DE19950778A1 - Geometrisch-Entsensibilisiertes Interferometer, das einen optischen Aufbau mit hoher Streustrahlmanagementfähigkeit enthält - Google Patents
Geometrisch-Entsensibilisiertes Interferometer, das einen optischen Aufbau mit hoher Streustrahlmanagementfähigkeit enthältInfo
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Abstract
Der optische Aufbau eines GDI-Instrumentes ist so konfiguriert, so daß Streustrahlen von der Pupille einer Bilderzeugungsvorrichtung des Instrumentes abgelenkt oder weggestreut werden und/oder Streustrahlen unterdrückt werden. Die Streustrahlablenkung wird durch Auswählen spezieller Keil- und/oder Schräge-Konfigurationen optimiert, durch welche die gewünschte Streustrahl-Ablenkung erreicht wird, wobei gleichzeitig eine Phasenversetzung an der optimalen Metrologieebene vermieden oder zumindest minimiert wird. Eine Strahstrahl-Unterdrückung kann durch Versehen des beugenden Rillenprofils des optischen Aufbaus des Instrumentes mit glatten Kanten erreicht werden. Das resultierende Profil erleichtert ein effektives Beugungsordnungs-Management wie auch die Verringerung der Rückreflexion. Die Erfindung ist besonders gut zur Verwendung bei einem GDI-Instrument geeignet, bei dem der optische Aufbau erste und zweite Beugungsgitter aufweist. In diesem Fall kann irgendeine mittlere Phasenversetzung, welche nach Einstellen eines Keils und/oder Schräge übrigbleibt, eliminiert werden, durch Einfügen einer geeigneten Kompensationsplatte zwischen das erste und zweite Beugungsgitter oder zwischen das zweite Beugungsgitter und das Objekt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Interferometer und insbesondere auf ein geome
trisch-entsensibilisiertes Interferometerinstrument (GDI) zur Oberflächenprofilie
rung. Im ganz besonderen bezieht sich die Erfindung auf ein GDI-Instrument,
welches einen optischen Aufbau beinhaltet, der konfiguriert ist, Streustrahlen um
zulenken, und/oder zu unterdrücken. Die Erfindung bezieht sich zusätzlich auf ein
Verfahren zum Betreiben eines Interferometers mit verbesserter Streustrahl-
Managementfähigkeit.
Optische Metrologie von Oberflächenprofilen kann allgemein in zwei Betriebs
weisen eingeteilt werden, nämlich eine interferometrische und eine geometrische.
Geometrische Techniken beinhalten Triangulation und Moiré-Ränder-Analyse,
was das Projizieren und das Abbilden einer periodischen Struktur, wie z. B. ein
Ronchi-Linieren umfaßt. Geometrische Techniken sind relativ unempfindlich ge
genüber Oberfächenrauhheit und -deformationen, haben jedoch eine relativ gerin
ge Auflösung - tatsächlich so gering, das sie für viele Anwendungen, bei welchen
Oberflächenprofile mit hoher Präzision vermessen werden müssen, ungeeignet
sind.
Interferometrie beruht andererseits auf der Wellennatur des Lichtes, um mit hoher
Präzision das Oberflächenprofil eines Testobjektes zu ermitteln. Ein typisches
traditionelles Interferometer beinhaltet einen Lichtgenerator, der einen Lichtstrahl
erzeugt, einen Raumfilter-Strahlablenker, der den Lichtstrahl in eine divergieren
de sphärische Wellenfront ablenkt, einen Strahlteiler, welcher einen Teil der di
vergierenden sphärischen Wellenfront aus dem gefilterten Strahl ablenkt, und eine
Kollimationslinse, welche die Wellenfront parallelisiert, um eine plane Wellen
front kohärenten Lichtes zu erzeugen. Diese Wellenfront kohärenten Lichtes wird
dann von Test- und Referenzoberflächen reflektiert, um erste und zweite reflek
tierte Wellenfronten zu erzeugen, welche miteinander rekombinieren, wobei sie
konstruktiv und destruktiv interferieren, um ein Interferenzstreifenmuster zu er
zeugen. Eine Bilderzeugungsvorrichtung, wie z. B. eine Festkörperkamera emp
fängt die rekombinierten Wellenfronten und gewinnt Bilder aus dem Interferenz
streifenmuster. Das Interferenzstreifenmuster wird dann analysiert, um Informa
tionen über das Oberflächenprofil des Testobjektes zu erhalten.
Streifenmusteranalyse zur Oberflächenprofilometrie wird häufig durch die allge
mein bekannte Technik der Phasenverschiebungsinterferometrie (PSI) durchge
führt. Bei PSI wird der Höhenunterschied zwischen Orten auf einer durch erste
und zweite Pixel abgebildeten Oberfläche auf der Bilderzeugungsvorrichtung be
stimmt, indem zuerst ein Phasenunterschied zwischen Licht, das an ersten und
zweiten Pixeln empfangenen wird, bestimmt wird, und durch anschließendes Be
nutzen des Phasenunterschieds, um eine Höhendifferenz zu berechnen. Ein primä
rer Vorteil von PSI ist, daß sie äußerst präzise ist. Die Vertikalhöhenpräzision von
PSI ist ein Bruchteil (z. B. 1/100) der optischen Wellenlänge der Lichtquelle, die
benutzt wird, um die Messung auszuführen.
Allgemein gesagt können jedoch herkömmliche PSI-Lösungsansätze nur glatte
Oberflächen profilieren, die relativ kleine Höhenvariationen oder "Oberflächen
abweichungen" zwischen benachbarten Meßpunkten aufweisen. Diese Beschrän
kung resultiert aus der Tatsache, daß PSI einer Phasenmehrdeutigkeitsbeschrän
kung unterliegt. Insbesondere muß die maximale physikalische Abweichung zwi
schen benachbarten Meßpunkten auf der profilierten Oberfläche kleiner als 1/4 der
Wellenlänge der Quelle sein. Anders gesagt, muß der maximale Phasenunter
schied zwischen dem Referenz- und dem Testlichtstrahl einen Absolutwert haben,
der kleiner als π ist. Diese Beschränkung, die manchmal als "Zwei-π-
Mehrdeutigkeit" bekannt ist, tritt auf, weil die Arcus-Tangensfunktion, die benutzt
wird, um die Phase in einen Abstand umzuwandeln, nur im Bereich von ±π ein
deutig ist. Obwohl die Benutzung einer Phasenmessung vorteilhafterweise das
Erzielen einer sehr hohen Präzision ermöglicht, limitiert sie nachteiligerweise die
maximale Oberflächenabweichung zwischen benachbarten Meßpunkten auf ein
Viertel der optischen Wellenlänge der Quelle. Eine weitere Schwierigkeit mit PSI
tritt auf, wenn die Oberflächenneigung so groß ist, daß es schwierig wird, die Dif
ferenzstreifen aufzulösen oder zu unterscheiden, weil die Streifendichte zu hoch
ist. Während die PSI-Interferometrie viel präziser ist als die geometrische optische
Profilometrie, wurde sie daher früher als schlecht geeignet für eine Benutzung mit
rauhen Objekten oder Objekten, welche ausgeprägte Oberflächendeformationen
aufweisen, betrachtet. Interferometer, welche eine PSI-Analyse benutzen, wurden
daher in der Vergangenheit als nicht geeignet für einige Oberflächenprofilometrie-
Anwendungen betrachtet.
Eine der interferometrischen Techniken, welche die Viertel-Wellenlängen
beschränkung von PSI nicht aufweist, ist die sogenannte Weißlicht-Abtast-Inter
ferometrie oder SWLI. Bei der SWLI erzeugt eine Weißlicht-Beleuchtungsquelle
oder allgemeiner eine solche, die breitbandig ist, im Gegensatz zu schmalbandig,
ein Interferenzmuster, welches Bereiche hohen Kontrastes für jeden Ort auf der
Testoberfläche als eine Funktion der Abtastposition enthält. Die Abtastposition
hohen Kontrastes für ein gegebenes Pixel zeigt die Höhe des entsprechenden Or
tes auf der Testoberfläche an. Daher kann durch Vergleichen der zeitlichen Cha
rakteristiken dieser Bereiche hohen Kontrastes miteinander ein Unterschied in der
Höhe zwischen Orten auf der profilierten Oberfläche bestimmt werden. Abwei
chend von PSI berechnet SWLI nicht Höhenunterschiede basierend auf Phasen
unterschieden und die PSI-Phasenbeschränkung trifft daher für SWLI nicht zu.
Die maximale physikalische Abweichung zwischen benachbarten Meßpunkten
auf einer profilierten Oberfläche kann daher bei SWLI viel größer als bei PSI sein.
Allerdings weist SWLI eigene Nachteile auf, welche sie an der Benutzung bei
industriellen Anwendungen hindern. Zum Beispiel ist im allgemeinen das Sicht
feld nicht größer als es durch Standard-Mikroskopobjektive eingestellt werden
kann. Um einwandfrei zu funktionieren, muß die Bilderzeugungsvorrichtung des
Instrumentes eine hohe Auflösung, verglichen mit der entsprechenden Interfe
renzstreifendichte, haben. Wenn das Sichtfeld des typischen SWLI-Instrumentes
vergrößert wird, kann es leicht schwierig werden, die Streifendichte sogar mit
sehr hoch auflösenden Bilderzeugungsvorrichtungen aufzulösen. Dieses Problem
ist bei der Profilierung rauher Oberflächen besonders evident. Darüber hinaus
nimmt die Neigungstoleranz für spiegelnde Oberflächen linear mit der Feldgröße
ab und die für Messungen an rauhen Oberflächen erforderlichen Speckle-Effekte
sind nur auflösbar, wenn die numerische Apertur (NA) des Objektives linear mit
zunehmendem Feld abnimmt. Die Notwendigkeit, das Speckle-Muster von rauhen
Oberflächen aufzulösen, ist höchst entmutigend, da die Menge des gesammelten
Lichtes mit dem Quadrat der NA abnimmt.
Der Lichtverlust bedeutet, daß größere Oberflächen einen leitungsfähigeren Be
leuchtungskörper erfordern. Noch schlimmer ist, daß jetzt der Streifenkontrast ein
stark variabler Parameter ist und die Qualität der Messung kritisch von der Balan
ce zwischen den Intensitäten des Referenz- und des Objektstrahls abhängt.
Ein weiterer Nachteil typischer SWLI-Techniken ist der, daß die Datenerfassung
sehr langsam ist. Die niedrige Geschwindigkeit ist eine Folge des als eine Funkti
on der Abtastposition schnell variierenden Interferenzeffektes. Akkurate Messun
gen erfordern, daß diese Variationen im Detail aufgenommen werden, gewöhnli
cherweise mit der Rate einer einzelnen Messung je Pixel von 75 nm der Abtast
bewegung.
Noch ein weiterer Nachteil der typischen SWLI ist ihre hohe Empfindlichkeit ge
genüber Vibrationen. Ein für eine SWLI-Analyse konfiguriertes Instrument erfor
dert im allgemeinen massive Montagehalterungen und eine teure Vibrationsab
trennung.
In den letzten Jahren beobachtete man einen gesteigerten Bedarf für Hochge
schwindigkeits-, Hochpräzisions-Metrologie von Oberflächenprofilen von herge
stellten Teilen, welche große Oberflächenabweichungen aufweisen, d. h. welche
rauhe Oberflächen oder Oberflächen mit ausgeprägten Oberflächendeformationen
aufweisen. Eine entsprechender Bedarf entstand für die Datenerfassung während
der Herstellung, anstatt im Labor. Zum Beispiel müssen Präzisionsprodukte, wie
z. B. Festplatten für Computer-Plattenlaufwerke mit hoher Präzision bei hohen
Geschwindigkeiten und unter Bedingungen profiliert werden, bei welchen das
Testobjekt beträchtlichen Vibrationen während des Herstellungsprozesses ausge
setzt sein kann. Weder traditionelle PSI-Techniken noch traditionelle SWLI-
Techniken sind für diese Zwecke geeignet. Es entstand daher der Bedarf für ein
"entsensibilisiertes" Interferometer, welches relativ unempfindlich gegen Oberflä
chenrauhheit und Oberflächendeformationen ist, welches Oberflächenmetrologie
mit hoher Genauigkeit und bei hohen Geschwindigkeiten durchführt und welches
relativ unempfindlich gegen Vibrationen und daher gut geeignet für eine Benut
zung in Produktionsstraßen ist.
Diesem Bedarf wurde weitestgehend durch die Entwicklung des geometrisch
entsensibilisierten Interferometer-Instruments (GDI) entsprochen. Wie in einem
Artikel von de Groot mit dem Titel "Grating interferometer for flatness testing"
Opt. Lett. 21(3) 228-230 (1996) erörtert ist, ist ein GDI-Instrument gekennzeich
net durch das Ersetzen des Strahlteilers des traditionellen Instrumentes durch ei
nen optischen Aufbau, der sich zwischen der Kollimationslinse und dem Testob
jekt befindet. Der optische Aufbau, welcher typischerweise (aber nicht notwendi
gerweise) einen Beugungsgitteraufbau, ein Hologramm oder beugende Optiken in
Verbindung mit herkömmlichen Optiken wie z. B. Spiegeln und Linsen aufweist,
teilte das parallelisierte Quellenlicht in zwei Strahlen, welche sich in zwei Rich
tungen ausbreiten und auf die profilierte Oberfläche am selben Ort aber unter un
terschiedlichen Einfallswinkeln auftreffen. Die Strahlen werden von der profilier
ten Oberfläche reflektiert und gehen in unterschiedlichen Richtungen zurück
durch den optischen Aufbau, woraufhin sie rekombiniert werden. Konstruktive
und destruktive Interferenz der reflektierten und rekombinierten Strahlen bilden
ein Interferenz-Streifenmuster, das eine Äquivalenzwellenlänge aufweist, die um
Größenordnungen größer als die Wellenlänge der Quelle sein kann. Infolgedessen
ist das GDI-Instrument viel weniger empfindlich gegenüber Höhenvariationen
und Oberflächendeformationen als es traditionelle Interferometer sind, welche
PSI-Analysetechniken benutzen. Viele mit SWLI verbundene Nachteile, wie z. B.
ein begrenztes Sichtfeld, eine kleine Erfassungsgeschwindigkeit und eine große
Empfindlichkeit in bezug auf Vibrationen werden somit vermieden. Die Emp
findlichkeit von GDI-Instrumenten liegt zwischen herkömmlicher Interferometrie
und Moire-Ränder-Analyse und ist mit derjenigen vergleichbar, die mit der Inter
ferometrie mit streifendem Einfall erreicht wird. GDI-Instrumente können daher
bei Herstellungsanwendungen und anderen Anwendungen benutzt werden, welche
für die traditionelle Interferometrie ungeeignet sind.
Ein Charakteristikum von GDI-Instrumenten, welches bis hierher noch nicht voll
angesprochen wurde, besteht darin, daß es ihnen an hochwirksamen Streustrahl-
Management-Mitteln fehlt. "Streustrahlen" sind Lichtstrahlen, welche sich vom
optischen Aufbau des GDI-Instrumentes zur Pupille der CCD-Kamera des In
strumentes oder einer anderen Bilderzeugungsvorrichtung ausbreiten und welche
die Effektivität des Instrumentes mindern. Streustrahlen können konzeptionell in
zwei Kategorien eingeteilt werden, nämlich 1) "Rückreflexionen" und 2) Phan
tombilder. Beide Typen von Streustrahlen und die mit ihnen verbundenen Pro
bleme werden im folgenden erörtert.
Rückreflexionen resultieren aus der Vielfach-Reflexion und Beugung von Licht in
den Beugungsgittern oder anderen Komponenten des optischen Aufbaus des In
strumentes und sind sogar bei fehlendem Testobjekt vorhanden. Im gewöhnlichen
Fall, in welchem der optische Aufbau ein Paar von Beugungsgittern aufweist,
können sich Rückreflexionen ergeben, beispielsweise durch Reflexion oder Beu
gung an den verschiedenen Luft-Glas-Übergangsflächen und Unvollkommenhei
ten im Gittersubstrat, scharfen Kanten im Profil der Rillen des Gitters, usw. Zum
Beispiel und wie in Fig. 8 veranschaulicht, kann sich Streulicht vom Grobgitter
G1 eines typischen GDI-Instrumentes durch Reflexion von der hinteren Oberflä
che seines Substrates als Strahlen R1, durch Reflexion vom Feingitter G2 selber
als Strahlen R2, oder durch Reflexion von der Rückseite des Feingittersubstrates
als Strahlen R3 ausbreiten. Die Rückreflexionen sind den sich korrekt ausbreiten
den reflektierten Strahlen A', B' als Rauschen überlagert. Dieses Rauschen kann
die Genauigkeit der GDI-Messungen signifikant reduzieren, insbesondere wenn
die Oberfläche des Testobjektes Licht schlecht reflektiert und entsprechend nur
ein relativ schwaches interferometrisches Meßsignal mit einem entsprechend ho
hen Signal-Rausch-Verhältnis erzeugt.
Anstrengungen sind unternommen worden, die Wirkungen der Rückreflexion bei
einem GDI-Instrument durch Einbringen eines Keils und/oder einer Schräge in die
Beugungsgitter oder andere optische Elemente des optischen Aufbaus des Instru
mentes zu verbessern, derart, daß Rückreflexionen von der Pupille der CCD-
Kamera des Instruments oder einer anderen Bilderzeugungsvorrichtung wegge
lenkt werden. Jedoch hat bisher das Weglenken von Streustrahlen von der Pupille
der Bilderzeugungsvorrichtung den Aufbau und das Ausrichten des Instrumentes
komplizierter gemacht. Um die beste Meßgenauigkeit zu erzielen, muß die Testo
berfläche räumlich nahe zu einer optimalen Metrologieebene positioniert sein. Die
optimale Metrologieebene wird als diejenige ideale Testoberfläche definiert, für
die Strahlen, welche unter verschiedenen Winkeln von jedem einzelnen Oberflä
chenort auf der idealen Testoberfläche reflektiert werden, auf der Bilderzeu
gungsvorrichtung des Instrumentes an einen einzelnen Ort rekombinieren und
auftreffen. Das Einbringen von Keil und/oder Schräge in die Beugungsgitter kann
zu einer deutlichen Phasenversetzung führen, wenn die Oberfläche des Testob
jektes korrekt in der Nähe der optimalen Metrologieebene positioniert ist. Eine
Phasenversetzung, bzw. ein Phasen-Offset, ist ein optischer Phasenunterschied,
welcher proportional zum Unterschied in der optischen Weglänge der Strahlen ist,
welche von einem gegebenen Punkt auf der Oberfläche des Testobjektes reflek
tiert werden. Wenn das Instrument eine ausgedehnte Lichtquelle verwendet, kön
nen Phasenversetzungen in beträchtlichen Verschiebungen des Ortes des maxi
malen Interferenzstreifenkontrastes von der optimalen Metrologieebene resultie
ren. Das Nettoergebnis ist, daß die dem optimalen Streifenkontrast entsprechende
Position im Raum nicht immer mit der optimalen Metrologieebene zusammen
fällt. Abhängig von der speziellen Konfiguration des Instruments ist es auch mög
lich, daß sich die Phasenversetzung linear über das Feld des Instruments ändert.
Zweckmäßig teilen wir somit den Gesamteffekt in zwei Anteile auf: 1) eine mitt
lere Phasenversetzung, welche als ein Abstand L in der Z-Richtung von der opti
malen Metrologieebene gemessen wird; 2) eine Phasenversetzungsänderung, die
als die Zahl von Schräge-Streifen, welche in dem Feld des Instruments erschei
nen, wenn das Objekt bei der optimalen Metrologieebene ist.
Als ein Ergebnis der Phasenversetzung in bezug auf den vorhergehenden Absatz
war es bisher notwendig, das Testobjekt zuerst zu verschieben, um die Position
des maximalen Streifenkonstrastes zu lokalisieren, und dann das Testobjekt um
einen zusätzlichen voreingestellten Betrag zu verschieben, um die Position der
optimalen Metrologieebene zu lokalisieren. Diese zusätzliche Objektverschiebung
erfordert, was den Bediener betrifft, beträchtliche Fertigkeit und kompliziert die
Bedienung des Instrumentes. Eine zusätzliche Komplikation besteht darin, daß der
Streifenkontrast im allgemeinen schwach ist, sofern eine ausgedehnte Lichtquelle
verwendet wird, wenn das Testobjekt richtig in der optimalen Metrologieebene
positioniert ist.
Es wurde vorgeschlagen, die Eignung des GDI-Instrumentes dahingehend zu ver
bessern, um eine Vielfalt von Oberflächen zugleich mit hohem Kontrast und ho
her Genauigkeit zu messen. Speziell die U.S.-Patentanmeldung Ser. No. 09/003,
449 von de Groot (die de Groot-Anmeldung), eingereicht am 6. Januar 1998 und
mit dem Titel "Geometrically-Desensitized Interferometer with Adjustable Range
of Measurement Depths" schlägt ein GDI-Instrument vor, welches eine Licht
quelle mit variabler Geometrie aufweist, welche so bedient werden kann, daß das
Instrument zwischen 1) einem wenig kohärenten Betriebsmodus, in welchem das
Instrument eine ausgedehnte Quelle und folglich eine kleine Kohärenzbedeckung
hat, und 2) einem hochkohärenten Betriebsmodus, in welchem das Instrument
eine schmale Quelle und folglich eine große Kohärenzbedeckung aufweist, umge
schaltet wird. Der wenig kohärente Betriebsmodus wird beim Aufbau des Instru
mentes angewandt, um zur Einrichtung der optimalen metrologischen Ebene bei
zutragen. Sobald diese Ebene identifiziert ist, wird das System in den hochkohä
renten Modus geschaltet, um den Streifenkontrast für alle nachfolgenden Messun
gen zu verbessern. Obwohl die Fähigkeit zwischen Kohärenzmodi umzuschalten
die richtige Bedienung des Instrumentes erleichtert, lehrt die de Groot-Anmeldung
nicht, wie Phasenversetzungen bei der optimalen Metrologieebene zu eliminieren
sind und um auf diese Weise die Notwendigkeit auszuschalten, zwischen Kohä
renzmodi umzuschalten, jedesmal, wenn ein Testobjekt für eine Messung ausge
richtet wird.
Wendet man sich nun der Problematik von Streustrahlen zu, welche Phantombil
der verursachen können, so werden diese Phantombilder durch Streustrahlen ver
ursacht, welche vom Objekt durch das System auf eine ungewünschte oder unvor
hergesehene Weise kommen und in Doppelbildern resultieren, welche das ge
wünschte Bild überlagern können und seine Qualität mindern können. Diese Ob
jektphantome werden in Verbindung mit Fig. 9 verständlich, die schematisch ein
GDI-Instrument veranschaulicht, bei welchem die Gitter G1 und G2 des optischen
Aufbaus so konstruiert sind, daß nur eine erste Beugungsordnung A von -1 und
eine zweite Beugungsordnung B von +1 übertragen wird. Das Ausbreiten anderer
Beugungsordnungen, wie z. B. der unerwünschten Oten Beugungsordnung C er
zeugt Phantombilder der Testobjekt-Oberfläche im Interferenzmuster, welche mit
den wahren Bildern, welche durch verwendbare Beugungsordnungen erzeugt
wurden, identisch, jedoch dazu räumlich verschoben sind. In einem GDI-
Instrument mit einer unzulänglichen Beugungsordnungs-Managementfähigkeit
erzeugt ein einfallender Strahl sowohl in Transmission als auch in Reflexion eine
Anzahl zusätzlicher Beugungsstrahlen, wenn er auf ein Gitter trifft und erzeugt
Beugungsstrahlen verwendbarer Ordnungen.
Es versteht sich daher gemäß dem Stand der Technik, daß eine richtige GDI-
Konstruktion die Unterdrückung der unerwünschten Beugungsordnungen erfor
dert (siehe z. B. den zuvor erwähnten Artikel von de Groot mit dem Titel "Grating
interferometer for flatness testing"). Jedoch führt die Unterdrückung der haupt
sächlichen unerwünschten Beugungsordnungen wie z. B. der Oten Beugungsord
nung, welche in Fig. 9 gezeigt ist, einen im allgemeinen dazu, rechteckige oder
dreieckige Rillenprofile (auch als "blazed" bekannt) einzusetzen. Diese Profile
können wegen ihrer scharfen Ränder schwache gebeugte Strahlen hoher Ordnung
erzeugen. Der Ausdruck "hohe Ordnung", wie er hier benutzt wird, bezieht sich
auf Strahlen dritter und höherer Ordnung. Obwohl diese hohen Beugungsordnun
gen wegen der schwachen Beugungseffizienz schwach sind, haben einige von
ihnen sehr große Einfallswinkel auf der AR-beschichteten Oberfläche des Sub
strates. Sie werden daher sehr effizient zur Bilderzeugungsvorrichtung des In
strumentes zurück reflektiert. Einige dieser Beugungsordnungen unterliegen sogar
totaler interner Reflexion, welche zu vergleichsweise hellen Streulichtpfaden
führt, die zu den Rückreflexionen beitragen. Der schlimmste Fall ist, wenn die
Gitter ebene, parallele Substrate aufweisen, welche ihrerseits parallel zur Objekt
ebene sind. In diesem Fall sind viele der vielfach-reflektierten und gebeugten
Strahlen im Inneren des Gitteraufbaus parallel zur optischen Achse der Bilderzeu
gungsvorrichtung. Als Ergebnis können die hinzugefügten Beiträge den Detektor
tatsächlich überfluten, falls die Leistung der Quelle hoch ist. Somit ist einzusehen,
daß eine mögliche Konsequenz des Unterdrückens von Phantombildern die Er
zeugung zusätzlicher ungewollter Rückreflexionen ist.
Es besteht daher die Notwendigkeit, die optischen Komponenten eines GDI-
Instrumentes so zu konstruieren, daß Streulichtstrahlen entweder nicht erzeugt
werden oder von der Pupille der Bilderzeugungsvorrichtung weg abgelenkt wer
den.
Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung ein GDI-Instrument zu schaffen,
welches eine optische Einrichtung hat, welche die Anzahl von Rückreflexionen
von der Gittereinrichtung zu der Bilderzeugungsvorrichtung des Instrumentes
reduziert, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung hoher Meßgenauigkeit und mini
maler Phantombilderzeugung.
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der Erfindung beinhaltet der opti
sche Aufbau eines GDI-Instrumentes Maßnahmen, um Streustrahlen von der Pu
pille der Bilderzeugungsvorrichtung eines Instrumentes wegzusteuern oder abzu
lenken, bei gleichzeitiger Minimierung oder sogar Vermeidung mittlerer Phasen
versetzungen, wenn die Testobjekt-Oberfläche in der optimalen Metrologieebene
ist, und bei gleichzeitiger Minimierung oder sogar Vermeidung von vorzugsweise
Phasenversetzungsänderungen in der optimalen Metrologieebene als eine Funkti
on der Feldposition. In dem gewöhnlichen Fall, bei welchem der optische Aufbau
ein Paar beabstandeter Beugungsgitter beinhaltet, können die Gitter wie auch die
Objekte um die Y-Achse und/oder die X-Achse geneigt werden und Keilrichtung
und Keilwinkel können unabhängig für beide Gitter eingestellt werden. Keil,
Schräge und Substratdicke sind für beide Gitter nicht notwendigerweise gleich.
Wenn Konstruktionsbeschränkungen oder andere Faktoren eine Phasenverset
zungsminimierung unter Benutzung ausschließlich von Keil und Schräge verhin
dern, kann die Phasenversetzung durch Plazieren einer durchsichtigen Kompen
sationsplatte zwischen das erste und das zweite Gitter oder zwischen das zweite
Gitter und das Testobjekt weiter reduziert oder sogar eliminiert werden.
Eine zweite Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein GDI-Instrument zu schaffen,
welches einen optischen Aufbau beinhaltet, der im Vergleich zu bisher bekannten
GDI-Instrumenten eine verbesserte Streustrahl-Unterdrückung darbietet.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein GDI-Instrument zu schaffen,
welches der zweiten Hauptaufgabe gerecht wird und welches eine verbesserte
Beugungs-Management-Fähigkeit bietet.
Entsprechend noch einem weiteren Aspekt der Erfindung werden diese Zielset
zungen durch Bilden geglätteter Rillenprofile auf der beugenden Oberfläche von
einer oder von beiden der Beugungsgitteraufbauten erreicht. Das glatte Profil,
ohne scharfe Ränder, erleichtert eine Phantombild-Unterdrückung, bei gleichzeiti
ger Reduzierung des Umfangs von Rückreflexionen, was es einfacher macht, die
restlichen zurückreflektierten Strahlen von der Pupille der Bilderzeugungsvor
richtung mit weniger scharfen Gestaltungen von Keil und/oder Schräge weg zu
dirigieren.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für
Fachleute aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen deutlich. Es ist jedoch klar, daß die detaillierte Beschreibung und
spezielle Beispiele, solange diese bevorzugte Ausführungsformen der vorliegen
den Erfindung wiedergeben, nur der Veranschaulichung dienen und keine Be
grenzung darstellen. Viele Veränderungen und Modifizierungen können im Rah
men der vorliegenden Erfindung gemacht werden, ohne von ihrer Idee abzuwei
chen und die Erfindung schließt alle derartigen Modifizierungen ein.
Bevorzugte exemplarische Ausführungsformen der Erfindung werden in den bei
gefügten Zeichnungen veranschaulicht, in welchen gleiche Bezugszeichen überall
gleiche Teile darstellen und in welchen:
Fig. 1 schematisch die operativen Komponenten eines geometrisch
entsensibilisierten Interferometer-Instruments (GDI) darstellt, welches
entsprechend einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegen
den Erfindung konstruiert wurde;
Fig. 2A-2C erste, zweite und dritte mögliche Konfigurationen eines optischen
Aufbaus des Instruments von Fig. 1 veranschaulichen;
Fig. 3A und 3B jeweils entsprechend Drehwinkel ADE und BDE veranschauli
chen, welche der Code-V-Konvention des Linsen-Design-Protokolls fol
gen;
Fig. 4 schematisch die Richtung und Neigung in einem Prisma veranschaulicht,
welches durch die hintere Oberfläche eines Substrates in bezug auf seine
vordere Oberfläche gebildet wird;
Fig. 5 schematisch einen Abschnitt einer beugenden Oberfläche eines Beu
gungsgitters darstellt, welches in einem GDI-Instrument benutzbar ist,
welches gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 6 allgemein der Fig. 2C entspricht und schematisch eine weitere Ausfüh
rungsform eines optischen Aufbaus darstellt, der in einem GDI-
Instrument benutzbar ist, welches gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgebaut ist;
Fig. 7 allgemein der Fig. 2C entspricht und schematisch noch eine weitere Aus
führungsform eines optischen Aufbaus darstellt, die in einem GDI-
Instrument benutzbar ist, welches gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgebaut ist;
Fig. 8 schematisch die Rückreflexion eines GDI-Instruments veranschaulicht;
und
Fig. 9 schematisch das Ausbreiten einer unerwünschten Beugungsordnung ver
anschaulicht, welche Objektphantome in einem GDI-Instrument erzeugt.
Die Erfindung besteht in der Gestaltung des optischen Aufbaus eines GDI-
Instruments, um Streustrahlen von der Pupille der Bilderzeugungsvorrichtung des
Instruments abzulenken oder weg zu steuern und/oder Streustrahlen zu unterdrüc
ken. Die Streustrahlablenkung wird durch Auswahl spezieller Keil- und/oder
Schräge-Konfigurationen optimiert, welche die gewünschte Streustrahlablenkung
erreichen, bei gleichzeitiger Vermeidung oder zumindest Minimierung einer Pha
senversetzung bei der optimalen Metrologieebene. Wie in dem obigen Hinter
grund- abschnitt erörtert worden ist, ist eine Phasenversetzung ein optischer Pha
senunterschied, welcher proportional zum Unterschied in der optischen Weglänge
der Strahlen ist, welche von einem gegebenen Punkt auf der Testobjekt-
Oberfläche reflektiert werden, und kann eine mittlere Phasenversetzung und/oder
eine Phasenversetzungsänderung beinhalten. Wie ebenfalls oben erörtert, führt
eine Phasenversetzung zu einer beträchtlichen Verschiebung des Ortes maximalen
Interferenzstreifenkontrasts von der optimalen Metrologieebene, wenn das In
strument eine ausgedehnte Lichtquelle verwendet. Streustrahl-Unterdrückung
kann durch Vorsehen des Rillenprofils der beugenden optischen Einrichtung des
Instruments mit glatten Kanten erreicht werden. Das resultierende Profil erleich
tert ein effizientes Beugungsordnungs-Management wie auch eine Verringerung
der Rückreflexion. Die Erfindung ist besonders gut geeignet zur Benutzung mit
einem GDI-Instrument, in welchem der optische Aufbau erste und zweite Beu
gungsgitter aufweist. In diesem Fall kann jeder mittlere Phasenversetzung, wel
cher nach Setzen eines Keils und/oder einer Schräge übrigbleibt, durch Einfügen
einer geeigneten Kompensationsplatte zwischen die ersten und zweiten Beu
gungsgitter oder zwischen das zweite Beugungsgitter und das Objekt eliminiert
werden. Eine bevorzugte Ausführungsform eines gattungsgemäßen GDI-
Instruments, welches diese Merkmale vereinigt, wird im folgenden zusammen mit
verschiedenen speziellen Ausführungsformen und konkreten Beispielen beschrie
ben.
Im folgenden in bezug auf Fig. 1 beinhaltet ein GDI-Instrument 20, welches ent
sprechend mit einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung konstru
iert ist, einen Mainframe 22, ein Testobjekt-Traggestell 24 und einen Computer
26. Der Computer 26 ist zumindest mit dem Mainframe 22 verbunden und bei der
veranschaulichten Ausführungsform, bei welcher das Objekt-Traggestell 24 eine
Abtastbühne 54 (im nachfolgenden detaillierter beschrieben) beinhaltet, auch mit
der Abtastbühne gekoppelt, um die Verschiebung des Testgegenstands O zum
Mainframe 22 und davon weg zu steuern.
Der Computer 26 kann jeden beliebigen programmierbaren Universal-Computer
aufweisen, der in der Lage, den Betrieb des Mainframes 22 und/oder der Abtast
bühne 54 zu steuern. Der Computer 26 beinhaltet ein Gehäuse 28, in welchem ein
Prozessor, ein RAM, ein ROM, usw. untergebracht sind, eine Tastatur 30 zur Ein
gabe von Daten und einen Monitor 32. Der Computer 26 könnte durch einen in
ternen elektronischen Prozessor ersetzt werden, welcher im Gehäuse des Main
frames 22 angeordnet ist und welcher alle Daten-Manipulationsfunktionen des
Computers 26 durchführt. In diesem Fall würden Bilddarstellungsfunktionen
durch einen alleinstehenden Monitor durchgeführt werden, welcher direkt mit
dem Mainframe 22 verbunden ist.
Das Testobjekt-Traggestell 24 kann irgendeine Stütze aufweisen, welche in der
Lage ist, ein Testobjekt O in einer Position zu halten, in welcher eine zu profilie
rende Oberfläche S von dem Mainframe 22 durchgelassenes Licht aufnimmt und
Licht zurück zum Mainframe 22 reflektiert. Das Traggestell 24 kann von dem
Mainframe 22 wie veranschaulicht getrennt sein oder alternativ operativ und/oder
physisch mit dem Mainframe 22 verbunden sein, um einen Aufbau zu bilden. Bei
der veranschaulichten Ausführungsform beinhaltet das Traggestell 24 eine statio
näre Basis 50, ein Lagerbett 52 und eine Abtastbühne 54, welche das Lagerbett 52
mit der Basis 50 verbindet. Die Abtastbühne 54 ist so angeordnet, daß sie das Bett
52 und das Objekt O in einer Richtung verschiebt, welche im wesentlichen senk
recht zur Oberfläche S ist, für Fokusierungszwecke oder für den Zweck einer Tie
fenabtastung. Eine Tiefenabtastung ist detailliert im US-Patent Nr. 5, 598, 265
von P. de Groot beschrieben, dessen Erfindungsgegenstand hier durch Bezug
nahme auf seine Veröffentlichung über Tiefenabtastung unter Benutzung eines
GDI-Instrumentes einbezogen wird.
Die operativen Komponenten des GDI-Instrumentes beinhalten einen Lichtgene
rator 60, welcher Licht erzeugt, eine Bilderzeugungsvorrichtung 64, eine Kolli
mationslinse 66, welche zwischen dem Lichtgenerator 60 und dem optischen
Aufbau 62 angeordnet ist, um das Licht, welches von der Lichtquelle 60 in den
optischen Aufbau 62 eintritt, zu parallelisieren. Eine gleiche Linse 68 ist zwischen
dem optischen Aufbau 62 und der Bilderzeugungsvorrichtung 64 angeordnet.
Der Lichtgenerator 60 kann jede beliebige ausgedehnte Lichtquelle und einen
dementsprechenden Aufbau, der in GDI-Instrumenten normalerweise benutzt
wird, aufweisen. Zum Beispiel könnte der Lichtgenerator 60 einen linienförmigen
Lichtgenerator wie z. B. ein lineares LED-Array aufweisen. Ein Lichtgenerator,
welcher eine Laserdiode als seine Lichtquelle beinhaltet, wird häufig bevorzugt,
weil Laserdioden im Vergleich mit vielen anderen Lasern billig sind und dennoch
eine helle Beleuchtung für rauhe Oberflächen liefern.
Ähnlich kann die Bilderzeugungsvorrichtung 64 irgendeine Vorrichtung oder Sy
stem aufweisen, welche in der Lage ist, die interferierenden Strahlen oder Wellen
fronten von dem Beugungsgitteraufbau 62 zu empfangen und Bilder der resulitie
renden Interferenzmuster zu produzieren. Das menschliche Auge wird im Kontext
der vorliegenden Erfindung als eine Bilderzeugungsvorrichtung betrachtet. Bei
der veranschaulichten Ausführungsfotm ist die Bilderzeugungsvorrichtung 64
eine kleine Bilderzeugungslinse 80 und ein ladungsgekoppelter Festkörperbau
stein (CCD) 76, welcher eine Pupille in Form einer Einlaßapertur 78 aufweist.
Der Zweck des optischen Aufbaus 62 ist es, die Äquivalenzwellenlänge des
Lichtgenerators 60 zu steigern, um das Instrument bezüglich 2π-
Unbestimmtheiten und anderen, mit traditionellen Interferometern verbundenen
Problemen zu entsensibilisieren, und somit die Fähigkeit des Instrumentes, Pro
filmetrologie auf rauhen Oberflächen durchzuführen, zu verstärken. Die optische
Einrichtung 62 könnte ein Hologramm, ein System von Linsen oder irgendeine
andere Struktur aufweisen, welche einen Lichtstrahl vom Lichtgenerator 60 in
zwei Strahlen A und B teilt, welche auf die profilierte Oberfläche 5 des Testob
jektes O am selben Ort P, aber unter verschiedenen Einfallswinkeln auftreffen.
Der bevorzugte optische Aufbau 62 weist einen Beugungsgitteraufbau mit einem
oder mehreren Beugungsgittern auf und der Aufbau 62 wird im folgenden der
Einfachheit halber als "Beugungsgitteraufbau" bezeichnet.
Der veranschaulichte Beugungsgitteraufbau 62 beinhaltet erste und zweite paral
lele lineare Gitter 70 und 72, welche sich zumindest im allgemeinen in jeweiligen
XY-Ebenen erstrecken (wo sich die X-Achse in die Seite der Fig. 1 hinein und aus
ihr heraus erstreckt und die Y-Achse sich vertikal in Fig. 1 erstreckt) und die von
einander in einer Z-Richtung oder horizontal in Fig. 1 beabstandet sind. Das
zweite oder Feingitter 72 weist typischerweise (aber nicht notwendigerweise) eine
Gitterfrequenz auf, welche das Doppelte des ersten oder Grobgitters 70 beträgt.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform hat das erste Gitter 70 eine Gitterfre
quenz von 250 Linien pro Millimeter und das zweite Gitter 72 hat eine Gitterfre
quenz von 500 Linien pro Millimeter. Das zweite Gitter 72 liefert den Vorteil zu
ermöglichen, daß der Abstand H' zwischen dem Ausgang des Beugungsgitterauf
baus 62 und der optimalen Metrologieebene, welche die profilierte Oberfläche S
des Testobjekts O enthält, von Null bis zu praktisch irgendeinem gewählten Ab
stand anwachsen kann. durch Einstellen eines geeigneten Abstands H zwischen
dem ersten und zweiten Gitter 70 und 72. Dieser Abstand kann unter Computer
steuerung für den Zweck einer Tiefenabtastung, wie sie detailliert in dem Groot-
Patent '265 beschrieben ist, variiert werden.
Verschiedene optische Aufbauten, welche als der optische Aufbau 62 oder an sei
ner Stelle benutzbar sind, sind in Fig. 2A-2C veranschaulicht. Bei jeder dieser
Ausführungsformen beinhaltet jedes beugende Gitter ein Substrat, welches aus
BK7-Glas gebildet ist, hat eine vordere beugende Oberfläche und eine hintere
Oberfläche, welche mit einem anti-reflektiven (AR) Material beschichtet ist. Bei
jeder Ausführungsform kann das Rillenprofil der beugenden Oberfläche zumin
dest des ersten oder Grobgitters 70 so zugeschnitten werden, daß der gewünschte
Streustrahl-Unterdrückungseffekt erreicht wird.
Bei der Ausführungsform von Fig. 2A z. B. besteht die beugende Oberfläche des
ersten Gitters 70 aus zwei verschieden geblazten Bereichen R1 und R2, welche
um die Zentrallinie des Gitters 70 symmetrisch sind. Das dreieckige Profil des
Bereichs R1 ist so optimiert, daß Licht hauptsächlich bei Ordnungen von 0 und +1
gebeugt wird. Die Ordnung -1 ist beträchtlich reduziert. Ähnlich beugt das Profil
des Bereichs R2 Licht bei Ordnungen von 0 und -1, während sie Beugung der
+1ten Ordnung reduziert. Die beugende Oberfläche des zweiten Gitters 72 hat ein
rechtwinkliges Profil und ist angepaßt, Transmission der Oten Ordnung zu unter
drücken und Licht der Ordnungen +1 und -1 zu konzentrieren. Ein vorteilhaftes
Charakteristikum dieser Anordnung ist, daß die Raumerfordernisse des Instru
ments minimiert werden können, weil beide Linsen 66 und 68 zur XY-Ebene par
allel bleiben können.
Bei der Ausführungsform von Fig. 2B unterscheidet sich das erste Gitter 170 vom
ersten Gitter 70 der Ausführungsform von 2A nur darin, daß sich sein Blazing nur
in eine Richtung erstreckt. Daher überträgt die gesamte beugende Oberfläche des
Gitters 170 dieselbe, +1te Beugungsordnung. Daher müssen, damit die ge
wünschten Beugungsordnungen zu der Bilderzeugungsvorrichtung 64 übertragen
werden, entweder die Bilderzeugungsvorrichtung 64 oder der Lichtgenerator 60
und die ihm zugeordnete Linse 66 oder 68 relativ zur Z-Achse geneigt sein. Dar
aus ergibt sich eine etwas weniger kompakte Konstruktion. Der optische Aufbau
162 ist ansonsten identisch zum optischen Aufbau 62 oder Fig. 2A und ist dem
entsprechend mit denselben Bezugszeichen, um 100 erhöht, bezeichnet.
Bei der Ausführungsform von Fig. 2C weisen die ersten und zweiten Beugungs
gitter 270 und 272 beide rechtwinklige Profile auf. Somit übertragen beide Gitter
die +1te und -1te Beugungsordnung, während die 0te Beugungsordnung unter
drückt wird. Diese Anordnung ist die am wenigsten kompakte der drei hierin be
schriebenen, weil der Lichtgenerator 60, die Bilderzeugungsvorrichtung 64 und
die ihnen zugeordneten Linsen 66 und 68 relativ zur Z-Achse geneigt sein müs
sen, um den gewünschten Effekt zu erzielen. jedoch profitiert die Ausführungs
form von Fig. 2C davon, daß sie achromatisch ist, was bedeutet, daß die äquiva
lente Wellenlänge im wesentlichen unabhängig von der Wellenlänge der Quelle
ist. Der optische Aufbau 262 ist ansonsten identisch mit dem optischen Aufbau 62
der Fig. 2A und ist entsprechend mit denselben Bezugszeichen, erhöht um 100,
bezeichnet.
Beim Gebrauch erzeugt der Lichtgenerator 60 des GDI-Instrumentes 20 einen
Lichtstrahl, welcher durch die Linse 66 parallelisiert wird, bevor er auf das erste
Beugungsgitter 70 des Beugungsgitteraufbaus 62 unter einen Einfallswinkel γ
trifft. Das erste Gitter 70 beugt den einfallenden Strahl in zwei Strahlen A und B.
Diese Strahlen werden dann durch das zweite Gitter 72 erneut gerichtet, so daß sie
auf die Testoberfläche S des Objekts O auftreffen. Die reflektierten Strahlen A'
und B' stammen vom selben Ort P auf der Oberfläche S. breiten sich jedoch unter
verschiedenen Einfallswinkeln aus (unter der Annahme, daß die Oberfläche S an
der optimalen Metrologieebene ist) und laufen zurück durch die ersten und zwei
ten Gitter 72 und 70, um mit konstruktiver und destruktiver Interferenz zu rekom
binieren. Die interferierenden Strahlen oder Wellenfronten werden dann durch die
Linse 68 fokussiert und durch die Bilderzeugungsvorrichtung 64 abgebildet. Das
abgebildete Interferenzstreifenmuster wird dann vom Computer 26 analysiert, z. B.
durch eine PSI-Analyse, um eine präzise Profilmessung zu erhalten.
Bei jeder der drei oben beschriebenen Konfigurationen optischer Aufbauten 62,
162 oder 262 können die Formen, Orientierungen und/oder Profilcharakteristiken
der Beugungsgitter des Aufbaus gewählt werden, daß Streustrahlen von der Pu
pille 78 des optischen Aufbaus 64 weg gestreut werden, und/oder daß Streustrah
len unterdrückt werden. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird die in den Ab
schnitten 3 und 4 folgende Erörterung sich auf den optischen Aufbau 62 von Fig.
2A konzentrieren. Jedoch sollte klar sein, daß dieselbe Beschreibung sowohl auf
die optischen Aufbauten 162 und 262 von Fig. 2B und 2C, auf andere Beugungs
gitteranordnungen, als auch auf andere in GDI-Instrumenten verwendbare opti
sche Aufbauten anwendbar ist.
Rückreflexionen von den Gittern 70 und 72 können von der Pupille 78 der Bilder
zeugungsvorrichtung 64 durch geeignete Steuerung der Form und/oder der Orien
tierung jedes der Beugungsgitter 70 und 72 sowie durch Steuerung der Orientie
rung des Testobjektes O abgelenkt werden. Eine Steuerung basierend auf der
Wahl der Orientierung des Beugungsgitters oder Objektes ist als Schräge-
Selektion oder Schräge-Management bekannt und es ist eine Steuerung basierend
auf der Wahl der Form des Beugungsgitters 70 oder 72 als Keil-Selektion oder
Keil-Management bekannt. Jedes dieser Konzepte wird im folgenden nacheinan
der definiert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3A und 3B kann eine Schräge eines Objektes als
sein Drehwinkel im Raum um die X-Achse oder die Y-Achse angesehen werden.
Die veranschaulichten Winkel folgen der geometrischen Konvention, welche im
Linsen-Konstruktionsprogramm-Code V benutzt wird. Der Drehwinkel ADE be
schreibt die Drehung der verschiedenen Oberflächen, welche das Gittersubstrat
definieren, um die X-Achse. Der Drehwinkel BDE beschreibt die Drehwinkel
derselben Oberflächen um die Y-Achse. Die Drehwinkel ADE und BDE sind
Fachleuten allgemein bekannt und werden dementsprechend nicht weiter im De
tail beschrieben. Es genügt festzustellen, daß Fachleute die Orientierung eines
Objektes, beschrieben in Form seiner ADE-Schräge und BDE-Schräge, verstehen.
Der Keil beschreibt das Abweichen der Form eines Substrates eines Beugungs
gitters von einer perfekt geradlinigen Struktur. Der Keilwinkel ist der Winkel zwi
schen den vorderen und hinteren Oberflächen eines Substrates eines Beugungs
gitters, welcher de facto gleich Null für parallele Oberflächen ist. Die Keilrichtung
ist eine Richtung innerhalb der Ebene einer Oberfläche des Substrates, für die der
Keil am größten ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 kann der Keil eines Gitters auch in Form zweier
Winkel θ und ω beschrieben werden, welche die Richtung und die Neigung des
Prismas darstellen, das durch die hintere Oberfläche SB eines jeden Substrates in
bezug auf seine vordere Oberfläche SF gebildet ist. Somit kann ein einzelnes Git
ter durch das Paar (ADE, BDE) seiner beugenden Oberfläche entweder mit dem
Paar (ADE, BDE) seiner hinteren Oberfläche oder dem Paar (θ, ω), welches das
äquivalente Prisma definiert, beschrieben werden.
Wenn beide, Keil und Schräge, in Betracht gezogen werden, kann ein einzelnes
Gitter durch das Paar des Drehwinkels ADE oder BDE seiner beugenden Oberflä
che entweder mit dem Paar (ADE, BDE) seiner hinteren Oberfläche oder dem
Paar (θ, ω), welches das äquivalente Prisma definiert, beschrieben werden.
Die passende Wahl von beiden, Keil und Schräge, kann Streustrahlen von der
Pupille 78 der Bilderzeugungsvorrichtung 64 weg steuern, bei gleichzeitiger Ver
meidung oder zumindest Minimierung einer mittleren Phasenversetzung wie auch
einer Phasenversetzungsänderung bei der optimalen Metrologieebene, gesetzt, daß
man über eine adäquate Flexibilität im Selektionsbereich von Keil oder Schräge
verfügt. Vereinfachte Keil- oder Schräge-Steuerschemata können eine mittlere
Phasenversetzung eliminieren oder zumindest minimieren, während Phasenver
setzungsänderungen auf tolerierbare Niveaus reduziert werden. Ein optimales
Streustrahl-Management umfaßt typischerweise das Einstellen der ADE-Schrägen
und BDE-Schrägen auf die Größenordnung von 2°, einen maximalen Keil von
etwa 2° bis 2,5° und eine maximale Keil-Richtung in der Größenordnung von 45°.
Die Rillenprofilwahl wird in Abschnitt 4 in Verbindung mit einer Streustrahl-
Unterdrückung beschrieben und spezielle Beispiele einer Keil- und Schräge-
Steuerung werden nachfolgend im Abschnitt 5 beschrieben.
Wie zuvor in Abschnitt 3 erörtert wurde, können nicht alle Kombinationen von
Keil und Schräge nicht alle Rückreflexionen weg von der Pupille 78 der Bilder
zeugungsvorrichtung 64 steuern. Potentielle schädliche Auswirkungen dieser un
vollständigen Rückreflexionsablenkung können reduziert werden, wenn einige der
rückreflektierenden Strahlen vollkommen durch Streustrahl-Unterdrückung elimi
niert werden.
Streustrahlen können durch Ausbilden nicht herkömmlicher Rillenprofile auf beu
genden Oberflächen ganz wirksam unterdrückt werden. Das traditionelle Recht
eck-Rillenprofil auf dem Gitter 270 oder 272 von Fig. 2C weist scharfe Ecken auf.
Licht, welches diese Kanten trifft, erzeugt Beugungsstrahlen hoher Ordnung, wel
che einer totalen internen Reflexion im Inneren des Substrates unterliegen kön
nen, so daß sie zurück in Richtung auf das Gitter 270 oder 272 reflektiert werden,
wobei sie das Rückreflexionsproblem verstärken. Dieses Problem kann durch
Modifizieren des traditionellen Gitterprofils, daß es diese scharfen Kanten nicht
aufweist, gemindert werden. Somit, unter Bezugnahme auf Fig. 5. können Beu
gungen hoher Ordnung und andere Streustrahlen durch Abrunden der Kanten ei
nes Rillenprofils P unterdrückt werden, so daß diese Kanten vorzugsweise nicht
linear und mit einem relativ großen Krümmungsradius gekrümmt sind. Die ge
krümmten Abschnitte sind durch die durchgezogenen Linien E in Fig. 5 veran
schaulicht und müssen von den scharfkantigen Abschnitten traditioneller Recht
eck-Rillengitter unterschieden werden, welche durch die gestrichelten Linien E'
veranschaulicht sind. Die glatten Kantenabschnitte E werden leicht unter Benut
zung gängiger Ätz-Technologien und anderer Techniken hergestellt, welche übli
cherweise verwendet werden, um Rillenprofile auf beugenden Oberflächen herzu
stellen. Natürlich kann dieselbe Technik benutzt werden, um die Kanten rechtek
kiger Rillen geblazter Gitter abzurunden.
Im folgenden wird die Art und weise, auf die ein Rückreflexions-Management
und Streustrahl-Unterdrückungs-Management allein oder in Kombination mitein
ander benutzt werden kann, um die Qualität eines Interferogramms zu verbessern,
anhand mehrerer praktischer Beispiele beschrieben. Alle diese Beispiele betreffen
einen optischen Aufbau 262, wie er in Fig. 2C zu sehen ist, und genügen ganz
oder teilweise den folgenden drei Erfordernissen:
- 1. Dem Steuern rückreflektierter Streustrahlen weg von der Pupille 78 der Bilderzeugungsvorrichtung 64;
- 2. Der Minimierung oder Eliminierung einer mittleren Phasenversetzung; und
- 3. Der Minimierung oder Eliminierung von Phasenversetzungsänderungen über das Sichtfeld des Instrumentes hinweg.
Ein teilweises Erfüllen dieser Bedingungen tritt auf, wenn die mittlere Pha
senversetzung Null oder nahezu Null ist, aber einige begrenzte Phasenverset
zungsänderungen über das Sichtfeld des Instrumentes hinweg zurückbleiben.
Das Instrument, auf welches diese Beispiele angewandt werden, weist die fol
genden Charakteristiken auf:
- - Mittlere Wellenlänge der Lichtquelle: 0,68 Mikrometer.
- - Raumfrequenz des ersten (Grob-) Gitters 270: 250 Linien/Millimeter.
- - Raumfrequenz des zweiten (Fein-) Gitters 272: 500 Linien/Millimeter.
- - Abstand H' zwischen den Gittern 270 und 272: ≈ 75 Millimeter (dieser Abstand ändert sich für verschiedene Substratdicken).
- - Weite der Pupille 78: ± 12 mrad (dieser Bereich definiert die größte Ab weichung von der optischen Achse eines Strahls, welcher gerade noch durch die Pupille 78 geht. Folglich müssen alle Streustrahlen um mehr als 12 mrad von der optischen Achse abgelenkt werden).
- - Substratmaterial für die Beugungsgitter 270 und 272: BK7-Glas.
Soweit nicht anders spezifiziert, haben die beugenden Oberflächen beider
Gitter 270 und 272 Rechteck-Rillenprofile und können sich entweder auf der
Oberseite oder Unterseite ihres jeweiligen Substrats befinden. ADE-Winkel
und BDE-Winkel sind in bezug auf das globale Koordinatensystem XYZ, wie
oben in Verbindung mit Fig. 3A und 3B beschrieben, angegeben. Alternativ
könnten diese Winkel in Form eines Polar-Koordinatensystems unter Benut
zung von θ und ω, wie oben in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben, dargestellt
werden.
In diesem Beispiel wurden der Anzahl von Keil- und Schräge-Parametern, die
variiert werden könnten, keine Beschränkungen auferlegt. Somit wurden Keil
und Schräge kombiniert, um sowohl die ADE-Schräge als auch die BDE-
Schräge sowohl für die beugende Oberfläche als auch die AR-beschichtete
Oberfläche eines jeden Gitters 270 und 272 zu optimieren. Beide beugenden
Oberflächen befinden sich oben auf ihren Substraten, wie in Fig. 2C veran
schaulicht ist. Ein Glied dieser Familie von Lösungen ist in Tabelle 1 zusam
mengefaßt. Die vordere und hintere Oberflächen-ADE-Schräge, die vordere
und hintere Oberflächen-BDE-Schräge, der maximale Keil, die maximale
Keil-Richtung und die Substratdicke im Zentrum des Substrates sind angege
ben:
Da alle zehn Schräge-Parameter (einschließlich dem des Objektes O, wel
cher für die Zwecke der Erörterung der Wahl der Schräge als Teil des opti
schen Aufbaus 262 betrachtet werden kann) in Übereinstimmung mit die
ser Lösung optimiert werden können, können alle Streustrahlen von der
Pupille 78 der Bilderzeugungsvorrichtung 64 weg gesteuert werden. Folg
lich stellen Beugungen hoher Ordnung, welche durch die scharfen Kanten
des Rechteck-Rillenprofils der beugenden Oberflächen der Gitter 270 und
272 hervorgerufen werden, kein Problem dar. Die mittlere Phasenverset
zung des Instrumentes 20 ist Null und es bleiben keine Phasenverset
zungsänderungen über das ganze Sichtfeld des Instrumentes hinweg übrig.
In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, den Herstellungsprozeß durch
die Beschränkung zu vereinfachen, daß die Substrate beider Gitter 270 und
272 identisch sein sollen, d. h., daß sie identische maximale Keile und identi
sche Dicken haben sollen. Ein Glied der sich ergebenden Familie optimaler
Lösungen ist in Tabelle 2 zusammengefaßt:
Aus dem obigen geht deutlich hervor, daß weniger Parameter aufgrund der
Tatsache optimiert werden können, daß der maximale Keil, die Keil-
Richtung und die Substratdicke für beide Beugungsgitter 270 und 272 die
selben sein müssen. Indem die mittlere Phasenversetzung Null ist, bleibt
als Ergebnis eine tolerierbare kleine Phasenversetzungsänderung (von der
Größenordnung von ± 6 Streifen über ein 100 mm Sichtfeld) über das
Sichtfeld des Instrumentes übrig.
Bei diesem Beispiel wurden der Entwurfsdifferenzierung weitere Beschrän
kungen auferlegt, um die Herstellung weiter zu vereinfachen. Die Drehung
aller Oberflächen der Substrate 270 und 272 um die X-Achse wurde auf Null
beschränkt. Diese Beschränkungsanforderung für sich reicht aus, um zu ga
rantieren, daß die mittlere Phasenversetzung bei der optimalen Metrologie
ebene Null ist. Die Optimierung der fünf übrigbleibenden Schräge-Parameter
(einschließlich dem des Objektes O) kann benutzt werden, um Streustrahlen
von der Pupille 78 der Bilderzeugungsvorrichtung 64 weg zu steuern. Falls
identische Substrate für die zwei Beugungsgitter 270 und 272 benutzt werden,
werden darüber hinaus Phasenversetzungsänderungen über das Sichtfeld hin
weg eliminiert. Ein Glied der resultierenden Familie optimaler Lösungen ist in
Tabelle 3 aufgeführt:
Gemäß diesem Beispiel kann ein Instrument sogar noch einfacher als bei
den vorhergehenden Beispielen hergestellt werden, weil die optischen
Keile alle parallel zur Substratkante orientiert sind. Darüber hinaus sorgt
das Anordnen der Keile beider beugender Oberflächen in derselben Rich
tung inhärent für eine mittlere Phasenversetzung von Null wie auch für ei
ne mittlere Phasenversetzungsänderung von Null über das gesamte Sicht
feld des Instrumentes 20 hinweg. Diese Konfiguration ist auch voll achro
matisch über das gesamte Sichtfeld des Instrumentes.
Weil nur vier Optimierungsparameter bei diesem Beispiel variiert werden
können, ist es schwieriger, die Effekte von Beugungen höherer Ordnung
durch Rückreflexions-Management allein zu eliminieren. Infolgedessen
wirkt sich dieses Beispiel am effektivsten aus, wenn Keil- und Schräge-
Wahl in Verbindung mit beugenden Oberflächen benutzt werden, bei wel
chen die Gitterprofile glatte Kanten haben, wie oben in Abschnitt 4 be
schrieben wurde.
Dieses Beispiel verfolgt einen leicht unterschiedlichen Ansatz gegenüber den
vorherigen Beispielen. In diesem Ansatz werden Keil und Schräge ohne
Rücksicht auf die Phasenversetzung zuerst optimiert, um die Ablenkung von
Streustrahlen von der Pupille 78 zu maximieren. Die mittlere Phasenverset
zung an der optimalen Metrologieebene wird dann eliminiert oder zumindest
durch geeignete Wahl der effektiven Dicke eines Abschnittes des optischen
Aufbaus minimiert. Zum Beispiel, wie man in Fig. 6 sieht, kann die beugende
Oberfläche des ersten Gitters 370 eines optischen Aufbaus 362 auf der unteren
oder rückwärtigen Oberfläche des Gittersubstrates im Gegensatz zur vorderen
Oberfläche liegen, wodurch die effektive Dicke des Gitters abnimmt. Der op
tische Aufbau 362 ist ansonsten identisch mit dem optischen Aufbau 262 von
Fig. 2C und seine Komponenten sind daher mit den gleichen Bezugszeichen
wie die entsprechenden Komponenten des optischen Aufbaus 262 bezeichnet,
erhöht um 100. Ein Glied einer Familie von Lösungen, welche die gewünsch
ten Effekte in Übereinstimmung mit diesem Beispiel erreichen, ist in Tabelle 4
aufgeführt:
Die in Tabelle 4 aufgeführte Lösung wie auch andere Lösungen dieser
Familie können mit einem vernachlässigbaren Betrag einer mittleren Pha
senversetzung und einer Phasenversetzungsänderung über das Sichtfeld
des Instrumentes gestaltet werden, wenn die Testoberfläche S des Objektes
O in der optimalen Metrologieebene liegt. Weil die beugende Oberfläche
des ersten Gitters 370 jetzt auf der Unterseite seines Substrates ist, werden
weniger Beugungsstreustrahlen höherer Ordnung erzeugt. Somit ist für
diese Familie ein geglättetes Gitterrillenprofil nicht erforderlich.
Das Plazieren der beugenden Oberfläche des ersten Beugungsgitters 370
auf der Unterseite des Substrats dieses Gitters kommt dem Einfügen einer
virtuellen Glasplatte negativer Dicke zwischen die zwei Gitter 370 und
372 gleich. Dies kommt auch einem Vergrößern der äquivalenten Dicke
des Substrates des zweiten Gitters 372 ohne Vergrößern der tatsächlichen
Dicke des Substrates gleicht.
Anstelle von oder zusätzlich zu diesen Ansätzen kann eine durchsichtige
Kompensationsplatte in den optischen Aufbau eingefügt werden, wodurch
ermöglicht wird, üblichere Substrate für die ersten und zweiten Gitter zu
benutzen. Ein auf diese Weise konstruierter optischer Aufbau 462 ist in
Fig. 7 veranschaulicht und enthält 1) erste und zweite Gitter 470 und 472,
welche mit den Gittern 270 und 272 von Fig. 2C identisch sind, und 2) ei
ne Kompensationsplatte 463, welche sich zwischen dem zweiten Gitter
472 und dem Objekt O befindet. Der optische Aufbau 462 ist ansonsten
identisch mit dem optischen Aufbau 262 von Fig. 2C und seine Kompo
nenten sind daher mit denselben Bezugszeichen wie die entsprechenden
Komponenten des optischen Aufbaus 262 bezeichnet, erhöht um 200. Je
nach den gesuchten Ergebnissen könnte sich die Kompensationsplatte 463
alternativ zwischen den ersten und zweiten Gittern 470 und 472 befinden
oder könnte sogar die Tragstruktur für das Testobjekt O bilden.
Ein gemäß der Erfindung konstruiertes GDI-Instrument weist mehrere vorteilhafte
Eigenschaften auf. Erstens braucht der Bediener, da die Phasenversetzung an der
optimalen Metrologieebene eliminiert oder zumindest minimiert wird, das Objekt
O für eine Messung nicht neu zu positionieren, nachdem er es im Bereich maxi
malen Interferenzstreifenkontrastes plaziert hat. Die fehlende Phasenversetzung
und die resultierende genauere Positionierung der Objekt-Testoberfläche S in der
optimalen Metrologieebene liefert auch eine verbesserte Metrologie plan
paralleler transparenter Teile. Zweitens können, da das Signal-Rausch-Verhältnis
stark reduziert ist, rauhe Oberflächen oder andere schwach reflektierende Oberflä
chen im wenig kohärenten Modus abgebildet werden - wobei die Notwendigkeit,
das Instrument 20 zwischen dem wenig kohärenten Modus und dem hochkohä
renten Modus umzuschalten, außer Acht gelassen wird. Die sich ergebende Fä
higkeit sowohl für glatte als auch für rauhe Oberflächen nur eine einzige Größe
der Quelle zu benutzen, hilft auch das Speckle-Rauschen bei glatten Teilen und
Hochfrequenzrauschen zu reduzieren, welches durch Gitterperiodendefekte her
vorgerufen wird. Zusätzlich können aufgrund der Tatsache, daß Phantom-
Reflexionen reduziert werden und Streustrahlen von der Pupille weg gerichtet
werden, schwach reflektierende und/oder stark streuende Teile mit größerer Ge
nauigkeit gemessen werden. Diese Vorteile verbessern auch die Abtastfähigkeit
des Instrumentes, was höhere Meßgenauigkeit in einem Tiefen-Abtastmodus, wie
etwa dem Abtastmodus, der in dem oben beschriebenen de Groot '265-Patent of
fenbart ist, ermöglicht.
Viele Änderungen und Modifizierungen können an der vorliegenden Erfindung
vorgenommen werden, ohne von der Idee derselben abzuweichen. Die Reichweite
einiger dieser Veränderungen wird oben erörtert. Der Reichweite anderer Verän
derungen wird aus den beigefügten Ansprüchen deutlich.
Claims (32)
1. Ein geometrisch-entsensibilisiertes Interferometer zum Profilieren einer
Testobjektoberfläche, wobei das Interferometer aufweist:
- A) einen Lichtgenerator, welcher von der Testobjektoberfläche in Z- Richtung beabstandet ist;
- B) einen optischen Aufbau, der zwischen dem Lichtgenerator und der Testobjektoberfläche angeordnet ist und der so konfiguriert ist, daß er 1) vom Lichtgenerator empfangenes Licht in erste und zweite auf treffende Strahlen teilt, welche a) sich in zwei unterschiedlichen Richtungen ausbreiten, b) auf der Testobjektoberfläche auftreffen und c) erste und zweite von der Testobjektoberfläche reflektierte Strahlen erzeugen, und daß er 2) die ersten und zweiten reflektierten Strahlen, welche sich von der Testobjektoberfläche ausbreiten, re kombiniert, um ein Interferenzmuster zu bilden, welches für ein Cha rakteristikum der Testobjektoberfläche repräsentativ ist;
- C) eine Bilderzeugungsvorrichtung, welche auf einer gemeinsamen
Seite des optischen Aufbaus und dem Lichtgenerator angeordnet ist
und welche eine Apertur aufweist, die so angeordnet ist, um durch
den optischen Aufbau von dem Lichtgenerator gesandtes Licht und
zurück durch den optischen Aufbau von der Testobjektoberfläche re
flektiertes Licht zu empfangen, wobei
der optische Aufbau von der Testobjektoberfläche um einen Abstand H' in der Z-Richtung beabstandet ist, welcher die Testobjektoberflä che in oder dicht neben eine optimale Metrologieebene plaziert, in welcher die ersten und zweiten reflektierten Strahlen am selben Ort auf der Testobjektoberfläche ihren Ursprung haben, aber unter ver schiedenen Einfallswinkeln, wobei
der optische Aufbau so konfiguriert ist, daß er Streulichtstrahlen von der Apertur der Bilderzeugungsvorrichtung weglenkt, während er zumindest im wesentlichen die Phasenversetzung minimiert, und wobei
die Phasenversetzung ein optischer Phasenunterschied ist, welcher proportional zum Unterschied in der optischen Weglänge der ersten und zweiten reflektierten Strahlen ist.
2. Interferometer nach Anspruch 1, wobei der optische Aufbau erste und
zweite beugende optische Vorrichtungen aufweist.
3. Interferometer nach Anspruch 2, wobei jede der ersten und zweiten beugen
den optischen Vorrichtungen ein Beugungsgitter aufweist, welches sich zu
mindest allgemein in einer XY-Ebene erstreckt, die senkrecht zur Z-
Richtung ist, wobei jedes der Beugungsgitter ein Substrat aufweist, mit ei
ner vorderen Oberfläche, welche der Lichtquelle zugewandt ist und einer
hinteren Oberfläche, welche der Testobjektoberfläche zugewandt ist, und
wobei eine der Oberflächen eine beugende Oberfläche ist und die andere der
Oberflächen eine AR-beschichtete Oberfläche ist.
4. Interferometer nach Anspruch 3, wobei zumindest eines der ersten und
zweiten Beugungsgitter aus der XY-Ebene heraus um eine Achse parallel
zur Y-Richtung geneigt ist.
5. Interferometer nach Anspruch 3, wobei zumindest eines der ersten und
zweiten Beugungsgitter aus der XY-Ebene heraus um eine Achse parallel
zur X-Richtung geneigt ist.
6. Interferometer nach Anspruch 3, wobei zumindest eines des ersten und
zweiten Beugungsgitter S aus der XY-Ebene heraus um eine Achse parallel
zur X-Richtung und um eine Achse parallel zur Y-Richtung geneigt ist.
7. Interferometer nach Anspruch 3, wobei die Substrate der ersten und zweiten
Beugungsgitter im wesentlichen identische Keilwinkel und Keilrichtungen
aufweisen, wobei der Keilwinkel der Winkel zwischen der vorderen und der
hinteren Oberfläche eines Substrates eines zugeordneten Beugungsgitters
ist, nominell gleich null für parallele Oberflächen, und wobei die Keilrich
tung eine Richtung innerhalb der Ebene einer Oberfläche eines Substrates
ist, bei dem der Keil das größte Maß hat.
8. Interferometer nach Anspruch 3, wobei ein Rillenprofil der beugenden
Oberfläche von mindestens einem der Beugungsgitter ausgewählt ist, um
Beugungen hoher Ordnung zu minimieren.
9. Interferometer nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten Beugungs
gitter unterschiedliche Keilwinkel und Keilrichtungen aufweisen.
10. Interferometer nach Anspruch 3, wobei zumindest ein Parameter, der Keil
winkel, die Keilrichtung und der Schräge-Winkel von zumindest einem der
ersten und zweiten Beugungsgitter ausgewählt ist, um zumindest im we
sentlichen Streustrahldurchgang zur Apertur der Bilderzeugungsvorrichtung
ohne Verhindern von Phasenversetzung zu eliminieren, und wobei zumin
dest eine Komponente des optischen Aufbaus eine effektive Dicke aufweist,
welche gewählt wird, um die Phasenversetzung zu minimieren, wenn sich
das Objekt an der optimalen Metrologieebene befindet.
11. Interferometer nach Anspruch 10, wobei die beugende Oberfläche des er
sten Beugungsgitters auf der hinteren Oberfläche desselben angeordnet ist,
wodurch die effektive Dicke des zweiten Beugungsgitters erhöht wird.
12. Interferometer nach Anspruch 10, wobei der optische Aufbau des weiteren
eine Kompensationsplatte aufweist, welche aus einem transparenten Materi
al gebildet ist, wobei die Kompensationsplatte zwischen einem von beiden,
(1) dem ersten und zweiten Beugungsgitter und (2) dem zweiten Beugungs
gitter und der Testobjektoberfläche angeordnet ist, wobei die Dicke der
Kompensationsplatte so gewählt ist, so daß die Phasenversetzung minimiert
ist, wenn sich das Objekt im Bereich der optimalen Metrologieoberfläche
befindet.
13. Interferometer nach Anspruch 12, wobei die Kompensationsplatte eine
Testobjekttragoberfläche aufweist.
14. Interferometer nach Anspruch 1, wobei der optische Aufbau so konfiguriert
ist, daß die mittlere Phasenversetzung des Interferometers minimiert ist.
15. Interferometer nach Anspruch 14, wobei der optische Aufbau so konfigu
riert ist, daß die Phasenversetzungsänderung über das Sichtfeld im wesentli
chen eliminiert ist.
16. Interferometer nach Anspruch 3, wobei Rillenprofile der beugenden Ober
flächen von zumindest einem der ersten und zweiten Beugungsgitter so ge
formt sind, daß Reflexion oder Transmission anderer Beugungsordnungen
als den gewünschten Beugungsordnungen unterdrückt sind.
17. Interferometer nach Anspruch 16, wobei die Rillenprofile (1) in zwei unter
schiedlichen Bereichen verschiedener Blaze-Richtungen angeordnet sind
und (2) Licht nur in einer Oten Ordnung und einer -1ten Ordnung in einem
ersten Bereich und einer Oten Ordnung und einer +1ten Ordnung in einem
zweiten Bereich beugen.
18. Interferometer nach Anspruch 16, wobei die Rillenprofile in einem einzel
nen Bereich einer einzelnen Blaze-Richtung angeordnet sind und Licht nur
in einer 0ten Ordnung und nur in einer einzelnen Ordnung, einer -1ten Ord
nung und einer +lten Ordnung beugen.
19. Interferometer nach Anspruch 16, wobei die Rillenprofile im allgemeinen
rechtwinklig in der Form sind und Licht nur in einer -1ten Ordnung und ei
ner +1ten Ordnung beugen.
20. Geometrisch-entsensibilisiertes Interferometer zum Profilieren einer
Testobjektoberfläche, wobei das Interferometer aufweist:
- A) einen Lichtgenerator, welcher von der Testobjektoberfläche in einer Z-Richtung beabstandet ist;
- B) einen optischen Aufbau, der zwischen dem Lichtgenerator und der Testobjektoberfläche angeordnet ist und der so konfiguriert ist, um 1) vom Lichtgenerator empfangenes Licht in erste und zweite auf treffende Strahlen zu teilen, welche a) sich in zwei unterschiedlichen Richtungen ausbreiten, b) auf der Testobjektoberfläche auftreffen und c) erste und zweite von der Testobjektoberfläche reflektierte Strahlen erzeugen, und um 2) die ersten und zweiten reflektierten Strahlen, welche sich von der Testobjektoberfläche ausbreiten, zu rekombinieren, um ein Interferenzmuster zu bilden, welches für ein Charakteristikum der Testobjektoberfläche repräsentativ ist, wobei der optische Aufbau erste und zweite Beugungsgitter bein haltet, welche sich allgemein in einer XY-Ebene erstrecken, welche senkrecht zur Z-Richtung ist, wobei jedes der Beugungsgitter ein Substrat aufweist mit einer vorderen Oberfläche, welche der Licht quelle zugewandt ist, und einer hinteren Oberfläche, welche der Testobjektoberfläche zugewandt ist, und wobei eine der Oberflächen eine beugende Oberfläche und die andere der Oberflächen eine AR beschichtete Oberfläche ist;
- C) eine Bilderzeugungsvorrichtung, welche auf einer gemeinsamen
Seite des optischen Aufbaus und dem Lichtgenerator angeordnet ist
und welche eine Apertur aufweist, die so angeordnet ist, um durch
den optischen Aufbau von dem Lichtgenerator gesandtes Licht und
zurück durch den optischen Aufbau von der Testobjektoberfläche re
flektiertes Licht zu empfangen, wobei
der optische Aufbau von der Testobjektoberfläche um einen Abstand H' in der Z-Richtung beabstandet ist, welcher die Testobjektoberflä che in oder dicht neben eine optimale Metrologieebene plaziert, in welcher die ersten und zweiten reflektierten Strahlen am selben Ort auf der Testobjektoberfläche ihren Ursprung haben, aber unter ver schiedenen Einfallswinkeln, wobei
jedes der Beugungsgitter zumindest einen Parameter, den Keilwin kel, die Keilrichtung und den Schräge-Winkel aufweist, der so aus gewählt ist, um Streulichtstrahlen von der Apertur der Bilderzeu gungsvorrichtung wegzulenken, während eine mittlere Phasenverset zung vermieden ist und während eine Phasenversetzungsänderung minimiert ist, und wobei
eine Phasenversetzung ein optischer Phasenunterschied ist, der pro portional zum Unterschied der optischen Weglänge der ersten und zweiten reflektierenden Strahlen ist.
21. Geometrisch-entsensibilisiertes Interferometer zum Profilieren einer
Testobjektoberfläche, wobei das Interferometer aufweist:
- A) einen Lichtgenerator, welcher von der Testobjektoberfläche in Z- Richtung beabstandet ist;
- B) einen optischen Aufbau, der zwischen dem Lichtgenerator und der
Testobjektoberfläche angeordnet ist und der so konfiguriert ist, daß
er 1) vom Lichtgenerator empfangenes Licht in erste und zweite
auftreffende Strahlen teilt, welche a) sich in zwei unterschiedlichen
Richtungen ausbreiten, b) auf der Testobjektoberfläche auftreffen
und c) erste und zweite von der Testobjektoberfläche reflektierte
Strahlen erzeugen, und daß er 2) die ersten und zweiten reflektier
ten Strahlen, welche sich von der Testobjektoberfläche ausbreiten,
rekombiniert, um ein Interferenzmuster zu bilden, welches für ein
Charakteristikum der Testobjektoberfläche repräsentativ ist, wobei
der optische Aufbau von der Testobjektoberfläche um einen Abstand
H' in der Z-Richtung beabstandet ist, welcher die Testobjektoberflä
che in oder dicht neben eine optimale Metrologieebene plaziert, in
welcher die ersten und zweiten reflektierten Strahlen am selben Ort
auf der Testobjektoberfläche ihren Ursprung haben, aber unter ver
schiedenen Einfallswinkeln, wobei
jede der ersten und zweiten optischen Vorrichtungen ein Beugungs gitter aufweisen, welches sich allgemein in einer XY-Ebene er streckt, welche senkrecht zur Z-Richtung ist, wobei jedes der Beu gungsgitter ein Substrat aufweist, welches eine vordere Oberfläche hat, die der Lichtquelle zugewandt ist und eine hintere Oberfläche, die der Testobjektoberfläche zugewandt ist, wobei
eine der Oberflächen eine beugende Oberfläche ist und die andere der Oberfläche eine AR-beschichtete Oberfläche ist, und wobei
ein Rillenprofil der beugenden Oberfläche von zumindest einem der ersten und zweiten Beugungsgitter gekrümmte Abschnitte hat, wel che Beugungen hoher Ordnung minimieren.
22. Interferometer nach Anspruch 21, welches weiter eine Bilderzeugungsvor
richtung aufweist, die auf einer gemeinsamen Seite des optischen Aufbaus
zusammen mit dem Lichtgenerator angeordnet ist, und welche eine Aper
tur aufweist, welche so angeordnet ist, daß Licht, welches durch den opti
schen Aufbau übertragen und durch den optischen Aufbau von der
Testobjektoberfläche von dem Lichtgenerator zurück reflektiert wurde,
empfangen wird, und wobei die ersten und zweiten Beugungsgitter so kon
figuriert sind, daß Streulichtstrahlen von der Apertur der Bilderzeugungs
vorrichtung weg gesteuert werden, wobei gleichzeitig eine Phasenverset
zung vermieden wird, wobei die Phasenversetzung ein optischer Phasen
unterschied ist, welcher proportional zum Unterschied der optischen
Weglänge der ersten und zweiten reflektierten Strahlen ist.
23. Interferometer nach Anspruch 21, wobei das genannte eine Beugungsgitter
ein allgemein rechtwinkliges Rillenprofil aufweist.
24. Interferometer nach Anspruch 21, wobei das genannte eine Beugungsgitter
ein geblaztes Gitter ist, welches ein allgemein dreieckiges Rillenprofil
aufweist.
25. Verfahren zum Betreiben eines geometrisch-entsensibilisierten Interfero
meters, wobei das Interferometer einen Lichtgenerator, einen optischen
Aufbau und eine Bilderzeugungsvorrichtung aufweist, welche auf einer ge
meinsamen Seite des optischen Aufhaus zusammen mit dem Lichtgenerator
angeordnet ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- A) Übertragen von Licht
- 1. vom Lichtgenerator und auf den optischen Aufbau in einem Be reich von Einfallswinkeln Δγ relativ zu einer Linie, die sich senkrecht in bezug auf den optischen Aufbau erstreckt,
- 2. durch den optischen Aufbau,
- 3. auf eine Oberfläche eines Objektes als erste und zweite Strahlen, die auf die Oberfläche auftreffen, und von der Oberfläche als er ste und zweite reflektierte Strahlen reflektiert werden, wobei sich die Oberfläche in einer optimalen Metrologieebene befin det, in welcher die ersten und zweiten reflektierten Strahlen am selben Ort, jedoch unter verschiedenen Einfallswinkeln, ihren Ursprung haben,
- 4. zurück durch den optischen Aufbau, und
- 5. zu einer Apertur der Bilderzeugungsvorrichtung als ein Interfe renzmuster, dessen Kontrast von der Größe von Δγ abhängig ist; und, während des Übertragungsschrittes,
- B) Wegsteuern von Lichtstrahlen von der Apertur der Bilderzeugungs vorrichtung, wobei gleichzeitig die Phasenversetzung minimiert wird, wobei die Phasenversetzung ein optischer Phasenunterschied ist, welcher proportional zum Unterschied der optischen Weglänge der ersten und zweiten reflektierten Strahlen ist.
26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem der optische Aufbau erste und
zweite Beugungsgitter aufweist, welche jeweils eine beugende Oberfläche
aufweisen, und weiter das Unterdrücken nicht echter von den Beugungs
oberflächen ausgehender Reflexionen und Beugungen während des Über
tragungsschrittes umfassend.
27. Verfahren nach Anspruch 26, das weiter das Unterdrücken von Beugungen
hoher Ordnung während des Übertragungsschrittes umfaßt.
28. Verfahren nach Anspruch 25, welches des weiteren das Minimieren einer
Phasenversetzungsänderung des Interferometers während des Übertra
gungsaschrittes umfaßt.
29. Verfahren zum Betreiben eines geometrisch-entsensibilisierten Interfero
meters, wobei das Interferometer einen Lichtgenerator, einen optischen
Aufbau und eine Bilderzeugungsvorrichtung beinhaltet, welche auf einer
gemeinsamen Seite des optischen Aufbaus zusammen mit dem Lichtgene
rator angeordnet ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
- A) Übertragen von Licht
- 1. vom Lichtgenerator und auf den optischen Aufbau in einem Be reich von Einfallswinkeln Δγ relativ zu einer Linie, die sich senkrecht in bezug auf den optischen Aufbau erstreckt,
- 2. durch ein erstes Beugungsgitter des optischen Aufbaus, wodurch das Licht in erste und zweite divergierende Strahlen geteilt wird, dann
- 3. durch ein zweites Beugungsgitter des optischen Aufbaus, wo durch das Licht in erste und zweite Strahlen abgelenkt wird,
- 4. auf eine Oberfläche eines Objekts als erste und zweite Strahlen, welche auf die genannte Oberfläche auftreffen, und von der Oberfläche als erste und zweite reflektierte Strahlen reflektiert werden, wobei sich die Oberfläche in einer optimalen Metrolo gieebene befindet, in welcher erste und zweite reflektierte Strahlen an demselben Ort, jedoch unter verschiedenen Ein fallswinkeln, ihren Ursprung haben,
- 5. zurück durch den optischen Aufbau, und
- 6. zu einer Apertur der Bilderzeugungsvorrichtung als ein Interfe renzmuster, dessen Kontrast abhängig von der Größe von Δγ ist; während des Übertragungsschrittes,
- B) Wegsteuern von Streulichtstrahlen von der Apertur der Bilderzeu gungsvorrichtung, wobei gleichzeitig zumindest im wesentlichen ei ne Phasenversetzung vermieden wird, wobei eine Phasenversetzung ein optischer Phasenunterschied ist, der proportional zum Unter schied der optischen Weglänge der ersten und zweiten reflektierten Strahlen ist; und
- C) Minimieren einer Phasenversetzungsänderung des Interferometers.
30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei für jedes der ersten und zweiten Beu
gungsgitter der Ablenkschritt das Auswählen von zumindest einem Para
meter, einem Keilwinkel, einer Keilrichtung und einer Schrägrichtung auf
weist, der zu einem Ablenkschritt führt.
31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei der Auswahlschritt die Phasenverset
zung berücksichtigt, so daß eine Phasenversetzung als ein Ergebnis des
Auswahlschrittes vermieden wird.
32. Verfahren nach Anspruch 30, wobei der Auswahlschritt eine Phasenverset
zung nicht berücksichtigt, und wobei die Phasenversetzung durch Übertra
gen von Licht durch eine Kompensationsplatte minimiert wird, welche zwi
schen (1) einem ersten und zweiten Beugungsgitter und (2) dem zweiten
Beugungsgitter und der Oberfläche angeordnet ist.
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