DE102007056200A1 - Polarizations Inferferometer zur optischen Prüfung - Google Patents

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Abstract

Diffraktive Optiken (DOE) können als Strahlteiler in Interferometern eingesetzt werden. Typischerweise werden sogenannte Ronchi-Phasengitter als besonders geeignet eingesetzt. In Fizeau-Interferometern kann ein DOE zur Strahlteilung zusammen mit speziellen Polarisationselementen eingesetzt werden, die folgende Anwendung erlauben: In interferometrischen Testaufbauten zur Oberflächenvermessung (z. B. plan oder sphärisch) werden typischerweise sogenannte Fizeau-Anordnungen eingesetzt, da diese besonders einfach und stabil sind, jedoch ist in diesen Fizeau-Interferometern eine wesentliche Einschränkung, dass die Balance der Intensitäten in den beiden Interferometerarmen nicht eingestellt werden kann. Dadurch können hochreflektierende Flächen nicht vermessen werden. Zusätzlich können dünnen, hochreflektierenden Si-Wafern bei der Prüfung leicht mechanische Vibrationen aufgeprägt werden, die die auf Grund der Genauigkeit ausgewählten Interferometer-Systeme mit Phasenschiebeverfahren stören. Bei Phasenverschiebeverfahren ist hier ein Schieben der Referenzfläche oder der Prüflingsfläche nötig, so dass für eine oft gewünschte sehr schnelle Auswertung mechanische Probleme wie Verformung der beteiligten Optiken durch die schnelle Bewegung unvermeidbar sind. Im gemeinen Fizeau-Interferometer befinden sich keine weiteren Optiken mehr zwischen den beiden Flächen (Referenzfläche und Prüflingsfläche), die in Reflexion geprüft werden. Daher ist das Verfahren extrem stabil und weit ...

Description

  • Zweck der Erfindung
  • Zweck der Erfindung ist die Erweiterung des Fizeau-Konzepts dahingehend, dass eine Balance der interferierenden Teilamplituden ermöglicht wird, um mit möglichst optimalem Kontrast messen zu können, und dass auch eine Flexibilisierung der Phasen-Schiebe Methode erreicht wird, um mit möglichst kurzen Messzeiten die Umweltstörungen in Form von Vibrationen und Driften auf die Messung auszuschalten bzw. in ihrem Einfluss zu minimieren.
  • Ziel der Erfindung
  • Hier wird daher eine Fizeau-Lösung angestrebt, die (1) eine Intensitätsbalance ermöglichen soll, so dass auch hoch reflektierende Flächen (Beispiel: Si-wafer) mit gutem Kontrast und daher hoher Genauigkeit vermessen werden können, die (2) eine reine Zweistrahlinterferometrie frei von Störungen durch Dreistrahlinterferenzen ermöglichen soll und (3) als Alternative zu einer Spiegelverschiebung für Phase-shift Auswertungen eine andere Phasenschiebemethode benutzt werden soll. Das Letztere ist vor allem wichtig, wenn beispielsweise eine große Fläche bewegt werden müsste.
  • Solche alternative Phasenschiebemethoden eröffnen zudem noch die Möglichkeit, die Messung in sehr kurzer Zeit mit einer Hochgeschwindigkeitskamera durchführen zu können. Das würde die Anfälligkeit des Auswerteverfahrens für mechanische Schwingungen deutlich verringern.
  • Stand der Technik
  • Die Flächenprüfung (insbesondere Planflächen und Sphären) in einem Fizeau-Interferometer setzt Zweistrahlinterferenz voraus, da sich heute die Phasen-Schiebe Technik fest etabliert hat. Das setzt aber voraus, dass die Prüflinge unverspiegelt zur Prüfung gelangen. Mithin wird das wichtige Prüffeld verspiegelter oder spiegelnder Flächen von gewöhnlichen Fizeau-Interferometern nicht erfasst.
  • Zur besseren Übersicht soll 1 dienen.
  • Um das näher zu beleuchten, sei ein Fizeau-Interferometer betrachtet, in welchem eine Glas-Referenzfläche 1 mit einer hoch-reflektierenden Fläche 2 gepaart ist.
  • Obwohl die Referenzfläche eine geringe Reflektivität RG von 4% aufweist, entsteht aber zumindest ein weitgehend gleichberechtigter Reflex via Objekt-Referenz-Objekt. Sofern das Objekt ca. 90% reflektiert (Reflektivität 3 Rh), dann ist der zusätzliche Reflex wenigstens 3% stark. Das gilt bei einem normalen Fizeau-Interferometer mit zwei Planflächen, wobei die eine Fläche verspiegelt angenommen sei.
  • Man erkennt deutlich, dass auch der Reflex 5 mit der Amplitude R2 ähnlich stark wie 4 R1 ist. Je nach Justierung ergeben sich mal kontrastreichere Streifen und mal geringer Kontrast. Zur eindeutigen Auswertung wird man mit einer Trägerfrequenz arbeiten müssen, damit der Reflex 5 ausgeblendet werden kann. Auf Seiten des Reflexes 5 R2 ist noch ein schwacher Reflex 6 R3 erkennbar sein, der mit einer relativen Intensität: R3 = R2h R21 beiträgt, also kleiner als 1,6 Promille ist. Trotzdem kann man den Reflex noch sehen und zur Unterscheidung der Reflexe heranziehen.
  • Als eine Konsequenz des Auftretens eines starken parasitären Reflexes mit einem Frequenzoffset, entgegen gesetzt zu dem der für das Messen erforderlichen Referenzwelle, ist eine Scheitern der Phasen-Schiebemethode zu erwarten, da die Dreistrahlinterferenzen nicht mit einem Bewegen eines der Spiegel in ihrer Intensität variieren. Das ist aber die Voraussetzung für das Funktionieren der Auswertungsmethode mit dem Phasen-Schiebe-Verfahren.
  • Bekannt sind daher Verfahren, bei denen Referenz- und Objekt-Strahlengang räumlich getrennt sind, wie etwa beim Twyman-Green Interferometer (Lösung der Fa. FISBA, Interferometer μPhase) bei welchem das Dreistrahlproblem nicht auftritt. Falls ein solches Interferometer mit einer Polarisationsstrahlenteilergruppe arbeitet, ist eine flexible Einstellung der Intensitäten der Teilamplituden ohne weiteres möglich.
  • Wenn man eine Fizeau-Interferometer-Lösung verwendet, sollte von vornherein eine Trägerfrequenz im Interferenzbild verwendet werden, da sich in diesem Fall durch Eingriffe in das Ortsfrequenzspektrum Dreistrahlinterferenz ausschalten und eventuell auch eine Intensitätsanpassung der Teilstrahlengänge durch Polarisationsoptik oder durch andere Attenuationsmassnahmen vornehmen lässt. [Küchel, Zeiss Interferometer] verwendet die Trägerfrequenz im Interferogramm auch zur Echtzeitauswertung, indem die Interferenzen durch Faltung mit einem geraden und ungeraden Kern bezüglich der cos- bzw. sin-proportionalen Anteile erfassen lassen. Zur Datenverarbeitung wird dabei ein spezieller Pipeline Prozessor verwendet. Der Nachteil einer solchen Lösung sind die erhöhten Anforderungen an den Korrektionszustand der Strahlformungsoptik.
  • In einer anderen Lösung wird ein vorgeschaltetes Michelson-Interferometer mit Polarisationsstrahlenteiler zur Erzeugung der orthogonal polarisierten Teilwellen für die Beleuchtung eines Fizeau-Interferometers verwendet. Dabei gehen die Aberrationen aller Teilkomponenten in das Interferogramm störend ein. Zur Strahlvereinigung wird in diesem Fall ein Wollastonprisma verwendet [Millerd]. Die Bereitstellung der phasenverschobenen Bilder geschieht entweder über ein diffraktives Element wie etwa bei [Hettwer], oder aber in verbesserter moderner Version durch ein verschachteltes Polarisationsfeld von Pixelgröße der einzelnen Felder [Fa. 4D-Technology, Produkt FizCam] statt. Dabei werden 4 Pixel mit den 4 Phasen 0,90,180,270° belegt. Dadurch wird eine verzeichnungsfreie Auswertung in Echtzeit möglich wie etwa beim Verfahren des Zeiss-Interferometers. Durch einen gleitenden Algorithmus kann eine minimale Verschmierung der Phasen-Information erreicht werden. Durch diese Gestaltung sind komplexere Auswerteverfahren zunächst ausgeschlossen, was für eine zeitlich sukzessive Datenverarbeitung möglich wäre. Da die mechanischen Störungen von Vibrationen sicherlich eine 1/f-Charakteristik aufweisen und Störfrequenzen f jenseits 50 Hz eher zu vernachlässigen sein dürften, wäre eine schnelle Datenerfassung Phasen-geschobener Bilder ebenfalls als eine Echtzeitlösung aufzufassen, die ebenfalls hohe Immunität gegen Störungen in industrieller Umgebung aufweisen sollte.
  • Erfindungsgemäße Lösung
  • Bei der Pola.-Fizeau-Lösung arbeitet man mit gewichteten Bündeln, d. h. man schickt zwei Bündel 7 und 8 los, die sich in der Intensität stark unterscheiden. Für die interferierenden Teilbündel wird man die Bedingung: RhI1 = RGI2 einhalten. Damit sollte das Dreistrahlproblem eigentlich geringer sein, zumal man ohnehin in der Ortsfrequenzebene filtern muss. Die Frage bleibt aber natürlich bestehen, ob ein weiterer Reflex auftritt, der das Zweistrahlbild verfälscht.
  • In 2 sind die beiden optischen Flächen 1 und 2 zusammen mit den beiden geneigten Strahlen 7 und 8 dargestellt. Die fetten Reflexe 9 und 10 sind die einzigen, die on-axis verlaufen. Damit dürfte klar sein, dass das Pola.-Fizeau auch in dieser Hinsicht gut arbeitet, d. h. dass Zweistrahlinterferenz garantiert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird folgendermaßen vorgegangen:
    Zur besseren Übersicht soll 3 dienen.
  • Um Eingriffe in das Ortsfrequenzspektrum und eine Trennung der Reflexe herrührend von den durchsetzten Oberflächen durchführen zu können, werden die beiden Flächen 1 und 2 des Fizeau Interferometers relativ zueinander um einen kleinen Winkel geneigt, der von der Beleuchtungsoptik via diffraktivem Ronchi-Phasengitter 16 generiert wird. Durch Einbau eines geteilten Polarisators 17, dessen Teile orthogonal zueinander polarisierte Wellen passieren lassen werden zwei orthogonal polarisierte Beleuchtungskanäle für das nachfolgende Fizeau Interferometer erzeugt.
  • Die von den beiden Oberflächen (Referenz 1 und Prüfling 2) herrührenden Wellen werden in der Fokalebene des Kollimators 20 aufgrund einer angepassten Neigung der Referenzfläche 1 zur Deckung gebracht.
  • Auf diesem Wege ist es möglich, die s-polariserte Welle von Fläche 1 mit der p-polarisierten Welle von Fläche 2 in der Fokalebene des Abbildungsobjektivs 20 zur Koinzidenz zu bringen. Aufgrund der orthogonalen Polarisation können diese Wellen zunächst nicht interferieren, jedoch nach Passieren einer Viertelwellenplatte 21 und eines Polarisators 22 ergeben sich je nach Stellung des Polarisators 22 Interferenzbilder variabler Phase. Weshalb man auf diesem Wege die Phase shifting Auswertung realisieren kann.
  • Bedingt durch die kohärente Teilung der Eingangswellenfront via Ronchi-Phasengitter 16, kann auch eine Phasenverschiebung über eine Translation des Ronchi-Gitters 16 senkrecht zu den Gitterfurchen vorgenommen werden.
  • Es ist also ersichtlich, dass durch das Abgehen von der strikten Fizeau-Geometrie sich eine Fülle neuer Möglichkeiten ergibt. Zu diesen neuen Möglichkeiten gehört auch insbesondere der Amplitudenabgleich zwischen der Referenz- 7 und Prüflingswelle 8. Wenn also eingangs der polarisierte Laserstrahl durch Drehen einer Halbwellenplatte 14 in seiner Achse der Polarisation gedreht werden kann, dann kann mit Hilfe eines geteilten orthogonalen Polarisators 17 die Amplitude der beiden orthogonal polarisierten Komponenten unterschiedlich eingestellt werden und zwar so, dass die zu überlagernden Wellen nach Passieren eines Ausgangspolarisators 22 gleiche Amplituden haben und damit einen Kontrast der Interferenzstreifen nahe 1 ermöglichen. Zur Regelung der mittleren Intensität kann eine Kombination von Halbwellenplatte 12 und Polarisator 13 unmittelbar am Ausgang des He-Ne-Lasers 11 dienen. Dabei wird durch Drehen der Halbwellenplatte 14 die vom Polarisator 13 durchgelassene Intensität nach einem cos-Quadrat-Gesetz variiert.
  • Durch die genannten Hilfsmittel hat man bei dem Fizeau-Interferometer alle nötigen Freiheitsgrade eingeführt, um eine Prüfung von Flächen beliebiger Reflektivität Rh mit gutem Kontrast zu ermöglichen.
  • Zusätzlich wird die Flexibilität in Bezug auf das Phase shifting Verfahren drastisch erhöht, als insgesamt 3 Methoden für das Phasenschieben herangezogen werden können: (1) Spiegeltranslation 1 oder 2, (2) Translation des Ronchi-Gitters 16 und (3) Drehen des Ausgangspolarisators 22 folgend auf eine Viertelwellenplatte 21 (λ/4-Platte) vor dem CCD-Detektor 23.
  • Insbesondere letztere Möglichkeit erlaubt auch Hochgeschwindigkeitsauswertungen von Interferogrammen. Diese Möglichkeit ist interessant für die Auslegung eines Interferometers für Messungen in industrieller Umgebung mit einem mechanischen Störspektrum um die 15 Hz. Durch Aufnahme eines kompletten Datensatzes aus 4–5 Intensitäten in 5 ms hätte man einen sicheren Störabstand gewonnen. Dazu ist allerdings eine hohe Laserleistung erforderlich, wie sie z. B. von einem Diodenlaser mit externem Resonator oder einem Frequenz-verdoppelten Nd-YAG-Laser geliefert wird.
  • Da beim Fizeau-Interferometer meist mit relativ geringen Resonatorlängen gearbeitet werden kann, ist es möglich, mit einer spatial inkohärenten Lichtquelle zu arbeiten. Der zulässige Öffnungswinkel u ist dabei der reziproken Quadratwurzel aus der Resonatorlänge proportional. Beispielsweise würde bei z = 1 cm Resontorlänge der zulässige Öffnungswinkel u von der Größenordnung 10–3 ist. Bei den üblichen Kollimatoren wäre der Laserspot auf der rotierenden Mattscheibe ca. 1 mm groß. Der große Vorteil ist dabei eine starke Reduktion des Einflusses von kohärenten Phasenstörungen („dust diffraction patterns"), wodurch sich die Messgenauigkeit beträchtlich verbessern lässt.
    • 1
    Referenz Fläche
    2
    Objekt Fläche
    3
    Reflektivität Rh
    4
    Reflex R1
    5
    Reflex R2 = RhR1
    6
    Reflex R3
    7
    Bündel auf Referenz
    8
    Bündel auf Objekt
    9
    fetter Hauptreflex Referenz
    10
    fetter Hauptreflex Objekt
    11
    He-Ne-Laser
    12
    Halbwellenplatte HWP
    13
    Polarisator
    14
    Halbwellenplatte HWP
    15
    Rotierende Mattscheibe
    16
    Ronchigitter
    17
    Orthogonale Polarisatoren
    18
    Strahlteiler
    19
    Ortsfrequenzfilter
    20
    Kollimator bzw. Ausgangsobjektiv
    21
    Viertelwellenplatte QWP
    22
    Polarisator
    23
    Flächenarraydetektor bzw. Kamera (z. B. CCD)
  • Literatur:
    • D. Malacara; „Optical Shop Testing"
    • G. Schulz, J. Schwider,. "Interferometric testing of smooth surfaces", Prog. in Optics XIII, E. Wolf, Ed., Elsevier Publisher New York, (1976)
    • A. Hettwer, J. Kranz, J. Schwider; „Three channel phase shifting interferometer using polarisation optics and a diffraction grating"; Opt. Eng. 39(2000), 960
    • M. Küchel; „The new Zeiss Interferometer"; SPIE 1332 Optical Testing and Metrology III: Recent Advances in Industrial Optical Inspection; p. 655-663, 1990
    • J. Millerd, N. Brooks, J. Hayes; „Pixellated Phase-Mask Dynamic Interferometers"; Proc. of "Fringe" conference 2005, p. 640-647, ed. W. Osten
    • J. E. Millerd, N. Brooks; US Pat. No. 6,304,330 and 6,522,808 "Methods and Apparatus for Splitting imaging and measuring wavefronts in interferometry" Oct. 2001
    • S. K. Debnath, M. P. Kothiyal; "Experimental study of the phase shift miscalibration error in phase shifting interferometry: use of a spectrally resolved white light interferometer";
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6304330 [0024]
    • - US 6522808 [0024]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - D. Malacara; „Optical Shop Testing" [0024]
    • - G. Schulz, J. Schwider,. "Interferometric testing of smooth surfaces", Prog. in Optics XIII, E. Wolf, Ed., Elsevier Publisher New York, (1976) [0024]
    • - A. Hettwer, J. Kranz, J. Schwider; „Three channel phase shifting interferometer using polarisation optics and a diffraction grating"; Opt. Eng. 39(2000), 960 [0024]
    • - M. Küchel; „The new Zeiss Interferometer"; SPIE 1332 Optical Testing and Metrology III: Recent Advances in Industrial Optical Inspection; p. 655-663, 1990 [0024]
    • - J. Millerd, N. Brooks, J. Hayes; „Pixellated Phase-Mask Dynamic Interferometers"; Proc. of "Fringe" conference 2005, p. 640-647, ed. W. Osten [0024]
    • - S. K. Debnath, M. P. Kothiyal; "Experimental study of the phase shift miscalibration error in phase shifting interferometry: use of a spectrally resolved white light interferometer" [0024]

Claims (8)

  1. Anordnung zur interferometrischen Flächenprüfung dadurch gekennzeichnet, dass das Licht eines kohärenten Lasers 11 mit Hilfe eines diffraktiven Strahlteilers 16 auf mindestens zwei Strahlengänge verteilt wird, die durch ein geeignetes Polarisationsfilter 17 in orthogonal polarisierte Lichtwellen 7 und 8 gewandelt wird, welches nachfolgend in kollimierter oder anderweitig gestalteter Form auf mindestens ein Paar geeignet geneigter optischer Flächen fällt, von denen die eine Referenzfläche 1 und die zweite der eigentliche Prüfling 2 ist, wobei zwei reflektierte Teilwellenpaare orthogonaler Polarisation entstehen, von denen eine Paarung die Strahlformungsoptik auf dem Rückweg längs der optischen Achse verlässt und zu einem Fokus gebracht wird und nach Passieren eines Ortsfrequenzfilters 19 und abermalige Kollimation auf eine Lambda/4-Platte 21 und einen Polarisator 22 trifft, um hernach mit einem zur elektronischen Detektion geeigneten Flächenempfänger 23 in photoelektrische Signale für nachfolgende Auswertungen nach dem Phasen-Schiebe-Verfahren gewandelt zu werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Variation der relativen Phasenlage der interferierenden Wellen durch axiale Verschiebung einer Fläche 1 oder 2 des Interferometers erreicht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Variation der relativen Phasenlage der interferierenden Wellen durch laterale Verschiebung des diffraktiven Strahlteilers 17 erreicht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Variation der relativen Phasenlage der interferierenden Wellen durch Drehen des Polarisators 22 nachfolgend der Lambda/4-Platte 21 und vor dem Flächen-Detektor 23 erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Variation der relativen Phasenlage der interferierenden Wellen durch einen schaltbaren Polarisator mit geeigneter zeitlich sukzessiver Orientierung erfolgt, wobei das Schalten elektronisch oder durch einen geeigneten Drehpolarisator mit unterschiedlich aber geeignet orientierten Sektoren erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das polarisierte Licht der Laserlichtquelle durch Drehen einer Lambda/2-Platte 12 vor einem Polarisator 13 in seiner Intensität gesteuert werden kann und dass durch Drehen einer nachfolgenden Lambda/2-Platte 14 die gewünschte Amplitudenverteilung für das geteilte Polarisationsfilter 17 zur Erzeugung von orthogonal polarisierten Teilwellenpaaren erzielt werden kann.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplung des reflektierten Lichtes für die Detektion über einen kleinen Spiegel erfolgt, der in der Fokalebene etwas versetzt zum einfallenden Strahlfokus angeordnet ist und so den durch eine kleine Neigung des Prüfresonators entstehenden Versatz nutzt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Beleuchtungsstrahlengang der Laserstrahl etwas defokussiert über einen bewegten Streuer geleitet wird, so dass der Prüfresonator räumlich teilkohärent beleuchtet wird und gleichzeitig durch Wahl der Lage des diffraktiven Strahlteilers in einer konjugierten Ebene zum Prüfresonator für hohen Kontrast im Interferenzbild gesorgt wird
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