DE102004013521B4

DE102004013521B4 - Vorrichtung zum Messen eines Profils und kleinster Verschiebungen

Info

Publication number: DE102004013521B4
Application number: DE102004013521A
Authority: DE
Inventors: Zhi Dr. Li; Konrad Dr. Herrmann
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2024-03-20
Also published as: DE102004013521A1

Abstract

Vorrichtung zum Messen eines stark gekrümmten Profils und kleinster Verschiebungen eines Obkjekts (10), die mit einer berührungslosen Sonde mit gemeinsamem Strahlkorridor kombiniert ist und ein konfokales Abbildungssystem enthält,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) zwischen ein Mikroskopobjektiv (8) und das zu messende Objekt (10) ein Strahlteiler (9) gestellt wird und
b) der Mess- und der Referenzstrahl der als Interferometer ausgebildeten Sonde das Mikroskopobjektiv passieren, wobei der Messstrahl den Brennpunkt auf der Oberfläche des zu messenden Objekts (10) bildet und der Referenzstrahl am Strahlteiler (9) reflektiert wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen von Profilen, Rauheiten und Verschiebungen.

Optische Interferometer werden vielfach als rückführbares Normal eingesetzt, um Verschiebungen/Längen, Schwingungen, Winkel usw. zu messen und insbesondere verschiedene Arten von Verschiebungsmesssystemen in unterschiedlichen Geräten zu kalibrieren. Ein typisches Beispiel ist die Nutzung eines Laserinterferometers zur Kalibrierung eines kapazitiven Sensors in einem Nanoindentation-Gerät [1].

Jedoch besteht einer der Nachteile eines Interferometers mit einer herkömmlichen Konfiguration darin, dass man den Messspiegel mit dem zu prüfenden sich bewegenden Körper bzw. Element verbinden muss, was in vielen Fällen nicht akzeptabel oder unbequem ist. Deshalb wurde das sogenannte „Interferometer mit berührungsloser Sonde" vorgeschlagen, das üblicherweise ein Mikroskopobjektiv benutzt, um den Messstrahl auf der Oberfläche des zu prüfenden Objekts zu fokussieren [2].

Um hierbei die Messunsicherheit zu verringern, müssen folgende Anforderungen erfüllt werden:

1. Messabweichungen aufgrund von Luftturbulenzen sowie Schwingungen zwischen Interferometer und Objekt müssen vermieden werden,
2. Schwingungen des Objekts müssen auf den Bereich um den Brennpunkt des Mikroskopobjektivs beschränkt sein und die berührungslose Sonde muss gut auf das Objekt fokussiert sein,
3. die Messabweichung aufgrund von Fluchtungsabweichungen zwischen der berührungslosen Sonde und dem Objekt, insbesondere die so genannte Kosinusabweichung, muss kompensiert oder korrigiert werden,
4. im Falle eines sich bewegenden Körpers, der eine große Krümmung im Querschnitt (d. h. einen kleinen Krümmungsradius) aufweist, muss der Einfluss der Topografie des sich bewegenden Körpers auf die Messergebnisse reduziert werden.

Diese Auflistung verdeutlicht, dass der Betrieb bekannter Interferometer mit berührungsloser Sonde mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.

Deshalb wurden verschiedene Verbesserungen erarbeitet. Beispielsweise wurde eine Konfiguration mit gemeinsamem Strahlkorridor für einen berührungslosen Profiler, bei dem in das Mikroskopobjektiv ein Loch gebohrt wurde, damit der Referenzstrahl direkt auf die zu prüfende Oberfläche gelangt, vorgeschlagen [3]. Offensichtlich lässt sich dieser Aufbau nicht bei einem Objektiv mit hoher numerischer Apertur realisieren, das jedoch notwendig ist, um eine brauchbare laterale Auflösung des Messsystems zu erzielen.

Weiter wurde eine Konfiguration mit gemeinsamem Strahlkorridor entwickelt, die sich für Rauheitsmessungen einsetzen ließ, da die zu prüfende Oberfläche selbst als Referenzspiegel wirken kann [4]. Allerdings ist dieser Aufbau nicht für Verschiebungsmessungen einsetzbar. Außerdem versagt die Referenz, wenn die Oberflächentopographie eine große Krümmung im Querschnitt aufweist.

Schließlich wurde versucht, eine Lichtquelle mit niedriger Kohärenz oder eine Vielzahl von Lichtquellen mit verschiedenen Wellenlängen in die grundlegende Konfiguration einer berührungslosen Sonde einzuführen [5]. Allerdings ist diese Erfindung nicht brauchbar, wenn die Oberflächenrauheit des abzutastenden Objekts klein ist.

Zudem ist aus dem Patent GB 2224367 A [6] eine Verbesserung der Interferenzmikroskopie nach Mireau bekannt. Dieser interferentielle Oberflächenprofiler eignet sich zur relativen Profilmessung. Das Objektiv, der Strahlteiler und die Referenzlinsen bilden hier zusammen das Mireau-Interferometer, wobei sich diese Elemente allerdings nicht gegeneinander bewegen dürfen, damit die empfindliche Fokusposition des Referenzstrahls auf der Referenzlinse erhalten bleibt. Diese Erfindung kann daher nicht angewendet werden, um die Verschiebung eines Objekts zu messen. Außerdem sind Formmessungen nur im Vergleich zur speziellen Form der Referenzlinsen möglich.

Weiter stellt das Patent WO 91/05218 [7] grundsätzlich ein verbessertes Verfahren der Korrelationsmikroskopie dar, die auf dem Prinzip des Mireau-Interferometers beruht. Der hierbei benutzte Referenzspiegel und der Pellicle-Strahlenteiler sind jedoch fest an das Objektiv gebunden. Die Bewegungsfehler des x-y-Scantisches können mit der dort offenbarten Vorrichtung nicht kompensiert werden.

Schließlich ist aus dem Patent WO 2004/023071 [8] eine Art Ellipsometrie bekannt. Dieses Verfahren wird vor allem benutzt, um die Winkelabhängigkeit der optischen Eigenschaft eines Prüfgegenstands zu bestimmen. Die Lösung beruht auf der Interferenz zwischen dem Mess- und dem Referenzstrahl, wenn die optische Weglängendifferenz für jeden der Winkel variiert wird. Die Form- und Verschiebungsmessung lässt sich mit diesem Verfahren jedoch nicht verwirklichen.

Die Erfindung hat daher das Ziel, eine Vorrichtung zum Abtasten von Profilen beliebiger Krümmungen, von Rauheiten und zum berührungslosen Messen kleinster Verschiebungen mit subnanometrischer Genauigkeit zu entwickeln, bei der das zu messende Objekt ohne Zwischenschaltung eines mit diesem Objekt gekoppelten Reflexionsspiegels direkt optisch angetastet wird. Dabei sollen die Nachteile der bislang bekannten Interferometer mit berührungsloser Sonde vermieden werden.

Lösung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass

1. zwischen ein Mikroskopobjektiv und das zu messende Objekt ein Strahlteiler mit geeigneten Beschichtungen gestellt wird und
2. der Mess- und der Referenzstrahl des Interferometers ein Mikroskopobjektiv passieren, wobei der Messstrahl auf die Oberfläche des zu messenden Objekts fokussiert und der Referenzstrahl am Strahlteiler reflektiert wird.

Beschreibung der Erfindung

Um genaue Messungen kleinster Verschiebungen eines sich bewegenden Körpers mit großer Krümmung durchzuführen, wurde ein gemeinsamer Strahlkorridor in die grundlegende Konfigu ration eines Interferometers mit berührungsloser optischer Sonde eingeführt. Zu diesem Zweck wurde ein konfokaler Aufbau genutzt, um die Messsonde auf dem sich bewegenden Körper zu fokussieren. Zudem wurde die berührungslose Differentialsonde mit gemeinsamem Strahlkorridor dazu benutzt, um die Verschiebung des sich bewegenden Körpers zu überwachen. Dieses Vorgehen ermöglicht es, die Topografie des sich bewegenden Körpers mit diesem Verfahren als Bild zu erfassen, wenn ein linearer x-y-Verschiebetisch eingesetzt wird. Schließlich können die Messabweichungen aufgrund von Fluchtungsabweichungen zwischen dem Interferometer und dem sich bewegenden Körper durch die Analyse der gemessenen Topografie leicht korrigiert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden ausführlicher mit Bezug auf ein Realisierungsbeispiel, das im Bild 1 gezeigt ist, beschrieben.
Der vom Laser kommende Lichtstrahl 11 trifft über einen nicht polarisierenden Strahlteiler 2 auf einen polarisierenden Strahlteiler 3, wo er in den Messstrahl A und den Referenzstrahl B aufgeteilt wird. Der Messstrahl wird über einen ebenen Spiegel 4 und einen polarisierenden Strahlteiler 5 auf ein Mikroskopobjektiv 8 gerichtet und auf der Oberfläche des zu messenden Objekts 10 fokussiert. Dies erlaubt es, die Verschiebung des Objekts oder der Topografie der Objektoberfläche zu überwachen. Der Referenzstrahl B wird über den ebenen Spiegel 6 und eine Linse 7 auf den vorzugsweise polarisierenden Strahlteiler 5 und das Mikroskopobjektiv 8 gerichtet. Hierbei wird der Durchmesser des Referenzstrahls variiert, weil die Linse 7 und das Objektiv 8 als Strahlaufweitungssystem angeordnet sind. Der Referenz- und der Messstrahl kehren anschließend entlang desselben optischen Weges zum polarisierenden Strahlteiler 3 zurück, wo sie sich vereinigen und miteinander interferieren. Das Interferenzlicht passiert weiter den Strahlteiler 2 und erreicht den Strahlteiler 1. Ein Teil des Interferenzlichts wird dann zum Empfänger des Interferometers wei tergegeben, während der andere Teil auf einen Polarisator 13 gerichtet wird, der den Messstrahl vom Interferenzlicht trennt. Danach gelangt das Interferenzlicht zu einem konfokalen Detektionssensor, der aus einem Mikroskopobjektiv 14, einem Pinhole 15 und einem optischen Detektor 16 besteht. Als optischer Detektor können Fotodioden, Lawinen-Fotodioden, Fotovervielfacherröhren, CCD-Elemente oder fluoreszierende Schirme verwendet werden.
Das optische Element 9, das stets eine Strahlteilerschicht besitzt, wird als optische Platte, Polarisationsplatte, freistehende dünne Folie oder dünne Schicht ausgeführt, die auf dem Mikroskopobjektiv 8 und/oder der Oberfläche des zu prüfenden Objekts 10 angeordnet wird. Dabei sind folgende unterschiedliche Aufbauten des Strahlteilers vorteilhaft:

1. Der Strahlteiler 9 wird durch Federn 17 mit einer geeigneten Federkonstante unterstützt, um die notwendige anfängliche Kontaktkraft zu liefern, die insbesondere bei bestimmten Indentations-Geräten erforderlich ist, bei denen ein Eindringversuch in Luft nicht durchgeführt werden kann (siehe Bild 2).
2. Der Strahlteiler 9 wird als Polarisationsplatte ausgebildet, wenn die Oberfläche des Objekts flach ist (siehe Bild 3). Die Polarisationsrichtung des Strahlteilers 9 muss dabei so beschaffen sein, dass nur der Messstrahl passieren kann.
3. Der Strahlteiler 9 kann auch als freistehende Folie oder dünne Schicht ausgeführt sein, die auf das Mikroskopobjektiv und/oder auf die Oberfläche des zu prüfenden Objekts 10 aufgetragen ist. Ein Beispiel ist in Bild 4 gezeigt, wo der Strahlteiler 9 als dünne Schicht auf der Objektoberfläche ausgeführt ist, auf der eine polarisierende und eine strahlenteilende Schicht 20 nacheinander aufgetragen wurden.

Das konfokale Signal vom optischen Detektor 16 wird dazu benutzt, um zu bestimmen, ob der Messstrahl gut auf der Oberfläche des Objekts fokussiert ist. Dann wird die Topografie der Objektoberfläche gescannt, um den höchsten Punkt der Oberfläche zu finden, wenn das beste Signal-/Rausch-Verhältnis erzielt werden soll.
Anstelle der Topografiemessung mit der konventionellen konfokalen Technik, deren vertikale Auflösung allgemein im Submikrometer-Bereich liegt, kann die berührungslose Sonde mit gemeinsamem Strahlkorridor benutzt werden, um die Objekttopografie abzubilden, mit der leicht eine subnanometrische Auflösung in der z-Achse erzielt werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der eine Verschiebungs- oder eine Topografiemessung realisiert wird, kann das konfokale Signal als Feedback-Signal benutzt werden, um den Abstand zwischen dem Mikroskopobjektiv und dem zu messenden Objekt zu justieren. Als eine Alternative kann auch das Interferenzsignal für diese Justierung benutzt werden, mit der ein optimales Interferenzsignal erzielt wird.
Für das Interferometer in der erfindungsgemäßen Vorrichtung können verschiedene Lichtquellen eingesetzt werden, einschließlich Einfrequenz-Laser (Homodyn-Laser), Zweifrequenz-Laser (Heterodyn-Laser) oder Halbleiterlaser. Dabei ist lediglich zu beachten, dass der Interferometer-Empfänger entsprechend justiert wird und der Polarisator vor dem konfokalen Detektor gegen einen Wellenlängen-Selektor ausgetauscht wird. Auf diese Weise wird der richtige Teil des Messstrahls vom Interferenzstrahl getrennt.
Das durch den Strahlteiler 2 durchgetretene Licht kann dazu benutzt werden, um Messfehler, wie die Lichtintensitätsdrift, Phasendrift und/oder Schwingungen zu kompensieren. Die Lichtintensitätsdrift muss insbesondere bei einer Konfiguration mit einem Homodyn-Interferometer und die Phasendrift und/oder Schwingungen insbesondere bei einer Konfiguration mit einem Heterodyn-Interferometer überwacht werden.
Außerdem kann das Referenzsignal bei einer Heterodyn-Konfiguration und einem nicht polarisierenden Strahlteiler 5 durch die Interferenz zwischen dem reflektierten Anteil vom Messstrahl A und dem durchgetretenen Anteil des Referenzstrahls B gebildet werden.
Die Erfindung eignet sich zum Messen kleinster Verschiebungen und zum Abtasten von Profilen und Rauheiten mit einer Auflösung und Genauigkeit in subnanometrischer Größenordnung, insbesondere zum Kalibrieren eines Tiefen- und Kraftmesssystems in einem Indentation-Messgerät, zum Scannen des verbleibenden Eindrucks nach einem Eindringversuch, zum Kalibrieren von Stufenhöhen-Verkörperungen und für Rauheitsmessungen.
Zitierte Literatur

[1] K. Herrmann, Z. Li, F. Pohlenz: Development of a calibration device for the depth measuring system in a nanoindentation instrument, Proc. 47. International Scientific Colloquium Technical University Ilmenau, (2002), 516–517
[2] D. R. Parker: Distance-measuring interferometry, 3rd Ann. Precision Engineering Conf., Atlanta, Georgia, Oct. 1988
[3] M. J. Offside, M. G. Somekh, C. W. See: Common path scanning heterodyne optical profilometer for absolute phase measurement, Appl. Phys. Lett. (1989) 55, 2051–2053
[4] H. Zhao, R. Liang, D. Li, M. Cao: Practical common-path heterodyne surface profiling interferometer with automatic focusing, Optics & Laser Technology (2001) 33, 259–2
[5] S. Kato: Interferometer and position measuring device, US Patent 2003/0081222 A1

1: Strahlteiler
2: Strahlteiler
3: Polarisierender Strahlteiler
4: Spiegel
5: Strahlteiler
6: Spiegel
7: Linse
8: Mikroskopobjektiv
9: Polarisierender Strahlteiler
10: Zu messendes Objekt
11: Einfallender Laserstrahl
12: Zum Interferometerempfänger
13: Polarisator
14: Mikroskopobjektiv
15: Pinhole
16: Optischer Detektor
17: Feder
18: Antireflexionsschicht
19: Strahlteilerschicht
20: Strahlteiler- und Polarisationsschicht
A: Messstrahl
B: Referenzstrahl

Claims

Vorrichtung zum Messen eines stark gekrümmten Profils und kleinster Verschiebungen eines Obkjekts (10), die mit einer berührungslosen Sonde mit gemeinsamem Strahlkorridor kombiniert ist und ein konfokales Abbildungssystem enthält, dadurch gekennzeichnet, dass a) zwischen ein Mikroskopobjektiv (8) und das zu messende Objekt (10) ein Strahlteiler (9) gestellt wird und b) der Mess- und der Referenzstrahl der als Interferometer ausgebildeten Sonde das Mikroskopobjektiv passieren, wobei der Messstrahl den Brennpunkt auf der Oberfläche des zu messenden Objekts (10) bildet und der Referenzstrahl am Strahlteiler (9) reflektiert wird.
Vorrichtung entsprechend Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Referenzstrahl ein Strahlaufweitungssystem passiert, das aus einer oder mehreren Linsen und dem Mikroskopobjektiv besteht, so dass der Durchmesser des Referenzstrahls an die Ausgangspupille des oben genannten Mikroskopobjektivs angepasst wird, b) ein Teil des reflektierten Messstrahls zu einem konfokalen Empfänger geschickt wird, der die Information über die Fokusposition des Messstrahls interpretiert und c) der Interferenzstrahl, der aus dem reflektierten Mess- und Referenzstrahl besteht, zu einem Interferometerempfänger eines geeigneten Typs geschickt wird und dadurch die relative optische Wegänderung zwischen dem Referenz- und dem Messstrahl analysiert wird.
Vorrichtung entsprechend Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler 9 als optische Platte mit geeigneter Beschichtung, freistehender Folie oder dünner Schicht die auf das Mikroskopobjektiv und/oder auf die Oberfläche des zu prüfenden Objekts aufgetragen sind, ausgebildet ist.
Vorrichtung entsprechend Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler 9 dazu benutzt wird, um eine erforderliche anfängliche Kontaktkraft für das zu prüfende Objekt durch Verwendung geeigneter mechanischer Komponenten zu erzeugen.
Vorrichtung entsprechend einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler 9 den Referenzstrahl im Interferenzlicht reflektiert und verhindert wird, dass der durchgelassene einfallende Referenzstrahl in das Interferenzlicht zurückfällt.
Vorrichtung entsprechend Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konfokale Detektor dazu benutzt wird, um die Brennpunktlage des Messstrahls zu bestimmen, während die Verschiebung und/oder das Profil des Objekts mit der berührungslosen Sonde mit gemeinsamem Strahlkorridor gemessen werden.
Vorrichtung entsprechend einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler 9 bei der Messung einer wenig gekrümmten Topografie weggelassen werden kann.