Modulare Mikroskop-Einheit mit Autofokuseinheit der BXC-Serie

Einleitung

Wir bieten Herstellern von Mikroskop-Bildgebungssystemen ein umfangreiches Sortiment an Objektiven und anderen optischen Komponenten, um so die Arbeit von Geräteentwicklern zu unterstützen. Diese Komponenten können Ingenieure bei der effizienten Entwicklung hochwertiger optischer Prüfgeräte helfen.

Eine Anwendung, die Mikroskop-Bildgebungssysteme erfordert, ist die Prüfung von Halbleitern. Hersteller von Halbleitern benötigen während des gesamten Herstellungsprozesses schnelle, genaue und eindeutige Prüfungen. Sie verlassen sich darauf, dass die Hersteller optischer Prüfgeräte innovative Prüfgeräte entwickeln, die mit den Anforderungen der Industrie mithalten können. Hersteller von Halbleitern beziehen die für die Halbleiterprüfung benötigten opto-mechanischen Baugruppen häufig von Experten für optische Bildgebung. Eine wesentliche Komponente bei dieser Prüfanwendung ist der Autofokus des optischen Systems, der großen Einfluss auf die Gesamtgeschwindigkeit der Prüfung hat. Der Autofokus wird mit dem motorgesteuerten Z-Mechanismus, der Beleuchtung, den Mikroskop-Objektiven und einer Digitalkamera oder einem Sensor des optischen Systems kombiniert, um das System zu vervollständigen. 

In diesem Whitepaper wird erläutert, wie wir eine automatisierte Autofokuseinheit (BXC-FSU) zusammen mit dem motorgesteuerten Z-Mechanismus des Mikroskops, der Beleuchtung, dem Lampenhaus, dem Objektiv und anderen Komponenten entwickelt haben, um Hersteller bei einer schnellen und effizienten Prüfung von Halbleitern zu unterstützen.

Was ist ein Autofokus?

Es gibt zwei Arten von Autofokussystemen:

• Passive Systeme fokussieren anhand des betrachteten Bildes. Diese Technik wird oft als Bildkontrastverfahren bezeichnet. Es funktioniert jedoch nicht bei Proben mit geringem Kontrast, wie unstrukturierten Wafern. Mit dieser Methode verursacht die Bestimmung der Fokusrichtung Probleme, weswegen der Z-Tisch auf und ab bewegt werden muss, um die Kontrastzunahme oder -abnahme der Probe zu erkennen. Dadurch verlangsamt sich die Fokusgeschwindigkeit und es ist schwierig, die Fokuseinstellung zu verfolgen. Diese Methode hat jedoch den Vorteil, dass sie relativ kostengünstig ist. 
• Aktive Systeme strahlen Licht von einer speziellen Lichtquelle auf die Probe und nehmen die Scharfeinstellung anhand des zurückgeworfenen Lichts vor. Diese Technik eignet sich für fortschrittliche Prüfsysteme, wenn die Probe einen geringen Kontrast hat, z. B. Flachbildschirme oder unstrukturierte Wafer (Abbildung 1).

Abbildung 1: Prüfung unstrukturierter Wafer.

Aktive Methode: Pupillenteilung

Abbildung 2: Überblick über die aktive Methode der Pupillenteilung.

Eine aktive Methode zur Fokussignalverarbeitung ist die Pupillenteilung (Abbildung 2). Bei dieser Methode befindet sich eine Sperrplatte zwischen Lichtquelle und Linse (Abbildung 2), die das von der Laserquelle emittierte Licht auf einer Seite blockiert. Nachdem das Laserlicht durch die Objektivlinse auf die Probe gerichtet wurde, wird es von der Probe reflektiert und gelangt über einen Halbspiegel in die zweigeteilte Fotodiode. Die Intensität des auf jeder Seite einfallenden Lichts (Abbildung 2 A und B) ändert sich je nachdem, ob sich die Probe auf der entfernten oder der nahen Seite des Brennpunkts befindet. Die Autofokuseinheit erfasst den Strom, der durch A und B fließt, und wandelt ihn mit Hilfe der Gleichung (A-B)/(A+B) in das "Fehlersignal" um. Die fokussierte Position ist die Z-Position, an der die Intensität des auf beiden Seiten der Fotodiode einfallenden Lichts gleich ist. In anderen Worten: Wenn das Fehlersignal ungefähr gleich Null ist, weiß die Autofokuseinheit, dass die Probe fokussiert ist.

Abbildung 3 zeigt, wie sich die auf den Seiten A und B der zweigeteilten Fotodiode einfallenden Signale und die Fehlersignalwerte je nach Probenposition ändern.

Abbildung 3: Fokussignalverabeitung mittels Pupillenteilung (aktive Methode)

Ausgabe des Fehlersignals des Fokus

Die Steuerung der Autofokuseinheit empfängt das Signal und überträgt es an die Software, die die motorisierte Z-Bewegung steuert. Um die Fokusinformationen an das Gerät des Kunden zu übertragen, wird die BXC-FSU Autofokuseinheit mit dem BXC-CBB Controller verbunden (Abbildung 4).

So funktioniert das BXC-CBB System

Abbildung 4: Konfiguration des BXC-CBB Systems.

Die Fokusinformationen durchlaufen das System auf folgende Weise: BXC-FSU→BXC-RLI→BXC-CBB→BXC-CBE1. Der BXC-CBE1 Controller erzeugt das analoge Signal, das von den anfänglich bereitgestellten Fokusinformationen durch die BXC-FSU Autofokuseinheit an die Geräte des Kunden übertragen wird.

Der BXC-CBE1 Controller erzeugt drei Signalarten für die Fokussierung:

• Fokusfehlersignal (Focus error signal)
• Aufnahmesignal (In-capture signal)
• Fokussignal (In-focus signal)

Das oben beschriebene Fehlersignal [(A-B)/(A+B)] wird als Analogsignal im Bereich von -10 V bis +10 V ausgegeben. Die Richtung der Fokusposition lässt sich daran erkennen, ob die Spannung positiv oder negativ ist.

Die Position, an der das Fehlersignal 0 V erreicht, ist die Fokusposition. Wie in Abbildung 5 dargestellt, wird das Fokussignal aktiviert, wenn das Fehlersignal im Bereich des Fokusschwellenwerts um 0 V liegt. Der Bereich, in dem das Fokussignal aktiviert ist, ist als der Bereich definiert, in dem sich die Probe innerhalb der Schärfentiefe des Objektivs (im Fokus) befindet.

Wie in den roten Kästchen in Abbildung 5 dargestellt, beträgt das Fokusfehlersignal jedoch auch 0 V, wenn die Probe weiter von der Fokusposition entfernt ist. Dies geschieht, weil die Intensität des von der Probe reflektierten und auf die zweigeteilte Fotodiode auftreffenden Laserlichts abnimmt, je weiter die Probe von der fokussierten Position entfernt ist. In Abbildung 5 ist zu sehen, dass das Fokussignal aktiv ist, auch wenn es bei niedrig (Low) ist.

Abbildung 5: Die Änderung des Fehlersignals [(A-B)/(A+B)] und des Fokussignals an jeder Z-Position. 

Das Aufnahmesignal gibt die Intensität des von der Autofokuseinheit emittierten und von der Probe zur Fotodiode reflektierten Laserlichts an. Da das System die Intensität erkennen kann, kann es feststellen, ob das Nullsignal durch eine geringe Intensität verursacht wird und die Probe tatsächlich nicht fokussiert ist. Dieses Aufnahmesignal tritt auf, wenn sich die Probe in der Nähe oder dicht an der Fokusposition befindet und wird als Aufnahmebereich bezeichnet. Wenn sich die Probe im Aufnahmebereich befindet, kann der Autofokus aktiviert und für die tatsächliche Fokussierung verwendet werden. Die Probe befindet sich dann im Aufnahmebereich, wenn die Gesamtlichtmenge (A+B), die auf die zweigeteilten Fotodioden fällt, einen bestimmten Grenzwert überschreitet (Abbildung 6).

Abbildung 6: Variation der Gesamtlichtintensität (A+B) und des Aufnahmesignals an jeder Z-Position. Das Aufnahmesignal wird aktiviert, wenn (A+B) einen bestimmten Grenzwert überschreitet. In dieser Abbildung ist zu sehen, dass das Aufnahmesignal bei niedrig (Low) aktiv ist.

Die Fokusposition ist also der Bereich, in dem das vom BXC-CBE1 ausgegebene Aufnahmesignal aktiv ist, das Fehlersignal nahe 0 V liegt und das Fokussignal ebenfalls aktiv ist. In Abbildung 7 ist der Status des Aufnahmesignals und des Fokussignals an jeder Z-Position zu sehen. Hier sind die Aufnahme- und Fokussignale aktiv, auch wenn sie bei niedrig (Low) sind.

Abbildung 7: Veränderungen des Aufnahmesignals und des Fokussignals.

Basierend auf den obigen Ausführungen ermöglicht die Überwachung der drei vom BXC-CBE1 ausgegebenen Signale (Fokusfehlersignal, Aufnahmesignal und Fokussignal), den Fokus zu finden und mit dem vom Kunden ausgewählten Z-Motor und Z-Antrieb zu verbinden. Diese arbeiten alle zusammen, während sich die Tische zu den einzelnen Prüfpositionen bewegen (Abbildung 8).

Abbildung 8: Das Verhältnis zwischen Objektivlinse, Live-Bild und Wellenform (Oszilloskopsignale; Fokusfehlersignal: grün; Fokussignal: gelb; Aufnahmesignal: blau).

Ein Oszilloskop kann bestätigen, dass alle Signale aktiv sind, wenn das Bild fokussiert ist. Dies kann bei der Gestaltung und Entwicklung des Geräts genutzt werden.

Mehrpunkt-Laserprojektion

Die Topographie der Probe kann die Fokussierung beeinflussen. Wenn ein Laser an einem einzelnen Punkt auf eine Probe projiziert wird und die Probe eine Stufenstruktur aufweist, wie z. B. feine Drahtmuster auf Halbleitersubstraten, kann sich die Fokusposition beim Scannen der Probe häufig ändern. Es treten sogenannte "Rattermarken" (Chatter) beim Scannen auf. Es ist auch möglich, aufgrund der Streuung des AF-Lichts an der Kante der Stufe eine Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses der Fokusfehlersignale zu sehen (Abbildung 9). In beiden Fällen wirkt es sich nachteilig auf die Konzentration und die Schnelligkeit während der Prüfung aus.

Um Rattermarken zu reduzieren und die Fokusstabilität zu verbessern, verwendet die BXC-FSU Autofokuseinheit ein aktives Mehrpunkt-Autofokussystem (Abbildungen 10 und 11). Die Punkte sind in einem 45°-Winkel im gesamten Sichtfeld angeordnet und das durchschnittliche Signal aller Punkte ergibt eine durchschnittliche Fokusposition. Die Mittelung der Fokussierung im gesamten Sichtfeld ermöglicht eine reproduzierbare Autofokussierung, wenn die Probe eine Stufenstruktur aufweist.

 (a) Variation der Fokusposition (b) Streuung durch Kanten
 Abbildung 9: Instabilitätsfaktoren der Fokussierung.

(a) Einzelpunkt-Methode (b) Mehrpunkt-Methode
Abbildung 10.  Vergleich der Fokuspunkte auf der Probenoberfläche. 

(a) Einzelpunkt-Methode: Beim Verschieben der Probe zur Stelle mit Abstufung, verschiebt sich die Z-Position erheblich, wodurch das Bild unscharf wird. 

(b) Mehrpunkt-Methode: Die Fokusposition ändert sich nicht, auch wenn die Probe eine Stufenstruktur aufweist und verschoben wird.

Abbildung 11.  Fokusstabilität der Einzelpunkt-Methode und der Mehrpunkt-Methode bei Proben mit Stufenstruktur im Vergleich. Helle Punkte demonstrieren die fokussierten Erkennungspunkte.

Korrektur der chromatischen Aberration

Da die BXC-FSU Autofokuseinheit eine Laserlichtquelle im Nahinfrarot-Bereich verwendet, unterscheidet sich die Tischposition bei Fokussierung mit Laserlicht von der mit Weißlicht-Fokussierung. Dies liegt an der chromatischen Aberration, bei der der Brechungsindex des Objektivglases je nach Wellenlänge des Lichts variiert (Abbildung 12). Daher ist die BXC-FSU Autofokuseinheit mit einem Mechanismus zur Korrektur der chromatischen Aberration und zur Anpassung der Fokusposition von Licht im sichtbaren Bereich und Laserlicht im Infrarot-Bereich ausgestattet. Die chromatische Aberration wird jedes Mal, wenn das Objektiv im Objektivrevolver gewechselt wird, anhand eines voreingestellten Werts in der Software korrigiert. 

Abbildung 12 . Durch chromatische Aberration in der Objektivlinse ergeben sich zwei Fokuspositionen, eine für Licht im sichtbaren Bereich und eine für Laserlicht.

Zusammenfassung

Die Autofokus-Technologie maximiert Scanzeiten und Auflösungsgenauigkeit. Wenn Sie die Prinzipien der Fokussignalverarbeitung verstehen, können Sie die BXC-FSU Autofokuseinheit optimal nutzen und in Ihre Ausstattung integrieren.
Unserer Produktseite können Sie entnehmen, ob dieses Gerät mit Ihrer Ausstattung kompatibel ist sowie weitere Dokumente finden.
Auf unserer Webseite Software-Downloads können Sie die System Sample Software herunterladen, um die Befehlssteuerung der BXC-CBB- und BXC-CBRLM Systeme besser zu verstehen.

Das BXC-FSU Benutzerhandbuch, in dem die FSU-Verwendung erklärt wird, ist ebenfalls verfügbar.
Um ein Exemplar zu erhalten, füllen Sie das Kontaktformular mit Vermerk „Request for Application Manual“ im Kommentarbereich aus.