DD299603A7 - Ao zur automatischen spektralen transmissions- und reflektionsmessung optischer schichten mit grossem transmissions- oder reflektionsgradienten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen spektralen Transmissions- und Reflektionsmessung optischer Schichten mit groszem Transmissions- oder Reflektionsgradienten. Die Erfindung beinhaltet ein Meszverfahren der optischen Mesztechnik. Es ist fuer alle Messungen optischer Parameter von optischen Schichtsystemen anwendbar (z. B. Transmissionsmessung, Reflektionsmessung, Streulichtmessung), bei denen nichtelektrische Wechselgroeszen (z. B. Wechsellichtintensitaet) in elektrische Wechselgroeszen (z. B. Wechselspannung) umgewandelt werden. Das Meszverfahren ist sowohl fuer die Reflektionsmessung und Streulichtmessung bei festem Einfallswinkel wie auch bei variablen Einfallswinkel des Lichtes anwendbar. Es ist vorteilhaft bei automatischen Meszanordnungen einzusetzen. Das elektrische Meszsignal vom Meszsignalwandler erfaehrt in der automatischen Verstaerkerschaltung eine Anpassung, bis sich das Ausgangssignal einer automatischen Verstaerkerschaltung innerhalb eines frei waehlbaren Signalfensters befindet. Das Signalfenster ist so gewaehlt, dasz es mit dem Empfindlichkeitsfenster des Look-In-Verstaerkers uebereinstimmt, in welchem dieser die groeszte Linearitaet aufweist. Es wird eine Dynamikkompression des Meszsignals erreicht. Der Verstaerkungsfaktor der automatischen Verstaerkerschaltung und der Ausgangswert des Look-In-Verstaerkers liefern gemeinsam das Meszergebnis. Fig. 1{spektrale Transmissionsmessung; spektrale Reflektionsmessung; optische Schichten; automatische Messung; optische Mesztechnik; Streulichtmessung; Wechsellichtintensitaet; Look-In-Verstaerker; Dynamikkompression}

Description

X des Referenzsignalwandlers mit dem Phaeeninformationselngang des Look-In-Veretärkers verbunden Ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines A-D-Wandlere verschaltet Ist. Vorteilhafterweise kann der Funktionswähler eine Anordnung zur Bestimmung der spektral aufgelösten Intensität oder zur Bestimmung der winkelabhängigen Intensität sein. Das elektrisch·) Meßsignal vom Meßsignalwandler erfährt in der automatischen Verstärkerschaltung eine Verstärkung oder Dämpfung in diskreten Stufen bis sich das Ausgangssignal der automatischen Verstärkerschaltung Innerhalb eines frei wählbaren Signalfensters befindet. Das Signalfenster wird vorteilhaft so gewählt, daß es mit dem Empfindlichkeitsfenster des Lock-In-Verstärkers Obereinstimmt, in welchem dieser die größte Linearität aufweist. Damit wird der Loc k-ln-Verstärker immer um den gleichen optimalen Arbeitspunkt ausgesteuert. Folglich wird eine Dynamikkompression des Meßsignales erreicht. Der Verstärkungsfaktor der automatischen Verstärkerschaltung und der Ausgangswert des Look-In-Verstärkers liefern gemeinsam das Meßergebnis. Erfolgt die Weitervearbeitung der Meßergebnisse analog, ist der A-D-Wandler überflüssig.

Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Meßanordnung dargestellt. Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführung der automatischen Verstärkungsregelung 6.

Die Lichtintensität einer Lichtquelle wird durch einen Teilerspiegel 1 in Meß- und Referenzintensität aufgespalten. Je nach Meßverfahren wird die Transmissions-, Reflexions- und Streulichtintensität der Probe 2 nach Durchlaufen eines Funktionswählers 4 der zur Bestimmung der spektralen Abhängigkeit F (I) bzw. der winkelabhängigen Intensität F (w), im Meßsignalwandler 5 in ein elektrisches Wechselsignal umgewandelt. Dieselbe Wandlung erfährt die Referenzintensität im Referenzsignalwandler 3. Dieses elektrische Signal liefert die Phaseninformation für den Look-In-Veretärker 7. Das Meßsignal Umoß (t, w, I) wird durch die erfindungsgemäße Anordnung einer automatischen Verstärkerschaltung β in den Signalweg durch Dämpfung bzw. Verstärkung in diskreten Stufen in der Dynamik komprimiert. Damit ist über den gesamten Intensitätsbereich eine lineare Aussteuerung des nachfolgenden Lock-In-Verstärkers 7 um oinen konstanten (optimal wählbaren) Arbeitspunkt gewährleistet. Den diskreten Verstärkungsstufen η sind Verstärkungsfaktoren Kn zugeordnet. Dabei gilt für die Kn: 0,001 < KN < 1000. Das Kn beeinflußt de? ursprüngliche Meßsignal dahingehend, daß gilt:

Umeßmin < Kn ♦ Umeß < 'Jmeßmax (-Urneß = Umeßmax - Umeßmln).

_Umeß wird so gewählt, daß die Aussteifung im linearen Teil der Kennlinie des Lock-In-Verstärkers innerhalb eines festen Meßbereichs erfolgt. Das komprimierte Meiisignal Kn * Umeß(t, w, I) wird im Loc k-ln-Verstärker-7 phasenempfindlich gleichgerichtet, integriert und steht als Gleici^ignal Kn * Umeß- am Ausgang vom Look-In-Verstärker 7 zur Verfugung. Nach der Wandlung im A-D-Wandler 8 wird der Zahlenwort des Meßsignales zusammen mit der zugehörigen Verstärkungsstufe η abgetastet und in einem Meßvektor abgespeichert. Dadurch ist die Aufnahme der 100-%-Kennlinie der Meßanordnung und der Meßkennlinie der Probe 2 mit jeweils unterschiedlichen Werten für η möglich. Folglich werden auch große Signalgradienten erfaßt. Durch die gleichzeitige Abtastung von Umeßfw, I) und n(w, I) ist die nachträgliche Normierung der Transmissions-, Reflexions· und Streulichtsignale möglich. Zum Meßvektor gehören weiterhin die Meßwellenlänge (I) und der Einfallswinkel (w) für die Messung. Zwei Komparatoren 10,11, die das Signalfenster für den nachfolgenden Lock-In-Verstärker 7 bestimmen, steuern über eine Logikschaltung die Zählrichtung eines Vorwärts-/Rückwärtszählers 15. Bei Umeß < Umeßmin ist die Zählrichlung vorwärts (Meßsignal zu klein), bei Umeß > Umeßmax (Übersteuerung) ist die Zählrichtung rückwärts. Erreicht Umeß das Signalfenster wird der Zähler über die Logik verriegelt. Der Vorwärts-/Rückwärtszähler 15 wird mittols eines Frequenzgenerators mit einer von einem Rechteckgenerator 14 bereitgestellten, konstanten, der Zeitkonstanten der Meßanordnung angepaßten Frequenz fo getaktet. Entsprechend dem Zählerstand η werden durch bidirektionale Analogschalter 12 die jeweiligen Rückkopplungselemente 13 in den Rückkopplungszweig eines invertierenden Verstärkers 9 geschaltet.

Die Anzahl der'Rückkopplungszweige wird nur durch den Zählerumfang begrenzt. Die Anzahl der Verstärkungsbereiche und deren Abstufung werden durch die Meßaufgabe bestimmt.

Claims (3)

1. Anordnung zur automatischen spektralen Transmissions- und Refloxionsmessung optischer Schichten mit großem Transmissions- oder Reflexionsgradienten, bei der ein halbdurchlässiger Spiegel zur Teilung eines Lichtstrahles wechselnder Intensität in zwei Strahlen vorgesehen ist, bei der ein Lichtstrahl durch eine Probe über einen Funktionswähler auf einen Meßsignaiwandler und ein weiterer Lichtstrahl auf einen Referenzsignalwandler gerichtet ist, dessen Ausgang mit dem Phaseninformationseingang eines Look-In-Verstärkers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Meßsignalwandlers (5) mit dem Eingang einer automatischen Verstärkerschaltung (6) verbunden ist, daß die automatische Verstärkerschaltung (6) ausgangsseitig mit einem weiteren Eingang des Loc k-ln-Verstärkers (7) verbunden ist, wobei der Ausgang des Lock-In-Verstärkers (7) mit dem Eingang eines A-D-Wandlers (8) verschaltet ist.

2. Anordnung zur automatischen spektralen Transmissions- und Reflexionsmessuny optischer Schichten mit großem Transmissions- oder Reflexionsgradienten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionswähler (4) eine Anordnung zur Bestimmung der spektral aufgelösten Intensität ist.

3. Anordnung zur automatischen spektralen Transmissions- und Reflexionsmessung optischer Schichten mit großem Transmissions- oder Reflexionsgradienten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionswähler (4) eine Anordnung zur Bestimmung der winkelabhängigen Intensität ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren der optischen Meßtechnik. Es ist für alle Messungen optischer Parameter von optischen Schichtsystemen anwendbar (z. B. Transmissionsmessung, Reflexionsmessung, Streulichtmessung), bei denen nichtelektrische Wechselgrößen (z. B. Wechsellichtintensität) in elektrische Wechselgrößen (z. B. Wechselspannung) umgewandelt werden und deren anschließende Verarbeitung in einem Look-In-Verstärker erfolgt. Das Meßverfahren ist sowohl für die Reflexionsmessung und Streulichtmessung bei festem Einfallswinkel wie auch bei variablem Einfallswinkel des Lichtes anwendbar. Es Ist vorteilhaft bei automatischen Meßanordnungen einzusetzen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die bisherige Messung von Reflexion, Transmission und Streulicht erfolgt durch die Aufspaltung der Wechsellichtintensität der Quelle (Laser, Lampe) in eine Meßintensität und eine Referenzintensität (Herbelin, Appl. Optiks 19/1,1980, S. 144-147). Charakteristisches Merkmal dieser Meßverfahren (R. Fiedler, DD 221838/1984) ist die Umwandlung von Wechsellichtintensitäten in eine elektrische Wechselgröße (Strom, Spannung) mittels fotoelektrischer Wandler (SEV, Fotodiode) und die anschließende frequenzselektive Gleichrichtung und Integration der Meßintensität in einem Lock-In-Verstärker (Phaseninformation durch Referenzintensität). Nachteilig dabei Ist, daß der Look-In-Verstärker bei der Messung von optischen Schichtsystemen mit großem intensltätsgradienten eine über bis zu 5 Dekaden lineare ÜbertragungskennUnia gewährleisten muß. Die bei diesem Dynamikbereich notwendigen Bereichsumschaltungen im Lock-In-Verstärker haben am Meßbereichsanfang und -ende zusätzliche Linearitätsfehler zur Folge, die das Ergebnis der Relativmessung verfälschen. Weiterhin wird ein automatischer Meßablauf dadurch erschwert.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Genauigkeitserhöhung bei der Transmissions·, Reflexions- und Streulichtmessung optischer Schichten mit großem Intensitätsgradienten (z. B. Entspiegelungsschichten) durch Minimierung des Linearitätsfehlers des Lock-In-Verstärkers und Wegfall der Bereichsumschaltungen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Anordnung mit guter Meßbereichsdynamik zur universellen Λ

Bestimmung des Reflexionsvermögens, der Transmission und des Streulichtes zu schaffen.

Eine Anordnung zur automatischen spektralen Transmissions· und Reflexionsmessung optischer Schichten mit großem Transmissions- oder Reflexionsgradienten wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Lichstrahl wechselnder Intensität mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels in zwei Strahlen geteilt wird, wobei der eine durch eine Probe über einen Funktionswählor auf einen Meßsignalwandler, und der zweite auf einen Referenzsignalwandler gerichtet ist, der Ausgang des Meßsignalwandlers über eine automatische Verstärkerschaltung mit dem Eingang eines Lock-In-Verstärkers und der Ausgang '