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1. WO2006021205 - VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER FORM EINER OBERFLÄCHENTOPOLOGIE EINES MESSOBJEKTES

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Form einer
Oberflachentopologie eines Messobjektes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, Verwendungen gemäß Anspruch 20 und ein
Verfahren gemäß 21.

Für die Fertigungsprozesse von Mikrosystemen ist es
notwendig, online die Qualität schnell und zuverlässig zu kontrollieren. Beispielsweise ist es beim Plasmaätzen
notwendig, den absoluten Ätzabtrag an beliebig ausgewählten Orten genau zu messen und die Qualität geätzter Profile mit Dimensionen der Größenordnung 200 - 1000 nm im Prozessverlauf zu bewerten. Beim Heißprägen und beim Mikrospritzguss kommt es z.B. bei der Fertigung von Chips mit Kanälen für die
Mikrofluidik in typischen Taktzeiten von 15 s pro Chip darauf an, die Mikrostrukturen auf diesen Chips einer Sofort-Kontrolle zu unterziehen. Flexibel einsetzbare 3D-Messtechniken werden heute auch bei der Herstellung von präzisen Werkzeugen für die Fertigung mikrosystemtechnischer Komponenten gebraucht. Gerade für die Validierung von
Produktionsprozessen mit hohen Stückzahlen wäre ein
verfügbares Messsystem ein großer Gewinn, um Aussagen über die Qualität des Prozesses und des späteren Produktes
einschließlich Ausschussraten treffen zu können.
Durch Einsatz der 3D-Messtechnik lassen sich bessere, auf den Anwendungsfall zugeschnittene reproduzierbare Mikrostrukturen erzeugen. Beim Spritzgießen oder Heißprägen von Kunststoffen im Serienbetrieb können durch entsprechende
Prozessüberwachung Aussagen zu Werkzeugverschleiß,
Werkzeugzustand oder Verhalten zur Umwelt (Adhäsion,
Verschmutzung, Korrosion) getroffen werden. Damit können Prozesse optimiert, notwendige Wartungsaufgaben und
Standzeiten kontrolliert werden.
Weitere perspektivische Anwendungen der Erfindung eröffnen sich bei der Charakterisierung periodischer Strukturen - sehr häufig Elemente von mikro- und nanostrukturierten Bauelementen - als auch für die Bewertung der Verteilung von Nanopartikeln in verschiedenen Filter- und Katalysator-Anlagen. Ein derartiger Bedarf ist heute bereits deutlich zu erkennen .

Ein breites Spektrum für den Einsatz des 3D-Messsystems kann auch für medizinische und biologische Untersuchungen
ausgemacht werden. Z.B. sind Verfahren und Anordnungen von Interesse, um die optischen Verhältnisse im vorderen
Augenabschnitt aufzuklären, wobei räumliche Lichtmodulatoren als Akkomodations- und Anreizdisplay genutzt werden können (siehe z.B. DE 103 23 920 Al).

Für die Bewertung von Strukturen der Mikrosystemtechnik im Fertigungsprozess sind die räumliche Auflösung des
Messverfahrens, die Arbeitsgeschwindigkeit und die Prüfkosten entscheidende Kriterien dafür, ob vorhandene Messgeräte und Messtechniken den Anforderungen der industriellen Praxis, insbesondere für die Qualitätskontrolle mikrotechnischer Komponenten, genügen. Zum Beispiel können Rasterkraft- und

Elektronenmikroskope mit axialer und lateraler
Nanometerauflösung wegen des Aufwandes und der Kosten
lediglich für Untersuchungen einzelner Lose eingesetzt werden. Deshalb stehen für die oben beschriebenen Anwendungen allein optische Messverfahren zur Diskussion.

Verfügbare optoelektronische Messverfahren bieten meistens Lösungen an, die lediglich die Intensität des Lichtstrahls als Informationsträger nutzen. Zum Beispiel werden bei der Triangulation entweder die Projektionen von schlanken
Lichtbündeln oder auf der Probe projizierte Linien und
Streifenmuster vermessen.

Mit modernen Triangulationsgeräten (Häusler, G. et al . , Feinwerktechnik, Mikrotechnik & Messtechnik, Vol. 103, 540

(1995) und Phys . Bl., Vol. 53, 417-422 (1997). Hasman E. and Kleiner V. , Color-coded optical profilometry with >106 resolved depth Steps, Vol. 40, No. 10, Applied Optics (2001) 1609-1 und Three-dimensional optical metrology with extended depth-measuring ränge using a holographic axilens, Opt. Eng. 42/1 (2003) 132-136) kann man im sichtbaren
Wellenlängenbereich und bei optimalen Bedingungen eine axiale Auflösung von einigen Nanometern erreichen. Allerdings arbeiten diese Verfahren sehr langsam, da zum punktweisen Vermessen eine mechanische x,y-Bewegung erforderlich ist.

Zur Erhöhung der Güte optischer Messverfahren lassen sich Flächenlichtmodulatoren einsetzen. In der Form von Liquid Crystal Devices (LCD) oder Digital Micromirror Devices (DMD) dienen sie beispielsweise der Abbildung und räumlichen
Modulation der Lichtquelle. So wird in der WO99/022262 Al ein Flächenlichtmodulator zur strukturierten Beleuchtung des

Messobjektes und/oder als Lochmaske zur Abbildung in einem Mikroskop benutzt.

Durch die Verwendung von Spiegel- oder LCD-Arrays, kann die Arbeitsgeschwindigkeit dieser Geräte sowie deren Genauigkeit durch Optimierung der projizierten Muster deutlich erhöht werden. So ist es bekannt (DE 103,21,887 Al, US 2004125381, WO02/066925 Al und unter FRT GmbH, www.frt-gmbh. com/produkte/f_l_l_l_l__0.php3?sprache=de) , bei der
Streifenprojektion LCDs oder DMDs einzusetzen. Allerdings wird in diesen Fällen selbst bei relativ kleinen
Objektabständen nur eine laterale Auflösung im
Mikrometerbereich erzielt.

In Sungdo Cha, Paul C. Lin, Lijun Zhu, Pang-Chen Sun, and

Yeshaiahu Fainman, Nontranslational three-dimensional
profilometry by chromatic confocal microscopy with
dynamically configurable micromirror scanning, Vol. 39, No. 16 Applied Optics (2000) 2605-13, wird ein DMD und
diffraktive Optik zur chromatischen konfokalen Mikroskopie eingesetzt, bei der Flächen von 0.3x0.2 mm2 ohne
translatorische Bewegungen schnell gescannt werden können, aber die Tiefenauflösung nur 0.4 μm sowie die laterale
Auflösung nur 1 μm beträgt.
Diese Beschränkung kann man bei konfokaler Mikroskopie überwinden. Mit Objektiven hoher Apertur ist mit
Rastermikroskopen eine laterale Auflösung von etwa λ/2 und eine axiale Auflösung bis zu einigen Nanometern möglich.
Moderne Geräte erreichen eine Auflösung von 5 nm bei einem Arbeitsabstand von etwa 0.3 mm (Nanofokus GmbH, Firmenschrift Nanofokus μ-Surf (2003)). Der Arbeitsabstand zum Messobjekt muss hierbei hinreichend klein gewählt werden, so dass die konfokale Mikroskopie für die industriellen Anwendungen der Mikrosystemtechnik nur beschränkt einsetzbar ist. Für den Online-Einsatz in der Prozesskontrolle ist die Messmethode in der Form ungeeignet .

Eine schnelle, kostengünstige Oberflächenrasterung kann durch den Einsatz eines Mikrospiegelarrays für die Beleuchtung und Abbildung gewährleistet werden. In der DE 198 11 202 C2 wird ein Verfahren für die konfokale Mikroskopie unter Verwendung eines Mikrospiegelarrays vorgestellt.

Interferometrische Verfahren bieten unter der Voraussetzung einer hinreichenden optischen Kohärenzlänge der anregenden LaserStrahlung den Vorteil, 3D-Objekte optisch berührungslos über große Objektabstände zu vermessen. Hierzu werden die kohärenten Eigenschaften des Lichtes ausgenutzt. Die axiale Auflösung hängt im Unterschied zu den Triangulationsverfahren nicht von der Größe der Apertur ab, so dass sich
interferometrische Verfahren auch zur Vermessung von
Strukturen mit hohem Aspektverhältnis eignen. Das
Auflösungsvermögen ist nur durch das Signal-Rausch-Verhältnis begrenzt, und liegt bei robusten kommerziellen Geräten in der Größenordnung von 1-10 10"9 m. Allerdings weisen
Interferometer eine relativ geringe laterale Auflösung auf und eignen sich daher nicht für eine präzise Vermessung von SubmikrometerStrukturen oder Kanten in der Ebene des
Messobjektes (Frankowski, G.; Wittrich, H.; John, W., Dynamische interferometrische Ätztiefenmessung zur insitu- Kontrolle beim Plasmaätzen in der Mikro- und Optoelektronik,

Firmenschrift GF Messtechnik GmbH,
www. gfmesstechnik . com/german/mainmenu/index01_papers . html ) .

Einen möglichen Lösungsweg bietet die digitale holographische

Mikroskopie
(http: //www.bbt . admin. ch/kti/success/archiv/nano_micro/d/dhm. htm#anl) . Allerdings schränken bei der angestrebten
Submikrometer-Auflösung äußere Störeinflüsse die Anwendung prinzipiell ein. Das trifft vor allem auf Vibrationen der

Objektoberfläche bzw. der optomechanisehen Komponenten im optischen Strahlengang oder auch Temperaturschwankungen im

Fertigungsprozess zu.

Die Verwendung von Arrays analog steuerbarer Mikrospiegel

(siehe H. Schenk, A. Wolter, U. Dauderstädt, A. Gehner, H.

Lakner, Ch. Drabe, H. Grüger, Photonic Microsystems: An enabling technology for light deflection and modulation invited paper for MOEMS Display and Imaging Systems, part of

Micromaching and Microfabrication/SPIE Photonic West (2004) ; U. Dauderstädt, P. Dürr, T. Karlin, H. Schenk, H. Lakner, Application of Spatial Light Modulators for Microlithography, submitted to Micromaching and Microfabrication/SPIE Photonic West (2004); P. Dürr, U. Dauderstädt, D. Kunze, M. Auvert, T. Bakke, H. Schenk, H. Lakner, Characterization of Spatial Light Modulators for Micro Lithography, MOEMS Display and Imaging Systems (mfO7), Micromachining and Microfab., Proc . SPIE, Vol. 4985 San Jose, Photonic West (2003); U.
Dauderstädt, P. Dürr, M. Krellmann, T. Karlin, U. Berzinsh,

L. Leonardsson, H. Wendrock, Operation of spatial light modulators in DUV light, MOEMS Display and Imaging Systems (mfO7), Micromachining and Microfabrication, Proc. SPIE, Vol. 4985, San Jose, Photonic West (2003)) gestattet es,
Beugungsstrukturen zu erzeugen, so wie dies von der Fa.
Micronics für die maskenlose Lithographie ausgenutzt wird (Sandström, T. et al . , SPIE Proc . , Vol. 4409, 270-276
(2001) ) .

Für eine schnelle und umfassende Charakterisierung
großflächiger Strukturbereiche wie in der Polymermikrotechnik sind derzeitige Verfahren zur Qualitätskontrolle von
dreidimensionalen Mikrostrukturen zu langsam. Eingesetzt wird beispielsweise die konfokale Mikroskopie (siehe die oben erwähnte Firmenschrift Nanofokus) . Diese ist allerdings für den schnellen Routinebetrieb und in der Fertigung mit
Taktzeiten von 15 s ungeeignet. Ein auf Holographie
basierendes System der Firma Lyncee
(http: //www.bbt . admin. ch/kti/success/archiv/nano_micro/d/dhm. htm#anl) bietet eine gute Inspektion offener und
geschlossener mikrofluidischer Systeme. Diese Lösung ist aber viel zu langsam, um in der Fertigung eingesetzt zu werden. Um diese Nachteile zu überwinden, bietet sich die optische Signaturanalyse an. Darunter versteht man eine
Diagnosestrategie, die den Zustand eines Systems, eines
Bauteils, einer Maschine oder eines Prozesses anhand einer charakteristischen Sequenz von Messdaten, der Signatur, erkennt bzw. bewertet. Die aktuelle Signatur wird dabei mit einer im Vorfeld ermittelten und einem bestimmten Sollzustand zugeordneten Referenzsignatur automatisch verglichen.
Entwickelt und eingeführt wurde diese Methode vor allem zur Fehlersuche in mikroelektronischen Schaltkreisen sowie zur Überwachung von Computersystemen, also Systemen, deren Funktion durch eine digitale Signatur beschrieben werden kann. Im Zusammenhang mit der rasanten Entwicklung moderner Bildverarbeitungsverfahren sowie Methoden der künstlichen

Intelligenz hat sich aber auf verschiedenen Gebieten eine Signaturanalyse auf der Basis analoger, meist
mehrdimensionaler Daten etabliert:

• Satellitenüberwachung (spektrale Signatur land- oder
forstwirtschaftlicher Flächen) • Zerstörungsfreie Prüfung (akustische Signatur von
Bauteilen und Maschinen: D. Hentschel, B. Frankenstein, K. -J. Fröhlich, Match-X-Systeme zur Auswertung von
Signalen akustischer Sensoren, Fraunhofer IZFP, Annual
Report (2003) 66-67; F. Schubert, K.J. Fröhlich, B.
Frankenstein, O. Dühr, F. Berger,
Restlebensdauerabschätzung von elektrischen
Schaltkontakten mittels akustischer Signaturanalyse,
DACH-Jahrestagung der deutschen, österreichischen und schweizerischen Gesellschaft für zerstörungsfreie
Prüfung, Salzburg, (2004))

• Qualitätskontrolle des Erscheinungsbildes (Parousiameter - siehe (Parousiameter for hemispherical scatterometry and characterisation of appearance,
www. licensing.philips . com/includes/
download.php?id=5335&filename=3584.pdf)

• Medizin (Narkoseüberwachung mittels EEG)

Die Leistungsfähigkeit der Signaturanalyse steht und fällt mit der Fähigkeit, kritische Systemzustände von nicht
relevanten Schwankungen zu separieren. Entsprechend der in (D. Hentschel, B. Frankenstein, K. -J. Fröhlich, Match-X-Systeme zur Auswertung von Signalen akustischer Sensoren, Fraunhofer IZFP, Annual Report (2003) 66-67)) vorliegenden Erfahrungen sind mit der akustischen Signaturanalyse
Taktzeiten von ca. 5 s zu erzielen. Eine optische
Signaturanalyse sollte somit die Anforderungen der
Polymermikrotechnik erfüllen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine effiziente Vorrichtung und ein effizientes Verfahren zur Bestimmung eines Abbildes einer Oberflächentopologie zu schaffen.

Dabei erzeugt mindestens eine Strahlungsquelle elektromagnetische Strahlung, wobei von mindestens einem Strahlteuer, insbesondere einem polarisationsabhängigen Strahlteiler, die elektromagnetische Strahlung in mindestens einen Referenzstrahl und mindestens einen Messstrahl getrennt wird.

Ein erster Abschnitt des mindestens einen Messstrahls wird vom Strahlteiler auf mindestens ein analog steuerbares
Mikrospiegelarray geführt, von dem ein zweiter Abschnitt des mindestens einen Messstrahls auf die Oberfläche des
Messobjektes reflektierbar ist. Alternativ kann auch der umgekehrte Weg beschritten werden, indem ein erster Abschnitt des mindestens einen Messstrahls vom Strahlteiler auf das Messobjekt geführt wird, von dem ein zweiter Abschnitt des mindestens einen Messstrahls auf das mindestens eine analog steuerbare Mikrospiegelarray reflektiert wird.

Ein dritter Abschnitt des mindestens einen Messstrahls wird vom analog steuerbaren Mikrospiegelarray oder vom Messobjekt, je nach dem welche der beiden Alternativen gewählt wurde, in

Richtung mindestens eines Detektors gelenkt, insbesondere eine Kamera und / oder ein Einzeldetektor.

Der mindestens eine Detektor empfängt zeitlich und / oder örtlich aufgelöste Muster des dritten Abschnitts des
mindesens einen Messstrahls, die in Abhängigkeit von der Ansteuerung des analog steuerbaren Mikrospiegelarrays
auswertbar sind.

Damit wird nicht nur die Intensitätsinformation der vom
Messobjekt reflektierten Strahlung, sondern sowohl die im Licht kodierte Phaseninformation, als auch ggf. die
Polarisationsinformation, zur Phasenkontrastverstärkung verwendet und das am Detektor entstehende Muster erfasst und mit dem Rechenmittel verwendet. Die Phaseninformation wird in gezielter Weise durch das analoge Mikrospiegelarray
beeinflusst, so dass durch die Auswertung des Musters am Detektor, die Information über die Form der
Oberflächentopologie berechenbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die

Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. IA Aufnahme des Mikrospiegelarrays mit 1 Million
Einzelspiegel, wobei der Chip eine Größe von
15 x 40 mm2 aufweist und mit Hilfe
elektronischer Ansteuerung jedes einzelnen
Spiegels Bildwiederholraten von mehr als 1
kHz realisierbar sind;

Fig. IB Detail der Chipoberfläche mit mehreren der
16x16 μm2 großen Mikrospiegel;

Fig. 2 Blockschaltbild des Basismoduls für eine erste
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung;

Fig. 2a Blockschaltbild des Basismoduls für eine
Abwandlung der ersten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 Schema einer zweiten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung:
Interferenzmethode mit einem analogen
Mikrospiegelarray;

Fig. 3a,b, c unterschiedliche Oberflächentopologien für das
zweite Ausführungsbeispiel;

Fig. 4a, b ort- und zeitabhängige Korrelationsfunktionen;

Fig. 5a Schema einer dritten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung: Michelson - Interferometer mit einem analogen
Mikrospiegelarray (Mikrosenkspiegel) ;

Fig. 5b Schema einer Variante der dritten
Ausführungsform mit einem
Mikrosenkspiegelarray;

Fig. βa-e schematische Darstellung einer vierten
Ausführungsform und deren Ergebnisse mit einem
Flächentriangulationsverfahren .

Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeiten optisch berührungslos und zerstörungsfrei und sind vor allem für eine Online-Qualitätsüberwachung in Fertigungsprozessen mit kurzen
Standzeiten, insbesondere zur schnellen, quantitativen 3D-Vermessung von Mikro- und Nanostrukturen (z.B. auf
Halbleiterwafern) , vorgesehen.

Dazu wird ein modulares opto-mikromechanisches Messsystem verwendet, das die volle Information eines abbildenden
Laserstrahls ausnutzt und durch an sich bekannte, analog steuerbare Mikrospiegelarrays (siehe z.B. Fig. 1) an die Prüfaufgäbe optimal angepasst wird.

Anhand einer ersten Ausführungsform (Fig. 2) werden
wesentliche Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Eine elektromagnetische Strahlungsquelle 1, hier wird als Lichtquelle ein Laser mit einer, zwei oder abstimmbaren
Wellenlängen verwendet, erzeugt einen Strahl, der nach einer ersten Polarisationsoptik 20 auf einen Strahlteiler 2 gelenkt wird. Zusätzlich zu der ersten Polarisationsoptik 20 kann auch noch eine Abbildungsoptik 21 im Strahlengang angeordnet sein. Dabei kann die erste Polarisationsoptik 20 vor oder nach der Abbildungsoptik 21 angeordnet sein.

Der Strahlteiler 2 teilt diesen Strahl in einen
Referenzstrahl 3 und einen Messstrahl 41, 42, 43, der in der Vorrichtung mehrfach reflektiert wird.

Ein erster Abschnitt des Messstrahls 41 fällt zuerst auf ein Mikrospiegelarray 5.

Von den individuell (durch ein Rechenmittel 7) steuerbaren Mikrospiegeln des analogen Mikrospiegelarrays 5 wird ein zweiter Abschnitt des Messstrahls 42 reflektiert und gelangt anschließend über eine Abbildungsoptik 22 (z.B. eine
Zoomoptik oder eine Fokusoptik) auf eine Oberfläche eines Messobjektes 10.

Die Abbildungsoptik 22 hat die Aufgabe, die Dimensionen des zweiten Teils des Messstrahls 42 zu verkleinern und für
Justagezwecke den Strahlfokus in der Tiefe zu variieren.

Die von der glatten oder strukturierten Oberflächentopologie des Messobjektes 10 zurückgeworfenen Strahlen werden als dritter Abschnitt des Messstrahls 43 an der spiegelnden
Rückseite des Strahlteilers 2 in Richtung eines 2D-Detektor, hier eine Kamera 6 als Detektor, gelenkt.

Auf dem Wege dorthin gehen die Strahlen erneut durch eine zweite Polarisationsoptik 23 und interferieren mit dem
Referenzstrahl 3.

In Fig. 2a ist eine Alternative zu dieser Ausführungsform dargestellt, bei der der Strahlengang des Messstrahls 41, 42, 43 umgekehrt wurde. Der erste Abschnitt des Messstrahls 41 wird durch den Strahlteiler 2 auf das Messobjekt 10 gelenkt. Die Oberfläche des Messobjekts 10 reflektiert den zweiten Abschnitt des Messstrahls 42, der auf den analogen
Mikroarrayspiegel 5 gelenkt wird. Dieser wird, wie oben beschrieben angesteuert, wobei ein dritter Abschnitt des Messstrahls 43 erzeugt wird, der vom Strahlteiler 2 in
Richtung Detektor 6 geleitet wird. Die sonstigen Bauelemente haben die entsprechenden Funktionen wie in der Fig. 2
beschrieben.

Ein Rechenmittel 7 steuert die einzelnen Spiegel des
Mikrospiegelarrays 5 an, so dass die auf das Messobjekt 10 treffende Strahlung gezielt beeinflusst werden kann. So kann z.B. die vom Mikrospiegelarray 5 auf das Messobjekt 10 gelenkte Strahlung die Oberflächentopologie abtasten, wobei aus der bekannten Geometrie des Mikrospiegelarrays 5 und den Eigenschaften (z.B. Phasenlage) des von der
Oberflächentopologie reflektierten Lichts Informationen über die Oberflächenstruktur erhalten werden. Auf diese Weise hängt das vom Detektor 6 empfangene Signal von der bekannten Stellung der Mikrospiegel und der zunächst unbekannten
Oberflächentopologie ab. Die unbekannte Oberflächentopologie kann aber auf Grund der bekannten Spiegelstellung durch das Rechenmittel 7 bestimmt werden.

Die Bestimmung kann z.B. interferometrisch durch die
Auswertung von Interferenzen zwischen Messstrahlen und
Referenzstrahlen erfolgen, die als Muster auf dem Detektor 6 auftreffen. Grundsätzlich können aber auch andere Muster, wie z.B. Intensitätsmuster oder Phasenmuster, die vom Detektor 6 registriert werden, durch das Rechenmittel 7 ausgewertet werden .

Durch Abstimmung der beiden Polarisationsoptiken 20, 23 können dabei z.B. optimale Verhältnisse für die Interferenz eingestellt werden und ermöglichen somit analog zum
Eilipsometer die Intensitäten in Abhängigkeit von der
Orientierung der Polarisation aufzunehmen.

Die für analog ansteuerbare Mikrospiegelarrays zurzeit verfügbaren Bildwiederholraten von 2 kHz erlauben eine Zeit-Auflösung im Millisekundenbereich und die kleinsten
Spiegelgrößen von 16x16 μm2 mit einer geeigneten Optik eine Ortsauflösung im Submikrometerbereich. Die Verwendung eines analog ansteuerbaren Mikrospiegelarrays 5 zur
Grauwertmodulation erlaubt weiterhin die Positionierung einer Beugungsfigur mit einer Genauigkeit von einigen Nanometern. Ohne Translation können mit dem 3D-Messsystem Scans in z- und in x,y-Richtung durchgeführt werden. Dabei lässt sich bei einem Arbeitsabstand des Spiegelsystems zur Objektoberfläche von ca. 300 mm ein lateraler Bereich von ca. 150x150 μm2 erfassen, ein maximaler Auslenkwinkel der Mikrospiegel von ca. 2.9° vorausgesetzt.

Zur zeitaufgelösten Messung sind entweder schnelle Shutter an einer geeigneten Stelle, entweder im Eingangsstrahl oder vor dem Detektor 6, vorgesehen oder es wird eine direkte
Modulation der Lichtquelle 1 in Synchronisation mit der
Spiegelbewegung vorgenommen.
Dieser prinzipielle Messaufbau ermöglicht eine adaptive und scannende Strahlführung.

Die Tiefenauflösung ist kleiner als 10 um und umfasst einen Höhenbereich von ungefähr 4 μm*100/V (V- Vergrößerung) .
Gezielt können auf den Objektoberflächen Beugungsbilder erzeugt werden, deren zurückgeworfene Abbildungen auf dem Detektor 6 Aussagen über die Oberflächentopographie des
Messobjektes 10 enthalten. Umgekehrt können Strukturen auf der Oberfläche durch Nullabgleich auf dem Detektor 6 in ein elektronisches Abbild umgewandelt werden, das sich aus den zum Abgleich erforderlichen Spiegelauslenkungen ergibt. Durch entsprechende Vergrößerungen können dabei in Analogie zur maskenlosen Photolithographie Strukturen mit kleinsten
Abmessungen in der Größenordnung von ca. 100 - 200 nm erfasst werden .

Für andere Anwendungen gibt die Aufnahme von
Reflexionsmustern die Möglichkeit, einen Gut-Schlecht-Vergleich mit Referenzobjekten durchzuführen. Dazu zählt die Untersuchung von Strukturen auf Chips für die Mikrofluidik im Mikrometerbereich als auch metallisierter Lochstrukturen im Submikrometerbereich.

Nicht zuletzt können erprobte Techniken, wie Triangulation, konfokale Abbildung und Interferometrie (Kohärenztomographie, Weißlichtinterferometrie) als Messmethode im vorliegenden 3D-MessSystem angewendet werden.

Insgesamt ergeben sich durch die verwendeten optischen und mikromechanischen Komponenten qualitativ neue Freiheitsgrade für die Optimierung der zu lösenden Messaufgabe. Somit lassen sich vom Anwender detaillierte Messkonzepte entsprechend der Erfordernisse der praktischen Anwendung aufstellen und mit Hilfe einer modularen Basisausrüstung leicht gerätetechnisch umsetzen. Durch entsprechende praxisnahe Simulations- und Auswertesoftware können die verschiedenen Einflüsse, wie z.B. die Beugung an den Spiegelrändern und die thermischen
Spiegelschwankungen, erfasst und konkrete Anwendungen
realisiert werden.

Letztlich kann das 3D-Messsystem mit einem
Mikropositioniersystem ausgestattet werden, um größere
Objektbereiche zu erfassen und die Messabläufe zu
automatisieren.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform schematisch
dargestellt, bei der die interferometrische Bestimmung des absoluten Wertes des Ätzabtrages und der Vermessung von
Ätzkantenprofilen erfolgt. Der grundsätzliche Aufbau
entspricht dem der ersten Ausführungsform in Fig. 2, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit das Rechenmittel 7 nicht dargestellt wurde. Grundsätzlich liegt auch hier eine datentechnische Verbindung des Mikrospiegelarrays 5 und des Detektors vor.

Als Lichtquelle wird hier wiederum ein Laser 1, aber mit linear polarisiertem Strahl verwendet, dessen Strahl durch einen Shutter 30 und ein drehbar angeordnetes λ/2 Plättchen 31 (siehe unten für eine Erläuterung) in eine Abbildungsoptik 21 geführt wird, die eine StrahlaufWeitung bewirkt.

Der Strahl wird dann auf einen polarisationsabhängigen
Strahlteiler 2 (PST) gelenkt, der die s-polarisierte
Komponente des Laserlichtes als ersten Abschnitt des
Messstrahls 41 in Richtung des analogen Mikrospiegelarrays 5 reflektiert. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, einen nicht-polarisationsabhänigen Strahlteiler 2 zu verwenden

Vor und nach der Reflexion am analogen Mikrospiegelarray 5 passiert der erste bzw. zweite Abschnitt des Messstrahls 41, 42 ein erstes λ / 4 - Plättchen 32, wodurch die
Polarisationsrichtung um insgesamt 90° gedreht und der zweite Abschnitt des Messstrahls 42 (d.h. der vom analogen
Mikrospiegelarray 5 reflektierte Teil) im Folgenden vom PST 2 transmittiert wird.

In ähnlicher Weise durchläuft der zweite Abschnitt des
Messstrahls 42 ein zweites λ / 4 - Plättchen 33 hinter dem PST 2, so dass mit der weiteren Drehung der
Polarisationsrichtung um 90° der vom Messobjekt 10 kommende dritte Abschnitt des Messstrahls 43 nun am PST 2 reflektiert wird.

Die p-polarisierte Komponente des Laserlichtes wird vom PST 2 transmittiert und bildet den Referenzstrahl und interferiert mit dem vom Messobjekt 10 reflektierten dritten Abschnitt des Messstrahls 43 vor dem Erreichen des Detektors 6.

Weiterhin beinhalten die optischen Komponenten allgemein eine Polarisationsoptik für Phasenkontrastmessungen. Hierzu gehört ein Polarisator, d.h. ein drehbares λ / 2 - Plättchen 31, mit dem die Polarisationsrichtung des Lichtes gedreht werden kann. Die Änderung der Polarisationsrichtung geht einher mit einer Variation des Verhältnisses von Reflexion zu
Transmission am Strahlteiler 2.

Ein vor dem Detektor 6 befindlicher Analysator 34 wird dann so eingestellt, dass das durch Überlagerung von Mess- und

Referenzstrahl in der Detektorebene gebildete
Interferenzmuster einen optimalen Kontrast aufweist.
Der Detektor 6 ist im Allgemeinen ein photosensitives
Element . Er kann in einer eindimensionalen oder
zweidimensionalen Ausführung benutzt werden. Es lässt sich speziell ein Photodiodenarray oder ein CCD - Detektor
einsetzen.

Ein Hochgeschwindigkeitsdetektor 6 wird eingesetzt, wenn die Zeitkorrelationsmethode in Kombination mit dem analogen
Mikrospiegelarray 5 benutzt wird, da die Bildwiederholrate des analogen Mikrospiegelarrays mehr als 1 kHz beträgt. Damit lässt sich auch der störende Einfluss von Vibrationen der Objektoberfläche und von thermischen Fluktuationen der
Mikrospiegel reduzieren.

Verschiedene Outputs von Detektoraufnahmen, mit denen Ortsund Zeitkorrelationen von 2D-Bildern B(x,y,t), die zur Zeit τ z.B. mit einer schnellen CCD-Kamera als Detektor 6
aufgenommen wurden, können abgeleitet werden. Zur
Verbesserung der Statistik wird die Korrelationsfunktion über eine angemessene Expositionszeit gemittelt, d.h. ,

K(xi,yi,x2,y2,τ,z) = < ( B(X1, yi, ti) -B(x2,y2, ti+τ) ) 2> |tl ,

wobei z die Lage der Objektoberfläche des Messobjektes 10 angibt. In Fig. 3 ist schematisch eine Oberflächentopologie auf dem Messobjekt 10 dargestellt. Solche Stufen können z.B. bei einem strukturierten Halbleitersubstrat vorliegen, wobei die hier beschriebene Vorrichtung dazu geeignet ist, die Strukturen auf dem Halbleitersubstrat zu vermessen.

In den Fig. 3a, 3b und 3c sind unterschiedliche
Strahlführungen beim Abtasten der Oberflächentopologie dargestellt .

Zur Veranschaulichung sind in Fig. 4a und Fig. 4b für den eindimensionalen Fall die Funktionen K(x,τ = 0.01 s) , K(x = 1.7 mm, τ ) für verschiedene axiale Positionen z der
reflektierenden Oberflächen dargestellt, wobei die durch die kohärente Spiegelauslenkung festgelegte Lage des Strahlfokus bei zo =0 gewählt wurde. Durch Veränderung der statischen

Auslenkungen der Mikrospiegel des analogen Mikrospiegelarrays 5 kann der Strahlfokus zo in axialer Richtung, aber auch die Fokusposition in lateraler Richtung variiert und damit zum Scannen benutzt werden.

Der Arbeitsabstand von Mikrospiegelarray 5 und Messobjekt 10 beträgt 300 mm und es werden 50 Mikrospiegel der Größe 16x16 μm2 eingesetzt. Zur gezielten Modulation der Interferenz wurde den statischen Spiegelauslenkungen eine kleine
periodische Schwingung mit f = 100 Hz überlagert. Mit dieser Schwingung wird der Fokuspunkt des Laserstrahls senkrecht zur Objektoberfläche verschoben und damit abgetastet. Im Sinne eines Autofokusprinzips lässt sich mit dieser Methode die absolute Objektlage in axialer Richtung ermitteln. Dazu werden entsprechende Algorithmen für die Analyse und schnelle Auswertung der Korrelationsfunktionen eingesetzt.

In Fig. 4a, 4b sind unterschiedliche Korrelationsfunktionen dargestellt .

In den zeitabhängigen Korrelationsfunktion in Fig. 4b sind die Schnittpunkte der verschiedenen Höhen des Messobjektes 10 charakteristische Maße für die Längen der jeweils
interferierenden Strahlen. Zum Vermessen der Strahlengängen können für eine fixierte Lage der Objektoberfläche
Information aus den Korrelationsfunktionen K(xi,X2,τ, z) ausgenutzt werden.

Verwendet man genügend viele derartiger Messstrecken in den Korrelationsfunktionen für das verfügbare räumlich-zeitlichen Koordinatensystem des Detektors 6 sowie die Information über die jeweiligen Stellungen der einzelnen Mikrospiegel im
Mikrospiegelarray 5, so lässt sich die absoluten Lage der Oberflächentopologie im Rahmen von schnellen numerischen Rechenverfahren bestimmen.

Ein alternatives Verfahren ergibt sich aus der Verwendung von Lichtquellen mit zwei oder mehreren Wellenlängen. Dadurch kann die Auflösung des Messverfahrens und Robustheit der Auswertung der Interferenzbilder verbessert werden.

Aus den Figuren 4a und 4b ist ersichtlich, dass
unterschiedliche Höhen z zu unterschiedlichen
Korrelationskurven führen, d.h. das Messsignal wird durch die Höhe, d.h. die Oberflächentopologie des Messobjekts 10, beeinflusst .

Die Verwendung von Arrays 5 mit analog steuerbaren
Mikrospiegeln gestattet es andererseits, Beugungsstrukturen zu erzeugen, so wie dies von der Fa. Micronics für die maskenlose Lithographie ausgenutzt wird (siehe auch zweites Ausführungsbeispiel) . Unter Nutzung des analogen
Mikrospiegelarrays 5 kann mit der Ausführungsform gemäß Fig. 3 die Lage einer Figur (etwa einer Kante oder eines Punktes) mit einem interferometrischen Verfahren im Bereich von einigen Nanometern genau festgelegt werden. Hierzu werden mit dem analogen Mikrospiegelarray 5 linien- oder flächenhaft unterschiedliche optische Weglängendifferenzen generiert, so dass die 3D-Vermessung der Oberfläche eines Messobjektes 10 simultan, d.h. ohne Rasterung, erfolgen kann. Mit diesem Verfahren werden Strukturen von der Größenordnung 200 nm bei einer Zeitkonstante von einigen Millisekunden
erkannt .

In der Fig. 5b ist als drittes Ausführungsbeispiel ein
Michelson - Interferometer mit Mikrospiegeln schematisch dargestellt. Das Prinzip wird anhand der Fig. 5a dargestellt.

Das dritte Ausführungsbeispiel weist eine Lichtquelle 1 auf, die kohärentes, monochromatisches Licht ausstrahlt und z.B. ein Laser ist. Als phasenschiebendes Element wird ein mit Methoden der Mikrosystemtechnik hergestellter
Mikrosenkspiegel 5a (Fig. 5a) oder ein Senkspiegelarray 5b (Fig. 5b) eingesetzt. Letzteres ist eine Matrixanordnung einzelner, individuell und analog ansteuerbarer
Mikrosenkspiegel .

Das Senkspiegelarray 5b ist eine Matrixanordnung einzelner, individuell und analog ansteuerbarer Mikrosenkspiegel.

Ein Strahlteiler 2 spaltet den von der Lichtquelle 1
kommenden Laserstrahl in einen Referenzstrahl 3 und einen Messstrahl 4 auf. Der Referenzstrahl 3 wird dabei vom
Strahlteiler 2 reflektiert und in den einen Interferometerarm in Richtung des phasenschiebenden Arrays5a, 5b umgelenkt.
Nach der Reflektion am Mikrosenkspiegel 5a bzw. am
Senkspiegelarray 5b durchläuft der Referenzstrahl 3 den
Interferometerarm zurück in Richtung Strahlteiler 2.
Entsprechend der Auslenkung Δz des Mikrospiegels 5a bzw. der lokalen Auslenkung Δzi der Pixel (Einzelsenkspiegelelement) des Senkspiegelarrays 5b zum Zeitpunkt der Reflektion des Referenzstrahls 3 wird diesem durch die Änderung der
optischen Weglänge eine zeitlich veränderliche Phase
aufgeprägt.

Der Messstrahl 4 hingegen wird zunächst vom Strahlteiler 2 transmittiert . Er durchläuft anschließend den zweiten
Interferometerarm in Richtung des zu untersuchenden
Messobjekts 10, wird an dessen Oberfläche reflektiert und durchläuft den Interferometerarm zurück in Richtung
Strahlteiler 2. Die Oberflächentopologie des Messobjekts 10 bewirkt eine Modifikation der optischen Weglänge, so dass der Messstrahl 4 hierdurch eine Phasenänderung erfährt.

Beim nochmaligen Passieren des Strahlteilers 2 werden nun der Referenzstrahl 3 transmittiert, der Messstrahl 4 reflektiert und beide anschließend zu einem Detektorstrahl 50 überlagert. In der Phasenlage des Referenzstrahls 3 ist die Information über die zeitabhängige, d.h. die zum Zeitpunkt t vorhandene Auslenkungsposition Δz des Mikrosenkspiegels 5a bzw. der Pixel des Senkspiegelarrays 5b kodiert, wohingegen die
Phasenlage des Messstrahls 4 Angaben zum Tiefenprofil der Probe 10 enthält. Entsprechend der relativen Phasenlage beider Teilstrahlen zueinander erfolgt im Detektorarm 50 konstruktive oder destruktive Interferenz.

Am Ende des Detektorarms befindet sich ein photosensitiver Detektor 6, der ein- oder zweidimensional, als
Photodiodenarray oder CCD - Detektor ausgeführt sein kann. Die Auswertung des vom Detektor 6 erzeugten, mit der
phasenlagenabhängigen Intensität des Detektorstrahls 50 korrelierten Signals liefert die gesuchte Information über die Oberflächentopologie des Messobjekts 10.

Die Verwendung eines Senkspiegelarrays 5b wie in Fig. 5b gestattet die ortsaufgelöste Messung der Oberflächentopologie einer Probe 10 mit einem Michelson - Interferometer . Hierbei ist die laterale Auflösung durch die Größe und den Abstand der einzelnen Mikrospiegel festgelegt. Im Gegensatz zu konventionellen Interferometern, welche eine geringe laterale Ortsauflösung besitzen, da selbige zur Messung der
Tiefenposition das in der Detektorebene erzeugte Interferenzmuster auswerten und hierfür größere
zusammenhängende Pixelbereiche des Detektorarrays benötigen, gestattet der Einsatz eines Mikrosenkspiegels 5a bzw. eines Mikrosenkspiegelarrays 5b eine deutliche Erhöhung der
lateralen Ortsauflösung. Die zeitliche Variation der
Auslenkung Δz der Mikrosenkspiegel und die daraus
resultierende lokale Phasenmodulation des Referenzstrahls 3 bewirkt für jedes Einzelelement des Photodetektors 6 ein zeitlich variiertes Intensitäts- bzw. Interferenzsignal, das die Information über die lokale Höheninformation des
Messobjektes 10 beinhaltet. Durch apriori Kenntnis der für jedes Detektorelement vorhandenen lokalen Phasenmodulation des Referenzstahles 3 kann lokal für jedes Detektorelement ein Höhenwert des Messobjektes 10 berechnet werden, was letztlich zu einer deutlichen Erhöhung der lateralen
Ortsauflösung führt .

Durch die Ausnutzung von Beugungsstrukturen in der Form der inversen Technik zur maskenlosen Photolithographie kann das Ausführungsbeispiel des Michelson - Interferometers mit
Mikrospiegeln genutzt werden, um die Lage einer Figur, etwa einer Kante oder eines Punktes, auf der Oberfläche der Probe 10 zu erkennen. Eine solche Kante beispielsweise ruft im Interferenzmuster auf dem Detektor 6 einen Phasensprung hervor. Durch Nullabgleich auf dem Detektor 6 ergibt sich die zu den erforderlichen Spiegelauslenkungen korrespondierende Phasenänderung und damit neben der Lage auch die Höhe der Kante .

Folglich lässt sich mittels dem in Abb. 5b gezeigten
Michelson-Interferometer mit integriertem
Mikrosenkspiegelarray 5b, bestehend aus individuell analog ansteuerbaren Einzelsenkspiegeln, basierend auf einem
Kompensationsmessprinzip (d.h. Nullabgleich) die 3D-Oberflächentopographie eines Messobjektes 10 bestimmen.
Hierzu wird die durch die Höhenposition des Messobjektes 10 lokal beeinflusste Phasenlage des Messstrahls 4 durch eine lokale Modulation des Referenzstrahls 3, d.h. durch eine individuelle Ansteuerung der Einzelsenkspiegel des
Senkspiegelarrays 5b, kompensiert. Der Nullabgleich erfolgt dabei anhand der durch Interferenz von Mess- und
Referenzstrahl in der Detektorebene erzeugten
Intensitätsverteilung, die mittels eines Photodetektor-Arrays gemessen wird. Dabei ist die zum Nullabgleich für jeden
Einzelsenkspiegel erforderliche spezifische Auslenkung des Mikrosenkspiegelarrays Δzi(Xi,yi) ein direktes Maß für die Oberflächentopographie des Messobjektes.

Beim Nullabgleich soll eine homogene Intensitätsverteilung über die gesamte Fläche des Detektors 6 erreicht werden.
Durch das Rechenmittel 7 kann das Mikrospiegelarray 5 so angesteuert werden, dass auf dem Detektor 6 genau diese homogene Intensitätsverteilung erreicht wird. Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich, anstelle des Nullabgleichs eine andere Zielfunktion vorzugeben, die vom Detektor 6 aufgenommen werden soll .

Damit ist es möglich, 2D-Interferogramme zu erzeugen, deren pixelgenaue Intensität eine Funktion der Spiegelverschiebung des Mikrospiegelarrays 5 sowie der zu bestimmenden
Oberflächentopologie des Messobjekts 10 ist.

In Fig. 6a bis 6e wird eine vierte Ausführungsform mit den erzielbaren Ergebnissen beschrieben.

Dieses vierte Ausführungsbeispiel betrifft die Kombination eines Flächentriangulationsmesssystems mit einem integrierten analog ansteuerbarem Mikrospiegelarray 5 zur Vermessung der 3D-Oberflächentopographie eines Messobjektes 10. Das
physikalische Messprinzip beruht auf der Triangulation sowie der Anwendung von Streifenprojektionstechniken wie dem
Phasenschiebe- und Graycodeverfahren.

Die Vorrichtung weist eine Projektoreinheit auf, die
strukturierte Streifenmuster (siehe Bild 6b) erzeugt und diese auf das Messobjekt 10 projiziert, sowie einem zur
Projektoreinheit im Triangulationswinkel ß angeordneten
Kamerasystem 6 als Detektor zur Aufnahme der mit der
Topographie des Messobjektes 10 wechselwirkenden
aufprojizierten Streifenstrukturen 11 als Projektionsmuster. Somit wird bei diesem Ausführungsbeispiel der Messstrahl 4 nicht mit einem Referenzstrahl 3 zur Interferenz gebracht, sondern die Oberflächentopologie wird mittels des
aufgenommenen Projektionsmusters in Abhängigkeit von der Ansteuerung des Mikrospiegelarrays erfasst.

In Bild 6c sind die Einzelkomponenten des
Ausführungsbeispieles eines Flächentriangulationsmesssystems mit integriertem, analog ansteuerbarem Mikrospiegelarray 10 schematisch dargestellt. Das Projektionssystem weist eine mono- oder polychromatische Lichtquelle 1 auf, dessen
Strahlung auf einen Strahlteiler 2 gelenkt wird. Ferner weist die Vorrichtung ein analog ansteuerbares Mikrospiegelarray 5 sowie eine erste Abbildungsoptik 21 auf.

Das von der Lichtquelle 1 ausgestrahlte Licht trifft auf einen Strahlteiler 2, wird von diesem reflektiert und trifft auf ein analog ansteuerbares Mikrospiegelarray 5. Der vom Mikrospiegelarray 5 flächenhaft analog modulierte und
anschließend reflektierte Messstrahl 4 wird nachfolgend vom Strahlteiler 2 transmittiert und über eine Abbildungsoptik 21 auf das Messobjekt 10 projiziert. Infolge der flächenhaften Lichtmodulation mittels des analog ansteuerbaren
Mikrospiegelarrays wird zum Zeitpunkt ti ein Streifenmuster 11 mit definierter Gitterkonstante und räumlicher Phasenlage auf das Messobjekt 10 projiziert. Das Bild der optischen Wechselwirkung der Oberflächentopographie des Messobjekts 10 und aufprojiziertem Streifenmuster 11 wird mittels des
Kamerasystems 6 (siehe Fig. 6a) aufgenommen. Das Kamerasystem 6 weist eine zweite Abbildungsoptik 24 auf. Ferner weist das Kamerasystem ein photosensitives Detektorarray auf, welches insbesondere ein Photodioden-, CCD- oder CMOS-Flächendetektor sein kann.

Mittels der Projektionseinheit werden zeitliche Sequenzen von streifen- bzw. gitterförmigen Intensitätsmustern mit

(a) konstanter Gitterkonstante aber variierter räumlicher Phasenlage und/oder

(b) konstanter Phasenlage, aber jeweils doppelter
Gitterkonstante auf das Messobjekt projiziert (siehe Bild 6b) .

Bei diesem Ausführungsbeispiel ergeben sich insbesondere für ein auf Phasenschiebetechniken basierendes
Flächentriangulationssystem Vorteile, da die Messgenauigkeit der Phasenschiebetechnik wesentlich von der Genauigkeit der Phasenlage der aufprojizierten Gitterstruktur sowie einer guten Näherung der theoretisch vorausgesetzten harmonischen

Intensitätsverteilung der aufprojizierten Gitterstruktur 11 abhängt. Konkret ergeben sich durch den Einsatz eines analog ansteuerbaren Mikrospiegelarrays 5 folgende Vorteile:

Es ist eine Realisierung von deutlich feinerer
Phasenauflösung der aufprojizierten Gitterstrukturen 11 infolge der analogen Ansteuerung des Mikrospiegelarrays 5 möglich, welche eine direkte Grauwertmodulation (Fig. 6d) ermöglicht. Es wird infolge der analogen Ansteuerung des Mikrospiegelarrays, welche eine direkte Grauwertmodulation der projizierten Intensitätsstrukturen (Fig. 6d) ermöglicht, die Realisierung einer deutlich höheren Phasenauflösung der aufprojizierten Gitterstrukturen erreicht. In Fig. 6d ist die Grauwertmodulation eines analog ansteuerbaren
Mikrospiegelarrays dargestellt. In Abhängigkeit von der
Auslenkung der Mikrospiegel lässt sich die Intensität in der Projektionsebene analog steuern (siehe Fig. 6d, links) . Aus Fig. 6d (rechts Bild) sind mittels eines analog ansteuerbaren Mikrospiegelarray 5 in der Projektionsebene erzeugte
Streifenstrukturen mit variierter Intensität ersichtlich, wobei das eingefügte Bild dem eindimensionalen
Intensitätsprofil der projizierten, analog modulierten
Streifenstrukturen entspricht.

Aufgrund der Graustufenmodulation, d.h. der analogen
Ansteuerung des Mikrospiegelarrays 5, lässt sich in der
Projektionsebene ein Untergitter generieren, so dass sich die aufprojizierten Gitterstrukturen mit deutlich größerer
Genauigkeit der Phasenlage positionieren lassen, da im
Vergleich zum Stand der Technik (z.B. DMD) die Auflösung der aufprojizierten GitterStrukturen nicht mehr direkt aus dem Abbildungsmaßstab der Projektionsoptik sowie dem Pixelpitch des Mikrospiegelarrays folgt. Die Feinpositionierung einer projizierten Gitterstruktur in der Projektionsebene, welche auf der analogen Ansteuerung des Mikrospiegelarrays und dem hierdurch generierten Untergitters basiert, ist in Bild 6e veranschaulicht.
In Bild 6e ist der Auslenkungszustand einer aus 8
Einzelspiegeln bestehenden Zeile des Mikrospiegelarrays 5 (Fig. 6e, unten) und das in der Projektionsebene erzeugte Intensitätsprofil (Fig. 6e, oben) dargestellt. Dabei sind die drei in der Mitte angeordneten Spiegel maximal und die
Randspiegel nicht ausgelenkt. Der dritte Spiegel von links wird hingegen analog mit der Auslenkung a3 ausgelenkt. In Abhängigkeit vom Auslenkungszustand a3 des Mikrospiegels wird die Position des in der Projektionsebene projizierten
Streifenmusters verschoben (siehe Bild 6e, oben) , wobei die

Position bzw. Phasenlage des Intensitätsmusters hochgenau in der Projektionsebene positioniert wird. Mittels analog ansteuerbaren Mikrospiegelarrays 5 wurden
Positioniergenauigkeiten der projizierten
Intensitätsstrukturen in der Projektionsebene von unter lOnm erreicht, so dass durch Einsatz von analog ansteuerbaren Mikrospiegelarrays in Flächentriangulationsmesssystemen zur Streifenprojektion deutlich höhere Positions- bzw.
Phasengenauigkeiten der erforderlichen Streifenmustern erzielen lassen als dies nach dem Stand der Technik (z.B. mit DMDs) möglich ist.

Durch Einsatz von analog ansteuerbaren Mikrospiegelarrays 5 im Projektionssystem wird eine deutliche Verringerung der Messzeit erzielt, da durch die direkte Graustufenmodulation im Gegensatz zum DMD zu einem Zeitpunkt ti direkt ein
Streifengitter 11 mit harmonischer (cos-bzw. sin-förmig)

Intensitätsverteilung auf das Messobjekt 10 projiziert werden kann.

Inhomogenitäten der vom Kamerasystem bzw. Detektor 6
aufgenommenen Intensitätsverteilung, welche durch die lokale Variation der optischen Oberflächeneigenschaften des
Messobjektes verursacht werden, lassen sich durch das analog ansteuerbare Mikrospiegelarray 5 adaptiv ausgleichen.
Hierdurch kann das mit dem Kamerasystem 6 empfangende Bild des mit Messobjekt 10 wechselwirkenden Streifenmusters 11 an den Dynamikbereich des Flächendetektors 6 lokal angepasst werden. Dies bewirkt eine Vergrößerung des
Signal/Rauschverhältnisses sowie der Messgenauigkeit und vergrößert die Anzahl der messbaren Objektpunkte.

Zusammengefasst kann zu der Erfindung Folgendes gesagt werden :

Das Anliegen der Erfindung ist ein neuartiges Verfahren und Gerätesystem zur schnellen, quantitativen 2D- und / oder 3D-Vermessung von Oberflächentopographien eines Messobjektes 10. Auch wenn im Folgenden die Anwendung von Ausführungsformen in erster Linie anhand der 3D-Untersuchung von Mikro- und
NanoStrukturen (z.B. zur Online-Bewertung von Ätzabtrag und Ätzkanten oder zur Fehlerinspektion periodischer
Strömungskanäle der Mikrofluidik) dargestellt wird, können auch Oberflächentopologien anderer Messobjekte 10 untersucht werden .

Das in z.B. einer Ausführungsform berührungslose und
zerstörungsfreie 3D-online-Messsystem ist speziell für eine Qualitätskontrolle in Fertigungsprozessen mit kurzen
Standzeiten geeignet. Gegenstand der Erfindung ist ein modulares opto-mikromechanisches Messsystem (vgl. Fig. 2 bis 4) , das die volle Information des abbildenden Laserstrahls ausnutzt und durch Einsatz von analogen Mikrospiegelarrays 5 zeit- und ortskorrelierte Messmethoden ermöglicht und hierdurch optimal an die jeweilige Prüfaufgäbe angepasst werden kann.

Das neue Messsystem hat andererseits die Möglichkeiten und damit den Vorteil, bereits etablierte Verfahren, wie
Triangulation, konfokale Mikroskopie oder Interferometrie in die Messkonzepte zu integrieren und zugleich aktuelle
Entwicklungen auf dem Gebiet der nanometrischen Metrologie, wie z.B. die Scatterometrie, für eine schnelle und
zuverlässige optische Signaturanalyse aufzugreifen.
Damit ist das opto-mikromechanische Messsystem deutlich leistungsfähiger als bereits existierende optische Verfahren und erschließt darüber hinaus neue Anwendungsfelder.

Dabei ist die Ausnutzung des Prinzips der inversen
maskenlosen Lithographie ein wesentlicher Aspekt der
vorliegenden Erfindung. Damit kann die Lage einer Struktur (etwa einer Kante oder eines Punktes) im Bereich von einigen Nanometern genau ermittelt werden.

Mit diesen Ausführungsformen lassen sich eine Reihe von Vorteilen erzielen:

• Analoge Mikrospiegelarrays 5 (mit Torsions- und / oder Senkspiegel) geben die Möglichkeit, jeden einzelnen
Spiegel individuell anzusteuern, um so die Winkel der einzelnen Strahlen oder deren Phase flexibel an die
Messaufgabe anzupassen.
• Intensitäts-, Phasen- und Polarisationskontrast-Methoden können ausgenutzt werden.
• Raum-Zeit-Korrelationstechniken können durch Kombination von zeitlich gezielter Ansteuerung der Einzelspiegel, sowie zeitlich und räumlich aufgelöster Detektion mit hochauflösenden CCD-Kameras oder Photodetektor-Arrays verwendet werden.
• Schnelle Algorithmen zum Gut-Schlecht-Vergleich von
Reflexions- bzw. von Interferenzmustern regulärer
Mikrostrukturen zur Qualitätskontrolle.
• Bestimmung der Absoluttiefe ohne Verwendung einer
Referenzebene mit einem Höhenbereich von mehreren
Mikrometern.
• Erfassung eines lateralen Messbereiches von 150x150 μm2 mit einer Submikrometer-Auflösung bei Verwendung einer entsprechenden Verkleinerungsoptik. Der Abstand von
Messobjekt 10 zu Mikrospiegelarray 5 (siehe Fig. 1) kann in der Größenordnung von ca. 300 mm gewählt werden.
Translationen und Rotation der Probe oder des
Messsystems sind nicht erforderlich.
Kombination mit einem analogen Mikrospiegelarray 5 mit einzeln ansteuerbaren Wipp- oder Senkspiegeln stellt ein neuartiges System zur Charakterisierung dreidimensionaler mikroskopischer Oberflächen dar. Damit können Interferenz-, Polarisations- und / oder Beugungseffekte ausgenutzt werden.

Damit sind die wesentlichen Vorteile:

• Schnelle im Millisekundenbereich liegende Erfassung der Oberflächen der Messobjekte 10 und damit geeignet für
OnIine-Anwendungen in der Fertigung. Bei der Verwendung von analogen Mikrospiegelarrays 5 kann mit einem solchen Zugang die hohe Ortsauflösung der Interferometrie und
Holographie ausgenutzt werden, um die zeitlich instabilen Interferenzstrukturen mittels der zeitlichen Autokorrelationsfunktion sichtbar zu machen.
• Durch Verwendung der analogen Mikrospiegelarrays 5
können Grauwertmodulationen genutzt werden, die eine
Ausrichtung von Beugungsgittern oder Kanten mit einer
Genauigkeit von ca. 5 nm erlauben.
• Durch verschiedene Einstellungen der Einzelspiegel und nicht zuletzt durch Verwendung eines in der Wellenlänge variablen Lasers oder weißen Lichtes lassen sich
flexible Messregimes realisieren (Raum- Zeitkorrelationsmethode, optische Signaturanalyse und traditionelle Verfahren der Triangulation und konfokaler Abbildung) und so optimale Lösungen für praktische
Anwendungen finden. Aktuelle Entwicklungen auf dem
Gebiet der nanometrischen Metrologie, wie z.B. die
Scatterometrie, können für eine schnelle und
zuverlässige optische Signaturanalyse aufgegriffen
werden .
Verfügbare optoelektronische Lösungen, z.B. konfokale
Mikroskopie oder Triangulationsverfahren auch bei Einsatz von steuerbaren LCD-Arrays, verwenden im Gegensatz dazu als Bild-und Informationsträger lediglich die Intensität des
Lichtstrahls . Holographische Verfahren oder die
Interferenzmikroskopie haben entweder eine zu geringe
laterale Ortsauflösung, sind auf sehr geringe Objektabstände angewiesen oder haben eine zu geringe Arbeitsgeschwindigkeit. Schnelle konfokale Verfahren, die auf DMD beruhen, benötigen zur Absolutmessung eine Referenzebene.

Die Verwendung des vom Fraunhofer IPMS entwickelten analog steuerbaren Mikrospiegelarrays 5 birgt verschiedene Vorteile gegenüber bekannten DMD hinsichtlich des Einsatzes der oben beschriebenen Wirkprinzipien und deren erreichbarer
räumlicher Auflösung sowie Geschwindigkeit der
Messwerterfassung. Mit den bekannten DMD sind nur
Intensitätsmuster abbildbar, da jeder Spiegel nur zwei Zustände einnehmen kann, während die vom Fraunhofer IPMS entwickelten Mikrospiegelarrays 5 analog ansteuerbar sind. Somit ist beim DMD-Prinzip die Erzeugung von Graustufen nur mit Zeitmultiplexing möglich und damit relativ langsam. Das analog steuerbare Mikrospiegelarray 5 des Fraunhofer IPMS hingegen gestattet die Definition von Untergittern aufgrund der analogen Modulation und die damit verbundene einfache Generierung von Graustufenbildern. Im Vergleich entspricht die Bildwiederholrate des analogen Mikrospiegelarrays 5 bei der Erzeugung von Grauwerten in etwa derjenigen des DMD bei der Formung von Schwarz-Weiß-Bildern.

Folgende Aufgaben können mit der Erfindung gelöst werden:

• Fokus-Regime
Durch geeignete Fokussierung des Messstrahls 4 wird z.B. beim Plasmaätzen metallischer, oxidischer und
nitridischer Schichten eine absolute Abstandsmessung und die Charakterisierung des Ätzabtrages
(Ätzratenbestimmung) sowie von entsprechenden
Ätzstrukturen, wie Ätzkanten, Loch- oder
Trapezstrukturen, erzielt. Des Weiteren lassen sich mit dem Messsystem Sputterstrukturen metallischer,
oxidischer und nitridischer Schichten charakterisieren. Somit wird ein breites AnwendungsSpektrum in der
Mikrosystemtechnik, der Elektronik und der
Nanotechnologie abgedeckt .

• Profilerkennung
Durch Ausnutzung von Beugungsstrukturen (inverse Technik zur maskenlosen Photolithographie) werden Lösungen zur
Vermessung bzw. Bewertung von periodischen
Halbleiterstrukturen im Submikrometer und
Mikrometerbereich für Anwendungen z.B. im Bereich der
Mikrooptik realisiert.

• Optische Signaturanalyse
Schnelle Vermessung von Strukturen und Fehlererkennung bei Technologien zur Herstellung von Mikrostrukturen, wie galvanische Abformung, Heißprägen und
Spritzgussverfahren. Das Messverfahren erlaubt einen
Gut-Schlecht-Vergleich von Mikrostrukturen, wie z.B.
Micropipes und MEMS für die Mikrofluidik.

• Optische Vermessung biologischer Objekte
3D-Vermesssung biologischer und medizinischer Objekte zur Mikro- und Nanostrukturaufklärung.

• Optische Spannungsmessungen
Durch Ausnutzung der optischen Doppelbrechung und der
Analyse der Polarisation von ordentlichem und
außerordentlichem Strahl können innere Spannungen in
optisch transparenten Materialien bestimmt werden, wobei die Spannungen sowohl mit hoher Ortsauflösung im
Mikrometerbereich als auch scannend über größere Flächen zugängig sind.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen
Verfahren auch bei grundsätzlich anders gearteten
Ausführungen Gebrauch machen.

Bezugszeichenliste

1 Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung
2 Strahlteiler
3 Referenzstrahl
4 Messstrahl
41 erster Abschnitt des Messstrahls (vom Strahlteiler zum analog steuerbaren Mikrospiegelarray)
42 zweiter Abschnitt des Messstrahls (vom analog
steuerbaren Mikrospiegelarray zum Messobjekt
reflektierter Strahl)
43 dritter Abschnitt des Messstrahls (vom Messobjekt
reflektierter Strahl)
5 analog steuerbares Mikrospiegelarray, Kipp- und / oder Senkspiegelarray
5a Mikrosenkspiegel
5b Senkspiegelarray
6 Detektor
7 Rechenmittel

10 Messobjekt mit einer Oberflächentopologie
11 Projektionsmuster (Streifenmuster) auf Messobjekt

20 erste Polarisationsoptik
21 erste Abbildungsoptik
22 Zoomoptik, Fokusoptik
23 zweite Polarisationsoptik
24 zweite Abbildungsoptik

30 Shutter
31 drehbares λ/2 Plättchen
32 erstes λ/4 Plättchen
33 zweites λ/4 Plättchen
34 Analysator

50 Detektorstrahl