DE4024977A1 - Zweistrahlinterferometer mit 2n-fachem uebergang des referenzstrahles ueber das objekt unter einem anpassungswinkel von arc cos (1/(2n)) zur kompensation von fuehrungsfehlern, waermedehnungen und schwingungen - Google Patents
Zweistrahlinterferometer mit 2n-fachem uebergang des referenzstrahles ueber das objekt unter einem anpassungswinkel von arc cos (1/(2n)) zur kompensation von fuehrungsfehlern, waermedehnungen und schwingungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine neue Art der Kompensation von
Weglängenänderungen zwischen Meßobjekt und Interferometerkopf durch Führungsfehler,
Wärmedehnungen und Schwingungen für optische Interferometer und interferometrischer
Profilometer, wie sie z. B. in der Oberflächenmessung verwendet werden.
Weglängenänderungen, die in die Armlängen optischer Interferometer
eingehen, verfälschen das Meßergebnis oder machen eine Auswertung der Interferenzen
unmöglich. Für hochgenaue Interferometer muß der mechanische Aufbau innerhalb der
Integrationszeit der Datenaufnahme so stabil sein, daß ungewollte Weglängenänderungen,
die größer als das Auflösungsvermögen sind, ausgeschlossen bleiben. Dies ist jedoch für
abtastende Interferometer und interferometrische Profilometer im sub-nm-Bereich nicht
mehr möglich. Daher müssen Interferometerschaltungen gefunden werden, die die
Weglängenänderung in beiden Teilstrahlengängen gleichartig erfahren, so daß keine
interferometrischen Phasendifferenzen entstehen. Das Interferometer ist dann gegen
Führungsfehler des Abtasttisches, Wärmeverzug des Aufbaues und gegen Erschütterungen
kompensiert. Das vorliegende Interferometer soll eine Kompensation vorweisen, die die
Nachteile bisher bekannter Schaltungen vermeidet.
Differentialinterferometer durch Aufspalten des Abtastfokus
mit einem Wollastonprisma /1/,/2/ und andere sind gegen die oben aufgeführten
Störeinflüsse kompensiert. Ändert sich der Abstand zwischen Abtastkopf und Oberfläche,
so geht diese Änderung gleichsinnig in beide Teilstrahlen ein. Allerdings können diese
Interferometer dadurch nicht mehr die Profilhöhe in einem Abtastpunkt, sondern nur noch
die örtliche Profilsteigung als differentielle Änderung zwischen den Abtastpunkten messen.
Die Änderung muß entlang der Abtastlinie integriert werden, um das Höhenprofil zu
erhalten. Dadurch werden kumulierende Meßfehler möglich, die hauptsächlich die
langwelligen Komponenten im Ortsfrequenzspektrum verfälschen. Eine andere Möglichkeit
der Kompensation stellen Interferometer mit koaxialer Referenz durch einen stark
defokussierten Referenzstrahl dar /3/,4/. Sie weisen jedoch einen komplizierten und
störanfälligen Aufbau im Raum der getrennten Strahlengänge auf. Außerdem lassen
Oberflächenstrukturen, die eine Ausdehnung in der Größenordnung des Referenzfleckes
aufweisen, die Referenz nicht unbeeinflußt, so daß Fehler eingeführt werden. Ein
entscheidender Nachteil beider Interferometerprinzipien besteht darin, daß das
Ortsfrequenzspektrum an seinem langwelligen Ende auf Perioden der Größenordnung der
Referenzfleckbreite beschränkt bleibt. Die mögliche Periodenlänge ist jedoch bei beiden
Prinzipien grundsätzlich beschränkt. Daher ist ein Interferometer erwünscht, das einerseits
eine unmittelbare Höhenmessung erlaubt, volle Kompensation der Weglängenänderungen
aufweist, extrem stabil und störunanfällig ist, und ein sehr ausgedehntes
Ortsfrequenzspektrum in die Messung einbringt.
Fig. 1 zeigt einen möglichen Aufbau des neuen Interferometers für den Fall n=1.
Licht eines Lasers oder einer anderen Lichtquelle 1 läuft über Objektiv 2 zur Eintrittsluke
3 (im Falle eines punktweise abtastenden Profilometers kann dies eine Mikrolochblende zur
Strahlsäuberung sein. Über den Strahlenteiler 4 und das Objektiv 5 gelangt das Licht zu
dem Strahlenteiler 6. In Fig. 3 ist ein polarisierender Strahlenteiler vorgesehen. Der
Objektstrahl gelangt in Transmission zu dem Abtastobjektiv 7 und
wird auf die zu messende Oberfläche fokussiert. Der Fokus bildet den Abtastfleck, wobei
zur Abtastung eine Relativbewegung zwischen Interferometer und Oberfläche stattfindet.
Der Referenzstrahl wird durch den an 6 reflektierten Strahl gebildet. Dieser wird durch die
Umlenkspiegel 8 und 9 zur Oberfläche 10 reflektiert, dort unter einem Glanzwinkel
α=arc sin (1/(2 n)) bzw. unter einem Einfallswinkel von ϕ0a=arc cos (1/(2 n))=
90°-α reflektiert. Wir nennen ϕ0a den Anpassungswinkel. Im Falle des Interferometers
nach Fig. 1 ist n=1, α=30° und ϕ0a=60°. Nach der ersten Reflexion am Objekt 10
läuft der Referenzstrahl zu dem retroreflektierenden System 11, 12, von wo er zurück zur
Oberfläche und von dort über denselben Weg wieder zur Strahlvereinigung am Teiler 6
reflektiert wird. Der Referenzstrahl wird durch das retroreflektierende System 2 n-mal
über die Oberfläche geführt. Bei senkrechtem Einfall (ϕ₀=0° in Fig. 1), würde er mit
2 n-facher "optischer Übersetzung" auf Abstands- oder Objekthöhenänderungen reagieren,
der Objektstrahl jedoch nur mit einfacher "optischer Übersetzung". Gleichheit der
Weglängenänderungen wird jedoch dadurch erreicht, daß der Einfallswinkel des
Referenzstrahles auf den Anpassungswinkel ϕ0a eingestellt wird. Dadurch gehen im Falle
n=1 (Fig. 1), Abstandsänderungen mit cos 60°=0,5 in die optische Weglänge der
Referenz ein. Es können keine interferometrischen Phasendifferenzen durch Führungsfehler,
Wärmeverzug oder Schwingungen entstehen, und volle Kompensation ist erreicht.
Außerdem ist das Interferometer gegen Kippungen kompensiert. Eine Realisation für n=2
mit dem Anpassungswinkel ϕ0a 75,522° wird unter "Weitere Ausführungsbeipiele"
beschrieben. Außer dem in Fig. 1 gezeichneten Linsen-Spiegelsystem können auch andere
retroreflektierende Systeme wie z. B. Tripelprismen verwendet werden.
Für guten Kontrast der Interferenzstreifen ist eine Gleichheit der Intensitäten von
Objekt und Referenzstrahl erforderlich. Setzt man verlustfreie Objektive und
Umlenkspiegel voraus, so werden diese durch den Reflexionsgrad des Lichtes unter dem
jeweiligen Einfallswinkel der Strahlen bestimmt. Für den Objektstrahl ergibt sich für ein
Objekt aus Glas eine einmalige Reflexion unter ϕ₀=0°, mit einem Reflexionsgrad von
|R|²=0,042. Für den Referenzstrahl ergibt sich für n=1 eine zweimalige Reflexion der
Senkrechtkomponente unter dem Einfallswinkel von ϕ0a=60°, was bei einem
Reflexionsgrad von |R⟂|²=0,183 (siehe /7/, Seite 164) zu einer Intensitätsschwächung
von |R⟂|⁴=0,0335 führt. Somit ist für Objekte aus Glas nahezu Gleichheit der
Reflexionsverluste und damit guter Kontrast von K=0,99 gegeben. Die entsprechenden
Werte für eine Oberfläche aus Aluminium sind |R⟂|²=0,915 und |R⟂|⁴=0,9025. Auch
für andere Materialien ergeben sich praktisch unverminderte Kontraste der Interferenzen.
Ein vollständiger Abgleich mit K≈1 kann durch eine bestimmte Orientierung des
Polarisators 13 vor dem Detektor herbeigeführt werden.
Die Breite des Referenzfleckes in Abtastrichtung ist lref=d/sin α, wobei d der
Strahldurchmesser bzw. der Fleckdurchmesser des Gaußschen Strahles ist. Dadurch werden
in der Profilmessung entsprechend große Profilwellenlängen oder entsprechend kleine
Ortsfrequenzen relevant. Die Detektion der Interferometrischen Phase kann nach den in der
Interferometrie bekannten Prinzipien erfolgen. Verwendet man einen He-Ne-
Monomodelaser mit Zeeman-Aufspaltung /6/, so ist 15 in Fig. 1 der Heterodyn-
Meßdetektor und 17 der Heterodyn Referenzdetektor. Die Polarisatoren 13 und 16 bringen
gleichpolarisierte Komponenten von Objekt- und Referenzstrahl zur Interferenz. Andere
bekannte Prinzipien der interferometrischen Phasendetektion können ebenfalls realisiert
werden.
Fig. 2 zeigt eine Ausführung, bei der durch ein
Pentagonprisma im Strahlengang die Gleichheit der Armlängen von Objekt- und
Referenzstrahlengang erreicht werden kann. Dadurch kann das Interferometer für
nichtmonochromatisches Licht ("Weißlicht") angewendet werden. Der Feinabgleich für die
Einstellung der Stelle nullter Ordnung kann über eine axiale Verschiebung des
retroreflektierenden Systems erfolgen.
Eine Ausführung mit einem vierfachen Übergang des Referenzstrahles über die
Prüflingsoberfläche (n=2) ist ebenfalls möglich. Dazu muß die in diesem Falle vierfache
"optische Übersetzung" durch einen schrägen Übergang mit einem Glanzwinkel α=arc sin
0,25=14,478° bzw. Anpassungswinkel ϕ0a 75,522° ausgeglichen werden. Diese Ausführung
hat den Vorteil, daß Objektive höherer numerischer Apertur verwendet werden können. In
Fig. 3 wird die am polarisierenden Strahlenteiler reflektierte Komponente zum Objektstrahl.
Der Referenzstrahl ist nach dem ersten Durchgang durch 6 parallel zur Einfallsebene
polarisiert. Er durchläuft die Folge Umlenkspiegel 9 und Objekt 10. Vor dem
retroreflektierenden System befindet sich eine Viertelwellenlängen-Phasenplatte 18 in
Diagonalstellung. Dadurch ist der Referenzstrahl vor der zweiten Reflexion an der
Oberfläche 10 senkrecht zur Zeichenebene polarisiert und wird von dem polarisierenden
Strahlenteiler 6 zum Doppelpaßspiegel reflektiert. Nach der Reflexion am Doppelpaßspiegel
durchläuft der Referenzstrahl den gesamten Referenzarm noch ein zweites Mal hin und
zurück und ist nach dem vierten Übergang am Objekt wieder parallel zur Zeichenebene
polarisiert. Er wird also am polarisierenden Strahlenteiler transmittiert und kann mit dem
Objektstrahl interferieren.
Das Prinzip des 2 n-fachen Überganges unter dem Anpassungswinkel über dem
Prüfling kann auch auf Interferometer mit flächenhafter Auswertung wie z. B.
Interferenzmikroskope oder Prüfinterferometer für Oberflächen angewendet werden. Dazu
wird der Detektor 15 durch einen flächenhaften Bildaufnehmer wie z. B. eine CCD-Kamera
ersetzt. Für n=1 zeigt Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel. In diesem Falle ist es günstig, den
Referenzstrahl als punktförmige Referenz unter dem Anpassungswinkel über die Oberfläche
laufen zu lassen. Die Auswertung der Interferenzen kann durch die bekannten Methoden
der automatischen Interferenzphasenauswertung erfolgen. Für Phasenschiebeverfahren kann
eine Verschiebung des retroreflektierenden Systems 11 und 12 die Phasenschritte für den
Phasenschiebealgorithmus erzeugen.
Literatur
1/ G. E. Sommargreen, Optical heterodyne profilometry,
Appl. Optics 20 (1981) 610 . . . 618.
/2/ G. Makosch, B. Solf, Surface profiling by electro-optical measurements, SPIE Vol. 316 (1981).
/3/ C. C. Huang, Optical heterodyne profilometer, Opt. Eng. 23 (1984) 365 . . .
/4/ D. Pantzer, J. Politch and L. Ek, Heterodyne profiling instrument for the angstrom region, Appl. Optics 25 (1986) 4168 . . .
/5/ K. Leonhardt, Optische Interferenzen, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart, 1981.
/6/ Laser Interferometer, Produktbeschreibung, Hewlett-Packard Journal 21, Nr. 12, 1970.
/7/ MPP 2000 Non-contact Surface Profier, Produktbeschreibung, Photographic Science Corporation, Webster, New York, 1987.
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/6/ Laser Interferometer, Produktbeschreibung, Hewlett-Packard Journal 21, Nr. 12, 1970.
/7/ MPP 2000 Non-contact Surface Profier, Produktbeschreibung, Photographic Science Corporation, Webster, New York, 1987.
Claims (5)
1. Interferometer und Interferenzprinzip zur Kompensation von Störungen durch
Führungsfehler des Abtasttisches, Wärmeverzug und Schwingungen des Aufbaues,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Referenzstrahl 2n mal über die Oberfläche geführt wird (n=1, 2 . . .) und dabei der
Einfallswinkel arc cos (1/2n) eingehalten wird.
2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht durch den
Strahlenteiler 6 in Fig. 1 in einen Objekt- und einen Referenzstrahl aufgeteilt wird, der
Objektstrahl über das Objektiv 7 unter senkrechtem Einfall auf die zu untersuchende
Oberfläche fällt und von dort reflektiert wird, während der Referenzstrahl über die
Umlenkspiegel 8 und 9 unter einem Einfallswinkel von 60 Grad schräg an der Oberfläche 10
reflektiert wird, anschließend durch das retroreflektierende System in wieder über die
Oberfläche und die Umlenkspiegel 9 und 8 zum Strahlenteiler 6 geführt wird und nach
Wiedervereinigung mit dem Objektstrahl zur Interferenz gebracht wird.
3. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzstrahl 4 mal
über die Oberfläche läuft (Fig. 3), wobei der einlaufende Strahl durch den Strahlenteiler 6
in einen Objekt- und einen Referenzstrahl aufgeteilt wird, der Objektstrahl unter
senkrechtem Einfall einmal an der Oberfläche reflektiert wird, während der Referenzstrahl
unter einem Einfallswinkel von 75,52° über die Oberfläche läuft, vor dem
retroreflektierenden System sich eine Viertelwellenlängenplatte in Diagonalstellung
befindet, so daß das Licht nach einem zweimaligen Durchlauf in seiner
Schwingungsrichtung um 90° gedreht ist und das zum polarisierenden Teilerwürfel
zurücklaufende Licht zum Doppelpaßspiegel 19 reflektiert wird, der Doppelpaßspiegel den
Referenzstrahl in sich zurücklaufen läßt und der ganze Referenzarm noch einmal
durchlaufen wird, wobei nach dem vierten Übergang über die Oberfläche der
polarisierende Strahlenteiler in Transmission durchsetzt wird, so daß Objekt- und
Referenzstrahl nach einem Polarisator in Diagonalstellung miteinander interferieren.
4. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Viertelwellenplatte (18) im
Referenzarm unmittelbar bei dem polarisierenden Strahlenteiler positioniert wird
(gestrichelt gezeichnet in Fig. 3).
5. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweidimensionales
Objektfeld auf der Prüflingsoberfläche im Sinne eines Interferenzmikroskopes auf einem
Bildsensor abgebildet wird und der Referenzstrahl als punktförmige Referenz 2 n-fach
unter dem Anpassungswinkel schräg über die Oberfläche läuft.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904024977 DE4024977A1 (de) | 1990-08-07 | 1990-08-07 | Zweistrahlinterferometer mit 2n-fachem uebergang des referenzstrahles ueber das objekt unter einem anpassungswinkel von arc cos (1/(2n)) zur kompensation von fuehrungsfehlern, waermedehnungen und schwingungen |
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---|---|---|---|
DE19904024977 DE4024977A1 (de) | 1990-08-07 | 1990-08-07 | Zweistrahlinterferometer mit 2n-fachem uebergang des referenzstrahles ueber das objekt unter einem anpassungswinkel von arc cos (1/(2n)) zur kompensation von fuehrungsfehlern, waermedehnungen und schwingungen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4024977A1 true DE4024977A1 (de) | 1992-02-13 |
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ID=6411767
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19904024977 Withdrawn DE4024977A1 (de) | 1990-08-07 | 1990-08-07 | Zweistrahlinterferometer mit 2n-fachem uebergang des referenzstrahles ueber das objekt unter einem anpassungswinkel von arc cos (1/(2n)) zur kompensation von fuehrungsfehlern, waermedehnungen und schwingungen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4024977A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10303364A1 (de) * | 2003-01-29 | 2004-08-05 | Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co.Kg | Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts |
WO2005095885A1 (en) * | 2004-03-31 | 2005-10-13 | Force Technology | Noise reduction of laser ultrasound detection system |
DE102018113979A1 (de) * | 2018-06-12 | 2019-12-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Vorrichtung und Verfahren zur interferometrischen Vermessung einer Oberfläche eines bewegten Prüflings |
-
1990
- 1990-08-07 DE DE19904024977 patent/DE4024977A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10303364A1 (de) * | 2003-01-29 | 2004-08-05 | Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co.Kg | Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts |
WO2005095885A1 (en) * | 2004-03-31 | 2005-10-13 | Force Technology | Noise reduction of laser ultrasound detection system |
DE102018113979A1 (de) * | 2018-06-12 | 2019-12-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Vorrichtung und Verfahren zur interferometrischen Vermessung einer Oberfläche eines bewegten Prüflings |
DE102018113979B4 (de) | 2018-06-12 | 2024-07-25 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Vorrichtung und Verfahren zur interferometrischen Vermessung einer Oberfläche eines bewegten Prüflings |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |