DD268771A1

DD268771A1 - Anordnung zur messung der feingestalt technischer oberflaechen

Info

Publication number: DD268771A1
Application number: DD31281788A
Authority: DD
Inventors: Klaus Koerner; Holger Fritz
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1988-02-10
Filing date: 1988-02-10
Publication date: 1989-06-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Feingestalt technischer Oberflaechen nach dem Prinzip des Interferenzmikroskops. Erfindungsgemaess wird bei einem Interferenzmikroskop, mit einer Glasplatte im Objektstrahlraum, im Referenzstrahlraum ein Prismenstueck mit Dachkante nachgeordnet, so dass das Objekt- und das Referenzstrahlenbuendel im gemeinsamen Strahlraum sich parallel versetzt ausbreiten und durch Fokussierung auf einen gerasterten Bildempfaenger ein Interferenzbild hoher Streifendichte entsteht, das zeitaufgeloest ausgewertet werden kann. Hierdurch werden die Auswirkungen der Rauheit der Referenzflaeche bei der interferometrischen Messung vollstaendig eliminiert und ein Interferenzbild hoher Streifendichte erzielt, wodurch eine Interferenzbildauswertung mit einem gerasterten Bildempfaenger vorgenommen werden kann. Figur

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur zeitaufgelösten Messung der Feingestalt technischer Oberflächen nach dem Prinzip des Interferenzmikroskops.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Es sind technische Lösungen bekannt, bei denen das von einer Lichtquelle ausgehende Strahlenbündel durch eine Strahlteilung

in einen Objekt- und einen Referenzstrahlraum aufgespalten wird, wobei sich im Objektstrahlraum ein Objektiv und dieanzumessende Objektoberfläche befinden.

Im Referenzstrahlraum sind ein Objektiv gleichen Typs und eine Referenzflä'cho angeordnet, wie z. B. von Krug, Rienitz und Schulz in „Beiträge zur Interferenzmikroskopie", Akademie-Verlag, Berlin 1961, S. 55/56 beschrieben. Die von der Objektoberfläche und der Referenzoberfläche reflektierte Strahlung wird an der Teilerfläclie wieder vereinigt,

gelangt zur Interferenz und wird in einem mikroskopischen Strahlengang abgebildet.

Der Nachteil dieser Anordnungen besteht darin, daß die Rauheit der Referenzfläche sich als Fehler in der Messung bemerkbar

macht. Dieser Effekt ist störend, wenn die technologische Bearbeitungsgrenze beim Feinpolieren erreicht wird (RMS-Wert bzw.Rq < 10nm).

Es ist bekannt, daß bei Interferenzmikroskopen die Phase-Sampling-Methode zur Auswertung von Interferenzstrukturen benutzt

wird. Hierbei wird zeitlich nacheinander die Phase im Interferenzbild definiert verändert.

Derartige Lösungen haben den Nachteil, daß durch Störeinflüsse, z. B. bei Schwingungen des Objektes, nicht zu

vernachlässigende Phasenfehler auftreten können. Außerdem ist es nicht möglich, Interferenzbilder an bewegten Objektenauszuwerten.

Weiterhin wurde bereits vorgeschlagen, bei einer zeitaufgelösten Messung der Oberflächengestalt den störenden Einfluß der Rauheit der Refer anzflache auf das Meßergebnis dadurch zu reduzieren, daß im Reforenzstrahlraum die spiegelnde Vergleichsfläche durch ein Referenzobjektiv größerer Brennweite und kleinerer numerischer Apertur als das Abbildungsobjektiv

im Objektstrahlraum abgebildet wird. Diese technische Lösung führt zwar zu Meßwerten mit einem besonders hohen

Genauigkeitsgrad, der nicht in jedem Falle notwendig ist, erfordert aber einen zusätzlichen technischen Aufwand für die Abbildung der Referenzfläche und den optischen Abgleich des Interferometers. Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den technischen Aufwand bei der interferenzmikroskopischen Messung der Rauheit von Oberflächen in Nanometerbereich stark zu verringern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der zeitaufgelösten interferometrischen Messung die bisher erforderliche körperliche Referonzfläche überflüssig zu machen.

Die erfindungsgemäßo Anordnung umfaßt eine Lichtquelle, die aus einer kompl >nen Interferenzmikroskop-Beleuchtung besteht, eine Feldblende, ein Belouchtungsobjektiv, einen Glasblock, eine teilverspiegelte Schicht, ein Abbildungsobjektiv, eine Objektoberfläche im Objektstrahlraum, einen Referenzstrahlraum und einen gemeinsamen Strahlraum mit einem Tubusobjektiv und einem gerasterten Bildempfänger, dar mit einem Rechner verbunden ist, wobei der Lichtquelle in Ausbreitungsrichtung die Feldblende, das Beleuchtungsobjektiv, der Glasblock und die teilverspiegelte Schicht nachgeordnet sind und dieser das Abbildungsobjektiv und die Objektoberfläche folgen, wobei erfindungsgemäß im Objektstrahlraum zwischen der teilverspiegelten Schicht und dem Abbildungsobjektiv eine Platte und der Glasblock angeordnet sind und der teilverspiegelten Schicht im Referenzstrahlraum ein Reflektor mit Dachkante folgt, dem wiederum in Strahlausbreitungsrichtung ein Drehkeilpaar und das Tubusobjektiv mit dem Bildempfänger, der mit dem Rechner gekoppelt ist, nachgeordnet sind. Hierbei sind vorteilhafterweise die Lage und die Brennweite des Abbildungsobjektivs mit der optischen Dicke der Platte so abgestimmt, daß die durch die Platte auftretende optische Verlagerung des der teilverspiegelten Schicht zugekehrten Brennpunktes F in den virtuellen Brennpunkt F", der die virtuelle Spiegelebene S' des Objektstrahlraumes definiert, so bemessen ist, daß die über den Objektstrahlraum abgebildete Pupille B' und die über den Referenzstrahlraum mit dem Reflektor mit Dachkante 10 und dem Drehkeilpaar 13 abgebildete Pupille B" durch das Tubusobjektiv 14 im gemeinsamen Strahlraum als zwei parallel versetzte, in einer gemeinsamen Ebene- liegende Austrittspupillen (B') und (B") abgebildet sind und so ein Interferenzbild hoher Streifendichte besteht.

Der Glasblock ist vorzugsweise ein 90°-Prisma, der Reflektor mit Dachkante vorzugsweise als monolithisches oder zusammengefügtes Tripelprisma mit einem Eckpunkt, der auf der optischen Achse des Tubusobjektivs liegt, drei Seitenflächen und einer dem Eckpunkt gegenüberliegenden Grundfläche ausgefühlt, wobei eine der drei Kanten, die vom Eckpunkt des Tripelprismas zur Grundfläche ausgehen, im Referenzstrahlraum als Dachkante angeordnet ist.

Das 90°-Prisma und das Tripelprisma sind hierbei zweckmäßigerweise an der Hypothenusenfläche bzw. an einer Seitenll&che starr miteinander zusammengefügt, wobei zwischen diesen die teilverspiegelte Schicht angeordnet ist. Das Tripelprisma kann aber auch zu einem 90°-Prisma und einem 90°-Dachkantenprisma zerschnitten sein.

Die Dachkante liegt vorzugsweise senkrecht zur teilverspiegelten Schicht und der Eckpunkt des Tripelprismas ist vorzugsweise außerhalb der Hypothenusenfläche des 90°-Prismas angeordnet, die Grundfläche des Tripelprismas parallel zur Knthotenflache des 90°-Prismas im Objektstrahlraum ausgerichtet.

Die optischen Dicken der Platte, des Abbildungsobjektivs, des Tripelprismas und des Drehkeiipaares sind am günstigsten so bemessen, daß der optische Gangunterschied zwischen den interferierenden Objekt- und Referenzstrahlenbündeln für wenigstens eine Lichtwellenlänge zu einer Größe gegen Null gemacht ist.

Der Bildempfänger besteht vorzugsweise aus einer CCD-Matrix. Vorzugsweise ist die Platte keilig, quer verschiebbar und kippbar, das Abbildungsobjektiv gemeinsam mit der Platte auswechselbar angeordnet.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfühl ungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehölige Zeichnung zeigt die

erfindungsgemäße Anordnung in nachstehender Fig. in schematischer Darstellung.

Das von einer Lichtquelle 1 ausgehende Strahlenbündel wird von einer Feldblende 2 begrenzt, durch ein Beleuchtungsobjektiv 3

kollimiert, gelangt in ein 90°-Prisma 4 und trifft auf eine teilverspiegelte Schicht 5. Ein Teil des Strahlenbündels gelangt in den

Objektstrahlraum und wird zum Objektstrahlenbündel, welches eine Platte 6 durchsetzt und durch ein Abbildungsobjektiv 7 auf

eine Objektoberfläche 8 fokussiert wird. Von dort wird es im Fokus reflektiert, durch das Abbildungsobjektiv 7 wieder kollimiert,durchsetzt die Platte 6 erneut und gelangt durch die teilverspiegelte Schicht 5 in einen gemeinsamen Strahlraum.

Der zweite Teil des Strahlenbündels passiert die teilverspiegelte Schicht 5, wird zum Referenzstrahlenbündel und trifft auf die Dachkante eines Tripelprismas 9, wo es um 90° reflektiert und dabei gleichzeitig gespiegelt wird, passiert ein Drehkeilpaar 10, wo

das Referenzstrahlenbündel in setner Ausbreitungsrichtung korrigiert worden kann und tritt in den gemeinsamen Strahlraumein, wo es sich parallel versetzt zum Objektstrahlenbundel ausbreitet und gemeinsam mit diesem durch ein Tubusobjektiv 11 aufeinen Bildempfänger 12 fokussiert wird, so daß ein Bild der Objektoberfläche 8 als Interferenzbild entsteht, wobei die

Interferenzstreifen einen sehr kleinen Abstand aufweisen, der nur einen Bruchteil der lateralen Auflösung des Abbildungsobjektivs 7 beträgt. Dieses Interferenzbild wird von einem gerasterten Bildempfänger 12 dessen Bildelementeabstand einen Bruchteil des Intorferenzstreifenabstandes beträgt, detektion und gelangt in einen hier nicht

dargestellten Rechner.

Damit ist es möglich, die Phasenlage im Interferenzbild in jedem aufgelösten Bildpunkt zu bestimmen, z. B. mit Hilfe des Fourier- Transformations-Algorithmus. Die optische Dicke der Platte 6, die Lage und die Brennweite des Abbildungsobjektivs 7 sind hierbei zum Tripelprisma 9 so

abgestimmt, daß die über den Objekt- und Referenzötrahlengang abgebildeten Pupillen B- und B₂ im gemeinsamen

Strahlengang zwei getrennte Austrittspupillen (B₁') und (B₂") bilden, die jedoch in einer gemeinsamen Ebene liegen. Aus Gründen der Platzerspamis sind der Eckpunkt des Tripelprismas und nicht für die Abbildung des Referenzstrahlenbündels

benötigtes Gasvolumen abgeschliffen.

Dabei sind die optischen Weglängen im Objekt- und im Referenzstrahlraum so bemessen, daß wenigstens für eine Wellenlänge

der optische Gangunterschied zu einer Größe gegen. Null gemacht ist.

Claims

1. Anordnung zur Messung der Feingestalt technischer Oberflächen, mit einer Lichtquelle, einer Feldblende, einem Beleuchtungsobjektiv, einem Glasblock und einer teilverspiegelten Schicht, einem Abbildungsobjektiv, einer Objektoberfläche im Objektstrahlraum, einem Referenzstrahlraum und einem gemeinsamen Strahlraum mit einem Tubusobjektiv und einem gerasterten Bildempfänger, der mit einem Rechner verbunden ist, wober der Lichtquelle in Ausbreitungsrichtung die Feldblende, das Beleuchtungsobjektiv, der Glasblock und die teilverspiegelte Schicht nachgeordnet sind und dieser das Abbildungsobjektiv und die Objektoberfläche folgen, dadurch gekennzeichnet, daß im Objektstrahlraum zwischen der teilverspiegelten Schicht (5) und dem Abbildungsobjektiv (7) eine Platte (6) und der Glasblock angeordnet ist und der teilverspiegelten Schicht (5) im Referenzstrahlraum ein Reflektor mit Dachkante (10) folgt, dem wiederum in Strahlausbreitungsrichtung ein Drehkeilpaar (13) und das Tubusobjektiv (14) mit dem Bildempfänger (15), der mit dem Rechner gekoppelt ist, nachgeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage und die Brennweite des Abbildungsobjektivs (7) mit der optischen Dicke der Platte (6) so abgestimmt ist, daß die durch Platte (6) auftretende optische Verlagerung des der teilverspiegelten Schicht (5) zugekehrten Brennpunktes (F') in den virtuellen Bronnpunk! (F"), der die virtuelle Spiegelebene (S') des Objektstrahlraumes definiert, so bemessen ist, daß die über den Objektstrahlraum abgebildete Pupille (B') und die über den Referenzstrahlraum mit dem Reflektor mit Dachkante (10) und dem Drehkeilpaar (13) abgebildete Pupille (B") durch das Tubusobjektiv (14) im gemeinsamen Strahlraum als zwei parallel versetzte, in einer gemeinsamen Ebene liegende Austrittspupillen ([B']) und ([B"]) abgebildet sind und so ein Interferenzbild hoher Streifendichte besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasblock ein 90°-.°risma (4) ist und der Reflektor mit Dachkante (10) als monolithisches bzw. zusammengefügtes Tripelprisma (9) mit einem Eckpunkt (11), der auf der optischen Achse des Tubusobjektivs (14) liegt, drei Seitenflächen und einer dem Eckpunkt (11) gegenüberliegenden Grundfläche (12) ausgeführt ist, wobei eine der drei Kanten, die vom Eckpunkt (11) desTripelprismas (9) zur Grundfläche ausgehen, im Referenzstrahlraum als Dachkante angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das 90°-Prisma (4) an der Hypothenusenfläche und das Tripelprisma (9) an einer Seitenfläche starr miteinander zusammengefügt sind, wobei zwischen diesen die teilverspiegelte Schicht (5) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tripelprisma (9) zu einem 90°-Prisma und einem gO^Dacfkantprisma zerschnitten ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dachkante (10) vorzugsweise senkrecht zur teilverspiegelten Schicht (5) liegt und der Eckpunkt (11) des Tripelprismas (9) vorzugsweise außerhalb der Hypothenusenfläche des 90°-Prismas i4) angeordnet und die Grundfläche (12) des Tripelprismas (9) parallel zur Kathetenfläche des 90°-Prismas (4) im Objektstrahlraum ausgerichtet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Dicken der Platte (6), des Abbildungsobjektivs (7), des Tripelprismas (9) und des Drehkeilpaares (13) so bemessen sind, daß der optische Gangunterschied zwischen den interferierenden Objekt- und Referenzstrahlenbündeln für wenigstens eine Lichtwellenlänge zu einer Größe gegen Null gemacht ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildempfänger (15) aus einer CCD-Matrix besteht.

9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (6) keilig ist, sowie quer verschiebbar und vorzugsweise kippbar angeordnet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungsobjektiv (7) gemeinsam mit der Platte (6) auswechselbar angeordnet ist.

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