DE102004008750B4 - Verfahren zur Qualitätskontrolle der optischen Eigenschaften eines optischen Materials mittels Bestimmung der Brechwerte - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Kontrolle der optischen Eigenschaften eines Materials für optische Anwendungen durch Bestimmung der Brechwerte, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Materialproben und mindestens eine Vergleichsprobe miteinander fest verbunden und deren optische Flächen gleichzeitig bearbeitet werden, wobei an mindestens einer Materialprobe die Brechwertdifferenz relativ zur Vergleichsprobe bestimmt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätskontrolle der optischen Eigenschaften eines optischen Materials mittels Bestimmung der Brechwerte.
• Für optische Systeme, wie Objektive, müssen die einzelnen hierzu verwendeten optischen Elemente, wie Linsen etc. so fein als möglich aufeinander abgestimmt werden um eine optimale Abbildungsqualität zu erzielen. Zur Herstellung von optischen Elementen ist es daher notwendig die Brechzahl bzw. den Brechungsindex des jeweils verwendeten Materials möglichst exakt zu bestimmen. Dabei darf der Brechungsindex unabhängig von der jeweiligen Materialcharge eine Toleranzgrenze nicht überschreiten.
• Zwar ist die Konstanz der Brechzahl, sowie die Homogenität von Kristallen üblicherweise besser als bei anderen optischen Materialien, bei der Verwendung von Linsen aus kristallinem Material, die beispielsweise in der Mikrolithographie verwendet werden, ist es schwierig einen Kristall mit einem genau definierten Brechungsindex zu züchten, der über den gesamten Kristall hinweg homogen ist. Schon minimale Störungen in der Kristallstruktur, wie z.B. die Einlagerung von Fremdatomen oder andere Kristallstörstellen, führen zu einer Änderung des Brechungsindex. Zwar ist es möglich die Absolutbrechzahlen bzw. -indices zu bestimmen, jedoch ist dies üblicherweise nur bis auf ca. fünf Dezimalstellen nach dem Komma unter großem expe rimentellen Aufwand exakt möglich. Zur Anwendung für Linsensysteme, insbesonders in der Mikrolithographie, ist es zur Herstellung von Optiken jedoch notwendig die Brechungsindices um einen Faktor 10² bis 10³ genauer zu bestimmen.
• Darüber hinaus sind derartige Brechzahl-Messungen sehr zeitaufwendig, weil vorher die Messvorrichtung von Umweltparametern wie Luftdruck, Medium im Strahlengang (N₂, Vakuum, etc.) Temperaturen, usw. abhängig ist und daher für jede Messung sehr genau kalibriert werden muss.
• Aus der US 2002/0191193 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der dreidimensionalen Brechungsindexverteilung bekannt. Dabei werden in einem komplizierten Verfahren eine Mehrzahl von optischen Elementen unter Verwendung eines dreidimensionalen Brechungsgradientenindex darauf getestet, ob sie für ein bestimmtes Design von optischen Systemen zuvor festgelegte notwendige Erfordernisse erfüllen.
• Die Erfindung hat daher zum Ziel ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Qualität von Materialien für optische Zwecke genau kontrolliert und ihre Eignung für die Verwendung in optischen Systemen auf einfache Weise rasch und kostengünstig bestimmt werden kann.
• Die Erfindung hat auch zum Ziel ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung von optischen Systemen bereitzustellen.
• Dieses Ziel wird durch das in den Ansprüchen definierte Verfahren erreicht.
• Es wurde nämlich erfindungsgemäß gefunden, dass sich das obige Ziel auf einfache Weise dadurch erreichen läßt, indem anstatt die absoluten Brechwerte des jeweils verwendeten Ma terials direkt zu bestimmen, die Differenz bzw. die Abweichung der Brechwerte einzelner Materialproben gegenüber einer Vergleichsprobe bestimmt wird. Es hat sich nämlich gezeigt, dass es anhand einer derartigen Messung möglich ist, Brechzahlen mit einer Messgenauigkeit auch noch in Größenordnungen von 10^–8 schnell und auf einfache Weise sehr genau zu bestimmen, wenn dies gleichzeitig und relativ zu einer Vergleichsprobe erfolgt.
• Erfindungsgemäß wird daher derart vorgegangen, dass in einer geeigneten Vorrichtung an einer Standardvergleichsprobe und mindestens einer zu untersuchenden Materialprobe der Unterschied der Brechzahlen, d.h. die Brechwertdifferenz, zwischen beiden Proben bestimmt wird. Aufgrund der Brechzahldifferenz der einzelnen Proben ist es dann möglich geeignete Materialchargen für ein optisches Element bzw. eine optische Anordnung oder Vorrichtung auszuwählen. Dabei ist es bevorzugt möglichst solche optischen Elemente auszuwählen, deren Brechwertdifferenz möglichst gering ist.
• Eine geeignete Vorrichtung hierzu ist beispielsweise ein Interferometer, insbesonders ein Michelson-Interferometer oder moderne Zweistrahlinterferometer, wie Fizeau-Interferometer, Twynan-Interferometer oder Mach-Interferometer, wobei das Fizeau-Interferometer bevorzugt ist. Dabei wird der Effekt ausgenützt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischer Strahlung in Festkörpern geringer ist als in Vakuum. Wird nun die gleiche elektromagnetische Strahlung einmal durch einen körperfreien Raum (vorzugsweise Vakuum oder ggf. auch Luft) geleitet und parallel hierzu durch eine Festkörperprobe, so treffen beide zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf einen Schirm, da dieser Strahl in der Festkörperprobe langsamer vorankommt.
• Bei einer elektromagnetischen Strahlung kommt es wegen ihrer Wellennatur zu Überlagerungen, die zu einer Verstärkung bzw. Auslöschung der Strahlung führen. Diese Erscheinung wird auch als Interferenz bezeichnet. Treffen nun zwei gleiche Strahlen, von denen einer durch eine Probe geleitet wurde, auf einen Beobachtungsschirm, so werden durch diese Verzögerung Laufzeitunterschiede und damit Interferenzen erzeugt. Durch die Anzahl der negativen und positiven Interferenzen, d.h. Ver stärkung oder Auslöschung von Wellen, läßt sich die Verzögerung, d.h. die Laufzeitdifferenz eines Lichtstrahls gegenüber dem ungebremsten Lichtstrahl, ermitteln und daraus wiederum die Änderung der Lichtgeschwindigkeit im Festkörper und somit auch die Brechzahlunterschiede. Werden nun zwei verschiedene Festkörper auf diese Weise mittels der gleichen elektromagnetischen Welle bestimmt, so lassen sich anhand der Interferenz sogar geringste Laufzeitunterschiede bzw. Änderungen der Lichtgeschwindigkeit zwischen diesen beiden Medien anhand nur weniger Wellenberge und Wellentäler ermitteln.
• In einem besonders bevorzugten Verfahren wird eine Anordnung verwendet, wie sie beispielsweise in der DE-A-41 24 223 beschrieben ist. Dabei wird ein zeitlich und räumlich kohärenter Lichtstrahl, vorzugsweise eines Lasers, über ein Teleskop aufgeweitet. Hinter dem Teleskop befindet sich ein Strahlenteiler, hinter dem wiederum eine Fizeauplatte angeordnet ist. Des weiteren ist zwischen Strahlenteiler und Fizeauplatte ein Kollimator angeordnet, der den aufgeweiteten Lichtstrahl wieder parallelisiert. Hinter der Fizeaufläche befindet sich ein Autokollimatorspiegel, der die jeweiligen Lichtstrahlen reflektiert und über den Kollimator auf den Strahlenteiler zurückwirft, wobei die Strahlen dann vorzugsweise auf eine Beobachtungsfläche geleitet werden, die zweckmäßigerweise eine CCD-Kamera ist. Zwischen Fizeaufläche und Autokollimatorspiegel befindet sich ein Messraum, worin die jeweils zu bestimmende Probe in den Strahlengang eingebracht wird. Die sich dabei durch den Durchlauf des Lichtes durch Probe bzw. Vergleich ergebenden Änderungen der Wellenfronten können dann ohne weiteres mittels einer an die CCD-Kamera angeschlossenen Auswerteeinheit bestimmt werden.
• In einer bevorzugten Ausführung wird die sogenannte „Schwider-Methode" durchgeführt wird. Prinzipiell wird dabei so vorge gangen, dass durch eine Anschrägung der Probenoberfläche störende Reflexionen an den Oberflächen aus dem Messtrahlengang entfernt werden.
• Zum Ausgleich minimaler Längenunterschiede haben sich die Ölplattenmethode und die Schwidermethode als vorteilhaft erwiesen. Bei der Ölplattenmethode wird ein Öl, beispielsweise ein Immersionsöl gemischt und an den Brechungsindex der zu prüfenden Testprobe angepasst. Durch ein Auftragen dieses Öls, vorzugsweise zwischen messlichtdurchlässigen Abdeckplatten und den beiden Probenfronten können somit Fehler bzw. Unebenheiten ausgeglichen werden, die beim Polieren der Prüflinge nicht behoben wurden.
• Bei der Schwidermethode werden die Prüflinge poliert und an einem leicht geneigten Keil Aufnahmen von vier Einzelmessungen durchgeführt. Auch auf diese Weise können Fehler bei der Oberfläche des Prüflings separat erfasst werden.
• Bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergibt sich die Brechzahländerung als Quotient der HIF-Wellenfrontdifferenz geteilt durch die durchstrahlte Länge bzw. Dicke der Probe (HIF = Homogenitätsinterferometer)

  
• Eine bevorzugte elektromagnetische Welle ist Laserlicht.
• Erfindungsgemäß wird vorzugsweise derart vorgegangen, dass die Brechzahldifferenz für verschiedene Wellenlängen, vorzugsweise mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen, insbesonders mindestens drei Wellenlängen durchgeführt wird. Bevorzugte Wellenlängen sind solche, die auch in der späteren Optik verwendet werden. Hierzu sind insbesonders Lampen und Laser mit Wellenlängen von 157, 196, 248, 253, 632,8 und 870 nm bevorzugt.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden insbesonders Materialproben der gleichen Länge verwendet.
• Vorzugsweise beträgt die Probenlänge mindestens 10 mm, wobei Probenlängen von 30-150 mm, und insbesonders 40-100 mm bevorzugt sind. Dabei ist die Probenlänge insbesonders recht homogen, d. h. die Länge sämtlicher gemessener Proben sollte relativ zueinander möglichst genau gleich sein, d. h. vorzugsweise nicht mehr als 10 A ., vorzugsweise weniger als 5 A . und insbesonders weniger als 3 A . voneinander abweichen. Dabei hat es sich als insbesonders zweckmäßig erwiesen, dass etwaige Längenunterschiede von Vergleichs- oder Messproben wesentlich kleiner als die Messwellenlänge sind.
• Die Vergleichs- bzw. Material- oder. Messproben sind insbesonders als gleich lange Stangen ausgebildet, die vorzugsweise polygonal, insbesonders sechs- oder viereckig sind. In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform wird aus den Stangen der Vergleichs- und Material- bzw. Messproben ein Block oder ein Bündel gebildet. Dieses Bündel wird dann an den beiden Stirnflächen, (d.h. den Flächen, auf die der Lichtstrahl auftritt bzw. austritt) entsprechend plan poliert, wodurch die geforderte Längengleichheit erreicht wird. Abweichungen von der Längengleichheit lassen sich ebenfalls mit an sich bekannten interferometrischen Anordnungen mittels der notwendigen Planarität der beiden Frontflächen bestimmen. Vorzugsweise werden dabei mehr oder weniger quadratische Bündel mit einer Kante aus 3, 4 oder 5 Stangen gebildet, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform eine Vergleichsprobe in der Mitte und/oder Vergleichsproben an den Würfelkanten angeordnet sind. Zur Ausbildung des Blockes oder Bündels werden die jeweiligen Probenstangen lösbar miteinander verbunden, was beispielsweise mittels einer äußeren, festen Klammer oder auch mittels eines Leimes oder Kittes erfolgen kann.
• In einer bevorzugten Ausführungsform sollten die Längenunterschiede bezüglich der absoluten Länge der ganzen Proben kleiner als 10 μm sein, wobei hier Oberflächenfehler mittels einer sog. Passe ausgeglichen werden können. Entsprechende Ausgleiche können ggf. auch mittels einer Immersionsölmischung erfolgen.
• Prinzipiell sollte jedoch die Block- oder Bündelbildung derart sein, dass bei der Messung die Verbindungs- oder Kittspalten der einzelnen Stangen in der HIF-Auflösung nicht sichtbar sind. Dies bedeutet, dass sie nicht größer als ein Pixel der Auflösung, d. h. bei üblichen Kameras im Transmissionsinterferogramm kleiner 0,3 mm sein sollten. Die Abschattungen, Kitt-, Helligkeitspunkte bzw. Linien pro Kittfläche sollen daher kleiner als 0,3 mm betragen.
• Im erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise darauf geachtet, dass die Temperatur im Prüf- oder Messraum selbst konstant ist. Dabei sollten Temperaturunterschiede vorzugsweise kleiner 5·10^–2°C, insbesonders kleiner 10^–2°C, wobei kleiner 0,5·10^–2°C besonders bevorzugt ist.
• Des weiteren ist es erfindungsgemäß bevorzugt, die Stirnflächen der Probe leicht keilförmig auszugestalten, um so eine Rauschen erhöhende Lichtstreuung auszublenden. Dabei sollte die aus den prinzipiell parallelen, jedoch leicht zueinander geneigten Keiligkeit der front- und rückseitigen Flächen des Probenblocks bzw. Probenbündels wesentlich kleiner als 0,3 mm betragen.
• Durch die Blockbildung ist es möglich, die Bestimmung mehrerer Proben gleichzeitig durchzuführen.
• Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.
• Dabei wird derart vorgegangen, dass ein ursprünglich paralleler Laserstrahl ausgeweitet wird auf eine Fläche von ca. 30 cm und dann mittels eines Kollimators in paralleles Licht überführt wird. Dieses Licht wird dann an einer teils reflektierenden und teils durchlässigen sogenannten FIZEAU-Fläche reflektiert und über den Kollimator und den Strahlenteiler an eine CCD-Kamera geleitet, wobei eine elektronische Auswertung in einer Auswerteeinheit stattfindet. Der an der FIZEAU-Fläche nicht reflektierte Strahl wird weiter über einen Messraum bzw. durch die zu analysierende Probe zum Autokollimatorspiegel geleitet und dort reflektiert. Aufgrund der Überlagerung beider Wellen läßt sich dann der Laufzeitunterschied bestimmen. Wird nun in den Probenraum eine Probe eingelegt, dann findet die an sich bekannte Wellenfrontverzögerung statt. Wichtig ist hierbei, dass die FIZEAU-Fläche leicht geneigt ist (ca. 4°).
• Generell wird die Messung derart durchgeführt, dass zuerst eine Leermessung in dem FIZEAU-Interferometer erfolgt. Diese Leermessung wird in der Auswerteeinheit entsprechend abgespeichert. Darauf folgen zwei Probenmessungen, bei denen jeweils der Autokollimatorspiegel weggekippt ist, so dass keine rückseitige Reflexion erfolgt und es wird nur die Reflexion an der Oberfläche des Schwiederkeils bestimmt. Dabei wird so vorgegangen, dass einmal die vordere und bei der zweiten Messung die hintere Oberfläche bzw. Frontfläche senkrecht zum Strahlenverlauf justiert wird. Auf diese Weise können Oberflächeneffekte bestimmt und berücksichtigt werden. Schließlich wird dann der Prüfling mit Autokollimatorspiegel vermessen.
• Aus diesen 4 Messungen läßt sich dann mittels an sich bekannter Auswertungselektroniken und Software die entsprechende Wellenfrontverschiebung messen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Kontrolle der optischen Eigenschaften eines Materials für optische Anwendungen durch Bestimmung der Brechwerte, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Materialproben und mindestens eine Vergleichsprobe miteinander fest verbunden und deren optische Flächen gleichzeitig bearbeitet werden, wobei an mindestens einer Materialprobe die Brechwertdifferenz relativ zur Vergleichsprobe bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsprobe aus dem gleichen Material wie die Materialproben besteht.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechwertdifferenz mittels eines Interferometers bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechwertdifferenzen mehrerer Materialproben gleichzeitig bestimmt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechwertdifferenz bei mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Vergleichsprobe und Materialproben die gleiche Probenlänge aufweisen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenlänge mindestens 10 mm beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Flächen mittels eines Immersionsöls behandelt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Einkristall ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Material in einem optischen System, insbesonders zur Anwendung in der UV-Lithographie, verwendet wird.