DE10065127A1 - Fizeau-Interferometer für die Phasenschiebungsinterferometrie in einem abgeschlossenen Behälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anpruchs I.

Phasenschiebungs-Interferometer (J. E. Greivenkamp, J. J. Bruning: Phase Shifting Interferometry, veröffentlicht in: Optical Shop Testing von D. Malacara (Hrsg.), J. Wiley & Sons, New York, 1992, S. 501-598) dienen zur topographischen Charakterisierung großflächiger optischer Elemente, wie zum Beispiel Linsen und Spiegeln oder Halbleiterbauelementen, wie zum Beispiel Wafern.

Die Aufnahme der Interferogramme erfolgt in der Regel über einen CCD-Chip. Die Phasenschiebung zwischen den einzelnen Interferogrammen erfolgt entweder über die Verschiebung einer Referenzfläche bei fester Frequenz der Lichtquelle oder über die Änderung der Wellenlänge der Lichtquelle bei fester Postion der Referenzfläche. Eine Verschiebung der Referenzfläche wird über mechanische, in der Regel piezoelektrische, Stellglieder realisiert. Lichtquelle, Optiken, Referenzfläche und CCD-Kamera und die zu untersuchende Fläche befinden sich in ein und derselben Umgebung an Luft.

Der Betrieb eines Phasenschiebungs-Interferometer an Luft läßt nur geringe Anforderungen an die Reinheit der zu untersuchenden Flächen zu. Befindet sich die zu untersuchende Fläche in einem abgeschirmten Behälter, der ein Gas oder eine Flüssigkeit enthält oder evakuiert ist, muß mindestens ein zusätzliches optisches Element (Fenster) in den Strahlengang des Interferometers integriert werden. Durch einen möglichen Druckunterschied zwischen Innen- und Außenseite des Behälter kann das Fenster unter Spannung stehen. Diese Spannung erzeugt Hysterese- oder Drift-Effekte, die die Planparallelität der Glasoberfläche des Fensters sowie andere optische Eigenschaften, wie Brechung, Polarisation und Phase des Lichtstrahls beeinflussen. Alle im abgeschlossenen Behälter befindlichen Elemente des Interferometers müssen aus chemisch inerten Stoffen bestehen oder vakuumtauglich sein, also einen niedrigen Dampfdruck aufweisen. Piezo-elektrische Substanzen, wie sie für die Stellglieder der Referenzfläche eingesetzt werden, depolariseren bei Erwärmung und besitzen einen hohen Dampfdruck, was eine Anwendung im (Ultrahoch-)Vakuum behindert. Der elektrische Einsatz von piezoelektrischen Stellgliedern in einer Flüssigkeit ist nicht ohne besondere Maßnahmen möglich. Ein großer Abstand zwischen dem Interferometer und einer Referenzfäche außerhalb des Behälters und macht das System anfällig für mechanische Erschütterungen und thermische Driften. Das Durchlaufen des Lichtstrahls von Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes (Luft, Glas, Vakuum, Gas oder Flüssigkeit) oder eine statistische Variation des Brechungsindex innerhalb des Behälters führen zu einem nicht- reproduzierbaren Fehler des Meßaufbaus.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Phasenschiebungs-Interferometrie zu schaffen, mit der Oberflächen in einem abgeschlossenen Behälter, der mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium gefüllt ist oder evakuiert wurde, topographisch untersucht werden können.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.

Die Referenzfläche des Fizeau-Interferometers befindet sich wie die zu untersuchende Oberfläche in einem abgeschlossenen Behälter. Die Phasenschiebung zwischen den einzelnen Interferogrammen erfolgt über die Änderung der Wellenlänge der Lichtquelle. Als Lichtquelle dient ein durchstimmbarer Laser. Zur Kalibrierung der Intensität der Lichtquelle bei Variation der Wellenlänge werden Strahlprofil und Interferogramm gleichzeitig auf demselben CCD- Chip erfasst. Die Steuerung der Interferogramme im Fizeau-Interferometer kann über eine Phasenmessung eines weiteren Referenz-Interferometers vorgenommen werden. Die laterale Auflösung A der Interferogramme ist durch die Anzahl n der Pixel auf dem CCD-Chip mit der nutzbaren Länge 1 gegeben über A = l/n.

Die Anordnung von Referenzfläche und zu untersuchender Oberfläche in ein und demselben Behälter vermeidet systematische Fehler, die bei Anordnung der Referenzfläche außerhalb des Behälters durch den optischen Zugang (Fenster) entstehen.

Der Abstand zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der Referenzfläche kann sehr gering ausgeführt werden (< 1 cm), so daß eine große Stabilität des Interferometers gegen Erschütterungen und thermische Driften gegeben ist. Ein Meßfehler durch Änderung des Brechungsindex der Luft wird völlig vermieden, da das Fizeau-Interferometer komplett in ein und demselben Medium untergebracht ist.

Die gleichzeitige Aufnahme von Strahlprofil und Interferogramm auf demselben CCD-Chip macht eine Synchronisation von Sensor und CCD-Kamera überflüssig.

Alle Bauteile des Interferometers besitzen einen niedrigen Dampfdruck, sind chemisch inert und weisen keine mechanischen oder beweglichen Komponenten auf, die zum Beispiel piezomechanische Stellglieder erforderlich machen würden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1: Schematischer Aufbau zur Phasenschiebungs-Interferometrie. Die Bauteile im rechten oberen Kasten stellen das eigentliche Interferometer dar und befinden sich in einer Vakuumkammer; alle übrigen Bauteile außerhalb.

Fig. 2: Aufteilung des CCD-Chips in drei separate Bereiche zur synchronen Aufzeichnung von Interferogramm, Intensität und Phase (wie gekennzeichnet).

Der Aufbau besteht aus drei Baugruppen (A)-(C), die zur Aufnahme (A), dem Fizeau- Interferometer (B) und dem Interferometer zur Messung der Phasenschiebung (C) bestehen.

Ein gitterstabiliserter Diodenlaser liefert Single-Mode-Licht der Wellenlänge von 780 nm und kann um einige 10 GHz durchgestimmt werden. Das Laserlicht wird in eine polarisationserhaltende Single-Mode-Glasfaser (Faser) eingekoppelt und beim Durchlaufen dieser räumlich gefiltert. Das aus der Faser austretende Licht wird in (A) über eine Kombination von Verzögerungsoptiken (λ/2) und Polarisations-Strahlteilern (PST) in drei Strahlen (1)-(3) aufgeteilt: Strahl (1) dient zur Intensitätsmessung, Strahl (2) zur Bestimmung der Phasenschiebung zwischen zwei Interferogrammen und Strahl (3) zur Aufnahme der Interferogramme.

Strahl (1) gelangt direkt auf den CCD-Chip.

Strahl (2) durchläuft vorher ein Interferometer (C) mit zwei planen, gegeneinander leicht verkippten Referenzflächen. Dabei entsteht ein Streifenmuster, das von der verwendeten Wellenlänge abhängt.

Strahl (3) wird aufgeweitet und in das Fizeau-Interferometer (B) geleitet. Der Abstand zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der Referenzfläche beträgt 1 bis 2 cm. Zur Kontrastoptimierung wird bei stark reflektierenden Oberflächen ein Absorptionsfilter von 20% zwischen Oberfläche und Referenzfläche eingesetzt. Referenzfläche und Filter weisen eine Oberflächenbeschaffenheit auf, die zu einer Wellenfrontdeformation über den Durchmesser des optischen Elements von weniger als λ/10 führen.

Das Interferogramm, das Streifenmuster zur Bestimmung der Phase und das Strahlprofil zur Intensitätsmessung werden synchron mit der CCD-Kamera aufgenommen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Phasenschiebungs-Interferometrie in einem abgeschlossenen Behälter, umfassend
ein Fizeau-Interferometer, bestehend aus einem in der Frequenz durchstimmbaren Laser als Lichtquelle,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Referenzfläche und die zu untersuchende Oberfläche in ein und demselben Gefäß befinden, das mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium gefüllt sein kann oder evakuiert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Interferogramm, Streifenmuster zur Bestimmung der Phase und das Strahlprofil zur Intensitätsmessung synchron auf ein und demselben CCD-Chip aufgenommen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase zwischen zwei Interferogrammen über die Verschiebung der Interferenzstreifen eines zweiten Interferometers bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferogramme des Fizeau-Interferometers durch eine Phasenmessung eines zweiten Interferometers gesteuert (getriggert) werden.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich Referenzfläche und zu untersuchende Oberfläche in ein und demselben Gefäß unter Vakuum oder Ultrahochvakuum befinden.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich Referenzfläche und zu untersuchende Oberfläche in ein und demselben Gefäß in einer Flüssigkeit befinden.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich Referenzfläche und zu untersuchende Oberfläche in ein und demselben Gefäß befinden, das mit einem Gas gefüllt ist.