-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur interferometrischen Bestimmung
einer optischen Weglänge
zwischen der Oberfläche
(OO) eines Objekts (O) mit den Verfahrensschritten:
- – Richten
einer kohärenten
elektromagnetischen Wellenfront auf die Oberfläche des Objekts,
- – Anordnen
der Referenzfläche
vor der Oberfläche
des Objekts derart, dass der von der Referenzfläche reflektierte Anteil mit
dem von der Oberfläche
des Objekts reflektierten Anteil ein Interferenzmuster bildet und
- – Erfassung
des Interferenzmusters in einer Detektionseinrichtung.
-
Die
Erfindung betrifft ferner eine Interferometeranordnung mit einer
kohärenten
Strahlenquelle, deren Strahlung auf eine reflektierende Oberfläche eines
Objekts geleitet wird, einer vor dem Objekt angeordneten teilreflektierenden
Referenzfläche
und einer Detektionseinrichtung zur Detektion von durch Interferenz
zwischen dem vom Objekt und dem von der Referenzfläche reflektierten
Strahl gebildeten Intensitätsänderungen.
-
Es
ist bekannt, zur Prüfung
der Oberfläche eines
Objektes dieses mit einer Wellenfront zu beleuchten, die möglichst
der Idealform der zu messenden Oberfläche des Prüflings entspricht. Ist die
Oberfläche
des Objektes eine Planfläche,
wird also das Planwellenspektrum der kollimierten Lichtquelle verwendet.
Weist das Objekt eine sphärische
Oberfläche
auf, wird das Objekt in idealerweise mit einer sphärischen
Wellenfront beleuchtet. Die Oberfläche des Objekts wird scharf
auf eine Detektionseinrichtung, die beispielsweise eine Kamera ist,
abgebildet. Demgemäß wird eine
Beobachtungsordnung mit Beleuchtung im Auflicht verwendet.
-
Zwischen
dem Objekt und der Beobachtungsoptik wird eine Referenzfläche angeordnet,
deren Form der Idealform der zu messenden Oberfläche entsprechen sollte. Für eine plane
Oberfläche des
Objekts ist die Referenzfläche
somit plan ausgebildet, während
bei einer sphärischen
Oberfläche eine
entsprechende sphärische
Referenzfläche
verwendet wird. Der Abstand zwischen der Referenzfläche und
der Oberfläche
des Objekts sollte deutlich kleiner sein als die halbe Kohärenzlänge der
eingesetzten Strahlenquelle, die üblicherweise eine Lichtquelle
ist. Auf dem Detektor entsteht dann ein Interferenzmuster, das aus
der Überlagerung
der von der Referenzfläche
reflektierten Wellenfront der Beleuchtung (Referenzwellenfront)
und der Wellenfront resultiert, die von der Oberfläche des
Objekts reflektiert wird (Objektwellenfront). Aufgrund der notwendigerweise
teilreflektierenden Eigenschaft der Referenzfläche entstehen zwischen der
Oberfläche
des Objekts und der Referenzfläche
Mehrfachreflexionen.
-
Da
sich die Referenzfläche
notwendigerweise an einem dreidimensionalen Gegenstand befindet,
wird die dem Objekt zugewandte Oberfläche des Gegenstandes (z.B.
Glasplatte für
eine plane Referenzfläche)
als Referenzfläche
verwendet und die der Strahlenquelle zugewandte Oberfläche entspiegelt.
Ggf. kann die der Strahlenquelle zugewandte Oberfläche auch
einen von der Parallelität
abweichenden keilförmigen
Winkel zur Referenzfläche
aufweisen, um störende
Reflexionen von dieser nicht benötigten
Oberfläche
zu vermeiden.
-
Eine
derartige Interferometeranordnung ist in unterschiedlichen Ausführungsformen
denkbar, beispielsweise bei einem Interferenzmikroskop, bei dem die
Referenzfläche
durch ein Deckglas gebildet wird. Eine übliche Anordnung einer erfindungsgemäßen Interterometeranordnung
ist ferner ein Fizeau-Interferometer, dessen prinzipieller Aufbau
in 1 dargestellt ist.
-
Das
Licht einer Laserlichtquelle L durchläuft eine Kollimatorlinse KL
und eine Planplatte PP bevor es auf einen üblichen Strahlteiler gelangt.
Das durch den Strahlteiler durchtretende kohärente Licht durchläuft eine übliche Fernrohr-Optik
FO. Vor einem zu untersuchenden Objekt O mit einer wenigstens teilweise
reflektierenden Oberfläche
OO ist eine Referenzoptik in Form einer Referenzplatte RP angeordnet.
Deren zum Objekt O zeigende Oberfläche dient als Referenzfläche RF,
während
die zur Lichtquelle L zeigende Oberfläche der Referenzplatte RP entspiegelt
ist und daher für
die Funktion keine Rolle spielt. Der in sich selbst reflektierte
Lichtstrahl wird durch den Strahlteiler ST aus dem Beleuchtungsstrahl
ausgekoppelt und gelangt auf eine Kamera K, mit der ein Interferenzmuster
auswertbar ist. Das Interferenzmuster entsteht dadurch, dass die
Referenzfläche RF
mit einem Abstand zur Objektoberfläche OO angeordnet ist, der
kleiner als die halbe Kohärenzlänge des
Lichts der Lichtquelle L ist. Demgemäß erfolgt eine direkte Interferenz
zwischen dem von der Referenzfläche
RF reflektierten Lichtstrahl und dem von der Objektoberfläche OO reflektierten
Lichtstrahl der Lichtquelle L.
-
Durch
Variation des Abstandes zwischen der Referenzfläche RF und der Objektoberfläche OO, beispielsweise
durch ein auf der Objektoberfläche OO
aufgedrucktes Muster, entstehen Phasenunterschiede, die zu geänderten
Intensitäten
der Interferenzstreifen am Beobachtungspunkt der Kamera K führen.
-
2 verdeutlicht
unterschiedliche Interferenzstreifenintensitäten, die durch unterschiedliche Reflexionsgrade
auftreten.
-
In 2 zeigt
die Ordinate das Verhältnis
der von der Oberfläche
des OO des Objekts O reflektierten Intensität Ir zu der Intensität der Beleuchtung
Ii bei verschiedenen Reflektivitäten.
Die Abszisse zeigt den Abstand zwischen Referenzfläche RF und
Objektoberfläche
OO in Einheiten von π.
Es ist aus 2 deutlich, dass der prinzipielle
Verlauf der Intensitätsmodulation
stark von der vorliegenden Reflektivität abhängt, dass heißt von dem
Amplitudenreflexionskoeffizienten r und somit von der Finesse F.
-
Für die Anwendung
einer phasenschiebenden Interferometrie, bei der eine Phasenverschiebung
entweder durch eine Verschiebung des Abstandes zwischen Referenzfläche RF und
Objektoberfläche
OO oder durch eine Änderung
der Wellenlänge des
Lichts der Lichtquelle L vorgenommen wird, entstehen durch die qualitativ
unterschiedlichen Intensitätsmodulationen,
wie sie in 2 dargestellt sind, naturgemäß erhebliche
Auswertungsfehler, wenn nicht die Reflektivität der Oberfläche OO vorher
festgestellt worden ist. Es ist daher erforderlich, die Reflektivität der Objektoberfläche OO jedes
Objekts O vorher zu überprüfen und
dadurch die anschließende Messung
zu kalibrieren.
-
Besonders
problematisch ist dies bei Oberflächen mit lokal variierenden
Reflektivitäten.
Während
die Kalibrierung für
eine Einzelmessung noch tolerierbar erscheinen mag, stellt das Erfordernis
der Kalibrierung für
Serienuntersuchungen ein entscheidendes wirtschaftliches Hindernis
dar.
-
Ein
wesentlicher Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der
Vermessung von EUV (extrem-ultraviolett)-Masken, die für die EUV-Lithographie
verwendet werden. Diese müssen
wegen ihrer Anwendung bei der extrem hohen elektromagnetischen Frequenz
der EUV-Strahlung extrem genau vermessen werden. Da die Masken zwangsläufig lokal
unterschiedliche Reflektivitäten aufweisen
müssen,
ist ihre vorherige Kalibrierung unabdingbar. Der mögliche Ausweg,
die Maskenkörper vor
ihrer Beschichtung und Strukturierung zu vermessen, ist nicht gangbar,
weil die Beschichtungen Spannungen erzeugen, die die Prüflinge deformieren.
Da diese Spannungen vom Aufbau der Beschichtung und vom Beschichtungsvorgang
selbst abhängen,
müssen
die Prüflinge
im Endzustand ihrer Bearbeitung geprüft werden.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte
und verbesserte Möglichkeit
zur interferometrischen Vermessung anzugeben.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren
zur interferometrischen Bestimmung einer optischen Weglänge zwischen
der Oberfläche
eines Objekts und einer Referenzfläche mit den eingangs erwähnten Verfahrensschritten
gelöst durch
die folgenden Verfahrensschritte:
- – Trennen
von unterschiedlich polarisierten Strahlanteilen (S1, S2) zwischen
der Referenzfläche
(RF) und der Oberfläche
(OO) des Objekts (O) zur Unterdrückung
von Vielfachreflexionen und
- – Einstellen
der relativen Intensitäten
der Strahlanteile mittels eines einstellbaren Polarisationsfilters.
-
Zur
Lösung
der genannten Aufgabe ist ferner eine Interferometeranordnung der
eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass die Referenzfläche als Polarisationsteiler
ausgebildet ist, der Strahlung einer ersten Polarität reflektiert
und einer zweiten Polarität
durchlässt,
sodass die Strahlung der zweiten Polarität von der Oberfläche des
Objekts reflektiert wird, und dass in den Strahlengang wenigstens
ein Polarisationsfilter eingeschaltet ist.
-
Durch
das erfindungsgemäße Verfahren werden
Vielfachreflexionen zwischen der Referenzfläche und der Objektoberfläche unterdrückt. Die Auswertung
an der Detektionseinrichtung ist daher die Auswertung einer reinen
Zweistrahl-Interferometrie, bei der die Intensitätsmodulation der Interferenzstreifen
unabhängig
von der Reflektivität
der Objektoberfläche
qualitativ gleich bleibend erfolgt und insbesondere kosinusförmig ist.
Durch unterschiedliche Reflektivitäten können dabei unterschiedliche
Kontraste zwischen der maximalen Helligkeit und der maximalen Dunkelheit
der Interferenzstreifen entstehen, der qualitative Verlauf bleibt
jedoch unverändert,
sodass beispielsweise die Anwendung einer phasenschiebenden Interferometrie
fehlerfreie Auswertungen ermöglicht.
-
Die
Erfindung ermöglicht
insbesondere die Bestimmung der Position und/oder der Topographie der
Oberfläche
des Objekts relativ zu der Referenzfläche, die an die – ebenso
wie die Wellenfront – an die
Oberfläche
des Objekts angepasst sein sollte.
-
Die
Erfindung eignet sich darüber
hinaus auch zur Bestimmung einer Weglängenänderung durch einen zwischen
der Oberfläche
und der Referenzfläche
angeordneten durchleuchtbaren Gegenstand, beispielsweise einer Körperzelle.
In diesem Fall wird nicht die reflektierende Oberfläche des
Objekts vermessen, sondern der in dem Zwischenraum zwischen der
Oberfläche
und der Referenzfläche
befindliche Gegenstand, sodass die Oberfläche des Objekts selbst als
weitere Referenzfläche
fungiert.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich besonders
vorteilhaft dann anwenden, wenn die Trennung der Strahlanteile durch
die Ausbildung der Referenzfläche
selbst vorgenommen wird. Dies ist dadurch möglich, dass an der Referenzfläche die Strahlung
einer ersten Polarität
durchgelassen und Strahlung einer zweiten Polarität reflektiert
wird. Auf diese Weise wird beim Durchtreten des Lichtstrahls durch
die Referenzfläche
eine Polarisationsteilung zwischen dem durchgelassenen und dem reflektierten
Licht vorgenommen.
-
Eine
erfindungsgemäße derart
ausgebildete Interterometeranordnung der eingangs erwähnten Art
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche als Polarisationsteiler
ausgebildet ist, der Strahlung einer ersten Polarität reflektiert
und einer zweiten Polarität
durchlässt,
sodass die Strahlung der zweiten Polarität von der Oberfläche des
Objekts reflektiert wird, und dass in den Strahlengang wenigstens
ein Polarisationsfilter eingeschaltet ist.
-
Mit
dem in den Strahlengang eingeschalteten Polarisationsfilter, das
vorzugsweise einstellbar ausgebildet ist, kann eine Anpassung der
Strahlanteile der beiden Polaritäten
so vorgenommen werden, dass sie eine etwa gleiche Intensität aufweisen, wodurch
ein maximaler Kontrast erzeugt wird.
-
Erfindungsgemäß ist es
daher nicht erforderlich, die Reflektivität der Referenzfläche an die
(vorher bestimmte) Reflektivität
der Oberfläche
des Prüflings
anzupassen, in dem beispielsweise unterschiedliche Referenzflächen vorgehalten
werden. Erfindungsgemäß kann für alle Reflektivitäten der
Oberfläche
des Objektes die gleiche Referenzfläche verwendet werden und dennoch
ein maximaler Kontrast eingestellt werden.
-
Die
erfindungsgemäße Entkopplung
der Referenzfläche
von der Objektoberfläche
ermöglicht
die Durchführung
der phasenschiebenden Interferometrie durch eine Änderung
der Wellenlänge
der Strahlenquelle, ohne dass es – wie bisher – zu qualitativ unterschiedlichen
Intensitätsmodulationen
kommt.
-
Die
für die
phasenschiebende Interferometrie benötigte Phasenverschiebung kann
dadurch erzielt werden, dass in den Strahlengang eine schräg gestellte λ/2-Platte
eingesetzt wird, die für
unterschiedliche Polarisationsrichtungen unterschiedliche optische
Weglängen
bewirkt. Durch Drehen der λ/2-Platte
kann die Phase zwischen den beiden unterschiedlich polarisierten
Strahlungsanteilen verändert
werden.
-
Somit
ist es möglich,
die Fläche
des Beleuchtungsbereiches der Oberfläche des Objektes parallel auszuwerten,
weil etwaige lokal unterschiedliche Reflektivitäten keine Auswirkungen auf
die Auswertungsmethode haben. Demgemäß ist es nicht mehr erforderlich,
einzelne Punkte in der Ebene oder gar nur entlang einer Linie nacheinander
abzutasten. Es ist daher erfindungsgemäß möglich, die Oberfläche des
Objektes mit einer schnellen CMOS-Kamera auszuwerten.
-
Alternativ
kann die Phasenverschiebung mit frequenzmodulierenden optischen
Bauelementen, beispielsweise mit zwei AOM (Akusto Optische Modulatoren)
hergestellt werden, die für
die beiden unterschiedlich polarisierten Signalanteile mit einer
geringen Differenzfrequenz von wenigen Hz betrieben werden. Dadurch
kommt es zu einer Ausbildung einer Schwebung, sodass die unterschiedlichen
Phasen durch Messungen zu unterschiedlichen Zeiten während der
Schwebungsperiode zur Verfügung
stehen. Das Messresultat in Form der Phasenverteilung ergibt sich
somit mittels einer Umrechnung von beispielsweise fünf Bildern,
die in definierten Zeitabständen
aufgenommen wurden. Auf diese Weise kann ein Heterodyn-Verfahren
implementiert werden, wodurch die Notwendigkeit beseitigt wird,
die Referenzfläche in
definierten Wegdifferenzen mechanisch zu verschieben, wie dies bei
herkömmlichen
Homodyn-Verfahren
der Fall ist. Dieser Vorteil steht beispielsweise auch bei einer
hochauflösenden
interferometrischen Mikroskopie im Auflicht.
-
Durch
die erfindungsgemäße Trennung
der von der Referenzfläche
und der von der Objektoberfläche
reflektierten Strahlung bewirkt somit, dass der Verlauf der Intensitätsmodulation
prinzipiell nicht von den im Interferometer vorliegenden Reflektivitäten abhängig ist.
Die prinzipielle Form der Modulation der Interferenz bleibt erhalten,
wobei nur eine Änderung des
Kontrastes erfolgt, wenn sich die Reflektivität des Prüflings – insgesamt oder lokal – ändert.
-
Der
Verlauf der vom Abstand zwischen Referenzfläche und Oberfläche (bei
konstanter Wellenlänge)
abhängigen
Intensitätsmodulation
ist prinzipiell kosinusförmig.
Somit kann ein die Phase schiebender Algorithmus in einem Fizeau-Interferometer
angewendet werden und ist unabhängig
von beispielsweise lokal variierenden Reflektivitäten.
-
Für die erfindungsgemäße kosinusförmige bzw.
sinusförmige
Modulation in einem Fizeau-Interferometer sind somit keine mechanisch
oder elektronisch aufwändige
Lösungen
erforderlich, wie sie früher
vorgeschlagen worden sind.
-
Eine
lokale Kalibrierung des Verlaufs der Intensitätsmodulation kann entfallen.
Gleichzeitig werden die Messunsicherheiten bei der Anwendung von fehlerkompensierenden
Algorithmen minimiert.
-
Die
Ausbildung des Polarisationsteilers erfolgt vorzugsweise zur Bildung
linear polarisierter Strahlen. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass
die Referenzfläche
als flächiges
Gitter ausgebildet ist. Dabei ist es möglich, mehrere Gitterstrukturen miteinander
zu kombinieren, um einen vergrößerten Wellenlängen-Arbeitsbereich
zu erhalten.
-
Alternativ
ist es ferner möglich,
die Referenzfläche
als Hologramm auszubilden, das somit als Volumengitter fungiert.
-
Der
vorzugsweise einstellbar ausgebildete Polarisationsfilter ist vorzugsweise
vor der Detektionseinrichtung, die insbesondere eine Kamera sein kann,
angeordnet. Es kann dabei als lineares Polarisationsfilter so eingestellt
sein, dass die Strahlenanteile beider Polaritäten gleichmäßig abgeschwächt werden,
wenn das Polarisationsfilter für
eine Polarisationsrichtung von 45° zu
den beiden senkrecht aufeinander stehenden Polarisationsrichtungen
aufweist.
-
Ergänzend hierzu
ist es möglich,
ein weiteres Polarisationsfilter am Ausgang der Strahlenquelle anzuordnen,
also vor dem Strahlteiler des Fizeau-Interferometers. Dadurch ist
in gleicher Weise der Anteil der beiden Strahlanteile zueinander
einstellbar.
-
Die
erfindungsgemäße Anordnung
kann auch dazu verwendet werden, Brechungsindexverteilungen von
Objekten, die zwischen der zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche OO und
der Referenzfläche
RF angeordnet werden, im doppelten Lichtdurchgang zu bestimmen.
Dabei kann es sich beispielsweise um Flüssigkeiten oder auch um biologische
Präparate
handeln.
-
Anhand
der beigefügten
Zeichnung werden schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es
zeigen:
-
3 eine
schematische Darstellung einer als metallisches Gitter ausgebildeten
Referenzfläche vor
der Oberfläche
eines Objektes,
-
4 eine
schematische Darstellung einer mit einem Oberflächenreliefgitter ausgebildeten
Referenzfläche
und
-
5 eine
mit einem holographischen Volumengitter ausgebildete Referenzfläche.
-
Die
Erfindung wird vorzugsweise mit einem Fizeau-Interferometer ausgeführt, wie
es prinzipiell anhand der 1 beschrieben
ist.
-
3 zeigt
in einer vergrößerten Darstellung die
Referenzplatte RP, die an ihrer Unterseite die Referenzfläche RF aufweist.
Diese ist in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen immer plan
ausgebildet, kann jedoch an beliebige Formen einer zu überprüfenden Oberfläche OO eines
Objektes O angepasst sein.
-
In 3 ist
schematisch gezeigt, dass die Referenzfläche RF zur Vermeidung von Vielstrahlintererenz
mit einer leitfähigen
Sub-Wellenlängenstruktur
in Form eines metallischen Gitters 1 beschichtet ist. Derartige
Polarisationsstrahlteiler, die auf dem Prinzip eines leitfähigen Sub-Wellenlängengitters
beruhen, sind bekannt und werden als „artificial dielectrics" bezeichnet. Die
Trennung der beiden (linearen) Polarisationen ist dabei über einen
Wellenlängenbereich
von mehreren 100 nm gewährleistet, sodass über einen
breiten Spektralbereich gearbeitet werden kann.
-
In 3 sind
zwei unterschiedliche polarisierte Strahlanteile S1, S2 schematisch
dargestellt. Der Strahlanteil S1 weist eine Polarisation auf, für die der
elektrische Vektor senkrecht zur Richtung der Gitterlinien schwingt,
sodass diese Strahlung durchgelassen wird und von der Oberfläche OO des
Objekts O reflektiert wird. Dem gegenüber wird der senkrecht dazu
polarisierte Strahlanteil S2 von der Gitterstruktur 1 nicht
durchgelassen, sondern reflektiert. Die beiden Strahlanteile S1
und S2 bilden bei Einsatz eines Polarisationsfilters vor dem Detektor
ein Zweistrahl-Interferenzmuster,
da eine Vielfachreflexion zwischen der Referenzfläche RF und
der Objektoberfläche
OO ausgeschlossen ist.
-
In
Analogie dazu kann die Referenzfläche auch anisotrope, leitfähige Nanopartikel
aufweisen, um eine Trennung der Polarisationen zu erzielen. Diese
Nanopartikel können
durch länglich
gestrickte Silbertröpfchen
gebildet sein.
-
4 zeigt
ein entsprechendes Ausführungsbeispiel,
bei der ein Oberflächenreliefgitter 2 verwendet
wird, das zu den gleichen Ergebnissen bezüglich der Polarisationsteilung
führt.
-
Der
Effekt beruht darauf, dass in dem Oberflächenreliefgitter 2 der
Strahlanteil S2 mit seiner Polarität so gebeugt wird, dass eine
Totalreflexion entsteht.
-
Die
Funktionsweise der „on
axis polarising beam splitter" wie
sie in den 4 und 5 dargestellt
sind, ist im Normalfall um einen relativ schmalen Bereich um eine
Soll-Wellenlänge
begrenzt. Bei einem Volumengitter können mehrere Gitter unterschiedlicher
Geometrie durch ein Hologramm belichtet werden. In das Profil eines
Oberflächenreliefgitters
können
die Funktionen mehrerer unterschiedlicher Gitter kodiert werden,
wodurch die Polarisationsteilung für einen größeren Arbeitsbereich erzielbar
ist.