DE4138562C2

DE4138562C2 - Mikroprofilometermeßkopf

Info

Publication number: DE4138562C2
Application number: DE19914138562
Authority: DE
Inventors: Jakob Dr Neubert; Bernd Dr Harnisch; Frank Gerold
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-11-25
Filing date: 1991-11-25
Publication date: 1995-11-23
Anticipated expiration: 2011-11-26
Also published as: DE4138562A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroprofilometermeßkopf zur Vermessung der Rauheit glatter Oberflächen. Der Meßbereich dieser Anordnung liegt für die vertikale Koordinate bei kleiner 300 nm bis 1 Å Meßpunktabstand und für die laterale Koordinate im Bereich der beugungsbegrenzten Auflösung, größer 0,5 µm.

Anwendungsbereiche der optischen Mikroprofilometrie liegen in der Mikroelektronik, der Ultrapräzisionsbearbeitung, der optischen Industrie, in der Untersuchung metallischer und magnetischer Speicheroberflächen und der Vermessung präzisionsbearbeiteter Keramikoberflächen. Profilometer können auch für die in-process-Messung in der Ultrapräzisionsbearbeitung eingesetzt werden.

Das Problem der bekannten Meßverfahren für oben genannte Anwendungen besteht darin, daß für die angegebene vertikale Meßgenauigkeit der Fehlereinfluß infolge Luftturbulenzen, Relativbewegungen zwischen Meßkopf und zu vermessender Oberfläche, infolge Schwankung der Referenzphase, sowie lokaler Oberflächenneigungen minimiert werden muß.

Es existieren Profilometer, bei denen eine Referenzphase durch Mittelung der Phase über einen ausgedehnten Oberflächenbereich gewonnen wird. Dies wird nach der US 4, 848, 908 dadurch gelöst, daß bei einem Heterodyninterferometer Objekt- und Referenzbündel senkrecht zueinander polarisiert sind, wobei das Meßstrahlbündel auf die Oberfläche fokussiert ist, während das Referenzstrahlbündel als aufgeweitetes Bündel eine koaxiale Referenz durch ein kollimiertes Bündel schafft. Der Durchmesser des Referenzstrahlbündels ist sehr groß im Vergleich zum Meßstrahlbündel, so daß von einer gemittelten Referenzphase auszugehen ist. Zwischen Meßkopf und Meßfläche ist das Interferometer als common-path-Interferometer aufgebaut.

Das gleiche Prinzip (koaxiale aufgeweitete Referenz bezüglich des Meßstrahlbündels und common-path-Interferometer zwischen Meßkopf und Oberfläche) ist nach der DE 32 40 234 A1 durch eine doppelbrechende Fokussiereinrichtung gewährleistet, wobei die Fokussiereinrichtung unterschiedliche Brennweiten für die orthogonalen Polarisationsrichtungen realisiert.

Ein weiteres Problem der Heterodynmikroprofilometrie besteht darin, daß lokale Profilsteigungen dazu führen, daß die reflektierten Meß- und Referenzstrahlbündel nur teilweise nach der Reflexion an der Meßfläche wieder in den Meßkopf gelangen, was zu Fehlern und Aussetzern in der Messung führt. In der DE 37 16 961 A1 wird ein Heterodynprofilometer vorgeschlagen, bei dem für das Meßstrahlbündel durch eine Doppelpaßstrahlführung eine Kompensation lokaler Profilsteigungen für das Meßstrahlbündel erreicht wird. Allerdings wird bei dieser Anordnung der Referenzphase durch Reflexion an einen Referenzspiegel (kein common-path-Interferometer) erzeugt, so daß Relativbewegungen zwischen Meßkopf und Meßfläche zu Meßfehlern führen.

Mit der Erfindung soll das Problem gelöst werden, ein kompaktes, miniaturisiertes Mikroprofilometer zur Vermeidung von Phasenfehlern(-differenzen) infolge von Wegänderungen (Schwingungen), lokalen Profilneigungen oder Brechzahlinhomogenitäten zu schaffen. Es soll die Möglichkeit der automatischen Fokussierung und Neigungskorrektur gegeben sein, womit mittels der erfindungsgemäßen Anordnung auch die Messung an gekrümmten Flächen möglich werden soll. Der Aufwand für die Führung des Meßkopfes soll bei gleichbleibender oder sogar höherer Meßgenauigkeit verringert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale nach dem Anspruch 1 gelöst. Ein Meßstrahlenbündel und ein Referenzstrahlenbündel sind zueinander senkrecht polarisiert und werden in den Mikroprofilometermeßkopf eingekoppelt. Die Lichteinkoppelung des Meßstrahlenbündels und des Referenzstrahlenbündels erfolgt vorteilhaft über Lichtleitkabel. Es kann jedoch auch eine andere Strahleinkopplung erfolgen.

Eine bündelformende Einrichtung ist vor dem ersten Eingang des ersten Polarisations- Strahlteilerwürfels - in Lichtrichtung gesehen - angeordnet. Sie ist aus dem Strahlteilerwürfel und dem ersten Objektiv aufgebaut.

Das Meßstrahlenbündel trifft - in Lichtrichtung gesehen - auf die bündelformende Einrichtung, dann auf einen ersten Eingang des ersten Polarisations-Strahlteilerwürfels, dann auf ein zweites Objektiv und auf eine reflektierende Oberfläche, die die zu untersuchende Probe darstellt.

Das Meßstrahlenbündel wird über die bündelformende Einrichtung und durch das zweite Objektiv auf einem Punkt auf der reflektierenden Meß-Oberfläche fokussiert.

Das reflektierte Meßlicht tritt durch das zweite Objektiv in einen zweiten Polarisations- Strahlteilerwürfel ein.

Das Referenzstrahlenbündel trifft - in Lichtrichtung gesehen - auf einen zweiten Eingang des ersten Polarisations-Strahlteilerwürfels, dann auf das zweite Objektiv und dann auf die reflektierende Meß-Oberfläche, die zugleich als Referenzfläche dient. Das Referenzstrahlenbündel wird durch das zweite Objektiv kollimiert und an der Referenzfläche reflektiert.

Das reflektierte Referenzlicht tritt durch das zweite Objektiv in den zweiten Polarisations- Strahlteilerwürfel ein.

Die Teilerfläche des zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfels teilt das reflektierte Licht so auf, daß das reflektierte Meßlicht an einem ersten Ausgang des zweiten Polarisations- Strahlteilerwürfels und das reflektierte Referenzlicht an einem zweiten Ausgang des zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfels gelangt.

Nach dem ersten Ausgang des zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfels ist ein Tripelprisma mit seiner Hypothenusenfläche angeordnet.

Der zweite Ausgang ist als teilweise lichtdurchlässiger Reflektor ausgebildet. Nach dem zweiten Ausgang des zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfels ist ein Neigungssensor, in Form eines Detektors zur Messung der Position des auftreffenden Lichts angeordnet. Damit wird eine Messung auch an gekrümmten Oberflächen möglich.

Das reflektierte Meßlicht und das reflektierte Referenzlicht werden jeweils in sich selbst rückreflektiert und entgegen der Einfalls-Lichtrichtung geleitet.

Vor dem ersten Eingang des ersten Polarisations-Strahlteilerwürfels liegt das in sich rückreflektierte Meßlicht und vor dem zweiten Eingang des ersten Polarisations- Strahlteilerwürfels liegt das in sich rückreflektierte Referenzlicht an und wird der Auswerteeinrichtung in an sich bekannter Weise zugeführt.

Der Strahlteilerwürfel und das Prisma bilden eine Fokussensorbaugruppe, wobei an einem Koppelausgang des Strahlteilerwürfels das Prisma mit seiner ersten Kathetenfläche angesetzt ist. Diese erste Kathetenfläche ist teilweise lichtdurchlässig und teilweise lichtundurchlässig, so daß dadurch die Focault′sche Schneide gebildet wird.

Auf der zweiten Kathetenfläche des Prismas ist ein zweigeteilter Fokusdetektor angeordnet.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein kompaktes Mikroprofilometer geschaffen, das auch an schlecht zugänglichen Stellen einsetzbar ist. Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Mikroprofilometermeßkopfes verringern sich die Anforderungen an die Führungsgenauigkeiten des Meßkopfes.

Die Erfindung soll in Fig. 1 näher erläutert werden:

Fig. 1 Mikroprofilometermeßkopf mit Doppelstrahlführung, Fokus- und Neigungssensor.

In Fig. 1 wird eine mögliche Realisierung des Mikroprofilometermeßkopfes mit koaxialer Referenz und Doppelpaßstrahlführung dargestellt.

Ein Meßstrahlenbündel 3 und ein Referenzstrahlenbündel 4 sind senkrecht zueinander polarisiert.

Das Meßstrahlenbündel 3 und das Referenzstrahlenbündel 4 werden durch - die optische Polarisation erhaltende - Lichtleitkabel 42 in den Mikroprofilometermeßkopf eingekoppelt. Da die Fasern der Lichtleitkabel 42 naturgemäß an ihren Ausgängen divergente Strahlenbündel erzeugen, wird das Meßstrahlenbündel 3 über eine bündelformende Einrichtung 23, die aus dem Strahlteilerwürfel 31 und dem ersten Objektiv 43 besteht, und mit Hilfe eines zweiten Objektivs 9 auf die reflektierende Oberfläche 8 fokussiert, während das Referenzstrahlenbündel 4 mit Hilfe des zweiten Objektives 9 zu ein einem kollimierten Strahlenbündel wird, das eine koaxiale Referenz für das fokussierte Meßstrahlenbündel 3 schafft.

Das reflektierte Meßlicht 10 wird nach dem Durchgang durch das zweie Objektiv 9 wieder zum Parallelbündel, passiert den Eingang 11 des zweiten Polarisations- Strahlteilerwürfels 12 und verläuft nach der Reflexion am Tripelprisma 39 des zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfels 12 als in sich rückreflektiertes Meßlicht 21 wieder zum ersten Eingang 5, wo es mit Hilfe der bündelformenden Optik 23 wieder in das Lichtleitkabel 42 eingekoppelt wird. Das in sich rückreflektierte Meßlicht 21 steht außerhalb des Mikroprofilometermeßkopfes zur Auswertung zur Verfügung.

Ausgehend vom zweiten Eingang 13 des ersten Polarisations-Strahlteilerwürfels 6 verläuft der Strahlengang des Referenzstrahlenbündels 4 in Lichtrichtung 7. Im ersten Polarisations-Strahlteilerwürfel 6 wird das Referenzstrahlenbündel 4 entsprechend seines Polarisationszustandes in Richtung zweites Objektiv 9 abgelenkt, wobei das Referenzstrahlenbündel 4 in der hinteren Brennebene des zweiten Objektives 9 fokussiert wird, so daß auf der Referenzfläche 14, die mit der reflektierenden Meß- Oberfläche 8 zusammenfällt, konzentrisch zum Meßfleck ein ausgedehnter Oberflächenbereich von dem kollimierten Referenzstrahlenbündel 4 beleuchtet wird. Reflektiertes Referenzlicht 15 gelangt durch das zweite Objektiv 9 über den Eingang 11 des zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfels 12 und die Reflexion an der Teilerfläche 16 entsprechend des Polarisationszustandes auf den teilweise lichtdurchlässigen Reflektor 20 und verläuft nach der Reflexion als in sich rückreflektiertes Referenzlicht 22 zurück zum zweiten Eingang 13 in das Lichtleitkabel 42. Dort steht das in sich rückreflektierte Referenzlicht 22 zur Auswertung zur Verfügung.

Das in sich rückreflektierte Licht wird in die optischen polarisationserhaltenden Fasern der Lichtleitkabel 42 eingekoppelt und von diesen einer Auswerteeinrichtung zugeführt. Beide Lichtbündel werden in an sich bekannter Weise in der Auswerteeinrichtung ausgewertet.

Der Mikroprofilometermeßkopf nach Fig. 1 verfügt über einen optischen Doppelpaß für das Meßstrahlenbündel 3 und das Referenzstrahlenbündel 4, wobei das Meßstrahlenbündel 3 auf die reflektierende Oberfläche 8 fokussiert wird, während die Referenz durch Beleuchtung - im allgemeinen der gleichen zu vermessenden, reflektierenden Oberfläche 8 - mit kollimierten Bündel eine koaxiale Referenz schafft.

Im Profilometermeßkopf wird die Beleuchtung der reflektierenden Oberfläche 8 mit dem Meßstrahlenbündel 3 und dem Referenzstrahlenbündel 4 nur die Hälfte der Apertur des zweiten Objektives 9 genutzt, während die andere Hälfte für die Gestaltung der Doppelpaßstrahlführung verwendet wird.

Durch die Doppelpaßstrahlführung der Meßstrahlen 3,10, 21 und der Referenzstrahlen 4, 15, 22 wird gesichert, daß bei lokalen Oberflächenneigungen das Meßstrahlenbündel 3 und das Referenzstrahlenbündel 4 in sich vollständig zurückreflektiert werden. So kann es nicht zu Aussetzern und Fehlern in der Messung kommen, die dadurch entstehen, daß das in sich rückreflektierte Meßlicht 21 und/oder das in sich rückreflektierte Referenzlicht 22 nicht zur Auswertung in der Auswerteeinrichtung zur Verfügung stehen.

Im Mikroprofilometermeßkopf ist eine Fokussensorbaugruppe 25 mit Prisma 36 zur Kontrolle des Fokuszustandes des Profilometermeßkopfes eingebaut.

Die Fokussensorbaugruppe 25 besteht aus dem Strahlteilerwürfel 31, der mit einer ersten Kathetenfläche 37 des Prismas 36 verbunden ist. Ein Teil des in sich rückreflektierten Meßlichtes 21 wird an der Teilerfläche des Strahlteilerwürfels 31 in Richtung Koppelausgang 35 umgelenkt, trifft auf das Prisma 36, wobei die erste Kathetenfläche 37 teilweise lichtdurchlässig und teilweise lichtundurchlässig ist, so daß die Wirkung einer Focault′schen Schneide 32 entsteht. Das Lichtbündel wird in Richtung einer zweiten Kathetenfläche 38 umgelenkt, auf der ein zweigeteilter Fokusdetektor 30 angeordnet ist.

Eine Defokussierung des Meßstrahlenbündels 3 bezüglich der Oberfläche 8 führt zu einer Verschiebung in der Verteilung des auftreffenden Lichts.

Am teilweise lichtdurchlässigen Reflektor 20 am zweiten Ausgang 18 des zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfels 12 ist ein positionsempfindlicher Neigungssensor 26 zur Kontrolle der Neigung des Mikroprofilometermeßkopfes bezüglich der zu vermessenden Oberfläche 8 integriert.

Ein Winkel zwischen der Oberflächennormale und der optischen Achse des Meßkopfes führt zu einer Verschiebung der Position des auftreffenden Lichts.

Bezugszeichenliste

1
2
3 Meßstrahlenbündel
4 Referenzstrahlenbündel
5 erster Eingang des ersten Polarisations-Strahlteilenwürfels
6 erster Polarisations-Strahlteilerwürfel
7 Lichtrichtung
8 Meß-Oberfläche
9 zweites Objektiv
10 reflektiertes Meßlicht
11 Eingang des zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfels
12 zweiter Polarisations-Strahlteilerwürfel
13 zweiter Eingang des ersten Polarisations-Strahlteilerwürfels
14 Referenzfläche
15 reflektiertes Referenzlicht
16 Teilerflächen
17 erster Ausgang des zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfels
18 zweiter Ausgang des zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfels
19
20 teilweise lichtdurchlässiger Reflektor
21 in sich rückreflektiertes Meßlicht
22 in sich rückreflektiertes Referenzlicht
23 bündelformende Einrichtung
24
25 Fokussensorbaugruppe
26 positionsempfindlicher Neigungssensor
27
28
29
30 zweigeteilter Fokusdetektor
31 Strahlteilerwürfel
32 Focault′sche Schneide
33
34
35 Koppelausgang des Strahlteilerwürfels
36 Prisma
37 erste Kathetenfläche des Prismas
38 zweite Kathetenfläche des Prismas
39 Tripelprisma
40
41
42 Lichtleitkabel
43 erstes Objektiv
44

Claims

1. Mikroprofilometermeßkopf mit

- einem Strahlteilerwürfel (31) und einem ersten Objektiv (43),
- einem ersten und einem zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfel (6,12),
- einem zweiten Objektiv (9),
- einem Prisma (36) und Focault′scher Schneide (32) am Strahlteilerwürfel (31) zur Fokusdetektion und
- einem Tripelprisma (39) am zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfel (12) zur Retroreflexion, die derart angeordnet sind, daß
- ein Meßstrahlengang vom Strahlteilerwürfel (31) und dem ersten Objektiv (43) über den ersten Polarisations-Strahlteilenwürfel (6) und das zweite Objektiv (9) auf die zu vermessende Oberfläche (8) und von dort über das zweite Objektiv (9) zum zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfel (12), zum Tripelprisma (39) und dann in sich zurück verlaufen kann,
- ein Referenzstrahlengang über den ersten Polarisations-Strahlteilerwürfel (6) und das zweite Objektiv (9) auf die zu vermessende Oberfläche (8) und von dort über das zweite Objektiv (9) zum zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfel (12) und dann in sich zurück verlaufen kann, wobei
- das Meßstrahlenbündel (3) durch das zweite Objektiv (9) auf die zu vermessende Oberfläche (8) fokussiert wird, und
- das Referenzstrahlenbündel (4) durch das zweite Objektiv (9) auf die zu vermessende Oberfläche (8) als Referenz kollimiert wird.

2. Mikroprofilometermeßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tripelprisma (39) auf einem ersten Ausgang (17) des zweiten Polarisations- Strahlteilerwürfels (12) zur Retroreflexion angeordnet ist und daß eine zweiter Ausgang (18) des zweiten Polarisations-Strahlteilerwürfels (12) einen teilweise lichtdurchlässigen Reflektor (20) bildet, an dem ein positionsempfindlicher Neigungssensor (26) angeordnet ist.

3. Mikroprofilometermeßkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteilerwürfel (31) und das Prisma (36) eine Fokussensorbaugruppe (25) bilden, bei der

- an einem Koppelausgang (35) des Strahlteilerwürfels (31) das Prisma (36) mit seiner ersten Kathetenfläche (37) angesetzt ist,
- diese erste Kathetenfläche (37) teilweise lichtdurchlässig und teilweise lichtundurchlässig ist, so daß dadurch die Focault′sche Schneide (32) gebildet ist, und
- auf der zweiten Kathetenfläche (38) des Prismas (36) ein zweigeteilter Fokusdetektor (30) angeordnet ist.

4. Mikroprofilometermeßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung von senkrecht zueinander polarisierten Licht für das Meßstrahlenbündel (3) und das Referenzstrahlenbündel (4) und zur Ableitung des in sich rückreflektierten Meßlichtes (21) und des in sich rückreflektierten Referenzlichtes (22) Lichtleitkabel (42) vorgesehen sind.