Hardware Laser-Autofokus-Systeme für die Material

Mikroskopie
Hardware Laser-Autofokus-Systeme
für die Material-Mikroskopie
Christopher Steele, Prior Scientific Instruments Ltd. Cambridge, Großbritannien
Thomas Freda, Prior Scientific Instruments Inc., Rockland, USA
Holger Ruchatz, Prior Scientific Instruments GmbH, Jena, Germany
Die genaue und schnelle Fokussierung von Proben über einen weiten XY
Verfahrweg ist ein zentrales Problem in der industriellen Mikroskopie, z.B. bei
der Inspektion von Wafern, Schleifproben oder anderen Präparaten. Neben der
prinzipiellen Problematik der Autofokussierung werden hier Vor- und Nachteile von
Soft- und Hardwarefokuseinrichtungen gegenübergestellt und das Prinzip eines
neuentwickelten Hardware-Laserautofokus wird anhand eines Beispiels verdeutlicht.
Das akkurate und wiederholte Fokussieren
der Probenoberfläche steht im Mittelpunkt
aller Mikroskopie-Anwendungen. Für korrekte Messungen und Analysen muss sich
das Objektiv des Mikroskops im richtigen
Abstand zur Probe befinden, also in der
Position, die gemeinhin als „Fokusposition“ bezeichnet wird. Jedoch können die
Proben durch thermische Drift, unebene
Oberfläche sowie Unregelmäßigkeiten auf
den Objekttischen immer wieder aus dem
Fokus rücken. Für viele industrielle Anwendungen, wie Oberflächenprüfungen von
Laufwerken, gemusterter oder ungemusterter Wafer, Inspektionen und Reparaturen von TFT-Arrays sowie Prüfung von
Lithographie-Masken und Leiterplatten,
soll ein Laser-Fokus-System das präzise
Fokussieren gewährleisten.
Software- oder
Hardware-Autofokus
Inspektionen in der industriellen Fertigung und Forschung erfolgen üblicherweise mit hoher Geschwindigkeit und
erfordern ein ebenso schnell arbeitendes Fokus-System. Die automatische
Einstellung der optimalen Fokusposition
der Probe innerhalb der Brennweite des
Objektivs kann mittels Software- oder
Hardware-Autofokus realisiert werden.
Allgemein gilt, dass mit zunehmender Vergrößerungsstärke und numerischer Apertur (NA) des Objektivs die Schärfentiefe1
abnimmt. Bei einem typischen Objektiv
mit 5-facher Vergrößerung und 0,15 NA
beträgt die Schärfentiefe ca. 24 μm. Dies
1
Bereich, in dem die Probe im Fokus erscheint
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Bild 1:
Motorisiertes
Mikroskop mit
eingesetzter Laserfokuseinrichtung
zwischen Stativ
und Okularkopf
kann bei vielen Systemen mit gutem motorisiertem Objekttisch mit entsprechend
hoher XY-Führungsgenauigkeit noch über
die Z-Achsensteuerung eingestellt werden.
Allerdings verringert sich bei 10x 0,30 NA
Objektiven die Schärfentiefe bereits auf
6,0 μm und bei 50x 0,80 NA Objektiven
auf nur noch 0,69 μm. Für stärkere Vergrößerungen wird also ein automatisiertes
Fokus-System erforderlich, um die Probe im
Fokus zu halten.
Die meisten Digitalkameras und Bildanalyseprogramme sind mit automatischen
Fokus-Systemen ausgestattet, die den
Fokus mit Hilfe von Histogramm- oder
Kontrast-Algorithmen bestimmen. Solche
Systeme funktionieren gut für Proben
mit hohem Kontrast. Weil sie auf das
tatsächliche Bild fokussieren, sie sind aber
gänzlich ungeeignet bei Proben mit sehr
wenigen Merkmalen, wie poliertem Glas
oder ungemusterten Halbleiter-Wafern.
Bei sehr schnell arbeitenden Mikroskopen
wirken sie jedoch schwerfällig, weil sie
nicht scannen, solange die Probe in Bewegung ist; Hier ist außerdem ein Fokusmechanismus erforderlich, bei dem ein
Fokusbereich solange abgetastet wird, bis
die optimale Position gefunden ist. Dies
kann längere Zeit in Anspruch nehmen
und kommt daher für High-Speed-Scans
meist nicht in Frage.
Fokus-Systeme mit Laser-Triangulation halten die optische Einheit sehr effektiv stets in
einem bestimmten Abstand von der Probe.
Diese Systeme arbeiten meist sehr akkurat
mit Auflösungen bis in den Nanometerbereich. Der Nachteil dieser Systeme ist, dass
sie nicht mit Objektiven kombiniert werden
können und daher separiert vom tatsächlichen Analysebereich eingesetzt werden
müssen. Somit muss vor dem Scannen
zunächst zeitaufwändig die Z-Ebene der
Probe abgebildet werden.
Mikroskopie
690 nm Wellenlänge. Prinzipiell wären
hier auch andere Wellenlängen
denkbar, erfordern
jedoch ggf. eine
andere Zertifizierung des Gerätes.
Durch ein optisches
Messer wird der
halbe Laserstrahl
abgedeckt,
die
andere Hälfte des
Laserstrahls wird
von einer Linse kollimiert und verläuft
Bild 2: Prinzipieller Aufbau eines Hardware-Laserfokus Sys- entlang der optitems mit Strahlengang des Lasers von der Lichtquelle über schen Achse des
Mikroskops, nachdie Probe zum Sensor.
dem es von einem
im
45 °-Winkel
Hardware-Autofokuseinrichtungen angeordneten dichroitischen Filter senkrecht nach unten reflektiert wurde. Diemit TTL Steuerung
ser Filter spiegelt das tiefrote Laserlicht,
während das Licht des übrigen sichtbaren
Für flache, reflektierende Proben mit klar
Spektrums transmittiert wird. Das koldefinierter Oberfläche ist ein Fokus-Syslimierte Licht passiert die Objektivlinse
tem, welches mit Pulsen definierter Stärke
und wird auf einen Punkt auf der Probe
und Länge (TTL-Transistor-Transistor-Logic)
gebündelt. Dieser Punkt auf der Probe
gesteuert werden kann, die ideale Lösung.
befindet sich im selben Fokus wie das
Durch den stetigen, exakten Abstand zwirestliche durch das Objektiv fallende Licht
schen Probenoberfläche und Objektivlinse
und somit im Fokus des Objektivs.
wird der optimale Fokus gehalten. NeuDurch Abdecken des halben Laserstrahls wird
artige Laser-Fokus Systeme lassen sich
die optische Symmetrie des Lasers verändert,
mit praktisch jedem unendlich korrigierso dass eine Triangulierung möglich wird.
ten Objektiv einsetzen und ermöglichen
Gerät die Probe aus dem Fokus, kommt es
schnelles und akkurates Fokussieren der
zu einer Änderung des Reflexionswinkels
verschiedensten reflektierenden Proben.
des Lasers an der Probe. Diese Verschiebung
So wird beim Scannen einer vorwiegend
ist am Sensor messbar.
spiegelnden Oberfläche der optimale
Das reflektierte Laserlicht gelangt zurück
Fokus gehalten. Nach erfolgter Einsteldurch das Objektiv auf einen Strahlenteiler,
lung kann die Probe unter dem Objektiv
der einen Teil auf einen Dual-Sensor
bewegt werden, ohne dass der exakte
(bestehend aus Sensor A und Sensor B)
Fokusabstand verloren geht. Der gesamte
reflektiert. Die Spotposition kann durch
Vorgang ist vollautomatisch. Das S/N-Verdie Formel (A-B)/(A+B) ausgedrückt
hältnis des Systems wird durch Objektive
werden. Zum Halten des optimalen Fokus
mit höherer NA verbessert. Damit ist der
muss die Position des Laserspots als
Laserfokus bei Vergrößerungen von 10x
Zielposition eingestellt wenn auf die Probe
und höher sehr viel effizienter.
vor Beginn des Scannens fokussiert wird
Ein solches System sollte idealerweise als
und ein Signal ausgegeben werden, das
Baugruppe in den Bereich des kollimierdann einen Fokussierungsmechanismus
ten Lichts eines aufrechten Mikroskops,
auslöst, über den wiederum der optimale
also zwischen Objektiv- und Tubuslinse,
Fokus gehalten wird.
eingesetzt werden. Da die Tubuslinse bei
Ein in das Fokussystem integrierter Mikroden meisten aufrechten Mikroskopen Teil
kontroller steuert anhand der Parameter
des Binokularansatzes ist, lässt sich die
eines PID-(Proportional-Integral-DifferenLasereinheit zwischen den Objektiven und
tial) Reglers die Einstellung für den
dem Mikroskopkopf montieren solange
optimalen Fokus. Das Signal wird jede
die Optik des Gerätes unendlich korriMikrosekunde erneuert und kann für
giert ist. Das Fokusmodul wird einfach
schnellste Systemreaktionen an einen
zwischen das Mikroskopstativ und die
mechanischen Fokus-Mechanismus, wie
Auflichtbeleuchtung gesetzt (Bild 1).
einen Piezo-Z-Tisch, gesendet werden.
Bild 2 zeigt den Strahlenverlauf im Innern
Solche Piezo-Systeme verfügen über
einer Laserfokus-Einrichtung. Die Lichtqueleinen
Analogspannungsausgang
für
le ist eine tiefrote Halbleiter-Laserdiode mit
einen Einstellbereich zwischen -10 V und
+10 V. Zudem kann über TTL-Impuls- und
Richtungsausgänge ein Schrittantrieb
zur Feinfokussierung des Mikroskops
angeschlossen werden. Dank dieser
Funktionalität gelingt auch das Fokussieren
von bewegten Proben. Außerdem kann zur
Stabilisierung der Fokusposition für Proben
mit mehreren Fokusebenen noch eine tote
Zone eingestellt werden, innerhalb der nur
eine Fokusposition gehalten wird.
Ein solcher Aufbau stellt eine in sich autarke Fokussiereinheit dar, die vollständig als
geschlossenes Rückkoppelsystem arbeitet,
sobald sie einmal für die Probe optimal eingestellt ist. Die initiale Einstellung erfolgt
über eine RS-232-Schnittstelle und optional eine Hardwaresteuerung mit Tasten
für die Einstellungen einzelner Objektive.
Verschiedene PID-Einstellungen und FokusZielpositionen können für eine Vielzahl verschiedener Objektive gespeichert und über
die Steuerung oder die RS-232-Schnittstelle
problemlos geändert werden.
Abhängig von der Art der Probe und der
Aufgabenstellung für die Fokussierung,
z.B. bei starker Strukturierung und relativ
zur durchschnittlichen Probenhöhe stark
abweichende Tiefen oder Höhen sollte
die Form des Lasersignals einstellbar sein.
Dadurch kann über ein bestimmtes Höhenprofil gemittelt werden. Mittels zusätzlicher
Linsen kann gerade bei Proben mit Spotdefekten oder für Wafer mit Strukturen ein
Linienspot erzeugt werden. Dadurch wird
entlang dieser Linie der Höhendurchschnitt
gebildet. Sowohl Laserspot als auch -linie
können optimal eingesetzt werden, wenn
die Probe sich zwischen den Bildaufnahmefeldern bewegt – die Daten werden
konstant gelesen und der Fokus dementsprechend angepasst.
Sobald der Objekttisch also im Analysebereich anhält, befindet sich die Probe bereits
an der richtigen Stelle und die Analyse bzw.
Bildverarbeitung kann sofort beginnen.
Laser-Fokus-Systeme mit einer TTLFokussierung eignen sich aufgrund ihrer
Geschwindigkeit, Präzision und Wiederholgenauigkeit für viele kritische Inspektionsund Reparatureinsätze.
Kontakt:
Holger Ruchatz
Prior Scientific
Instruments GmbH
Wildenbruchstr. 15
07751 Jena
Tel.: 03641 / 675 650
Fax: 03641 / 675 651
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