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Dokumentenidentifikation DE102005023973A1 23.11.2006
Titel Vorrichtung und Verfahren zur optischen Detektion eines Objekts
Anmelder Leica Microsystems Semiconductor GmbH, 35578 Wetzlar, DE
Erfinder Bösser, Hans-Artur, Dr., 35236 Breidenbach, DE;
Sulik, Wolfgang, 35614 Aßlar, DE
DE-Anmeldedatum 20.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005023973
Offenlegungstag 23.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.11.2006
IPC-Hauptklasse G02B 21/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G02B 7/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur optischen Detektion eines Objekts (2). Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle (3a, 3b), einen Beleuchtungsstrahlengang (4), einen Detektionsstrahlengang (5), eine Abbildungsoptik (6) und eine Detektionseinrichtung (7). Ein Objekt (2) ist mit Licht der Lichtquelle (3a, 3b) beleuchtbar. Die Abbildungsoptik (6) ist im Detektionsstrahlengang (4) angeordnet. Mit der Abbildungsoptik (6) ist vom Objekt (2) kommendes Licht auf die Detektionseinrichtung (7) abbildbar. Der Gesamtfehler der optischen Abbildung der Vorrichtung (1) soll reduziert und idealerweise minimiert werden. Hierzu weist die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) ein Verstellmittel (18) auf, mit welchem zumindest eine im Beleuchtungsstrahlengang (4) und/oder im Detektionsstrahlengang (5) angeordnete abbildende optische Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) - insbesondere die Abbildungsoptik (6) - um ihre jeweilige optische Achse drehbar angeordnet und/oder gegenüber der optischen Achse des Strahlengangs (4, 5), in welchem die optische Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) angeordnet ist, verkippbar und/oder in einer Richtung quer zur optischen Achse translatierbar angeordnet ist, um bei einer verdrehten, verkippten und/oder translatierten Einstellung mit der optischen Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) ein Objekt (2) zu detektieren. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum optischen Detektieren eines ...

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Detektion eines Objekts. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle, einen Beleuchtungsstrahlengang, einen Detektionsstrahlengang, eine Abbildungsoptik und eine Detektonseinrichtung. Ein Objekt ist mit Licht der Lichtquelle beleuchtbar. Die Abbildungsoptik ist im Detektionsstrahlengang angeordnet. Mit der Abbildungsoptik ist vom Objekt kommendes Licht auf die Detektonseinrichtung abbildbar. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum optischen Detektieren eines Objekts.

In dem Stand der Technik ist es üblich, fest gefasste und insbesondere fehlerminimierte optische Komponenten möglicht genau entlang einer optischen Achse, die bei einer optischen Vorrichtung zum Beispiel durch die optische Achse des Beleuchtungsstrahlengangs oder des Detektionsstrahlengangs vorgegeben ist, auszurichten. Diese optische Achse fällt nur im Idealfall mit der theoretisch berechneten optischen Achse aus dem Optik-Design, also der Optikrechnung, zusammen. In der Praxis wird diese optimale, theoretische optische Achse selbst bei optimierten Fertigungsbedingungen und präziser Montage in optischen Vorrichtungen nicht exakt erreicht. Solche Vorrichtungen sind beispielsweise Mikroskope, die in größeren Stückzahlen kommerziell gefertigt werden und die ein Stativ oder eine Gehäusekonstruktion aufweisen, an dem bzw. der die optischen Komponenten angebaut sind. Eine Ausrichtung der optischen Komponenten geschieht in der Regel dadurch, dass die Aufnahmen der optischen Komponente in der Vorrichtung bzw. in deren Stativ mit einem oder mehreren Autokollimatorfernrohren und Zielmarken genau ausgerichtet werden. Somit sind die Aufnahmen der optischen Komponenten relativ zueinander genau ausgerichtet und an der Vorrichtung fixiert in ihrer räumlichen Lage angeordnet. Bei der Komplettierung geht man dann davon aus, dass die optischen Komponenten in sich hinreichend genau zentriert sind, dass die optischen Komponenten passzentriert zur justierten Mechanik sind und dass die an der Vorrichtung vorgesehenen Anschraubflächen für die optischen Komponenten plan sind.

Es wird auch davon ausgegangen, dass die Mitte der jeweiligen optischen Komponente und die Mitte der Halterung der optischen Komponente miteinander übereinstimmen. Diese Übereinstimmung liegt innerhalb einer nicht immer genau zu bestimmenden Toleranz. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass die Fehler der optischen Komponenten radialsymmetrisch sind, was in der Regel nicht der Fall ist.

Die einzelnen optischen Komponenten werden vor dem Einbau in die optische Vorrichtung in sich so zentriert und abgestimmt, dass die optische Vorrichtung insgesamt einen möglichst kleinen optischen Gesamtfehler aufweist. Diese interne Justage erfolgt an einem anderen optischen System, beispielsweise an einem Kalibrier-Interferometer. Insofern werden Fehler, die das Kalibrier-Interferometer selbst aufweist, durch die jeweils abzustimmende optische Komponente kompensiert und damit auf die optische Komponente selbst übertragen. Schließlich hat eine optische Komponente selbst einen Restfehler.

Als optische Komponenten im Sinn der vorliegenden Erfindung sind insbesondere abbildende optische Baugruppen oder Einheiten zu verstehen, beispielsweise ein Kollektor, eine Transportoptik, eine Zwischenoptik, ein Kondensor, ein Objektiv, eine Tubuslinse bzw. eine Tubusoptik, eine Nachvergrößerungsoptik oder ein Lichtmischer, der beispielsweise in Form eines Mikrolinsenrasters ausgebildet sein könnte. Als Vorrichtung im Sinn der vorliegenden Erfindung ist insbesondere jedes optische Gerät zu verstehen, mit welchem ein Objekt lichtoptisch detektierbar bzw. abbildbar ist, wobei die Abbildung mit einer möglichst hohen Auflösung oder einer möglichst hohen Qualität erfolgen soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben und weiterzubilden, bei welchem der Gesamtfehler der optischen Abbildung der Vorrichtung weiter reduziert und idealerweise minimiert werden kann.

Die erfndungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach weist eine solche Vorrichtung ein Verstellmittel auf, mit welchem zumindest eine im Beleuchtungsstrahlengang und/oder im Detektionsstrahlengang angeordnete abbildende optische Komponente – insbesondere die Abbildungsoptik – um ihre jeweilige optische Achse drehbar angeordnet ist und/oder gegenüber der optischen Achse des Strahlengangs, in welchem die optische Komponente angeordnet ist, verkippbar und/oder in einer Richtung quer zur optischen Achse translatierbar angeordnet ist, um bei einer verdrehten, verkippten und/oder translatierten Einstellung mit der optischen Komponente ein Objekt zu detektieren.

So ist zunächst bei einer CD-Metrologie-Messung, d.h. bei einer Messung der Strukturbreiten bzw. Linienbreiten („Critical Dimension") von Strukturen auf Substraten bemerkt worden, dass bei mehreren Messungen in X- und in Y-Richtung an Linienstrukturen als Objekte die Messwerte unterschiedlich ausfielen. Die Abweichungen waren dabei größer als aufgrund des Gesamt-Messaufbaus erwartet. Speziell ergaben sich vor und nach einer Drehung der Messprobe und damit der jeweiligen Linienstruktur um 90 Grad unterschiedliche Messwerte wobei die gemessenen Profilverläufe von Strukturen bekannter Form asymmetrisch waren. So ergab sich unter Verwendung eines Objektivs eine wesentlich stärkere Asymmetrie der Messwerte als erwartet, obwohl es von einer Interferometerprüfung bei der Herstellung des Objektivs her besser qualifiziert war. Während ein anderes Objektiv im Profil die mit der Drehung der Probe verbundene Symmetrieänderung widerspiegelte, war dieser Einfluss bei dem ersten Objektiv kaum zu sehen. Dem entgegen zeigte die Drehung der Objekte beim ersten Objektiv einen wesentlich stärkeren Effekt.

Erfindungsgemäß ist demgemäß erkannt worden, dass also der verbleibende Gesamtfehler der optischen Abbildung der Vorrichtung insbesondere dadurch reduziert und im Idealfall minimiert werden kann, dass mindestens eine der abbildenden optischen Komponente relativ zur Vorrichtung drehbar, kippbar und/oder translatierbar angeordnet ist. Dann ist es nämlich möglich, dass eine drehbar, kippbar und/oder translatierbar angeordnete optische Komponente derart eingestellt und derart ausgerichtet wird, dass der Restfehler der optischen Komponente sich mit den Restfehlern der anderen optischen Komponenten der Vorrichtung weitgehend kompensiert. Mit anderen Worten sind die optischen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren zusätzlichen Freiheitsgraden versehen, um eine Reduzierung des gesamten Abbildungsfehlers der Vorrichtung erzielen zu können.

Grundsätzlich wird ein erfindungsgemäßes Drehen, Kippen, Translatieren mindestens einer optischen Komponente bei der Herstellung bzw. Produktion der Vorrichtung durchgeführt, so dass der optische Gesamtfehler der Vorrichtung hierdurch minimiert wird. Nun könnte es auch abhängig von der jeweiligen Anwendung erforderlich sein, ein erfindungsgemäßes Drehen, Kippen oder Translatieren mindestens einer optischen Komponente der Vorrichtung auch während des Betriebs der Vorrichtung durchzuführen, da beispielsweise an die jeweilige Anwendung höchste Anforderungen an das optische Gesamtsystem gestellt werden. Ein Beispiel einer solchen Anwendung ist ein Koordinaten-Messgerät, wie es z.B. aus der DE 198 19 492 bekannt ist, und welches üblicherweise in einer Klimakammer betrieben wird. In dieser wird zumindest die Temperatur, in einigen Klimakammern zusätzlich auch die Luftfeuchte konstant gehalten. Der Regelgenauigkeit von Temperatur und Luftfeuchte sind technische Grenzen gesetzt. Auch lässt sich mit vertretbarem Aufwand keine hermetisch dichte Kammer zur Konstanthaltung des Luftdrucks herstellen, insbesondere weil – beim Beispiel des Koordinaten-Messgeräts – ein einfaches und schnelles Wechseln der Messobjekte erforderlich ist. So verursacht das Betätigen einer Beladeöffnung selbst schnelle Luftdruckschwankungen. Die sich verändernden Umweltbedingungen können bewirken, dass die an der Vorrichtung bzw. an dem Koordinaten-Messgerät angeordnete optische Komponenten ihre Relativpositionen zueinander – wenn auch nur geringstfügig – ändern und sich somit die Abbildungseigenschaften des Koordinaten-Messgeräts verändern. Ganz besonders bevorzugt ist daher das Verstellmittel derart ausgebildet, dass bei einem Drehen, Kippen und/oder Translatieren der optischen Komponente eine Fokuseinstellung der optischen Komponente oder der gesamten Vorrichtung im Wesentlichen unverändert bleibt. Somit könnte eine Ausrichtung der optischen Komponente durch Drehen, Kippen und/oder Translatieren auch während des Betriebs der Vorrichtung erfolgen, beispielsweise zwischen einzelnen Objektdetektionen, und eine Defokussierung des Objekts wird hierdurch zumindest weitgehend vermieden.

Eine wichtige verstellbar angeordnete optische Komponente ist die Abbildungsoptik, insbesondere ein Mikroskopobjektiv. So könnte ein höchstauflösendes Mikroskopobjektiv vorgesehen sein, wie es beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 048 062 bekannt ist. Da üblicherweise das Mikroskopobjektiv der empfindlichste Teil der Vorrichtung mit den meisten aufeinander abgestimmten Linsen ist, ist es insbesondere zweckmäßig das Mikroskopobjektiv mit Hilfe des Verstellmittels zu drehen, zu kippen und/oder zu translatieren. Durch Drehen, Kippen und/oder Translatieren ist eine optimale Ausrichtung des Mikroskopobjektivs zu den anderen, ggf. fest installierten optischen Komponenten der Vorrichtung möglich und es kann damit eine Fehlerminimierung der optischen Abbildung erreicht werden.

Alternativ oder zusätzlich könnte als ausrichtbare optische Komponente ein im Beleuchtungsstrahlengang angeordneter Kondensor und/oder eine Transportoptik und/oder ein Lichtmischer vorgesehen sein. Hierfür könnte auch eine im Detektionsstrahlengang angeordnete Tubusoptik und/oder Nachvergrößerungsoptik und/oder ein optisches Kompensationselement in Frage kommen. Falls alle genannten optischen Komponenten der Vorrichtung jeweils einzeln mit beispielsweise jeweils einem entsprechend ausgebildeten Verstellmittel ausrichtbar angeordnet sind, sind die zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade zur Fehlerminimierung des optischen Gesamtsystems der erfindungsgemäßen Vorrichtung maximiert, insbesondere wenn jede der ausrichtbaren optischen Komponenten drehbar, kippbar und translatierbar angeordnet ist.

Falls mit dem Verstellmittel die optische Komponente verkippt werden soll, ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verstellmittel derart ausgebildet ist, dass damit die optische Komponente um mindestens zwei Kippachsen unterschiedlicher räumlicher Orientierung verkippt werden kann. Unter einer unterschiedlichen räumlichen Orientierung der Kippachsen soll insbesondere verstanden werden, dass die Richtungsvektoren der Kippachsen im mathematischen Sinn der linearen Algebra linear unabhängig voneinander sind. So könnten zwei Kippachsen senkrecht aufeinander stehen und einen Schnittpunkt aufweisen. Die Verkippung könnte mittels mindestens eines Piezzoaktuators und/oder mittels mindestens eines mechanischen Aktuators bewirkt werden, wobei mit einem Piezzoaktuator in Verbindung mit einem geeignet ausgebildeten mechanischen Hebel einerseits eine äußerst reproduzierbare und genaue Verkippung möglich ist und andererseits eine hohe mechanische Auflösung erzielbar ist. Beispielsweise könnte eine Verkippungseinheit im Sinn der deutschen Patentanmeldung DE 100 04 661 ausgebildet sein. Mit einer solchen Verkippungseinheit kann eine optische Komponente um zwei Kippachsen unterschiedlicher räumlicher Orientierung derart verkippt werden, dass ein die optische Komponente passierender Lichtstrahl um einen von der Verkippungseinheit entfernt angeordneten Punkt verkippbar ist, der beispielsweise mit einem Fokus einer Tubusoptik zusammenfällt oder in einer Zwischenbildebene liegt. Alternativ wäre auch eine Verkippung der optischen Komponente mit Hilfe eines Verstellmittels denkbar, welches einen Anbau an der Vorrichtung im Sinn einer kardanischen Aufhängung bzw. Verstellung ermöglicht und mit welchem eine Verkippung der optischen Komponente erzielt werden kann.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Verstellung einer oder mehrerer optischer Komponenten derart durchführbar, dass eine Fehlerminimierung der optischen Komponenten der Vorrichtung erzielbar ist. Wie bereits erwähnt, erfolgt dies vor Allem während der Herstellung bzw. während der Produktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es ist jedoch grundsätzlich denkbar, dass dies auch unmittelbar nach dem Einschalten der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder zu Beginn einer jeden Messserie bzw. Objektdetektion – also während des Betriebs der Vorrichtung – erfolgen könnte. Insbesondere könnte dies zwischen zwei Objektdetektionen durchgeführt werden. Eine Verstellung mindestens einer optischen Komponente könnte insbesondere im Sinn eines Kalibrierschritts erfolgen. Gegebenenfalls kann hierzu ein Kalibrierobjekt bekannter Struktur und/oder Dimension in den optischen Strahlengang der Vorrichtung eingebracht und detektiert werden. Eine Fehlerminimierung der optischen Komponenten der Vorrichtung soll insbesondere bei Anwendungen der Inspektions- und/oder Koordinatenmessungen an Substraten der Halbleiterindustrie derart erfolgen, dass die mit der Vorrichtung ermittelten Messwerte bzw. Objektbilder einen minimalen Wert des so genannten X-Y-Bias liefert. Der X-Y-Bias beschreibt den Unterschied der gemessenen Mittelwerte mehrerer identischer, in Bildmitte gemessener Strukturbreiten.

Die folgenden Ausführungen betreffen vor allem Mikroskopobjektive. Grundsätzlich sind sie jedoch auf sämtliche anderen optischen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zutreffend, insbesondere dann, wenn eine solche optische Komponente sich aus mehreren einzelnen optischen Bauteilen, beispielsweise aus Linsen, zusammensetzt.

So umfasst ganz besonders bevorzugt die optische Komponente eine Halterung für mindestens ein optisches Bauteil und eine Anbauschnittstelle. Das optische Bauteil ist von oder in der Halterung aufgenommen. Das von der Halterung aufgenommene optische Bauteil weist eine optische Achse auf. Die optische Komponente ist mit der Anbauschnittstelle an einer hierfür vorgesehenen Anbaustelle der Vorrichtung anbaubar. Mit dem Verstellmittel ist die Halterung – im Sinn eines Drehkörpers – relativ zur Anbauschnittstelle verdrehbar, um das von der Halterung aufgenommene optische Bauteil in einem an der Vorrichtung angebauten Zustand der optischen Komponente um die optische Achse drehen zu können. Im Betriebszustand ist die Anbauschnittstelle drehfest an der Vorrichtung angeordnet.

Die Anbauschnittstelle könnte ein Gewinde oder eine einem Bajonettverschluss vergleichbare Schnittstelle aufweisen, mit welchem die optische Komponente an der Vorrichtung anbaubar ist. Falls die optische Komponente in Form eines Mikroskopobjektivs ausgebildet ist, entspricht einer Halterung die Objektivhülse des Mikroskopobjektivs. Die Anbauschnittstelle des Mikroskopobjektivs wird im Allgemeinen ein Gewinde aufweisen, das kompatibel zu dem hierfür vorgesehenen Mikroskop ist. Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass eine in Form eines Gewindes ausgebildete Anbauschnittstelle nicht dazu dienen soll, die jeweilige optische Komponente in erfindungsgemäßer Weise um ihre optische Achse zu verdrehen, da der Zweck des Gewindes dem Anbauen der optischen Komponente dient und üblicherweise so weit eingeschraubt wird, bis es an einer Anschlagfläche zur Anlage kommt und dadurch fixiert wird. Erst dann ist die optische Komponente bestimmungsgemäß an eine optische Vorrichtung angebaut. In diesem Zustand soll kein Verdrehen der optischen Komponente mit Hilfe des Gewindes der Anbauschnittstelle um die optische Achse während eines Betriebs der Vorrichtung erfolgen, da hierdurch in der Regel eine Defokussierung der jeweiligen optischen Komponente bewirkt wird, da in Anhängigkeit der Ganghöhe des Gewindes der Anbauschnittstelle ein Drehen der Anbauschnittstelle eine Bewegung der gesamten optischen Komponente in Schraubrichtung bzw. entlang der optischen Achse zur Folge hat. Das erfindungsgemäße Drehen der optischen Komponente relativ zur Vorrichtung bzw. um ihre optische Achse erfolgt also nicht durch ein Drehen der Anbauschnittstelle der optischen Komponente relativ zur Vorrichtung.

Das Verstellmittel, mit dem das Drehen der optischen Komponente um die optische Achse erfolgt, könnte ein Kugellager, ein Fettlager und/oder ein Gleitlager aufweisen. Vorzugsweise wird die Art des Lagers derart gewählt, dass hiermit eine optimale Präzision bei der Ausrichtung der optischen Komponente relativ zur Vorrichtung erzielbar ist. Idealerweise weist das gewählte Lager ein vernachlässigbares Spiel auf, so dass eine erfindungsgemäße Verstellung bzw. Ausrichtung der optischen Komponente reproduzierbar durchgeführt werden kann.

Im Konkreten könnte das Verstellmittel einen Überwurfring aufweisen, der sich in Richtung der optischen Achse zumindest teilweise über die Halterung der optischen Komponente erstreckt. Der Überwurfring weist vorzugsweise die Anbauschnittstelle auf. Der Überwurfring könnte an seiner der Halterung zugewandten Seite einen – z. B. nach innen gerichteten – Vorsprung aufweisen. Die Halterung könnte an ihrer dem Überwurfring zugewandten Seite einen – z.B. nach außen gerichteten – weiteren Vorsprung aufweisen. Im zusammengesetzten Zustand von Halterung und Überwurfring könnten die beiden Vorsprünge über ein Lager aneinander zur Anlage kommen, welches vorzugsweise in Richtung der optischen Achse oder in Richtung der gemeinsamen Anlagefläche wirkt. Zwischen dem Überwurfring und der Halterung könnte mindestens ein Bereich vorgesehen sein, der im Sinn eines Gleit- oder Fettlagers ausgebildet ist.

Der Winkelbereich, um welchen die Halterung gegenüber der Anbauschnittstelle verdrehbar ist, könnte sich von 0 Grad bis mindestens 90 Grad erstrecken. Eine solche Winkelbegrenzung bezüglich der Drehung der optischen Komponente gegenüber der Vorrichtung könnte in konstruktiver Hinsicht mit Hilfe mindestens eines an der Halterung vorgesehenen Anschlags definiert werden, an welchen ein am Überwurfring angeordneter Zapfen im Sinn einer Drehbegrenzung zum Anschlag kommt. Bevorzugt ist jedoch mindestens eine volle Umdrehung der optischen Komponenten relativ zur Vorrichtung vorgesehen, so dass ein entsprechender Winkelbereich sich mindestens von 0 Grad bis 360 Grad erstreckt.

Wie bereits erwähnt, kann eine Vorrichtung ein optisches Gerät sein, mit welchem ein Objekt lichtoptisch detektierbar bzw. abbildbar ist. Im Konkreten könnte die Vorrichtung in Form eines Koordinaten-Messgeräts, wie es z.B. aus der DE 198 19 492 bekannt ist, eines Inspektionsmikroskops zur Inspektion von Substraten für die Halbleiterindustrie, eines hochauflösenden Mikroskops, eines konfokalen Rastermikroskops oder eines doppelkonfokalen Rastermikroskops ausgebildet sein. Da an Vorrichtungen dieser Art üblicherweise hohe oder höchste Anforderungen an die Qualität der Abbildungseigenschaften und/oder an die zu erzielende Auflösung gestellt werden, wird eine Vorrichtung, bei welcher mindestens eine optische Komponente in erfindungsgemäßer Weise verstellbar angeordnet ist, eher diesen hohen Anforderungen gerecht, da in ganz besonders vorteilhafter Weise der Gesamtfehler der optischen Abbildung der Vorrichtung minimierbar ist.

Im Allgemeinen weist die optische Komponente mindestens eine Linse auf, die in einem Fassungsring gefasst ist. Dieser Fassungsring ist in der Halterung aufgenommen, insbesondere passgenau. Falls die optische Komponente in Form eines Mikroskopobjektivs ausgebildet ist, wird die Linse üblicherweise in den Fassungsring eingekittet oder durch einen umgebördelten Grat am Fassungsring selbst gehalten (so genannte Grat-Fassung). Die Fassung könnte alternativ insbesondere derart ausgebildet sein, wie sie in der derzeit noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 048 064 offenbart ist. Demgemäß wird eine Linse in ihrer Fassung mit Hilfe eines elastischen Rings derart fixiert, dass eine mechanische Verspannung der Linse aufgrund der Linsenfassung weitgehend vermieden wird. Somit können Abbildungsfehler, die auf mechanische Verspannungen der optischen Bauteile zurückzuführen sind, weitgehend vermieden werden, so dass in Verbindung mit den durch das Mittel zur Verfügung stehenden weiteren Freiheitsgraden in ganz besonders vorteilhafter Weise der Gesamtfehler der Abbildungsoptik der gesamten Vorrichtung reduziert bzw. minimiert werden kann.

Demgemäß wird eine Linse in ihrer Fassung mit Hilfe eines elastischen Mittels derart fixiert, dass eine mechanische Verspannung der Linse aufgrund der Linsenfassung weitgehend vermieden wird. Somit können Abbildungsfehler, die auf mechanische Verspannungen der optischen Bauteile zurückzuführen sind, weitgehend vermieden werden.

In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die eingangs genannte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum optischen Detektieren eines Objekts mit einer Vorrichtung. Die Vorrichtung ist nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgebildet oder weist mindestens ein Verstellmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auf. Mit der Detektionseinrichtung werden ein- und/oder mehrdimensionale Bilddaten des Objekts detektiert und abgespeichert. Ein Objekt oder ein Teil eines Objekts wird mindestens zweimal mit der Detektionseinrichtung detektiert und die detektierten Bilddaten werden abgespeichert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Objektdetektionen eine optische Komponente um deren optische Achse gedreht und/oder gegenüber der optischen Achse des Strahlengangs, in welchem die optische Komponente angeordnet ist, verkippt und/oder in einer Richtung quer zur optischen Achse translatiert wird. Anhand der detektierten Bilddaten der mindestens zwei Objektdetektionen können weitergehende Objektinformationen erhöhter Qualität gewonnen werden.

Insbesondere wenn – wie bereits angedeutet – bei höchstauflösenden Anwendungen sich die Relativpositionen der an der Vorrichtung angeordneten optischen Komponenten während des Betriebs verändern, beispielsweise durch veränderte Umweltbedingungen hervorgerufen, können hierdurch verursachte Veränderungen der Abbildungseigenschaften durch eine Verstellung bzw. Ausrichtung mindestens einer optischen Komponente der Vorrichtung zumindest weitgehend ausgeglichen werden. Bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können jedenfalls die detektierten und abgespeicherten Bilddaten z.B. mit Hilfe von digitalen Bildverarbeitungsmethoden miteinander verglichen werden, so dass einerseits feststellbar ist, ob und andererseits in welchem Ausmaß eine Veränderung der optischen Abbildungseigenschaft der Vorrichtung eingetreten ist. Falls eine Veränderung der optischen Abbildungseigenschaft der Vorrichtung festgestellt wird, kann gegebenenfalls festgestellt werden, auf welche der optischen Komponenten die Veränderung zurückzuführen ist und diese optische Komponente kann in erfindungsgemäßer Weise ausgerichtet werden. Sodann könnte das gleiche Objekt nochmals detektiert werden, und die Bilddaten dieser Detektion können mit den bereits vorher detektierten Bilddaten erneut verglichen werden, ob beispielsweise die Veränderung der optischen Abbildungseigenschaft der Vorrichtung aufgrund der Ausrichtung der optischen Komponente ausgeglichen wurde.

Es ist auch denkbar, dass zur Verbesserung der Qualität der detektierten Bilddaten Rekonstruktionsverfahren der digitalen Bildverarbeitung angewendet werden. Dies könnte insbesondere unter Berücksichtigung der experimentell oder rechnerisch bestimmten Übertragungsfunktion der optischen Komponenten erfolgen. Insbesondere kann die optische Übertragungsfunktion des Mikroskopobjektivs hierbei berücksichtigt werden.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 16 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verstellmittels zum Verkippen und Verdrehen einer optischen Komponente einer Vorrichtung.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Detektion eines Objekts 2. Die Vorrichtung 1 umfasst zwei Lichtquellen 3a, 3b, einen Beleuchtungsstrahlengang 4, einen Detektionsstrahlengang 5, eine in Form eines Mikroskopobjektivs ausgebildet Abbildungsoptik 6 und eine in Form einer CCD-Kamera ausgebildeten Detektionseinrichtung 7. Mit der Vorrichtung 1 ist das Objekt 2 mit einer Durchlicht- und/oder mit einer Auflichtbeleuchtung detektierbar. Zum Detektieren des Objekts 2 im Durchlicht-Modus wird das Objekt 2 mit der Lichtquelle 3a beleuchtet. Zum Detektieren des Objekts 2 im Auflicht-Modus wird das Objekt 2 mit der Lichtquelle 3b beleuchtet. Dementsprechend erstreckt sich der Beleuchtungsstrahlengang 4 für die Durchlichtbeleuchtung von der Lichtquelle 3a bis zum Objekt 2. Der Beleuchtungsstrahlengang 4 für die Auflichtbeleuchtung erstreckt sich von der Lichtquelle 3b bis zum Objekt 2. Der Detektionsstrahlengang 5 erstreckt sich vom Objekt 2 bis zu der Detektionseinrichtung 7.

Das von der Lichtquelle 3a emittiere Licht wird von dem Kollektor 8 zumindest teilweise aufgesammelt und durchläuft der Reihe nach die Zwischen- bzw. Transportoptik 9, den Lichtmischer 10 und den Kondensor 11. Zwischen der Transportoptik 9 und dem Lichtmischer 10 ist ein Spiegel 12 angeordnet, mit welchem das von der Lichtquelle 3a kommende Licht in Richtung Kondensor 11 reflektiert wird. Der Lichtmischer 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Mikrolinsen-Raster auf; andere Ausgestaltungen sind möglich. Ein Lichtmischer sorgt dafür, dass das Objekt (die Feldebene) homogen ausgeleuchtet wird. „Homogen" bedeutet, dass zumindest die in der Objektebene (Sehfeld, Feld) positionsabhängig gemessene Intensität sehr konstant ist, wenn sich kein absorbierendes Objekt darin befindet. Darüber hinaus wird in bestimmten (vorteilhaften) Fällen auch eine konstante Ausleuchtung in Abhängigkeit von der Strahlrichtung (Pupille) benötigt. In vergleichbarer Weise wird das von der Lichtquelle 3b emittierte Licht von dem Kollektor 8 zumindest teilweise aufgesammelt und durchläuft eine Zwischenoptik 13 und wird an dem Strahlteiler 14 in Richtung Abbildungsoptik 6 reflektiert.

Das vom Objekt 2 kommende Licht wird von der Abbildungsoptik 6 zumindest teilweise aufgesammelt und durchläuft der Reihe nach den Strahlteiler 14, das Kompensationselement 15, die Tubusoptik 16 und die Nachvergrößerungsoptik 17, bis es schließlich von der Detektionseinrichtung 7 detektiert wird. Im Konkreten handelt es sich bei der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 um ein Inspektionsmikroskop, mit welchem Substrate, Wafer oder Masken der Halbleiterindustrie detektiert werden können.

In erfindungsgemäßer Weise ist jeweils ein Verstellmittel 18 vorgesehen, mit welchem jeweils eine im Beleuchtungsstrahlengang 4 und/oder im Detektionsstrahlengang 5 angeordnete abbildende optische Komponente

  • a) um ihre jeweilige optische Achse drehbar angeordnet, und
  • b) gegenüber der optischen Achse des Strahlengangs 4, 5, in welchem die optische Komponente angeordnet ist, verkippbar und
  • c) in einer Richtung quer zur optischen Achse translatierbar angeordnet ist, um bei einer verdrehten, verkippten und/oder translatierten Einstellung mit der optischen Komponente ein Objekt 2 zu detektieren.

Im Konkreten sind die folgenden optischen Komponenten im Beleuchtungsstrahlengang 4 jeweils mit einem Verstellmittel 18 versehen und dementsprechend jeweils in erfindungsgemäßer Weise ausrichtbar angeordnet:

Kollektor 8, Transportoptik 9, Lichtmischer 10, Kondensor 11 und Zwischenoptik 13.

Die folgenden optischen Komponenten sind im Detektionsstrahlengang 5 jeweils mit einem Verstellmittel 18 versehen und dementsprechend jeweils ebenfalls in erfindungsgemäßer Weise ausrichtbar angeordnet: Kompensationselement 15, Tubusoptik 16 und Nachvergrößerungsoptik 17.

Die sowohl im Beleuchtungsstrahlengang 4 als auch im Detektionsstrahlengang 5 angeordnete Abbildungsoptik 6 ist ebenfalls mit einem Verstellmittel 18 versehen und kann ebenfalls relativ zur Vorrichtung 1 und zu den anderen optischen Komponenten ausgerichtet werden.

In 2 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verstellmittels 18 gezeigt, mit welchem der Kondensor 11 ausrichtbar ist. Das Verstellmittel 18 weist eine Anbauschnittstelle 19 auf, mit welcher das Verstellmittel 18 sowie die optische Komponente – diesem Fall der Kondensor 11 – an die Vorrichtung 1 anbaubar ist. Somit ist die ringförmig ausgebildete bzw. eine Ausnehmung f[r die Lichtstrahlen aufweisende Anbauschnittstelle 19 fest mit der Vorrichtung 1 verbunden, beispielsweise mit einem Gehäuseteil oder an dem Stativ. Lediglich schematisch ist angedeutet, dass ein Zwischenring 20 über drei Justierelemente 21 mit der Anbauschnittstelle 19 verbunden ist. Im Konkreten könnten die Justierelemente 21 in Form von Schrauben ausgebildet sein, mit welchen jeweils der Abstand zwischen dem Zwischenring 20 und der Anbauschnittstelle 19 an der jeweiligen Stelle des Justierelements 21 veränderbar ist. Fest mit dem Zwischenring 20 ist der Überwurfring 22 verbunden. Sowohl der Zwischenring 20 als auch der Überwurfring 22 könnten in einem einzigen Bauteil zusammengefasst sein. Zwischen dem Überwurfring 22 und den Kondensor 11 ist ein in 2 nicht gezeigtes Lager vorgesehen, welches ein Verdrehen des Kondensors 11 um die optische Achse des Beleuchtungsstrahlengangs 4 relativ zum Überwurfring 22 ermöglicht.

Obwohl das Verstellmittel 18 aus 2 auch in einer Richtung quer zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs 4 translatierbar ausgebildet ist, sind die hierzu vorgesehenen Bauteile, die dies ermöglichen, in 2 nicht gezeigt.

Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

1
Vorrichtung zur Detektion von (2)
2
Objekt
3a, 3b
Lichtquelle
4
Beleuchtungsstrahlengang
5
Detektionsstrahlengang
6
in Form eines Mikroskopobjektivs ausgebildet Abbildungsoptik
7
in Form einer CCD-Kamera ausgebildeten Detektionseinrichtung
8
Kollektor
9
Transportoptik
10
Lichtmischer
11
Kondensor
12
Spiegel
13
Zwischenoptik
14
Strahlteiler
15
Kompensationselement
16
Tubusoptik
17
Nachvergrößerungsoptik
18
Verstellmittel zum Verdrehen, Verkippen und zum Translatieren
einer optischen Komponente
19
Anbauschnittstelle von (18)
20
Zwischenring
21
Justierelement
22
Überwurfring


Anspruch[de]
Vorrichtung zur optischen Detektion eines Objekts, mit einer Lichtquelle (3a, 3b), einem Beleuchtungsstrahlengang (4), einem Detektionsstrahlengang (5), einer Abbildungsoptik (6) und einer Detektonseinrichtung (7), wobei ein Objekt (2) mit Licht der Lichtquelle (3a, 3b) beleuchtbar ist, wobei die Abbildungsoptik (6) im Detektionsstrahlengang (5) angeordnet ist und wobei mit der Abbildungsoptik (6) vom Objekt (2) kommendes Licht auf die Detektonseinrichtung (7) abbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstellmittel (18) vorgesehen ist, mit welchem zumindest eine im Beleuchtungsstrahlengang (4) und/oder im Detektionsstrahlengang (5) angeordnete abbildende optische Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) – insbesondere die Abbildungsoptik (6) – um ihre jeweilige optische Achse drehbar angeordnet und/oder gegenüber der optischen Achse des Strahlengangs (4, 5), in welchem die optische Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) angeordnet ist, verkippbar und/oder in einer Richtung quer zur optischen Achse translatierbar angeordnet ist, um bei einer verdrehten, verkippten und/oder translatierten Einstellung mit der optischen Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) ein Objekt (2) zu detektieren. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellmittel (18) derart ausgebildet ist, dass bei einem Drehen, Kippen und/oder Translatieren der optischen Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) eine Fokuseinstellung der optischen Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) oder der gesamten Vorrichtung (1) im Wesentlichen unverändert bleibt. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente eine Abbildungsoptik (6) aufweist, insbesondere ein Mikroskopobjektiv, und dass das Mikroskopobjektiv vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 15 der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 048 062 ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente einen im Beleuchtungsstrahlengang (4) angeordneten Kondensor (11) und/oder eine Transportoptik (9) und/oder einen Lichtmischer (10) aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente eine im Detektionsstrahlengang (5) angeordnete Tubusoptik (16) und/oder eine Nachvergrößerungsoptik (17) und/oder ein optisches Kompensationselement (15) aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verstellmittel (18) die optische Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) um mindestens zwei Kippachsen unterschiedlicher räumlicher Orientierung verkippbar angeordnet ist und dass die Verkippung insbesondere mittels eines Piezoaktuators und/oder mittels eines mechanischen Aktuators bewirkbar ist, beispielsweise mit einer Verkippungseinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 39 der deutschen Patentanmeldung DE 100 04 661. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstellung der optischen Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) derart durchführbar ist, dass eine Fehlerminimierung der optischen Komponenten (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) der Vorrichtung (1) erzielbar ist, vorzugsweise während des Betriebs der Vorrichtung (1), insbesondere im Sinn eines Kalibrierschritts, insbesondere derart, dass minimale Werte des X-Y-Bias erzielbar sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) eine Halterung für mindestens ein optisches Bauteil – beispielsweise eine Linse – und eine Anbauschnittstelle umfasst, dass das optische Bauteil von der Halterung aufgenommen ist, dass das von der Halterung aufgenommene optische Bauteil eine optische Achse aufweist, dass die optische Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) mit der Anbauschnittstelle an der Vorrichtung (1) anbaubar ist und dass mit dem Verstellmittel (18) die Halterung relativ zur Anbauschnittstelle verdrehbar ist, um das von der Halterung aufgenommene optische Bauteil in einem an der Vorrichtung angebauten Zustand der optischen Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) um die optische Achse drehen zu können. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbauschnittstelle ein Gewinde oder eine einem Bajonettverschluss vergleichbare Schnittstelle aufweist, mit welchem die optische Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) an der Vorrichtung (1) anbaubar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) mindestens eine Linse aufweist, die in einem Fassungsring gefasst ist und dass der Fassungsring in der Halterung aufgenommen ist, insbesondere passgenau. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellmittel (18) ein Kugellager, ein Fettlager und/oder ein Gleitlager aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellmittel (18) einen Überwurfring (22) aufweist, der sich in Richtung der optischen Achse zumindest teilweise über die Halterung erstreckt und welcher vorzugsweise eine Anbauschnittstelle aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwurfring (22) an seiner der Halterung zugewandten Seite einen – nach innen gerichteten – Vorsprung aufweist, dass die Halterung an ihrer dem Überwurfring (22) zugewandten Seite einen – nach außen gerichteten – weiteren Vorsprung aufweist und dass im zusammengesetzten Zustand die beiden Vorsprünge über ein Lager – vorzugsweise in Richtung der optischen Achse wirkend – aneinander zur Anlage kommen, und dass zwischen dem Überwurfring (22) und der Halterung vorzugsweise mindestens ein Bereich vorgesehen ist, der im Sinn eines Gleit- oder Fettlagers ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkelbereich, um welchen die Halterung verdrehbar ist, von 0 Grad bis mindestens 90 Grad, vorzugsweise von 0 bis 360 Grad, vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Koordinaten-Messgerät, ein Inspektionsmikroskop zur Inspektion von Substraten für die Halbleiterindustrie, ein hochauflösendes Mikroskop, ein konfokales Rastermikroskop oder ein doppelkonfokales Rastermikroskop aufweist. Verfahren zum optischen Detektieren eines Objekts mit einer Vorrichtung, wobei die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgebildet ist oder wobei die Vorrichtung mindestens ein Verstellmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist, wobei mit der Detektionseinrichtung (7) ein- und/oder mehrdimensionale Bilddaten des Objekts (2) detektiert und abgespeichert werden, wobei ein Objekt (2) oder ein Teil eines Objekts (2) mindestens zweimal mit der Detektionseinrichtung (7) detektiert wird und wobei die detektierten Bilddaten abgespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Objektdetektionen eine optische Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) um deren optische Achse gedreht und/oder gegenüber der optischen Achse des Strahlengangs (4, 5), in welchem die optische Komponente (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17) angeordnet ist, verkippt und/oder in einer Richtung quer zur optischen Achse translatiert wird, und dass anhand der detektierten Bilddaten der mindestens zwei Objektdetektionen weitergehende Objektinformationen erhöhter Qualität gewonnen werden. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Rekonstruktionsverfahren der digitalen Bildverarbeitung angewendet werden, insbesondere unter Berücksichtigung der experimentell bestimmten optischen Übertragungsfunktion der optischen Komponenten (6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17), insbesondere des Mikroskopobjektivs.






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