auswertung der Neigungen gemacht werden. Nach dem Auswerten der gemessenen Neigungsänderungen von Labelpunkten zu ihren Nachbarpunkten kann dann festgelegt werden, an welchen Stellen kurzwelligere Topographieänderungen an der Objektoberfläche auftreten. In diesen Bereichen können dann entsprechend mehr Labelpunkte mit kürzeren Abständen also größerer lateraler Auflösung projiziert werden, da dort eine größere laterale Auflösung erforderlich ist, um die Topographie vollständig zu erfassen, während in Bereichen, in denen sich die Topographie nur minimal ändert keine größere laterale Auflösung erforderlich ist. Damit besteht also die Möglichkeit, eine auf die jeweilige Oberfläche angepasste Anzahl und Verteilung an Labelpunkten zu erreichen. Der Vorteil besteht in einer effizienten Anzahl an Mess- bzw. Datenpunkten, die gespeichert und ausgewertet werden muss und eine Vermeidung von Redundanzen. Dies resultiert auch in einer Erhöhung der Messgeschwindigkeit und entsprechend größeren Durchsätzen. In einer möglichen Ausgestaltung kann zur ersten Analyse auch ein herkömmliches Makyoh-Bild aufgezeichnet werden, bei dem unstrukturierte Beleuchtung eingesetzt wird. Auf Basis dieses Makyoh-Bildes kann dann entschieden werden, wie die optimale, effizienteste Beleuchtungsstrukturierung für die betrachtete Oberfläche aussieht. Das herkömmliche Makyoh-Bild ist das Intensitätsbild, das bei unstrukturierter homogener Beleuchtung erhalten wird. In gewisser Näherung kann dieses Bild als das Laplace-Bild der Oberflächentopographie angesehen werden. Es stellt also in gewisser Näherung eine Ableitung der Oberflächenneigung dar und weist Sensitivität auf die Oberflächenkrümmung auf. Somit ist es ideal zur Detektion von großen Topographieänderungen und damit optimal zur Einstellung einer effizienten Beleuchtungsstrukturierung. Sollen bspw. auf einer polierten Halbleiterscheibe bestimmte Defekte wie z. B. „Dimples” quantifiziert werden, so kann das herkömmliche Makyoh-Bild zur Erkennung der „Dimples” eingesetzt und dann Labelpunkte mit einem geeignet geringen gegenseitigen Abstand an den interessanten Bereichen projiziert werden, um damit die Neigung und letztendlich die Topographie der „Dimples” zu bestimmen.In a very advantageous embodiment of the proposed method, an intelligent and data-efficient illumination structuring is made possible with the use of electronically controllable light modulators. The pattern, d. H. the number and distribution of the label points can be adapted dynamically to the examined surface area. Thus, for example, initially a relatively coarse pattern, d. H. directed little label points at long intervals on the surface area to be measured and made a corresponding recording to evaluate the inclinations. After evaluating the measured inclination changes of label points to their neighboring points, it can then be determined at which points short-wave topography changes occur at the object surface. In these areas, correspondingly more label points can be projected with shorter distances, ie greater lateral resolution, since a larger lateral resolution is required there in order to fully capture the topography, whereas in areas in which the topography changes only minimally no greater lateral resolution is required. Thus, it is possible to achieve a number and distribution of label points adapted to the respective surface. The advantage is an efficient number of measurement or data points, which must be stored and evaluated and avoid redundancy. This also results in an increase in the measuring speed and correspondingly larger throughputs. In one possible embodiment, a conventional Makyoh image can be recorded for the first analysis, in which unstructured illumination is used. Based on this Makyoh image, it is then possible to decide what the optimal, most efficient lighting structuring for the surface in question looks like. The traditional Makyoh image is the intensity image obtained with unstructured homogeneous illumination. To a certain extent, this image can be considered as the Laplace image of the surface topography. It thus represents, to a certain extent, a derivative of the surface inclination and has sensitivity to the surface curvature. Thus, it is ideal for detecting large changes in topography and thus optimal for setting an efficient illumination structuring. If, for example, on a polished semiconductor certain defects such. As "dimples" are quantified, the conventional Makyoh image can be used to detect the "dimples" and then projected label points with a suitably small mutual distance at the interesting areas, so that the slope and ultimately the topography of the "Dimples" to determine.
Die laterale Auflösung kann bei dem Verfahren auch dadurch verbessert werden, dass mehrere Aufnahmen hintereinander mit lateral verschobenem Muster gemacht werden. Die Labelpunkte müssen groß genug gewählt werden, um mit den Pixeln des CCD bzw. Detektors detektiert werden zu können. Ein Labelpunkt kann also bspw. aus mehreren Pixeln des Lichtmodulators bzw. der Lichtmodulatoren bestehen. Als Messpunkte, an denen die Neigung berechnet wird, können z. B. jeweils die Grenzpunkte zwischen vier Labelpunkten verwendet werden. Die laterale Auflösung ist dann durch den Abstand der Messpunkte zueinander gegeben. Die laterale Auflösung kann nun vergrößert werden, indem eine weitere Aufnahme gemacht wird, bei der das projizierte Muster bestehend aus den Labelpunkten um bspw. ein Pixel der Lichtmodulatoren lateral verschoben ist. Die laterale Auflösung beträgt in diesem Fall die Länge, der eine Verschiebung eines Pixels des Lichtmodulators auf der Objektoberfläche entspricht. Diese Länge ist in dem oben genannten Fall kleiner als die eines Labelpunktes, der aus mehreren Pixeln besteht.The lateral resolution can also be improved in the method by taking several pictures in succession with a laterally shifted pattern. The label points must be chosen large enough to be detected with the pixels of the CCD or detector. Thus, for example, a label point can consist of a plurality of pixels of the light modulator or of the light modulators. As measuring points at which the inclination is calculated, z. B. the boundary points between four label points are used. The lateral resolution is then given by the distance of the measuring points to each other. The lateral resolution can now be increased by taking a further image in which the projected pattern consisting of the label points is shifted laterally by, for example, one pixel of the light modulators. The lateral resolution in this case is the length corresponding to a displacement of a pixel of the light modulator on the object surface. In the case mentioned above, this length is smaller than that of a label point consisting of several pixels.
Eine laterale Verschiebung des Musters kann auch durch den Einsatz von Filtern mit variablem Brechungsindex im Strahlengang des Beleuchtungsstrahls erreicht werden. Diese Filter werden eingebracht, um eine laterale Verschiebung der Musterprojektion zu erreichen. Mit einer lateralen Verschiebung des bzw. der die Struktur erzeugenden Filter bzw. Lichtmodulatoren kann derselbe Effekt erzielt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass eine mechanische Verschiebung erforderlich ist, die bei hochpräzisen Messungen stets eine Herausforderung darstellt. Die bevorzugt eingesetzten Filter mit variablem Brechungsindex bestehen aus einem Material, das durch Anlegen eines elektrischen Feldes seine Brechzahl verändert (elektrooptischer Kerr-Effekt). Durch entsprechende Konfiguration kann erreicht werden, dass ein auf die Platte treffender Lichtstrahl an den Grenzflächen von Luft zur Platte und Platte zur Luft so gebrochen wird, dass sich ein Versatz des Lichtstrahls senkrecht zur optischen Achse ergibt, wobei die Richtung des Lichtstrahls beibehalten wird. Die Größe des Versatzes ist dabei abhängig vom angelegten elektrischen Feld.A lateral displacement of the pattern can also be achieved by the use of filters with variable refractive index in the beam path of the illumination beam. These filters are introduced to achieve lateral displacement of the pattern projection. With a lateral shift of the or the structure-generating filter or light modulators, the same effect be achieved. However, this has the disadvantage that a mechanical displacement is required, which is always a challenge for high-precision measurements. The filters of variable refractive index which are preferably used consist of a material which changes its refractive index by applying an electric field (electro-optical Kerr effect). By appropriate configuration can be achieved that a striking the plate light beam at the interfaces of air to the plate and plate to the air is refracted so that an offset of the light beam results perpendicular to the optical axis, wherein the direction of the light beam is maintained. The size of the offset is dependent on the applied electric field.
Eine Verbesserung der lateralen Auflösung kann auch durch einen festen lateralen Versatz von Lichtmodulatoren zueinander erreicht werden. Das projizierte Muster besteht dann aus sich überlagernden Labelpunkten, die ja aber auf Grund ihrer unterschiedlichen Wellenlängen unabhängig voneinander detektiert werden können. Die laterale Auflösung kann dadurch auf eine Größe kleiner der Entfernung, die dem Mittenabstand benachbarter Pixel des Lichtmodulators auf der Objektoberfläche entspricht, verbessert werden. Zusätzlich können auch hier Filter mit variablem Brechungsindex verwendet werden, um den Versatz zwischen den Lichtmodulatoren elektrisch verändern zu können. Dabei ist ein derartiger Filter hinter jedem der entsprechenden Lichtmodulatoren erforderlich.An improvement in the lateral resolution can also be achieved by a fixed lateral offset of light modulators to one another. The projected pattern then consists of overlapping label points, which, however, can be detected independently of each other due to their different wavelengths. The lateral resolution can thereby be improved to a size less than the distance that corresponds to the pitch of adjacent pixels of the light modulator on the object surface. In addition, filters with a variable refractive index can also be used here in order to be able to electrically change the offset between the light modulators. Such a filter is required behind each of the corresponding light modulators.
Mit dem Einsatz elektronisch ansteuerbarer Lichtmodulatoren besteht auch die Möglichkeit, spezielle Muster zur Kalibrierung der Messanordnung zu erstellen und entsprechend auszuwerten. So kann bspw. eine möglichst senkrechte Ausrichtung der Objektoberfläche zur optischen Achse des eintreffenden Beleuchtungsstrahls von Vorteil sein, um eine möglichst geringe globale Verkippung in den Messdaten zu erhalten. Hierzu kann bspw. ein Labelpunkt auf die Objektoberfläche projiziert und die Reflexion durch zwei Aufnahmen in verschiedenen Abständen L erfasst werden. Das Objekt kann nun manuell oder automatisch solange verkippt werden, bis die Position des Labelpunktes in beiden Aufnahmen an der gleichen Stelle ist. Dadurch kann die Objektoberfläche an der Stelle, an der der Labelpunkt projiziert wurde, mit hoher Genauigkeit senkrecht zur optischen Achse der Vorrichtung bzw. Messanordnung, d. h. des eintreffenden Beleuchtungsstrahls ausgerichtet werden.The use of electronically controllable light modulators also makes it possible to create special patterns for calibrating the measuring arrangement and to evaluate them accordingly. For example, an orientation of the object surface which is as vertical as possible to the optical axis of the incident illumination beam can be advantageous in order to obtain the lowest possible global tilting in the measured data. For this purpose, for example, a label point can be projected onto the object surface and the reflection can be detected by two recordings at different distances L. The object can now be tilted manually or automatically until the position of the label point is in the same position in both images. This allows the object surface at the point where the label point was projected, with high accuracy perpendicular to the optical axis of the device or measuring arrangement, d. H. be aligned with the incoming illumination beam.
In einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung wird als Beleuchtungseinheit ein Projektor zur Farbprojektion eingesetzt, bspw. ein DLP, LCD, LCoS, SxRD, D-ILA Projektor. Je nach Aufbau des Projektors müssen dabei unter Umständen das Objektiv des Projektors ausgetauscht oder angepasst und gegebenenfalls Modifikationen im Strahlengang vorgenommen werden. Insbesondere 3-Panel LCoS Projektoren eignen sich besonders gut für die gestellten Anforderungen, da sie die Vorteile von LCD und DLP Projektoren vereinen und deren Nachteile vermeiden. Zur Farbdarstellung ist keine zeitliche Modulation erforderlich (im Gegensatz zu DLP-Projektoren). Sie haben eine gleichmäßige Pixelstruktur und weisen hohe Kontrastwerte auf. Derartige Projektoren sind kommerziell zu günstigen Kosten erhältlich. Eine Ansteuerung des Projektors und damit der Lichtmodulatoren ist auf einfache Weise über eine herkömmliche Grafikkarte eines Computers möglich, wobei beliebige Farbstrukturen erzeugt werden können.In one embodiment of the proposed method and the associated device is used as a lighting unit, a projector for color projection, for example. A DLP, LCD, LCoS, SxRD, D-ILA projector. Depending on the design of the projector, the objective of the projector may have to be exchanged or adapted and, if necessary, modifications made in the beam path. In particular, 3-panel LCoS projectors are particularly well suited to the requirements, as they combine the advantages of LCD and DLP projectors and avoid their disadvantages. No color modulation is required for color representation (unlike DLP projectors). They have a uniform pixel structure and high contrast values. Such projectors are commercially available at low cost. A control of the projector and thus the light modulators is easily possible via a conventional graphics card of a computer, with any color structures can be generated.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung sollte eine möglichst punktförmige Lichtquelle realisiert werden, um eine möglichst gute Kollimation des Beleuchtungsstrahls zu erhalten. Hierzu wird vorzugsweise ein räumlicher Filter eingesetzt, der bspw. aus einer Lochblende besteht, durch die der Beleuchtungsstrahl fokussiert wird. Mit dem räumlichen Filter werden höhere Frequenzen der Wellenfront herausgefiltert, d. h. also Strahlen außerhalb des Fokus. Durch diese Maßnahme kann ein sehr gut kollimierter Beleuchtungsstrahl, also in guter Näherung eine ebene Wellenfront erhalten werden.In the proposed method and the associated device a point-like light source should be realized in order to obtain the best possible collimation of the illumination beam. For this purpose, preferably a spatial filter is used, which, for example, consists of a pinhole through which the illumination beam is focused. With the spatial filter higher frequencies of the wavefront are filtered out, d. H. so rays outside the focus. By this measure, a very well-collimated illumination beam, so in good approximation, a flat wavefront can be obtained.
Zur Erzeugung des kollimierten Beleuchtungsstrahls kann bspw. ein sphärischer Spiegel oder eine entsprechende Linsenkonstruktion verwendet werden. Bei Verwendung eines Spiegels zur Kollimation ist mit einem größeren Platzbedarf zu rechnen. Dafür können Spiegel in der Regel mit besserer Oberflächengenauigkeit gefertigt werden als Linsen. Bei Verwendung einer Linse empfiehlt sich der Einsatz einer fehlerkorrigierten Linse, bspw. eines Achromaten oder einer asphärischen Linse. Der kollimierte Beleuchtungsstrahl trifft vorzugsweise nahezu senkrecht auf die Objektoberfläche. Dies ist jedoch nicht in jedem Falle erforderlich. So ist auch eine Anordnung möglich, bei der der kollimierte Beleuchtungsstrahl unter einem Winkel ≠ 90° auf die Oberfläche trifft und entsprechend unter dem gleichen Winkel zur Oberflächennormalen reflektiert und entsprechend detektiert wird.For example, a spherical mirror or a corresponding lens construction can be used to generate the collimated illumination beam. Using a mirror for collimation requires more space. For this, mirrors can usually be manufactured with better surface accuracy than lenses. When using a lens, the use of an error-corrected lens, for example, an achromatic lens or an aspherical lens is recommended. The collimated illumination beam preferably strikes the object surface almost perpendicularly. However, this is not necessary in every case. Thus, an arrangement is also possible in which the collimated illumination beam strikes the surface at an angle ≠ 90 ° and is correspondingly reflected at the same angle to the surface normal and detected accordingly.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung wird ein kollimierter Beleuchtungsstrahl mit einem Farbmuster bzw. einer Farbstruktur auf die Objektoberfläche projiziert. Es handelt sich dabei um ein neigungsmessendes Verfahren nach der Makyoh-Methode, bei dem die Topographie (Höhe der Oberfläche) in einem sekundären Schritt aus den Neigungsdaten berechnet werden kann. Mit dem Verfahren können spiegelnde Oberflächen gemessen werden. Spiegelnd heißt in diesem Zusammenhang, dass ein Lichtstrahl, der auf die Oberfläche fällt, nach dem Prinzip Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel reflektiert wird. Zur Gewinnung der Neigungsdaten wird die entsprechend farbstrukturierte bzw. farbkodierte Beleuchtung verwendet, bei der unterschiedliche Bereiche oder Punkte sich zum Teil in ihrer Wellenlänge unterscheiden. Die Neigungsdaten werden dadurch ermittelt, dass die Position verschiedener Labelpunkte in einer oder mehreren Bildebenen senkrecht zur optischen Achse des reflektierten Beleuchtungsstrahls bestimmt wird. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung ist ein großes Sichtfeld realisierbar, das vollflächig ortsaufgelöst vermessen werden kann. Das Verfahren ermöglicht eine hochgenaue Neigungsmessung mit < 0,1 arcsec. Die projizierten Labelpunkte können aufgrund der Wellenlängenkodierung eindeutig identifiziert werden, auch bei Überlagerung einzelner Labelpunkte. Diese Identifikation ist zudem unabhängig von der Reflektivität der Probenoberfläche. Bei Verwendung mit elektronisch ansteuerbaren Lichtmodulatoren zur Beleuchtungsstrukturierung ergibt sich eine erhebliche Flexibilität bei der Vermessung.In the proposed method and apparatus, a collimated illumination beam having a color pattern or a color structure is projected onto the object surface. It is a Makyoh inclination-measuring method, in which the topography (height of the surface) can be calculated in a secondary step from the inclination data. The method can be used to measure reflective surfaces. In this context, mirroring means that a ray of light falling on the surface is reflected according to the principle of angle of incidence equal to the angle of reflection. to Obtaining the slope data uses the corresponding color-structured or color-coded illumination, in which different areas or points differ in part in their wavelength. The tilt data is determined by determining the position of different label points in one or more image planes perpendicular to the optical axis of the reflected illumination beam. With the method and the associated device, a large field of view can be realized, which can be measured over the entire area in a spatially resolved manner. The method enables a highly accurate inclination measurement with <0.1 arcsec. The projected label points can be uniquely identified due to the wavelength encoding, even when superimposing individual label points. This identification is also independent of the reflectivity of the sample surface. When used with electronically controllable light modulators for lighting structuring results in a considerable flexibility in the survey.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung kann ein leistungsfähiger 3D-Sensor realisiert werden, der zur Untersuchung von spiegelnden Oberflächen aller Art geeignet ist. So lassen sich bspw. Spiegel, polierte Metalloberflächen, Glasoberflächen, spiegelnde Lack- oder Plastikoberflächen und insbesondere blanke und strukturierte Halbleiterscheiben mit hoher Genauigkeit vermessen. Aufgrund der hohen Genauigkeit der Neigungsbestimmung ist das Verfahren besonders zur Bestimmung der Oberflächengenauigkeit und Ebenheit einer Planfläche geeignet. Außerdem eignen sich das Verfahren und die Vorrichtung zur Erkennung und Quantifizierung von Defekten z. B. Kratzern, Rissen oder Polierspuren. Aufgrund der Fähigkeit, ein großes Sichtfeld zu realisieren, sind das Verfahren und die Vorrichtung für alle Anwendungen geeignet, bei denen eine großflächige Topographiebestimmung mit hoher Genauigkeit erforderlich ist.With the method and the device, a powerful 3D sensor can be realized, which is suitable for the investigation of reflective surfaces of all kinds. Thus, for example, mirrors, polished metal surfaces, glass surfaces, reflective paint or plastic surfaces and, in particular, bare and structured semiconductor wafers can be measured with high accuracy. Due to the high accuracy of the inclination determination, the method is particularly suitable for determining the surface accuracy and flatness of a plane surface. In addition, the method and the device for detecting and quantifying defects z. As scratches, cracks or polishing marks. Due to the ability to realize a large field of view, the method and apparatus are suitable for all applications where large area topography determination with high accuracy is required.
Anwendungsgebiete ergeben sich insbesondere im Bereich der Halbleiterfertigung zur Qualitätskontrolle von Halbleiterscheiben. Vorteile sind eine hochgenaue Messung von Topographien von Halbleiterscheiben („Bow”, „Warp”, „Flatness” und insbesondere „Nanotopographie”), große Durchsätze und eine einfache und kostengünstige Umsetzung. Das Verfahren ist zudem relativ robust gegenüber externen Schwingungseinflüssen, da keine direkte Sensitivität auf die Höhe des Objekts besteht. Das Verfahren kann als integrierte Messtechnik eingesetzt werden und zur Qualifizierung von Fertigungsgeräten und -prozessen dienen, bspw. von CMP-Prozessen (chemisch-mechanisches Planarisieren). Weiterhin sind auch Anwendungen in einer Vielzahl anderer Bereiche möglich, bspw. der Ophthalmologie, insbesondere für die optische, berührungslose Untersuchung der Cornea.Areas of application are particularly in the field of semiconductor manufacturing for quality control of semiconductor wafers. Advantages include a high-precision measurement of topographies of semiconductor wafers ("bow", "warp", "flatness" and in particular "nanotopography"), high throughputs and a simple and cost-effective implementation. The method is also relatively robust to external vibration, as there is no direct sensitivity to the height of the object. The method can be used as an integrated measurement technique and serve for the qualification of production equipment and processes, for example of CMP processes (chemical-mechanical planarization). Furthermore, applications in a variety of other areas are possible, for example. Ophthalmology, especially for the optical, non-contact examination of the cornea.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Das Verfahren und die Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The method and the device will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur vollflächigen Messung der Neigungen einer spiegelnden Oberfläche setzt sich aus einer Beleuchtungseinheit zur wellenlängenkodierten Beleuchtungsstrukturierung, einer Kollimatoreinheit zur Erzeugung eines kollimierten Beleuchtungsstrahls, der auf die spiegelnde Probenoberfläche projiziert wird, und einer optischen Detektoreinheit zusammen, mit der der reflektierte Beleuchtungsstrahl in einer oder mehreren Bildebenen orts- und farbaufgelöst detektiert wird.
Als Probenteller
Der an der Oberfläche der Probe
Das Auslesen der Detektorchips
Im Beispiel der
Für die Kollimation eignen sich auch objektseitig telezentrische Objektive
Im Aufbau der
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung und den Ausführungsbeispielen ersichtlich, handelt es sich bei der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren um einen Aufbau nach der Makyoh-Methode. Im Gegensatz zur ursprünglichen Makyoh-Methode bietet das neue Verfahren die Möglichkeit einer quantitativen Auswertung. Als Farbstruktur können beliebige Strukturen eingesetzt werden. Ein Beispiel ist ein Pixelmuster, bei dem jeweils benachbarte Pixel unterschiedliche Wellenlängen bzw. Farben aufweisen. Als Labelpunkte können dann bspw. die einzelnen Pixel genutzt werden. Auch mehrere Pixel umfassende Bereiche gleicher Wellenlänge bzw. Farbe können selbstverständlich eingesetzt werden.As can be seen from the foregoing description and embodiments, the proposed apparatus and method is a Makyoh-type construction. In contrast to the original Makyoh method, the new method offers the possibility of a quantitative evaluation. Any structures can be used as the color structure. An example is a pixel pattern in which respective adjacent pixels have different wavelengths or colors. For example, the individual pixels can then be used as label points. It goes without saying that areas of the same wavelength or color encompassing several pixels can also be used.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- PunktlichtquellePoint light source
- 22
- Kollimatorlinsecollimator lens
- 33
- polarisierender Strahlteilerpolarizing beam splitter
- 44
- dichroitisches Prisma (X-Cube)dichroic prism (X-Cube)
- 5a5a
-
Lichtmodulator 1
Light modulator 1 - 5b5b
-
Lichtmodulator 2
Light modulator 2 - 5c5c
-
Lichtmodulator 3
Light modulator 3 - 5d5d
-
Lichtmodulator 4
Light modulator 4 - 5e5e
- Lichtmodulator 5Light modulator 5
- 5f5f
-
Lichtmodulator 6
Light modulator 6 - 5g5g
-
Lichtmodulator 7
Light modulator 7 - 66
- Linselens
- 77
- räumliches Filter, z. B. Lochblendespatial filter, z. B. pinhole
- 88th
- Strahlteilerbeamsplitter
- 99
- Linselens
- 1010
- Linselens
- 1111
- Kollimatorlinsecollimator lens
- 1212
- Probesample
- 1313
- weiche Unterlagesoft pad
- 1414
- Probentellersample tray
- 1515
- Linselens
- 1616
- Strahlteilerbeamsplitter
- 17a17a
-
Detektorchip 1
Detector chip 1 - 17b17b
-
Detektorchip 2
Detector chip 2 - 1818
- PCPC
- 1919
- Filter zur BeleuchtungsstrukturierungFilter for lighting structuring
- 2020
- Projektorprojector
- 2121
- telezentrisches Objektivtelecentric lens
- 3030
- Messpunkte des ersten MustersMeasuring points of the first sample
- 3535
- Labelpunkte des ersten MustersLabel points of the first pattern
- 4040
- Messpunkte des zweiten MustersMeasuring points of the second pattern
- 4545
- Labelpunkte des zweiten MustersLabel points of the second pattern
- 100100
- Teilstrahl des BeleuchtungsstrahlsPartial beam of the illumination beam
- 110110
- reflektierter Teilstrahlreflected sub-beam
- 120120
- geneigter Oberflächenbereichinclined surface area
- 130130
- Labelpunktlabel point
- 140140
- Labelpunktlabel point
- 150150
- Labelpunktlabel point
- 200200
- Referenzebenereference plane
- 300300
- Bildebeneimage plane
- 310310
- Bildebene bei L1 Image plane at L 1
- 320320
- Bildebene bei L2 Image plane at L 2
Claims (27)
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---|---|---|---|
DE201210025551 DE102012025551B3 (en) | 2012-12-21 | 2012-12-21 | Method for spatially resolved measurement of inclination of surface area of reflective surface of object, involves evaluating reflected color structure in beam cross section of reflected light beam in image plane |
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DE201210025551 DE102012025551B3 (en) | 2012-12-21 | 2012-12-21 | Method for spatially resolved measurement of inclination of surface area of reflective surface of object, involves evaluating reflected color structure in beam cross section of reflected light beam in image plane |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Effective date: 20140306 |