Konfokaler mikroskopischer 3D-Lichtschnittsensor

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*DE102012101302B420140515*
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DE 10 2012 101 302 B4 2014.05.15
Patentschrift
(21) Aktenzeichen: 10 2012 101 302.0
(22) Anmeldetag: 17.02.2012
(43) Offenlegungstag: 22.08.2013
(45) Veröffentlichungstag
der Patenterteilung: 15.05.2014
(51) Int Cl.:
G01B 11/25 (2006.01)
G01B 11/24 (2006.01)
Innerhalb von neun Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach § 59 Patentgesetz gegen das Patent
Einspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist ist
eine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten (§ 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu §
2 Abs. 1 Patentkostengesetz).
(73) Patentinhaber:
KoCoS Optical Measurement GmbH, 34497,
Korbach, DE
(74) Vertreter:
Patentanwälte Oehmke und Kollegen, 07743,
Jena, DE
(72) Erfinder:
Geisler, Bernd, Dr., 34497, Korbach, DE
(56) Ermittelter Stand der Technik:
DE 10 2004 057 092
DE 10 2007 024 525
DD
2 86 664
WO
92/ 08 103
(54) Bezeichnung: Konfokaler mikroskopischer 3D-Lichtschnittsensor
(57) Hauptanspruch: Messanordnung zur berührungslosen
Vermessung eines Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objekts, wobei mindestens eine Kamera (7) zur Erfassung eines mit Lichtquellen linienförmig beleuchteten Bereichs des Objekts (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
– mindestens drei Lichtquellen in Form von Linienlasermodulen (2) vorhanden sind,
– drei Linienlasermodule (2) T-förmig zueinander angeordnete Strahlen (3) aufweisen, deren Laserlinien koplanar in einer gemeinsamen Lichtebene (4) eingestellt sind, sodass in
der Lichtebene (4) ein von drei Richtungen gespeister Lichtvorhang vorhanden ist,
– das Objekt (5) mit einem zu vermessenden Oberflächenprofil (6) in die Lichtebene (4) eingeführt ist, sodass die Lichtebene (4) für die Erzeugung einer Lichtschnittdarstellung
des Oberflächenprofils (6) des Objekts (5) ausgebildet ist,
und
– die mindestens eine Kamera (7) zur Aufnahme von mittels der Lichtebene (4) am Oberflächenprofil (6) erzeugtem
Streulicht mit einem in die Lichtebene (4) fokussierten Objektiv (5) ausgestattet ist und einen im Wesentlichen orthogonalen Beobachtungswinkel (α) im Bereich von 85° ≤ α <
90° zur Lichtebene (4) und zum mittleren der T-förmig angeordneten Lasermodule (2) aufweist.
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[0005] Eine Vorrichtung zur Bewertung von Defekten im Randbereich eines Wafers ist in der
DE 10 2007 024 525 A1 beschrieben. Für die automatisch durchführbare Bewertung sind drei Kameras vorgesehen, die die jeweiligen Oberflächen im
Randbereich des Wafers separat in einer Hellfeldanordnung abbilden. Problematisch ist bei der Vollbilderfassung die objektive Defektbewertung und deren
hinreichend genaue Ortsauflösung.
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft eine Messanordnung
zur berührungslosen Vermessung eines Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objekts, wobei
mindestens eine Kamera zur Erfassung eines mit wenigstens einer Lichtquelle linienförmig beleuchteten
Bereichs des Objekts angeordnet ist. Die Erfindung
ist insbesondere zur hochauflösenden Oberflächenanalyse an kleinen Objekten und an ausgewählten
Objektbereichen, insbesondere Kantenbereichen, z.
B. von Wafern, geeignet.
[0006] Die DE 10 2004 057 092 A1 offenbart eine
Einrichtung zum Erfassen des Durchmessers oder
der Querschnittsform von stabförmigen Artikeln der
Tabak verarbeitenden Industrie, bei der mehr als drei
Lichtquellen linienförmiges Licht aussenden und zu
jeder Lichtquelle genau ein Sensor zur Aufnahme des
von der Artikeloberfläche rückgestreuten Lichts vorhanden ist. Dabei erfolgt die Erfassung und Vermessung der Oberfläche nach dem Prinzip der Triangulation unter Verwendung schräg angeordneter PSDSensoren. Nachteilig ist der Aufwand zur Aufnahme
und rechentechnischen Verknüpfung der Messsignale der positionssensitiven PSD-Arrays.
[0002] Für die hochgenaue Vermessung von Objektprofilen haben sich zunehmend berührungslose Messverfahren durchgesetzt. Einen hervorragenden Platz nimmt dabei das Lichtschnittverfahren ein,
bei dem ein Linienprojektor eine möglichst schmale
Lichtlinie auf die Oberfläche eines Objekts projiziert.
Die Projektion der Lichtlinie auf der Objektoberfläche
wird mit einem Bildsensor, der unter einem bekannten Winkel (Triangulationsprinzip) auf den Bereich
der Linienprojektion gerichtet ist, aufgenommen. Anhand der projizierten Lichtlinie kann der dreidimensionale Verlauf der Objektoberfläche aufgenommen
und die genauen Abmessungen des Höhenprofils
des Objekts berechnet werden.
[0007] In der WO 92/08103 A1 ist eine Anordnung
zur optoelektronischen Vermessung von Gegenständen beschrieben, bei der vier aufgeweitete Laserlichtquellen von verschiedenen Seiten auf einen Körper
gerichtet werden, wobei die dadurch erzeugten Laserlinien jeweils separat von einer Kamera erfasst
werden. Die Trennung der möglicherweise überlappenden Laserlinien erfolgt über unterschiedliche Filter vor den Kameras, sodass die polygonalen Einzelbilder der vier Kameras dann in einem Rechner zu
einer Kontur des Körpers geeignet zusammengefügt
werden. Nachteilig hierbei ist die Notwendigkeit einer
Normierung bzw. Skalierung der Abbildungen der Laserlinien sowie der Aufwand an Kameras.
[0003] Eine Oberflächenerfassung mittels des Lichtschnittverfahrens ist in der Offenlegungsschrift
DE 100 64 289 A1 beschrieben. Zur Erhöhung der
Messgenauigkeit, insbesondere an größeren Messobjekten die ein ungünstiges Verhältnis zwischen
einer großen Länge der Lichtlinie und einem kleinen zu detektierenden Höhenunterschied auf der Objektoberfläche aufweisen, wird hier eine Optik mit
in horizontaler und vertikaler Richtung unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben verwendet, sodass eine Streckung bzw. Stauchung des Bildbereichs zur
Verbesserung des Abbildungsverhältnisses erfolgen
kann. Es ist anzunehmen, dass zum Erreichen eines
mit wenigen optischen Fehlern behafteten optischen
Aufbaus ein entsprechender Aufwand erforderlich ist,
der dazu auch nur bei größeren zu vermessenden
Objekten sinnvoll erscheint. Zur hochgenauen Vermessung kleinerer Objekte oder Objektabschnitte erscheint dieses Vorgehen nicht praktikabel.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur berührungslosen Vermessung eines Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objekts zu finden, die eine hohe Genauigkeit und eine
hohe räumliche Auflösung gestattet.
[0009] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Messanordnung zur berührungslosen Vermessung eines Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objekts, wobei mindestens eine Kamera zur Erfassung eines mit Lichtquellen linienförmig beleuchteten Bereichs des Objekts angeordnet ist, dadurch
gelöst, dass mindestens drei Lichtquellen in Form
von Linienlasermodulen vorhanden sind, dass drei
Linienlasermodule T-förmig zueinander angeordnete Strahlen aufweisen, deren Laserlinien koplanar in
einer gemeinsamen Lichtebene eingestellt sind, sodass in der Lichtebene ein von drei Richtungen gespeister Lichtvorhang vorhanden ist, dass das Objekt
mit einem zu vermessenden Oberflächenprofil in die
Lichtebene eingeführt ist, sodass die Lichtebene für
[0004] Des Weiteren ist aus der DD 286 664 A5
ein Verfahren zur optischen Profilabtastung von
Schweißnahtfugen bekannt geworden, das nach dem
üblichen Lichtschnittprinzip arbeitet, wobei wenigstens zwei Lichtstreifen nacheinander erzeugt und mit
ein und derselben Aufnahmeeinrichtung aufgenommen werden. Nachteile ergeben sich vor allem bei der
Verknüpfung der beiden nicht zeitgleich aufgenommenen Bilder aufgrund der notwendigen Normierung
und Skalierung.
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die Erzeugung einer des Oberflächenprofils des Objekts ausgebildet ist, und dass die mindestens eine
Kamera zur Aufnahme von mittels der Lichtebene am
Oberflächenprofil erzeugtem Streulicht mit einem in
die Lichtebene fokussierten Objektiv ausgestattet ist
und einen im Wesentlichen orthogonalen Beobachtungswinkel α im Bereich von 85°≤ α < 90° zur Lichtebene und zum mittleren der T-förmig angeordneten
Lasermodule aufweist.
setzt. Es ist aber auch möglich, andere Filter oder Filterkombinationen zu verwenden, mit denen der Einfluss von Störquellen reduziert werden kann.
[0017] In einer bevorzugten Realisierungsform der
Erfindung handelt es sich bei dem zu analysierenden
Oberflächenprofil um das Kantenprofil im peripheren
Randbereich eines Halbleiter-Wafers.
[0018] Die Erfindung wird nachstehend anhand
eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die
Zeichnung zeigt:
[0010] In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die
Messanordnung Linienlasermodule mit einer individuellen Leistungsregelung zur Beeinflussung der regionalen Lichtstärke in der Lichtebene auf.
[0019] Fig. 1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Messanordnung in einer perspektivischen Ansicht und einer Draufsicht,
[0011] Zweckmäßig weisen die nahezu T-förmig zueinander angeordneten Strahlen der Linienlasermodule einen Winkel zueinander auf, der wie der Beobachtungswinkel α der zur Lichtebene und zum mittleren der T-förmig angeordneten Strahlen positionierten mindestens einen Kamera im Bereich von 85° ≤
α < 90° liegt.
[0020] Fig. 2: eine schematische Darstellung der
Messanordnung bei Verwendung von mehreren Kameras.
[0021] Eine Messanordnung 1, die in Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht (obere Darstellung) und
einer Draufsicht (untere Darstellung) gezeigt ist, besteht aus einer T-förmigen Anordnung dreier Linienlasermodule 2, die mit ihren linienförmig emittierten
Strahlen 3 einen Lichtvorhang erzeugen, sowie einer ersten Kamera 7, die eine durch die Linienlasermodule 2 gemeinschaftlich beleuchtete Profillinie eines Objekts 5 aufnimmt. Dazu sind die Linienlasermodule 2 so angeordnet, dass zu einem ersten mittleren Linienlasermodul 2 zwei weitere Linienlasermodule 2 annähernd senkrecht ausgerichtet sind, sodass auf einen zentralen Raumbereich, in dem die
Profilmessung stattfinden soll, die erzeugten linienförmigen Strahlen 3 aller Linienlasermodule 2 koplanar, d. h. in einer gemeinsamen Lichtebene 4 liegend,
ausgerichtet sind. Ein Strahl 3 des mittleren der T-förmig angeordneten Linienlasermodule 2 wird dabei als
ein Referenzstrahl betrachtet. Die Strahlen 3 der zwei
weiteren Linienlasermodule 2 sind beidseitig zum Referenzstrahl orthogonal oder in einem leicht von 90°
abweichenden Winkel angeordnet. Dadurch entsteht
ein Lichtvorhang, der durch die linienförmigen Strahlen 3 aus drei unterschiedlichen Richtungen in der
Lichtebene 4 aufgespannt wird.
[0012] Weiterhin ist es zur Maximierung der Streulichtausbeute zweckmäßig, dass das Objektiv der
mindestens einen Kamera einen in Abhängigkeit
von der Oberflächenform des Objekts außerhalb der
Lichtebene kleinstmöglichen Arbeitsabstand zu dem
von einer zusammengesetzt projizierten Laserlinie
beleuchteten Oberflächenprofil des Objekts aufweist
und konfokal zu den Linienlasermodulen angeordnet
ist.
[0013] In einer vorteilhaften Variante der Erfindung
sind mehrere Kameras mit Mikroskopobjektiven zur
Aufnahme des mittels der Laserlinien in der Lichtebene am Oberflächenprofil erzeugten Streulichts angeordnet, wobei alle Kameras zu den Linienlasermodulen im Bereich des in der Lichtebene beleuchteten
Oberflächenprofils eine konfokale Anordnung aufweisen.
[0014] In einer speziellen Ausführung sind bis zu
vier Kameras mit Mikroskopobjektiven simultan eingesetzt, wobei die Kameras unter solchen Winkeln
angeordnet sind, dass auch bei hochreflexiven Oberflächen direkte Reflexionen der Strahlen der Linienlasermodule am Oberflächenprofil des Objekts nicht
in die jeweilige Eintrittsapertur der Kameras gelangen
können.
[0022] An dem in die Lichtebene 4 eingeführten Objekt 5, von dem ein signifikanter Bereich eines Objektquerschnitts, insbesondere ein Spitzen- oder Kantenbereich, vermessen werden soll, wird durch die Linienlasermodule 2 in der Lichtebene 4 eine Laserlinie
auf ein Oberflächenprofil 6 projiziert, die ca. 20 μm
breit und genau genommen aus drei einzelnen, ca.
90° zueinander versetzt koplanar eingestrahlten linienförmigen Strahlen 3 zusammengesetzt ist. Damit
wird aus drei unabhängigen Raumrichtungen ein das
zu vermessende Oberflächenprofil 6 von drei Seiten
umschließender Lichtvorhang erzeugt, in den von einer vierten Richtung, die zur Richtung des Strahls 3
[0015] Vorteilhaft weisen die das Objekt beleuchtenden Linienlasermodule eine an den Schärfentiefenbereich des Objektivs angepasste Laserlinienbreite
auf.
[0016] Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses werden zweckmäßig auf die verwendete
Laserwellenlänge der Linienlasermodule abgestimmte Linien-Interferenzfilter vor den Kameras einge-
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des ersten Linienlasermoduls 2 entgegengesetzt ist,
das interessierende Oberflächenprofil 6 eintaucht.
ten Linienlasermodul 2 zu beleuchten, Um bei einem
einzelnen Linienlasermodul 2 einen möglichst großen Bereich des Oberflächenprofils 6 zu beleuchten,
entspricht dessen Position genau der Position des,
bei drei verwendeten Linienlasermodulen 2 als Referenzstrahl verwendeten, mittleren Linienlasermoduls
2. Bei der Verwendung von zwei Linienlasermodulen 2 ist eine Anordnung sinnvoll, wie sie bei der für
drei Linienlasermodule 2 beschriebenen Anordnung
für die zwei weiteren Linienlasermodule 2 vorgesehen ist, wobei in diesem Fall die symmetrische Anordnung der zwei Linienlasermodule 2 in der Lichtebene
4 mit einem Winkel von etwa 90° zueinender erfolgt.
[0023] Die Messanordnung 1 ist prinzipiell für alle
Objekte 5 geeignet, deren Oberflächenprofile 6 mindestens stückweise in den Lichtvorhang einführbar
sind und keine stark ausgeprägten Hinterschneidungen aufweisen, die zu einer Abschattung des von der
Laserlinie erzeugten Streulichts führen könnten.
[0024] Eine von den Linienlasermodule 2 in der
Lichtebene 4 gemeinschaftlich am Oberflächenprofil 6 beleuchtete Laserlinie erzeugt neben direkt reflektiertem Licht auch von der Objektoberfläche ausgehendes Streulicht. Ausschließlich dieses Streulicht
wird mittels einer ersten Kamera 7 detektiert, die nahezu orthogonal zur Lichtebene 4 angeordnet ist und
folglich kein direkt reflektiertes Licht des Oberflächenprofils 6 aufnehmen kann. Abgebildet wird dabei eine
in der Lichtebene 4 durch Streulicht am Oberflächenprofil 6 des Objekts 5 erzeugte Profillinie, die infolge
einer Bewegung des Objekts 5 durch den Lichtvorhang der Lichtebene 4 hindurch eine sukzessive Aufnahme des Oberflächenprofils 6, z. B. entlang eines
Objektkantenbereichs, gestattet.
[0029] Die Aufnahme des Streulichts der in der Lichtebene 4 von den Linienlasermodulen 2 erzeugten Laserlinie erfolgt über ein mit einer ersten Kamera 7
verbundenes Objektiv, dessen optische Achse 9 auf
die am Objekt 5 durch den Referenzstrahl des mittleren Linienlasermoduls 2 erzeugten Laserlinie gerichtet und in einem Beobachtungswinkel α nahe 90° (Toleranz: –5°) zum Referenzstrahl und zur Lichtebene
4 angeordnet ist. Diese Anordnung aus Linienlasermodulen 2 und der ersten Kamera 7 bildet einen konfokalen mikroskopischen 3D-Lichtschnittsensor und
gestattet von den meisten Oberflächenbereichen eine nahezu verzeichnungsfreie Darstellung des kompletten Oberflächenprofils 6 in einer einzigen Aufnahme des Streulichts, ohne dass eine Überlagerung von
Aufnahmen weiterer räumlich verteilter Kameras benötigt wird. Unter konfokaler Anordnung soll hier verstanden werden, dass sich die auf das Oberflächenprofil 6 des Objekts 5 geworfenen Laserlinien jeweils
im gewählten Arbeitsabstand innerhalb des Schärfentiefenbereichs des Objektivs der ersten Kamera 7
befinden.
[0025] Anstelle von Linienlasermodulen 2 können
auch andere Lichtquellen verwendet werden, mit denen sich jeweils eine scharf abgegrenzte Linie mit einer Breite von maximal 20 μm und ausreichender Intensität auf dem Oberflächenprofil 6 des Objekts 5 erzeugen lässt.
[0026] Durch eine individuelle Leistungsregelung
der einzelnen Linienlasermodule 2 kann die regionale Stärke der resultierenden Laserlinie auf dem Objekt 5 in weiten Bereichen eingestellt werden, sodass
sich für Ober- und Unterseite sowie Kantenfläche unterschiedliche Streulichtstärken erzielen lassen bzw.
Helligkeitsunterschiede kompensiert werden können.
Durch das Detektieren des Streulichts der Laserlinie kann, entsprechend dem Vorgehen bei bekannten Lichtschnittverfahren, eine vereinfachte Analyse
des Oberflächenprofils 6 erreicht werden.
[0030] Als für die verwendeten Objektive (Mikroobjektive) besonders vorteilhaft kann ein Beobachtungswinkel α von 88° zwischen optischer Achse 9
des Objektivs der ersten Kamera 7 und der Lichtebene 4 angesehen werden, da unter diesem Beobachtungswinkel α störende Lichtreflexe weitestgehend
ausgeschlossen werden können.
[0027] In Abhängigkeit vom zu vermessenden Oberflächenprofil 6 besteht außerdem die Möglichkeit,
auch mehr als drei in der Lichtebene 4 angeordnete Linienlasermodule 2 zur Erzeugung der Laserlinie zu verwenden. Dadurch kann eine weitere Steigerung der Intensität des Streulichts der resultierenden Laserlinie und, insbesondere bei unterschiedlichen scharfen Kanten im Oberflächenprofil 6, eine
homogenere Laserlinie erreicht werden.
[0031] Die erste Kamera 7 ist zu den Linienlasermodulen 2 bezüglich der durch die Lichtebene 4
am Oberflächenprofil 6 erzeugten Laserlinie konfokal angeordnet. Der durch die Linienlasermodule 2
gemeinschaftlich erzeugte Lichtvorhang weist dabei
eine an die Schärfentiefe des Objektivs der ersten
Kamera 7 angepasste Breite auf. Durch einen kurzen Arbeitsabstand der ersten Kamera 7 kann eine hohe Streulichtausbeute erreicht werden. Die Beschränkung des Abbildungsbereichs auf den Bereich
der Schärfentiefe des Objektivs bzw. die beim Lichtschnittverfahren prinzipbedingte Beschränkung des
Bilderfassungsbereichs auf den von der Laserlinie
beleuchteten, nur ca. 20 μm breiten, beleuchteten Bereich des Objekts 5 schließt den Einfluss von Fremd-
[0028] Bei geometrisch besonders einfach gestalteten, den Strahl 3 gut streuenden Oberflächenprofilen 6 kann es auch ausreichend sein, das Oberflächenprofil 6 mit nur zwei oder auch mit nur einem
entsprechend zum Oberflächenprofil 6 ausgerichte-
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licht weitestgehend aus und gewährleistet zusammen mit dem Auflösungsvermögen der ersten Kamera 7 (Objektiv und Kamerachip) das hohe räumliche
Auflösungsvermögen der Messanordnung.
intensität und somit eine bessere Streulichtausbeute
bei der Erfassung des Streulichts zu erreichen.
[0036] Durch die Verwendung von HDR-Kameras
mit hohem Dynamikumfang (HDR = High Dynamic
Range) kann eine deutliche Erweiterung des Spektrums an zu vermessenden Objekten 5, z. B. Objekte
5 mit spiegelnden Oberflächen, erreicht werden. Außerdem kann mit den HDR-Kameras die Erfassung
von stark streuenden Störstellen, wie beispielweise
Partikeln oder Defekten, nochmals verbessert werden.
[0032] Durch die Verwendung spezieller Mikroskopobjektive (z. B. ZEISS EPIPLANNEOFLUAR), bei
denen durch eine kompakte Bauform kürzestmögliche Arbeitsabstände erreicht werden, lässt sich die
Streulichtausbeute weiter maximieren. Mit diesen Mikroskopobjektiven kann ein Bilderfassungsbereich
mit einem Durchmesser von etwa 100 bis 1000 μm
abgedeckt werden.
[0037] Durch den Einsatz von auf die Laserwellenlänge abgestimmten Linieninterferenzfiltern kann die
eine Einwirkung von Fremdlicht (Tageslicht, Raumbeleuchtung) noch weiter vermindert werden, wodurch sich das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Erfassung des von der Laserlinie ausgehenden Streulichts verbessern lässt.
[0033] Durch die kompakte Bauform können mit den
Mikroskopobjektiven außerdem bis zu drei weitere
Kameras 8a, 8b, ... simultan zur ersten Kamera 7
eingesetzt werden, die bei besonders ausgeformten
Oberflächenprofilen 6 eine Aufnahme des Streulichts
aus unterschiedlichen Perspektiven ermöglichen. Eine solche Ausführung der Erfindung ist in Fig. 2 mit
zwei weiteren Kameras 8a und 8b gezeigt, wobei die
Kameras 8a und 8b ebenfalls lateral zur Lichtebene 4
und annähernd orthogonal zum mittleren Linienlasermodul 2 angeordnet sind. Im Unterschied zur ersten
Kamera 7 sind diese aber oberhalb und unterhalb eines Kantenverlaufs vom zu vermessenden Oberflächenprofil 6 des Objekts 5 angebracht. Dadurch ist eine weitere Verkürzung des Arbeitsabstandes im Vergleich zur ersten Kamera 7 möglich.
[0038] Zur Kompensation des Telezentriefehlers der
Mikroskopobjektive der Kameras 7, 8a und 8b wird
vorzugsweise ein rechtwinkliges Kalibriernormal verwendet. Dazu wird ein Bild des Kalibriernormals aufgenommen und die Abweichung des rechten Winkels
ermittelt. Aus dieser Abweichung kann ein Korrekturfaktor gebildet werden, mit dem der Telezentriefehler
des jeweiligen Mikroskopobjektivs in linearer Näherung kompensiert werden kann.
[0039] Ferner ist für die Mikroskopobjektive eine Kalibrierfunktion vorgesehen, bei der das optische System über einen im Bild eingeblendeten Messbalken
auf ein Kalibriernormal abgestimmt werden kann. Mit
der Kalibrierfunktion kann ein genauer und reproduzierbarer Arbeitsabstand eingestellt werden.
[0034] Durch die sich überlappenden Bilderfassungsbereiche der ersten Kamera 7 und der weiteren
Kameras 8a und 8b kann die aus den drei linienförmig emittierten Strahlen 3 erzeugte Laserlinie separat
in mehreren Teilbereichen aufgenommen und die erzeugten Einzelaufnahmen der Laserlinie durch Überlagerung zu einem optimalen Bild kombiniert werden.
Dazu wird zunächst die Verzeichnung, die sich aus
dem bekannten Erfassungswinkel der weiteren Kameras 8a, 8b, ... in Relation zur ersten Kamera 7 ergibt, mathematisch korrigiert und anschließend die
einzeln aufgenommenen und korrigierten Linienanteile mittels eines Algorithmus zur Profillinie kombiniert. Bei der Untersuchung des Oberflächenprofils
6 eines Randbereichs eines dünnen, flächig ausgedehnten Objekts 5, kann die in der Ebene des Objekts
5 angeordnete erste Kamera 7 nicht in jedem Fall (z.
B. bei Hinterschneidungen) die Ober- und Unterseite des Objekts 5 erfassen. Hier erweist sich z. B. die
Anordnung von zwei weiteren Kameras 8a und 8b,
die jeweils unter einem Erfassungswinkel von 45° zur
Ober- und Unterseite des Objekts 5 auf die Laserlinie gerichtet sind, als sinnvolle Ergänzung zur ersten
Kamera 7.
[0040] In der beschriebenen bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Messanordnung werden die Mikroskopobjektive zur Vermessung von
Oberflächenprofilen 6 eines Halbleiter-Wafers als
Objekt 5 verwendet. Dazu ist der um seine Symmetrieachse rotierbare Halbleiter-Wafer orthogonal zur
Lichtebene 4 angeordnet und ragt mit einem Randbereich in die Lichtebene 4, sodass im peripheren
Randbereich des Halbleiter-Wafers, der in Fig. 1 als
Ausschnitt des Objekts 5 stilisiert dargestellt ist, das
Oberflächenprofil 6 ausschließlich in der umgebenden Lichtebene 4 beleuchtet wird. Die optische Achse 9 des das Streulicht erfassenden Mikroskopobjektivs der Kamera 7 ist in der Ebene des Halbleiter-Wafers 5 unter einem von 90° abweichenden Beobachtungswinkel α von 88° zum Referenzstrahl und zur
Lichtebene 4 angeordnet. Dadurch werden störende
Lichtreflexe weitestgehend ausgeschlossen.
[0035] In einer bevorzugten Ausführung der Messanordnung 1 werden zur Erzeugung der Lichtebene
4 Linienlasermodule 2 mit kurzen Wellenlängen (z. B.
405 nm) verwendet, um dadurch eine höhere Streu-
[0041] Weiterhin kann bei dieser Anordnung der
ersten Kamera 7 (und ggf. weiterer Kameras 8a,
8b, ...) eine lokale Erfassung und Korrektur der Wa-
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fer-Durchbiegung erfolgen und eine weitestgehende
Unempfindlichkeit gegenüber Exzentrizität des rotierten Halbleiter-Wafers in der Lichtebene 4 erreicht
werden. Beides wird in einem Softwarealgorithmus
korrigiert, indem die senkrechte Achse des Koordinatensystems zur Waferaußenkante ausgerichtet wird.
mittleren der T-förmig angeordneten Strahlen (3) positionierten mindestens einen Kamera (7) im Bereich
von 85° ≤ α < 90° liegt.
4. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Maximierung der Streulichtausbeute das Objektiv der mindestens einen ersten
Kamera (7) einen in Abhängigkeit von der Oberflächenform des Objekts (5) außerhalb der Lichtebene (4) kleinstmöglichen Arbeitsabstand zu dem von
einer zusammengesetzt projizierten Laserlinie beleuchteten Oberflächenprofil (6) des Objekts (5) aufweist und konfokal zu den Linienlasermodulen (2) angeordnet ist.
Bezugszeichenliste
1
2
3
4
5
6
7
8a, 8b
9
α
Messanordnung
Linienlasermodul
Strahl
Lichtebene
Objekt
Oberflächenprofil
(erste) Kamera
weitere Kamera
optische Achse
Beobachtungswinkel
5. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kameras (7, 8a, 8b) mit
Mikroskopobjektiven zur Aufnahme des mittels der
Laserlinien in der Lichtebene (4) am Oberflächenprofil (6) erzeugten Streulichts angeordnet sind, wobei
alle Kameras (7, 8a, 8b, ...) zu den Linienlasermodulen (2) im Bereich des in der Lichtebene (4) beleuchteten Oberflächenprofils (6) eine konfokale Anordnung aufweisen.
Patentansprüche
1. Messanordnung zur berührungslosen Vermessung eines Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objekts, wobei mindestens eine Kamera (7)
zur Erfassung eines mit Lichtquellen linienförmig beleuchteten Bereichs des Objekts (5) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– mindestens drei Lichtquellen in Form von Linienlasermodulen (2) vorhanden sind,
– drei Linienlasermodule (2) T-förmig zueinander angeordnete Strahlen (3) aufweisen, deren Laserlinien
koplanar in einer gemeinsamen Lichtebene (4) eingestellt sind, sodass in der Lichtebene (4) ein von drei
Richtungen gespeister Lichtvorhang vorhanden ist,
– das Objekt (5) mit einem zu vermessenden Oberflächenprofil (6) in die Lichtebene (4) eingeführt ist, sodass die Lichtebene (4) für die Erzeugung einer Lichtschnittdarstellung des Oberflächenprofils (6) des Objekts (5) ausgebildet ist, und
– die mindestens eine Kamera (7) zur Aufnahme von
mittels der Lichtebene (4) am Oberflächenprofil (6) erzeugtem Streulicht mit einem in die Lichtebene (4) fokussierten Objektiv (5) ausgestattet ist und einen im
Wesentlichen orthogonalen Beobachtungswinkel (α)
im Bereich von 85° ≤ α < 90° zur Lichtebene (4) und
zum mittleren der T-förmig angeordneten Lasermodule (2) aufweist.
6. Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass bis zu vier Kameras (7, 8a,
8b, ...) mit Mikroskopobjektiven simultan verwendbar
sind, wobei die Kameras (7, 8a, 8b, ...) unter solchen
Winkeln angeordnet sind, dass auch bei hochreflexiven Oberflächen direkte Reflexionen der Strahlen (3)
der Linienlasermodule (2) am Oberflächenprofil (6)
des Objekts (5) nicht in die jeweilige Eintrittsapertur
der Kameras (7, 8a, 8b, ...) gelangen können.
7. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Objekt (5) beleuchtenden Linienlasermodule (2) eine an den Schärfentiefenbereich des Objektivs angepasste Laserlinienbreite aufweisen.
8. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass auf die verwendete Laserwellenlänge der Linienlasermodule (2) abgestimmte Linien-Interferenzfilter zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses vor den Kameras (7, 8a,
8b, ...) eingesetzt sind.
9. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu analysierende Oberflächenprofil (6) das Kantenprofil im peripheren Randbereich eines Halbleiter-Wafers ist.
2. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linienlasermodule (2) eine
individuelle Leistungsregelung zur Beeinflussung der
regionalen Lichtstärke in der Lichtebene (4) aufweisen.
Es folgen 2 Seiten Zeichnungen
3. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die T-förmig zueinander angeordneten Strahlen (3) der Linienlasermodule (2) einen Winkel zueinander aufweisen, der wie der Beobachtungswinkel (α) der zur Lichtebene (4) und zum
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Anhängende Zeichnungen
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