DE3331175A1

DE3331175A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung kurzer abstaende

Info

Publication number: DE3331175A1
Application number: DE19833331175
Authority: DE
Inventors: Kalevi Juhani Prof. 02170 Espoo Kalliomäki; Reijo Albert Dipl.-Ing. 90220 Oulu Kivelä; Raimo Vilho Ing.(grad.) 90570 Oulu Saarimaa
Original assignee: TOPWAVE INSTRUMENTS Oy
Current assignee: TOPWAVE INSTRUMENTS Oy
Priority date: 1982-09-01
Filing date: 1983-08-30
Publication date: 1984-03-01
Anticipated expiration: 2003-08-31
Also published as: GB8323179D0; FI823028A0; JPS59131106A; FR2532415B1; FR2532415A1; US4647205A; DE3331175C2; GB2126338B; JPH0423202B2; GB2126338A

Description

DR. ING. HANS LICHTl; :· DtFL. INv?. HEINER LICHTI DIPL.-PHYS. DR. JOST LEMPERT PATENTANWÄLTE

D-7500 KARLSRUHE 41 CG RÖ TZ INGEN) ■ DU R LA CHER STR. 31 (HOCHHAUS)

TELEFON (O72I) 48511

Topwave Instruments OY 29- August 1983

Höyläämötie 18

00380 Helsinki 38 6964/83 Le

Verfahren und Vorrichtung zur Messung kurzer Abstände

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung kurzer Abstände, beispielsweise der Dicke von Viellagenfilmen od.dgl. mittels inkohärentem Licht, wobei der inkohärente Lichtstrahl aufgespalten und einerseits auf einen Gegenstand, dessen Ort oder Dicke zu bestimmen ist, und andererseits auf eine Referenzeinrichtung gerichtet wird und wobei die beiden einerseits vom Gegenstand, andererseits von der Referenzeinrichtung reflekt ierten Strahlen zusammengeführt und sie sowie insbesondere ihre Interferenz in dem Falle,· wenn die (optischen )Abstände der Referenzeinrichtung und des Gegenstandes zum Ort der Aufspaltung des Lichtstrahls gleich sind, aufgefangen werden, wobei der Referenzabstand automatisch und periodisch verändert wird und die auftretenden Interferenzen beobachtet werden, sowie eine Vorrichtung zur interferometischen Bestimmung kleiner Abstände bzw. Dicken mittels inkohä-entem Licht, mit einer Lichtquelle, die incoherentes Licht aussendet, einem Strahlteiler zur Aufspaltung des von der Lichtquelle kommenden Lichtstrahls einerseits in einem aus einer Referenzeinrichtung gerichteten Strahlteil und andererseits in einen zu messenden Gegenstand gerichteten Strahlteil, mit einem Inter-

ferenzdetektor zum Empfang der von der Referenzeinrichtung und vom Gegenstand reflektierten Lichtstrahlen und mit einer Einstelleinrichtung zur Einstellung des Ortes der Referenzeinrichtung, wobei die Einstelleinrichtung eine periodisch arbeitende ist.

Die Dicke dünner Filme, Schichten, Folien usw. kann mittels mechanischer Meßeinrichtungen bestimmt werden, wenn der zu messende Gegenstand ausreichend hart ist. Wenn lokale Variationen der Dicke von Schichten eine Bedeutung besitzen, wie dies bei der Prüfung elektronischer Hybridschaltungen der Fall ist, dürfen die Meßpunkte nur eine geringe Ausdehnung aufweisen, wodurch bei mechanischer Messung der Oberflächendruck ansteigt und hierdurch die Messung weicher Materialien nicht möglich ist. Beschichtungsmaterialien sind oft zu Beginn wach, bis sie mit der Zeit ausgehärtet sind. Um einen Beschichtungsvorgang zu steuern und zu überwachen, ist es wichtig, so schnell wie möglich Infamationen über die Dicke des Films zu erhalten. Durch optische Meßverfahren ist es möglich die Dicke eines Films zerstörungsfrei zu messen. Die Präzision herkömmlicher Verfahren, die auf Winkelmessungen beruhen, sind oft unzureichend, da sie lediglich in der Größenordnung von 10|um liegen. Eine interferometrische Messung mittels monochromatischem Licht ist ausreichend präzise, aber die Irf erferenz tritt nur nach jeder halben Welle alsgleiche aufj wodurch ein Fehler im Abstand eines Vielfachen der halben Wellenlänge auftreten kann» Durch Verwendung mehrerer unterschiedlicher genau bekannter Wellenlängen oder durch Wechsel der Wellenlänge innerhalb eines präzise bekannten Bereiches ist es möglich, die Beliebigkeit der Ergebnisse rkömmlicher Interferometer zu vermeiden. Derzeit wird eine Vorrichtung, die derart arbeitet, jedoch unvertretbar teuer.

: ; ■;: 333TJYb

-3Γ-

- 6-

Wenn bei einem herkömrtichen Interferometer weißes Licht statt monochromatischen Licht verwendet wird, wird die Interferenz eindeutig, d.h. die Interferenz tritt nur auf, wenn beide Lichtstrahlen genau die gleiche Entfernung durchlaufen haben (Michelson-Interferometer). Dieses Prinzip wurde durch Prof. Väisälä zumVergleich der Länge der von ihm hergestellten Quarzmeter verwendet. Das Verfahren wird zum Vergleich von Entfernungen bis zu einem halben Kilometer verwendet. Ein Problem liegt jedoch in der" Bestimmung der Interferenz. Der Aufbau und die Einstellung der Vorrichtung kann mehrere Tage einer erfahrenen Personen in Anspruch nehmen. Das Verfahren wurde daher nicht weit verbreitet.

Wenn der Film, die Folie oder die zu messende Beschichtung transparent sind, kann ihre Dicke durch eine Modifikation eines Michelson Interferometers gemessen werden, die weißes Licht benutzt und die durch Flournoy, McClure und Wyntjes im Jahre 1972 vorgeschlagen wurde. Bei diesem Verfahren wird der Lichtstrahl von der Vorderseite und von der Rückseite des zu messenden Films reflektiert. Die Strahlen treten dann durch ein Interferometer, wobei die Dicke des Films durch Verschieben des Spiegels des I nterferometers festgestellt wird. Der Abstand zwischen dem Film und dem Interferometer soll zumindest im Prinzip die Ergebnisse nicht beeinflussen. Der Brechungsindex des Lichts im Film und der Winkel des Lichtstrahls bedingen aber Ungenauigkeiten der Messung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung geringer Abstände oder Dicken zu schaffen, durch welche die Messungen mit hoher Genauigkeit und weitgehend automatisch und praktisch unverzüglich durchgeführt werden können.

DIe genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem zum Zeitpunkt der Interferenz der Ort der Referenzeinrichtung oder des zu bestimmenden Gegenstandes von einem Positionsanzeiger bestimmt werden_ä der mit einer automatischen Verstelleinrichtung verbunden ist und daß der Referenzabstand mit konstanter Geschwindigkeit über den gesamten Meßbereich eingestellt wird. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie einen periodischen Wechsel des Referenzabstandes mit konstanter Geschwindigkeit bewirkt, daß der Interferenzdetektor derart mit der Einstelleinrichtung verbunden ist, daß zum Zeitpunkt einer Interferenz die Stellung der Einstelleinrichtung bzw, der Referenzeinrichtung und mit deren Position der Referenzabstand bestimmbar ist.

Erfindungsgemäß wird also eine Weiterentwicklung eines Michelson Interferometers eingesetzt, die automatisch arbeitet und zum Einsatz der Messung der Dicke von dünnen,nicht transparenten Filmen usw geeignet ist. Durch die Integration das geeignete Zusammenwirken optischer, elektronischer und elektromechaiischer Komponenten ist es möglich, den wesentlichen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden: die Langsamkeit. Ein wesentlicher Unterschied der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, daß als Meßergebnis die Länge oder die Größe des kontinuierlich einstellbaren Referenzabstandes in dem Moment festgestellt wird, in dem die Interferenz detektiert wird.

Erfindungsgemäß wird also_s wie gesagt, der Referenzabstand oder aber auch der zu messende ,abstand periodisch mittels einer automatischen Verstelleinrichtung verändert, die Interferenz wird mittels eines elektronischen Interferenzdetektors überwacht und in dem Moment des Auftretens der

; ;■ :■; 3331 V/b

Interferenz wird die Stellung der Referenzeinrichtung oder des zu messenden Gegenstandes über einen Stellungsanzeiger oder dergleichen angezeigt, der in Verbindung mit der automatischen Einstelleinrichtung steht. Die Verschiebungseinrichtung kann in geeigneter Weise mittels eines zweiten Interferometers kalibriert werden.

Die erfindungsgemäße Interfereometervorrichtung, die zur Messung kurzer Abstände und Entfernungen dient, weist, wie ausgeführt, eine inkohärentes Licht aussendende Lichtquelle, einen Strahlteiler zum Aufspalten des von der Lichtquelle eingestrahlten Strahles einerseits in einen auf die Referenzeinrichtung gerichteten Strahl und andererseits in einen auf den zu messenden Gegenstand gerichteten Strahl und einen Interferenzdetektor zum Empfangder reflektierten Lichtstrahlen, die von der Referenzeinrichtung und vom Gegenstand kommen, sowie eine Einstellvorrichtung zum Einstellen und Verändern der Stellung der Referenzeinrichtung oder aber des zu messenden Gegenstandes auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist derart ausgestaltet, daß die Einstellmittel eine periodisch arbeitende automatische Einstelleinrichtung aufweist, die einen periodischen Wechsel des Referenzabstandes , vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit bewirkt. Der Interferenzdetektor arbeitet elektronisch und ist derart mit der automatischen Einstelleinrichtung verbunden, daß im Interferenzmoment die Stellung der Einstelleinrichtung und damit der Referenzeinrichtung und insgesamt die Größe des Referenzabstandes bestimmt werden kann.

Weitere Vortele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

-6-

Figur 1 eine schematische Darstellung

der Erfindung bei Verwendung von incoherentem Licht;

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Figur 3 eine weitere schematische Dar

stellung ähnlich der Figur 1.

Die Lichtquelle 1 ist eine Glühlampe. Es ist aber auch möglich eine lichtemittierende Halbleiterdiode, also eine LED zu verwenden. Ein wesentliches Merkmal der verwendeten Lichtquelle ist ein breites spektrales Band, d.h. monochromatisches Licht ist nicht geeignet. Es ist aber eine hohe und gleichmäßige Intensität erforderlich. Als Strahlteiler 2 können Strahlteilerprismen, halbdurchlässige Spiegel usw. eingesetzt werden. Dieoptische Qualität des Strahlteilers 2 ist wichtig. D as Teilerverhältnis kann von 1 : 1 abweichen. Vom Strahlteiler 2 ist ein Lichtstrahl zum zum messenden Gegenstand 4 gerichtet, während der andere auf eine Referenzeinrichtung 3 gerichtet ist, die mit einer elektromechanischen Betätigungseinrichtung (die in Fig. 1 nicht gezeigt ist) zur Einstellung ihrer Position und damit des Referenzabstandes versehen ist. Erfindungsgemäß wird dieser jöbstand in der unten beschriebenen Weise mittels einer Betätigungseinrichtung durch periodische und so weit als möglich gleichmäßige Hin- und Herbewegung eingestellt. Der Abstand kann auch optisch eingestellt werden, d.h. durch verschwenkbare Glasplatten, wodurch je nach dem, ob der Strahl durch mehr oder weniger solcher Glasplatten hindurch tritt, der optische Weg bei gleichem geometrischen Weg verschieden ist. Eine einfache elektromechanische Betätigungseinrichtung ist eine Lautsprecheranordnung, an dessen bewegliche Membran ein Spiegel befestigt ist. Mittels Linsen kann

• /to -

eine ausreichende Lichtintensität und geringe Größe des Meßlichtpunktes erreicht werden. Die Lichtstrahlen, die von einem den Referenzabstand bestimmenden Spiegel und vom zu messenden Gegenstand 4 reflektiert werden und die einen gleich langen Abstand durchlaufen haben, werden auf einen Detektor 5 gerichtet. Es iä möglich als Detektor 5 eine herkömmliche Siliziumphotodiode zu verwenden.

Im folgenden wird auf die Figur 2 Bezug genommen. Das vom Detektor 5 aufgefangene Signal w rd mittels eines Verstärkers 6 verstärkt und durch einen Bandpaßfilter 7 geleitet. Dies ist möglich, da die Frequenz der Überlagerung aufgrund der stabilen Geschwindigkeit des Referenz spiegeis konstant ist. Da die Interferenz sehr kurz ist und typischerweise nur im Bereich von 6 Sinuszyklen liegt, muß der G -Wert des Bandpaßfilters 7 bei drei liegen. Durch den Filter können Störungen, wie beispielsweise Störlicht aufgrund des Umgebungslichts geschwächt werden. Der Interferenzimpuls wird in einem Gleichrichter 8 gleichgerichtet und mittels eines Tiefpaßfilters 9 gefiltert. Das Anfangsmoment des erhaltenen Hüllimpulses wird angezeigt. Da die Amplitude folgender Impulse innerhalb weiter Bereiche schwanken kann, wird ein Detektor 10 verwendet, der einen konstanten Anteil mißt. Durch Rauschen verursachte Störimpulse werden mittels eines Komparators 11 für eine untere Grenze ausgeschlossen, d.h. die Amplitude des Impulses durch einen gewissen vorgegebenen konstanten Wert überschreiten, damit der Impuls akzeptiert wird.

Die genaue Zeitbestimmung des Interferenzmoments wird mittels einer Vergleichseinheit 12 erreicht, die den Njlldurchgang des Interferenzsignals feststellt. Die Vergleichseinheit 12 bestimmt also den nächsten Njlldurchgang, nachdem ein Interferenzmoment durch den Detektor 10 angezeigt wurde.

. AA-

Als Betätigungseinrichtung zur Einstellung des Referenzabstandes ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Lautsprecher 13 mit einem Spiegel vorgesehen, der durch einen Dreieckwellengenerator 14 versorgt wird. Falls notwendig, kann die Nullstellung des Lautsprechers geändert werden, indem ein geringer DC-Anteil der Spannungsquelle überlagert wird. Wenn ein Interferenzmoment detektiert wirdj wird die der Stellung der Betätigungseinrichtung (also der beweglichen Membran des Lautsprechers 13) entsprechende Spannung in einem Sammel- und Speicherelement 15 gespeichert. In diesem Element 15 erfolgt die Speicherung wechselweise in Abhängigkeit von der Richtung der Bewegung der Betätigungseinrichtung 13. Durch Mittelung der Spannung der Sammel- und Speicherelemente 15 mittels eines summierten Stärkers 16 wird jeglicher Effekt einer möglichen Hysterese der Betätigungseinrichtung 13 auf das Meßergebnis eliminiert. Am Ausgang des Summierverstärkers 16 wird eine Spannung erhalten, die proportional zum zu messenden Abstand ist. Ein Zähler 17 zählt die Anzahl der Zyklen der Betätigungseinrichtung 13. Der Zähler 17 wird bei Detektion einer Interfeenz auf Null zurückgesetzt, wodurch er als Indikator für fehlende Interferenzen wird.

Die Maximalamplitude der einhüllenden des Interferenzimpulses wird mittels eines Maxi maJwertanzeigers 18 überwacht. Wenn der Maximalwert einen vorgegebenen Wert überschreitet, wird eine diesbezügliche Information erhalten.

Die vom Indikator für di e fehlenden E nterferenzen (17) und vom Maximalwertanzeiger gewonnenen Daten werden zur Steuerung eines Dämpfungsglieds 19 verwendet (es wird eine Schwächung von etwa 20 bis 30 dB erreicht) ,dessen Funktion darin liegt, das von einer guten Oberfläche reflektierte und dann gemessene Interferenzsignal zu schwächen, um so die Anforderungen an die Elektronik

ο ο ι r / ο

hinsichtlich des erforderlichen Dynamikbereichs reduzieren zu können.

Es ist ein Vorteil der erläuterten Vorrichtung, daß der Abstand, der oft schwierig zu messen ist, in Beziehung zu e'ner geeigneten meßbaren Referenzdistanz gesetzt wird.D ie besten Meßergebnisse ergeben sich bei einer glatten glänzenden Oberfläche. Unebenheiten der Oberfläche schwächen und verlängern die interferenz, wodurch ein Maßstab für die Glätte ader Ebenheit der Oberfläche erhalten wird.

Das Auflösungsvermögender Vorrichtung ist im Prinzip besser als λ/8, d.h. es liegt bei 100nm bei einer mittleren Wellenlänge von 0,9 ym. Der Meßbereich wird durch dieGrenzen der Geschwindigkeit und durch die Betätigungseinrichtung, die den Referenzabstand einstellt, begrenzt. Ein geeigneter Wert für die Meßgeschwindigkeit liegt bei 1mm pro Sekunde, wobei dieser Wert aber, falls dies notwendig ist, unter Inkaufnahme des Rauschens in Abhängigkeit von der zu messenden Oberfläche um 1 bis 2 Dekaden vergrößert werden kann.

Ein anderes Einsatzgebiet beruht in der Messung der Dicke eines dünnen, viel lagigen transparenten Kunststoff! Ims. Wie in Figur 3 gezeigt ist, (die Bezugszeichen 21, 22, 23 und 25 entsprechen hier den Bezugszeichen 1, 2, 3 und 5 der Figur 1) wird ein Viellagenfilm 20 vor einem Spiegel 24 angeordnet (der Film kann in Bewegung sein). Durch das Meßprinzip werden wenigstens drei Reflektionen und damit Interferenzen dieser Reflektionen mit dem von einer Referenzeinrichtung 23 reflektierten Stehl erhalten: eine von der Vorderseite des Films, eine andere von der Rückseite des Films und eine dritte vom Spiegel 24. Zusätzlich können Interferenzen höherer Ordnung vorhanden sein. Da die Interferenzen der Vorder- und der Rückseite des Films nicht gleichzeitig auftreten, so bewegt sich der Film gewöhnlich über einen beträchtlichen Abstand während des Interferenzintervalls.

- 10 -

. Az*

Wenn die Dicken information vom Unterschied zwischen der Vorderseiten- und Rückseiteninterferenz berechnet wird, kann die Bewegung in Richtung des Film-Meßstrahlsdas Ergebnis fehlattaft machen. Der Fehler kann dadurch vermieden werden, daß die Verschiebung der Interferenz des Spiegels , die durch den Film verursacht wird, für eine momentane Dickenmessung verwendet werden.

Die durch den Spiegel bedingte Interferenz wird im Speicher der Meßeinrichtung gespeichert, wenn der Film nicht im Strahl liegt. Die Verschiebung der Interferenz, die durch den Film verursacht wird, ist ( η - 1) xd, wobei η der Brechungsindex des Films und d seine D icke ist. Der Unterschied zwischen den Interferenzabständen der Vorder- und der Rückseite des Films entspricht η χ d. Die entsprechende Messung ist aber auf die Bewegung des Films in der Strahl richtung empfindlich. Bei Berechnung von Durchschnittswerten gemessener η χ d-Werte ist es möglich, auch in dieser Weise die mittlere Dicke zu bestimmen. Es ist jedoch vorzuziehen, die Information zu verwenden, die man aus der Berechnung und Einstellung des Brechungsindex erhält. Aus den beiden obigen Gleichungen mit zwei unbekannten Größen ist es möglich dieDicke und den Refraktionsindex des Films zu bestimmen.

Der Rückseitenspiegel muß keine hohe Qualität aufweisen. Es ist lediglich erforderlich, daß seine Ebenheit und Glätte der gewünschten Meßgenauigkeit entspricht. Der optische Reflektionsindex kann gering sein, beispielsweise bei 10% liegen, wobei Spiegel mit hoher Oberflächenqualität sogar Probleme aufwerfen können, da in diesem Fall die Richtung der Oberfläche eine kritische Größe ist und genau eingestellt sei η muß.

- ü O O I I

Jt-

Mehrfachreflektionen innerhalb des Films'und zwischen dem Spiegel und dem RIm bedingen Interferenzen höherer Ordnung. Sie können so stark sein, daß sie nicht über den Amplitudenwert eliminiert werden können.

Bei längeren optischen Entfernungen können die höheren Interferenzen let cht von den Interferenzen der Vorder- und Rückseite desFilms getrennt werden, aber die Bestimmung der Interferenz des Spiegels kann gestört sein. Wenn ein Luftzwischenraum zwischen dem Film und dem Spiegel mit einer Breite von η χ d vorhanden ist, wird die Situation schwierig, da dann die Interferenz des Spiegels und die Interferenz durch die innere Reflektion des Films koinzidieren. Um dies zu vermeiden ist es bei dünnen und dicken Filmen ratsam folgendermaßen vorzugehen:

Wenn der Film größer als 100 jjm ist, wird der Film so nah wie möglich vor den Spiegel gesetzt, wobei der annehmbare Lu ftzwi sehen raum eine Breite aufweist, die im wesentlichen der Dicke des Films entspricht, dann kann die durch den Spiegel verursachte wichtigste Interferenz leicht bestimmt werden, da sie an dritter Stelle auf der Abstandsskala liegt (neben der Interferenz der Rückseite) und immer nach der Referenz Interferenz des Spiegels auftritt.

Wenn dünne Filme verwendet werden¹, sollte der Luftzwischenraum weit sein, beispiel sweise bei 400 um liegen. Dieser Wert ist jedoch nicht kritisch: jeder Wert zwischen 200 und 600.um kann gewählt werden. Die obere Grenze wird durch den Focalabstand der Interferometeroptik bestimmt, d.h. durch die Schärfe des Meßpunktes in Tiefenrichtung. Unterhalb der unteren Grenze können andererseits sich Probleme aufgrund von Interferenzen höherer Ordnung ergeben, wodurch die Auswertung falsch werden kann. Wenn der Luftzwischenraum in einem sinnvollen Bereich liegt, ist die durch den Rückspiegel bewirkte Interferenz die erste und insbesondere nur die eine hinter dem Referenzabstand des Rückspiegels.

- 12 -

Bei Viel lagenkunststoff Urnen können oft Interferenzen beobachtet werden, die durch Zwischenlagen bewirkt sind. Obwohl die Amplituden dieser Interferenzen klein sind, reichen sie dennoch zur Messung der Dicke der Zwischenlagen aus. Der Umstand, daß auch kleinere Reflektionen mittels der erfindungsgemäßen Interferometereinrichtung beobachtet werden können, beruht auf der Verwendung des konstanten Referenzstrahls= Der Ausgang der Interferenzdetektordiode ist proportional zum Produkt des Referenzstrahles und dem vom zu messenden Gegenstand reflektierten Strahl. Da der Referenzwert konstant ist, ergibt sich ein breiter dynamischer Meßbereich, nämlich in der Größenordnung von 1:1000, definiert als Fluktuation des Reflektionsindex. Bei bekannten anderen Interferometem wird auch der Referenzstrahl von der Meßoberfläche reflektiert, wodurch der D.ynamikbereich sich wesentlich reduziert und bei beispielsweise 1: 30 liegt.

Bei der Messung von Viellagenkunststofffilmen können die Zwischenlagen nicht an jedem Punkt beobachtet werden= Dies stört jedoch nicht so sehr, da der Kunststoff!Im bewegt werden kann oder sich überhaupt bewegt, s© daß für die Messung geeignete Punkte regelmäßig auftreten. Als Ergebnis kann die durchschnittliche D icke der Zwischenlagen bestimmt werden= Im Hinblick auf die Meßabstände von Viel lagenkunststoff ilmen gilt das gleiche wie für einen EinlagenkunststoffiIm.

Bei praktischen Anwendungen in der Interferometertechnik muß die Meßelektronik Infomationen hinsichtlich der Qualität der Oberfläche, des Kunststoff! Ims usw. erhalten und eine Probeschätzung der erwarteten Dicke oder der Variationen von Oberflächenerhebungen. Die M inimal zahl der erwarteten Interferenzen ist eine geeignete Information um die Betriebsart anzuzeigen» Wenn das Profil transparenter Flächen gemessen wird, ist dann lediglich eine Interferenz zu erwarten und die entsprechende Betriebsart ist MODE 1. Wenn ein transparenter Film auf einsn nicht transparenten Film aufgelegt ist, sind zwei Interferenzen

- 13-

zu erwarten: eine von jeder Fläche des Films- Die entsprechende Betriebsart ist MODE 2. Im Fall eines Einlagenkunststofffilm sind in entsprechender Weise drei Interferenzen zusätzlich zu möglichen Interferenzen höherer Ordnung zu erwarten: die entsprechende Betriebsart ist MODE 3. Im Falle von Viellagenfilmen sind wenigstens vier Haupt Interferenzen zu erwarten, so daß die Betriebsart MODE 4 ist. Wenn die Zahl der beobachteten Interferenzen nicht mit der gegebenen Zahl übereinstimmt, ist die Interferometervorrichtung derart ausgebildet, daß sie den Benutzer darauf hinweist, die Betriebsart oder die Probe zu überprüfen.

Durch Einteilung der Messungen in verschiedene Betriebsarten und durch Wahl der Meßabstände in Übereinstimmung mit einer groben Schätzung der D ickeninformation, kann das zu verwendende Datenprogramm in geeigneter und einfacher Weise ausgestaltet sein. Die Zahl und die Anordnung der zu erwartenden Interferenzen werden daher intern für die Vorrichtung bestimmt, bevor die Messungen durchgeführt werden.

Bezugszeichen I iste

Al

1 Lichtquelle

2 Strahlteiler

3 Referenzeinrichtung

4 Gegenstand, Objekt

5 Detektor

6 Verstärker

7 Bandpaßfilter

8 Gleichrichter

9 Tiefpaßfilter

10 Detektor

11 Maximalgrenzenvergleicher

12 Nulldurchgangsvergleicher

13 Lautsprecher

14 Dreieckwellengenerator

15 Sammel- und Speicherelemente

16 Summierverstärker

17 Zähler

18 Spitzenwertanzeiger

19 Dämpfungsglied

21 Lichtquelle

22 Strahlteiler

23 Referenzeinrichtung

24 Spiegel

25 Detektor

20 Prcbe, Film

Le

erseite

Claims

DR. ING. HANS LICHTh ·. Dl PL.-1 NG. HEINER LICHTI DIPL.-PHYS. DR. JOST LEMPERT PATE NTAN WALTE

D-7500 KARLSRUHE 41 (GRÖTZINGEN) · DURLAC H ER STR. 3! (HOCHHAUS)

TELEFON (0721) 48511

Topwave Instruments OY

Höyläämötie 18 ²⁹· August 1983

00380 Helsinki 38 6964/83 Le

PATENTANSPRÜCHE

ίΛ.ί Verfahren zur Messung kurzer Abstände ,beispielsweise der Dicke von Viel iagenfi I men od. dgl. mittels inkohärentem Licht, wobei der inkohärente Lichtstrahl aufgespalten und einerseits auf einen Gegenstand, dessen Ort oder Dicke zu bestimmen ist, und andererseits auf eine Referenzeinrichtung gerichtet wird und wcbei die beiden einerseitsvom Gegenstand, andererseits von der Referenzeinrichtung reflektierten Strahlen zusammengeführt und sie sowie insbesondere ihre Interferenz in dem Falle, wenn die (optischen) Abstände der Referenzeinrichtung und des Gegenstandes zum Ort der Aufspaltung des Lichtstrahles gleich sind, aufgefangen werden, wobei der Referenzabstand automatisch und periodisch verändert wird und die auftretenden Interferenzen beobachtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zeitpunkt der Interferenz der Ort der Referenzeinrichtung oder des zu bestimmenden Gegenstandes von einem Positionsanzeiger bestimmt werden, der mit einer automatischen Verstelleinrichtung verbunden ist und daß der Referenz· abstand mit konstanter Geschwindigkeit über den gesamten Meßbereich eingestellt wird.

J J J I I/O
2. Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere zur Bestimmung der Dicke eines Films von wenigstens einer Lage, dadurch gekennzeichnet, daß der zu messende Film vor einem Spiegel angeordnet wird, daß das Meßergebnis durch eine Interferenz verschiebung des Spiegels erhalten wird und daß der Abstand zwischen dem Film und dem Spiegel im Hinblick auf die Dicke des Films gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Interferenz zunächst grob aufgrund der einhüllenden Interferenz bzw. eines Interferenz impulses und dann genauer mittels eines Nulldurchgangdetektors erfolgt.
4. Vorrichtung zur interferometischen Bestimmung kleiner Abstände bzw. Dicken mittels incoherentem Licht, mit einer Lichtquelle (1), die inkohärentes Licht aussendet, einem Strahlteiler (2) zur Aufspaltung des von der Lichtquelle (1) kommenden Lichtstrahles einerseits in einen aus einer Referenzeinrichtung (3) gerichteten Strahlteil und andererseits in einen zu messenden Gegenstand (4) gerichteten Strahlteil, mit einem Interferenzdetektor (5) zum Empfang der von der Referenzeinrichtung (3) und vom Gegenstand

(4) reflektierten Lichtstrahlen und mit einer Einst e! !einrichtung (13,14) zur Einstellung des Ortes der Referenzeinrichtung (3) , wobei die Einstelleinrichtung (13, 14) eine periodisch arbeitende ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (13, 14) derart ausgebildet ist, daß sie einen periodischen Wechsel des Referenzabstandes mit konstanter Geschwindigkeit bewirkt, daß der Interferenzdetektor

(5) derart mit der Einstelleinrichtung (13, 14) verbunden ist, daß zum Zeitpunkt einer Interferenz die Stellung der Einstelleinrichtung

(13j 14) bzw. der Referenzeinrichtung (3) und mit deren Position der Referenzabstand bestimmbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Einstelleinrichtung eine elektromechanische Einrichtung (13) mit einer Spule , wie beispielsweise einer Lautsprecherei nrichtung ist, mit deren Membran ein Spiegel verbunden ist ο
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

eine Schaltung (14) vorgesehen ist, die eine periodische Dreieckspannung erzeugtj mit der Spule verbunden ist, um so eine konstante in ihrer Richtung wechselnde Geschwindigkeit der Membran zu erzeugen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Detektor (5) empfangene Signal einem hinter einem ggfls. vorhandenen Verstärker (6) angeordneten Bandpassfilter (7) zugeleitet wird, mit dem ein Gleichrichter (8) sowie ein Tiefpaßfilter (9) zur Erzeugung eines Einhüll impulses verbunden sind.

β» Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Sammel- und Speicherelemente (15) zur Speicherung einer zur Stellung der automatischen Einstei!einrichtung (13j 14) im Moment der Interferenz proportionalen elektrischen Größe vorgesehen sind.