DE9204528U1

DE9204528U1 - Anordnung zur berührungslosen Abtastung

Info

Publication number: DE9204528U1
Application number: DE9204528U
Authority: DE
Original assignee: Heidelberg Instruments Mikrotechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Current assignee: Heidelberg Instruments Mikrotechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Priority date: 1992-04-02
Filing date: 1992-04-02
Publication date: 1992-09-17
Anticipated expiration: 2002-04-03

Description

Patentanwalt Dipl.,-Phys. H. Klose

Zugelassener Vertreter vor: 4^em "Eiirop&i sehen Patentamt
D-6700 Luäwigähafen, Kurfürstenstraße 32

Anmelderin: Heidelberg Instruments Mikrotechnik GmbH

Im Neuenheimer Feld 518
D-6900 Heidelberg

Anordnung zur berührungslosen Abtastung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur berührungslosen Abtastung von Oberflächen gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Eine derartige Anordnung ist aus der PCT-Anmeldung WO 90/00025 bekannt und enthält eine auf ein Objekt fokusierbare Lichtquelle. Mittels einer Abtasteinrichtung kann der bevorzugt mittels eines Lasers erzeugter Strahl dreidimensional über das Objekt geführt werden, wobei mittels eines Detekors die von dem jeweils abgetasteten Punkt reflektierten Strahlen erfaßt und nachfolgend ausgewertet werden. Eine hohe optische Auflösung in Richtung der optischen Achse wird durch einen konfokalen Aufbau erreicht. Zur Strahlablenkung sind Spiegel vorgesehen und die vorbekannte Anordnung erfordert einen nicht unerheblichen Material- und Herstellungsaufwand.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Anordnung dahingehend auszubilden, daß mit geringem Aufwand die Abtastung durchgeführt werden kann. Die Anordnung soll eine einfache Handhabung ermöglichen und bei geringem Platz- und Gewichtsbedarf zuverlässig die Abtastung ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die vorgeschlagene Anordnung ermöglicht zuverlässig die berührungslose Abtastung von Oberflächen unter Einsatz eines fein fokusierten Laserspots. Die Anordnung ermöglicht die Durchführung von Rauhheitsmessungen, der dreidimensionalen Mikrotopographiemessungen sowie Längenmessungen im Mikrometerbereich an beliebigen Oberflächen. Es erfolgt eine optomechanische Abtastung mittels des Laserspots zumindest in Richtung der optischen Achse und bevorzugt auch in den lateralen Richtungen. Bevorzugt kann die Anordnung eingesetzt werden zur Messung von Rauheit, Mikroprofilometrie, Vermessung von Mikrodefekten sowie Inspektion transparenter Proben. Der optische Teil enthält bevorzugt einen Helium-Neon-Laser, eine Strahlformungsoptik sowie eine Detektionseinheit. Als bewegbares Meßobjektiv gelangt ein Standard-Mikroskopobjektiv zum Einsatz, und es kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen bezüglich Auflösung und Arbeitsabstand ausgewählt werden. Der Meßbereich liegt in der Größenordnung von 2x2 mm in der Ebene der X- und Y-Achsen und ferner in der Größenordnung von 100 Mikrometern in Richtung der Z-Achse bzw. Objektivachse. Der Meßbereich ist im wesentlichen unabhängig vom zum Einsatz gelangenden Objektiv, so daß gleichzeitig mit großem Bildfeld und hoher Auflösung gearbeitet werden kann. Aufgrund der hohen Dynamik der Intensitätsmessung werden Messungen an Flächen sehr kleiner Reflektivität ermöglicht. Die Anordnung zeichnet sich durch eine hohe Auflösung und Schnelligkeit aus. Es gelangt die Methode der konfokalen Laserabtastung zum Einsatz, gemäß welcher die von der zu vermessenden Oberfläche reflektierte Intensität sowie die X-Y-Z-Positionen des Laserspots simultan gemessen und ggfs. aufgezeichnet werden. Hierbei kann simultan oder auch nachfolgend das 3D-Profil der Oberfläche, bevorzugt mittels eines Rechners, rekonstruiert werden. Aufgrund des Einsatzes der konfokalen Detektion wird sichergestellt, daß während des

Scanvorganges zu jeder Zeit nur Licht aus dem Laserfokus detektiert wird. Hierdurch ist eine hohe Auflösung in Richtung der optischen Achse, also in der Tiefe des Objektes und ferner eine hohe laterale Auflösung gegeben.

Besondere Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne daß insoweit eine Einschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung,
Fig. 2 eine seitliche Ansicht der Anordnung,
Fig. 3 eine Darstellung der XY-Abtasteinheit,

Fig. 4 eine seitliche Ansicht in Blickrichtung IV gemäß Fig. 3,

Fig. 5 teilweise vergrößert die Klemmverbindung einer Hohlspindel.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der konfokalen Laser-Abtast-Anordnung mit einer Laserquelle 2, welche bevorzugt als ein Helium-Neon-Laser ausgebildet ist. Nachgeordnet ist eine Aufweitungsoptik 4, um den Laserstrahl 6 soweit aufzuweiten, daß er über einen Spiegel 8 ein Objektiv 10 überleuchtet. Eine erste kleine Lochblende 12 ist als effektiv wirksame Lichtquelle zu betrachten. Das Laserlicht wird durch das Objektiv 10 auf einen etwa 1 Mikrometer großen Fleck 14, nachfolgend als Laserspot bezeichnet, fokusiert. Das von der Probe 16 reflektierte Licht gelangt über das Objektiv 10, einen Strahlteiler 18 und eine zweite kleine Lochblende 20 auf einen Detektor 22. Der dargestellte optische Strahlengang

und diese zweite kleine Lochblende 20 stellen sicher, daß nur Licht von dem Fleck 14 der Oberfläche der Probe 16 in den Detektor 22 gelangt. Mittels gepunkteten Linien 24 ist beispielshaft Licht von einer von der Oberfläche von der Probe 16 befindlichen zweiten Positon 26 angedeutet, wobei dieses Licht ersichtlich nicht zu dem Detektor 22 gelangen kann. Es ist somit in Richtung der optischen Achse Z, also in der Tiefe bezüglich der Probenoberfläche eine hohe Auflösung gegeben, wobei die Intensität bezogen auf den Abstand zwischen Probe und Objektiv unmittelbar an der Oberfläche der Probe ein ausgeprägtes Maximum aufweist.

Die Anordnung enthält eine Einheit 30, auf welcher das Objektiv 10 angeordnet ist, um dieses zumindest in Richtung der Objektivachse Z definiert zu bewegen. Die Position der Probe 16 wird aus den Daten gewonnen, welche während der Bewegung in Richtung der Z-Achse, nachfolgend als Z-Scan bezeichnet, aufgenommen werden, da die konfokale Detektion ein scharfes Maximum der Intensitätskurve liefert, wenn der Laserspot genau auf die Oberfläche der Probe 16 fällt. Die Einheit 30 ermöglicht ferner die definierte Lateralbewegung des Objektivs 10. Alternativ kann im Rahmen der Erfindung die Einheit 30 nur für die Bewegung in Richtung der optischen Achse Z ausgelegt sein, also als eindimensionale Version ausgebildet sein, welche nur die Abtastung in Richtung der optischen Achse Z ermöglicht und beispielsweise in ein bestehendes X-Y-Tischsystem eingebaut werden kann. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Einheit 30, ggfs. in Verbindung mit einem externen XY-Tischsystem wird der Laserspot entlang der drei Achsen bzw. Richtungen bewegt und die jeweiligen X-Y-Z-Positionen des Laserspots werden simultan gemessen und aufgezeichnet. Nachfolgend oder auch gleichzeitig wird mittels eines nachgeschalteten Rechners das Profil der Oberfläche der Probe rekonstruiert. Wird das Objektiv während der Bewegung in Richtung der Z-Achse auch in Richtung der X-Achse weiterbewegt, so wird ein zweidimensionales Profil entlang einer Linie erhalten. Der vollstän-

dige dreidimensionale Datensatz wird in der Weise erhalten, daß eine Anzahl von einzelnen X-Z-Abtastscans aufgenommen wird, welche jeweils durch einzelne Bewegungsschritte in Richtung der Y-Achse separiert sind.

In den dargestellten optischen Scanstrahlengang kann, beispielsweise über einen weiteren Strahlteiler, eine Optik implantiert werden, welche einen Mikroskopeinblick ermöglicht. Durch Anschluß einer CCD-Kamera wird in zweckmäßiger Weise die Kombination das Laser-Abtastsystems mit einem Videosystems ermöglicht. Das auf diese Weise zur Verfügung gestellte Videobild ermöglicht die Kontrolle des Laserspots und des abzutasenden Gebietes auf der Probe.

Fig. 2 zeigt die Anordnung mit einem Gehäuse 34, welches oben eine Objektplatte 36 zur Aufnahme der erwähnten Probe aufweist und welches eine Höhe 37 von ca. 200 mm besitzt. In dem Gehäuse 34 sind die eingangs bereits beschriebenen Komponenten sowie zugeordnete Stromversorgungseinheiten und Kontrolleinrichtungen enthalten. Wie ersichtlich, ist die Einheit 30, mit welcher die Bewegungen des Objektivs 10 in Richtung der drei Achsen X, Y und Z durchführbar sind, unterhalb der Objektplatte 36 im Gehäuse 34 angeordnet. Mittels eines Handrades 38 kann eine Grobausrichtung, insbesondere in Richtung der Z-Achse durchgeführt werden. Über ein Kabel 40 erfolgt der Anschluß zu einem hier nicht weiter dargestellten Rechner, insbesondere einem AT-Personalcomputer. Die XYZ-Einheit 30 enthält einen X-Antrieb 42 und einen Z-Antrieb 44 und ferner einen hier nicht angedeuteten Antrieb zur Bewegung des Objetivs 10 in Richtung der Y-Achse.

Fig. 4 zeigt in einer Aufsicht von oben die Einheit 30 mit dem X-Antrieb 42 und dem Y-Antrieb 43. Auf einem ersten winkelartig ausgebildeten Tisch 46 ist der X-Antrieb 42 mit dem X-Motor 47 angeordnet. Ein zweiter Tisch 48 für den Y-Antrieb mit einem Y-Motor 49 ist mittels Blattfedern 50 bezüglich des ersten Tischs 46 gekoppelt. In Richtung der zur

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Zeichenebene orthogonalen Z-Achse sind beabstandet zu den beiden Blattfedern 50, 51 noch zwei weitere Blattfedern angeordnet; der zweite Tisch 58 ist also mittels insgesamt vier Blattfedern mit dem ersten Tisch 42 gekoppelt. Entsprechend ist ein dritter Tisch 52 mit dem Objektiv 10 bezüglich vier weiteren Blattfedern, von welchen hier wiederum nur die beiden Blattfedern 54, 55 dargestellt sind, mit dem zweiten Tisch 48 gekoppelt. Auf dem zweiten Tisch 48 befindet sich der Y-Antrieb 43 mit dem Y-Motor 49. Zur Bewegung des Objektivs 10 in Richtung der Z-Achse ist der Z-Antrieb bevorzugt als ein piezoelektrischer Antrieb ausgebildet. Die hier dargestellter XY-Scaneinheit gewährleistet auf einfache Weise eine zuverlässige und vibrationsarme XY-Scanbewegung des Objektivs 10 und somit des die Oberfläche der Probe abtastenden Laserspots.

Fig. 4 zeigt eine seitliche Ansicht der Scaneinheit mit dem ersten Tisch 46 und dem zweiten Tisch 48, welche im wesentlichen als eine Halteplatte für den Y-Motor 49 ausgebildet ist. Der Y-Antrieb enthält ferner eine Parallelführung 66 mit zwei parallel zur Y-Achse und beabstandet zueinander angeordnet Stangen 56, 57 bezüglich welchen der dritte Antrieb 52 in Richtung der Y-Achse bewegbar ist. Zur Ankopplung an den Y-Motor 59 dient eine Hohlspindel 58 und eine Drahtkupplung 60. Wie ersichtlich, sind vorne zwei Federn 62, 63, welche als Druckfedern ausgebildet sind, zwischen die Halteplatte 48 und dem dritten Tisch 52 vorgesehen. Mittels eines Seilzuges 65 zwischen Parallelführung und Tisch 52 erfolgt eine von Scherkräften freie Kopplung.

Fig. 5 zeigt vergrößert ein Detail der Hohlspindel 58, durch welches die Drahtkupplung 60 hindurchgeführt ist. Zur Klemmung bezüglich der Hohlspindel 58 ist in der dargestellten Weise eine Klemmschraube 64 vorhanden.

Bezugszeichen

2	51	Laserquelle
4		Aufweitungsoptik
6	55	Laserstrahl
8	57	Spiegel
10		Objektiv
12		erste Lochblende
14	63	Fleck
16		Probe
18		Strahl
20		zweite Lochblende
22	Detektor
24	Linie
26	zweite Positon
30	Einheit
34	Gehäuse
36	Objektplatte
37	Höhe
38	Handrad
40	Kabel
42	X-Antrieb
43	Y-Antrieb
44	Z-Antrieb
46	erster Tisch
47	Motor
48	zweiter Tisch
49	Y-Motor
50,	Blattfeder
52	dritter Tisch
54,	Blattfeder
56,	Stange
58	Hohlspindel
60	Drahtkupplung
62,	Federn
64	Klemmschraube
65	Seilzug
66	Parallelführung ""- " ^ ■' !■ ^J w C "J t

Claims

Ansprüche

1. Anordnung zur berührungslosen Abtastung einer Probe, enthaltend eine Laserquelle, eine Aufweitungsoptik und ein Objektiv für einen Laserstrahl sowie einen Detektor, wobei ein konfokaler Aufbau vorgegeben ist und mittels des Detektors ein Laserspot erfaßbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (10) auf einer Einheit (30) angeordnet ist, mittels welcher der Laserspot zumindest in Richtung der Objektivachse bezüglich der Oberfläche der Probe (16) bewegbar ist, und daß die Intensität der von der Oberfläche der Probe (16) reflektierten Strahlen sowie die Position des Laserspots zumindest in Richtung der optischen Achse Z erfaßbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (30) zur Bewegung des Objektivs (10) in Richtung der beiden zur Objektivachse orthogonalen X- und Y-Achsen ausgebildet ist, oder daß die Probe in Richtung der genannten X-

und Y-Achsen bewegbar angeordnet sind und daß die Position des Laserspots auch in Richtung dieser beiden Achsen erfaßbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang des Laserstrahls (3) eine Optik für einen Mikroskopeinblick implementiert ist, wobei an diese Optik bevorzugt eine Videokamera anschließbar ist.

4. Anordnug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse (34) die Laserquelle (2), die Aufweitungsoptik, der Detektor (22) sowie die Einheit (30) mit dem Objektiv (10) angeordnet sind und daß insbesondere auf der Oberseite des Gehäuses (34) eine Objektplatte (36) zur Aufnahme der Probe angeordnet ist, auf welche das Objektiv (10) ausgerichtet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere mittels eines Handrades (38) eine Grobausrichtung des Objektivs (10) in Richtung der Objektivachse durchführbar ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (10) bezüglich eines Tisches (52) mittels eines piezoelektrischen Antriebs in Richtung der optischen Achse bewegbar angeordnet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (10) Antriebe (42, 43) zur Bewegung des Objektivs in den beiden zur optischen Achse orthogonalen Richtungen aufweist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Antriebsmotor (43, 49) mit dem zugeordneten Tisch über einen Seilzug (65) sowie eine Hohlspindel (58) gekoppelt ist.