DE102015118069B4

DE102015118069B4 - Measuring device and method for measuring the thickness of a flat sample

Info

Publication number: DE102015118069B4
Application number: DE102015118069.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Schönleber
Original assignee: Precitec Optronik GmbH
Current assignee: Precitec Optronik GmbH
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2035-10-23
Also published as: WO2017067542A1; DE102015118069A1

Abstract

Messvorrichtung zur Messung einer Dicke einer flächigen Probe (1) mit einer ein fluides transparentes optisches Medium (14) aufweisenden optischen Messstrecke (5) zwischen einem Messkopf (6) und einem Reflektor (7), wobei der Messkopf (6) ein Fenster (8) mit einer Außenfläche (30) aufweist und zum Aussenden und Empfangen eines Lichtes von einer breitbandigen kohärenten Lichtquelle (17) in einem Spektralbereich, in dem die Probe wenigstens teilweise transparent ist, ausgebildet ist, und wobei wenigstens ein Teil des von dem Messkopf (6) ausgesandten und von dem Reflektor (7) bzw. von Oberflächen (15, 16) der Probe (1) zurückreflektierten Lichtes vom Messkopf (6) erfassbar ist, so dass ein Reflektionsspektrum des vom Messkopf (6) erfassten zurückreflektierten Lichtes ermittelbar ist, und wobei eine Auswerteeinheit (24) zum Ermitteln einer Dicke der Probe (1) mittels Analysierens von Interferenzen in einem breitbandigen Spektralbereich zwischen von der Außenfläche (30) des Fensters (8) und von dem Reflektor (7) bzw. von den Oberflächen (15, 16) der Probe (1) reflektierten Teilwellen des Lichtes vorgesehen ist, wobei die Messvorrichtung derart ausgebildet ist, dass Messungen in einem ersten Messzustand und in einem zweiten Messzustand durchführbar sind, wobei in dem ersten Messzustand eine optische Schichtdicke der Messstrecke (5) mit dem optischen Medium (14) ohne Probe (1) messbar ist und in dem zweiten Messzustand eine optische Schichtdicke des optischen Mediums (14) zwischen der Probe (1) und dem Messkopf (6) sowie eine optische Schichtdicke des Mediums (14) zwischen der Probe (1) und dem Reflektor (7) messbar sind, und wobei ein zweiter Reflektor (7´, 7´´) zur Bestimmung des Brechungsindexes des optischen Mediums (14) vorgesehen ist, und wobei sich der Messkopf (6) und der zweite Reflektor (7´, 7´´) derart begegnen können, dass wenigstens ein Teil eines von dem Messkopf (6) ausgesandten und von dem zweiten Reflektor (7´, 7´´) zurückreflektierten Lichtes vom Messkopf (6) erfassbar ist.Measuring device for measuring a thickness of a flat sample (1) with an optical measuring section (5) having a fluid transparent optical medium (14) between a measuring head (6) and a reflector (7), wherein the measuring head (6) has a window (8 ) having an outer surface (30) and being adapted to emit and receive light from a broadband coherent light source (17) in a spectral region in which the sample is at least partially transparent, and at least a portion of the light emitted by the measuring head (6 ) emitted by the reflector (7) or surfaces (15, 16) of the sample (1) reflected back from the measuring head (6), so that a reflection spectrum of the detected by the measuring head (6) back-reflected light can be determined, and wherein an evaluation unit (24) for determining a thickness of the sample (1) by analyzing interference in a broadband spectral range between the outer surface (30) of the window rs (8) and of the reflector (7) or of the surfaces (15, 16) of the sample (1) reflected partial waves of the light is provided, wherein the measuring device is designed such that measurements in a first measurement state and in a second Measuring state can be carried out, wherein in the first measuring state, an optical layer thickness of the measuring section (5) with the optical medium (14) without sample (1) is measurable and in the second measuring state, an optical layer thickness of the optical medium (14) between the sample (1 ) and the measuring head (6) and an optical layer thickness of the medium (14) between the sample (1) and the reflector (7) are measurable, and wherein a second reflector (7 ', 7 ") for determining the refractive index of the optical Medium (14) is provided, and wherein the measuring head (6) and the second reflector (7 ', 7' ') can meet in such a way that at least a part of one of the measuring head (6) and emitted by the second reflector (7 ', 7' ') reflected back light from the measuring head (6) can be detected.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Dicke einer flächigen, insbesondere einer platten- bzw. folienförmigen Probe. The present invention relates to a measuring device and a method for measuring the thickness of a flat, in particular a plate-shaped or foil-shaped sample.

Es sind optische Messverfahren zur Dickenmessungen bekannt, basierend auf interferometrische Abstandsmessungen zwischen einem Messkopf und einer Oberfläche des zu vermessenden Körpers.Optical measuring methods for thickness measurements are known, based on interferometric distance measurements between a measuring head and a surface of the body to be measured.

DE 10 2010 000 757 A1 offenbart eine solche Messvorrichtung zur Dickenmessung von plattenförmigen Teilen. Die Vorrichtung weist mindestens zwei Messeinrichtungen jeweils mit einem Messkopf zur Erfassung eines jeweiligen Abstands zu der dem jeweiligen Messkopf zugewandten Oberfläche des Teils auf. Die Messeinrichtungen weisen jeweils einen Messstrahl und einen Referenzstrahl auf, so dass die beiden Messstrahlen und die beiden Referenzstrahlen gemeinsam ausgewertet werden. DE 10 2010 000 757 A1 discloses such a measuring device for measuring the thickness of plate-shaped parts. The device has at least two measuring devices each with a measuring head for detecting a respective distance to the surface of the part facing the respective measuring head. The measuring devices each have a measuring beam and a reference beam, so that the two measuring beams and the two reference beams are evaluated together.

US 2003 / 0 160 968 A1 offenbart ein Phasenverschiebungsinterferometrieverfahren, wobei das Verfahren Bilden eines optischen Interferenzbildes durch Kombinieren verschiedener Bereiche einer optischen Wellenfront umfasst, die von mehreren Flächen reflektiert wird. US 2003/0 160 968 A1 discloses a phase shift interferometric method, the method comprising forming an optical interference image by combining different regions of an optical wavefront that is reflected by a plurality of surfaces.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Messung bereitzustellen, die es erlauben, eine absolute Dicke von flächigen, insbesondere platten- bzw. folienförmigen Proben auf einfache und zuverlässige Weise mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. The object of the present invention is to provide a measuring device and a method for measuring, which allow to determine an absolute thickness of flat, in particular plate-shaped or foil-shaped samples in a simple and reliable manner with high accuracy.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Messvorrichtung zur Messung der Dicke einer flächigen Probe gelöst, die eine ein fluides optisches Medium aufweisende und zur Aufnahme der Probe ausgebildete optische Messstrecke zwischen einem Messkopf und einem Reflektor umfasst. Der Messkopf weist ein Fenster mit einer Außenfläche auf und ist zum Aussenden und Empfangen eines Lichtes von einer breitbandigen kohärenten Lichtquelle in einem Spektralbereich, in dem die Probe wenigstens teilweise transparent ist, ausgebildet. Wenigstens ein Teil eines von dem Messkopf ausgesandten und von dem Reflektor bzw. von Oberflächen der Probe zurückreflektierten Lichtes ist vom Messkopf erfassbar, so dass ein Reflektionsspektrum des vom Messkopf erfassten zurückreflektierten Lichtes ermittelbar ist. Ferner ist eine Auswerteeinheit zum Ermitteln einer Dicke der Probe mittels Analysierens von Interferenzen in einem breitbandigen Spektralbereich zwischen von der Außenfläche (30) des Fensters (8) und von dem Reflektor bzw. von den Oberflächen der Probe reflektierten Teilwellen des Lichtes vorgesehen. According to a first aspect of the invention, this object is achieved by a measuring device for measuring the thickness of a flat sample which comprises a measuring section comprising a fluid optical medium and designed to receive the sample between a measuring head and a reflector. The probe has a window with an outer surface and is configured to emit and receive light from a broadband coherent light source in a spectral region in which the sample is at least partially transparent. At least part of a light emitted by the measuring head and reflected back from the reflector or surfaces of the sample is detectable by the measuring head, so that a reflection spectrum of the light reflected by the measuring head can be determined. Furthermore, an evaluation unit for determining a thickness of the sample by analyzing interferences in a broadband spectral range between the outer surface ( 30 ) of the window ( 8th ) and partial reflections of the light reflected by the reflector or surfaces of the sample.

Unter breitbandiger Lichtquelle wird eine in einem breiten Spektralbereich emittierende Lichtquelle verstanden, die eine spektrale Breitband-Lichtquelle aber auch eine schmalbandige jedoch in einem breiten Spektralbereich durchstimmbare Lichtquelle sein kann. A broadband light source is understood to mean a light source emitting in a broad spectral range, which may be a broadband spectral light source but also a narrowband light source that can be tuned in a wide spectral range.

Unter Kohärenz der Lichtquelle wird im Falle der spektralen Breitband-Lichtquelle eine räumliche Kohärenz in dem Sinne verstanden, dass nach einer spektralen Auffächerung des Lichtes in ausreichend schmale Spektralbereiche, welche beispielsweise einzige Gaußmoden oder viele Gauß-Laguerre-Moden aufweisen können, interferometrische Messungen von Wegunterschieden im mm-Bereich durchführbar sind. Coherence of the light source in the case of the spectral broadband light source is understood to mean spatial coherence in the sense that spectrally fanning the light into sufficiently narrow spectral ranges, which may have, for example, only Gaussian modes or many Gaussian Laguerre modes, interferometric measurements of path differences in the mm range are feasible.

Im Falle einer wellenlängendurchstimmbaren Lichtquelle (swept source) wird darunter eine ausreichende zeitliche Kohärenz verstanden, die Durchführung einer swept source OCT (optical coherence tomography) erlaubt. In the case of a wavelength-tunable light source (swept source), this is understood to mean sufficient temporal coherence, which allows a swept source OCT (optical coherence tomography) to be carried out.

Mit der Messvorrichtung kann durch eine einseitige optische Messung die absolute Dicke der flächigen Probe mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. With the measuring device, the absolute thickness of the flat sample can be determined with high accuracy by a one-sided optical measurement.

Die Messvorrichtung ist derart ausgebildet, dass Messungen in einem ersten Messzustand und in einem zweiten Messzustand durchführbar sind, wobei in dem ersten Messzustand eine optische Schichtdicke der Messstrecke mit dem optischen Medium ohne Probe messbar ist und in dem zweiten Messzustand eine optische Schichtdicke des optischen Mediums zwischen der Probe und dem Messkopf sowie eine optische Schichtdicke des optischen Mediums zwischen der Probe und dem Reflektor messbar sind. The measuring device is designed such that measurements can be carried out in a first measurement state and in a second measurement state, wherein in the first measurement state, an optical layer thickness of the measurement path with the optical medium without a sample is measurable and in the second measurement state an optical layer thickness of the optical medium between the sample and the measuring head and an optical layer thickness of the optical medium between the sample and the reflector are measurable.

Im ersten Messzustand kann somit die optische Schichtdicke s0 des optischen Mediums zwischen dem Messkopf und dem Reflektor und im zweiten Messzustand können optische Schichtdicken s1 und s2 des optischen Mediums auf beiden Seiten der Probe bestimmt werden, so dass unter Kenntnis des Brechungsindexes n des optischen Mediums die geometrische Dicke dp der Probe direkt bestimmt werden kann gemäß dp = (s0 – s1 – s2)/n, ohne über den Brechungsindex oder Dispersionseigenschaften der Probe bzw. über ihre Temperaturabhängigkeit etwas wissen zu müssen. Thus, in the first measuring state, the optical layer thickness s0 of the optical medium between the measuring head and the reflector can be determined, and in the second measuring state, optical layer thickness s1 and s2 of the optical medium can be determined on both sides of the sample, so that, knowing the refractive index n of the optical medium geometric thickness dp of the sample can be determined directly according to dp = (s0 - s1 - s2) / n, without having to know anything about the refractive index or dispersion properties of the sample or about their temperature dependence.

Damit der erste und der zweite Messzustand eintreten, kann die Messvorrichtung so ausgebildet sein, dass platten- bzw. folienförmige Einzelproben mit Hilfe eines Förderbands quer durch die Messstrecke gezogen werden können. Dabei kann in den Zeitintervallen, wenn sich gerade keine Probe im Strahlengang der Messstrecke befindet, die optische Schichtdicke s0 gemessen werden. Wenn sich eine Probe in der Messstrecke befindet, können dagegen die optischen Schichtdicken s1 und s2 des optischen Mediums auf beiden Seiten der Probe gemessen werden. In order for the first and the second measuring state to occur, the measuring device can be designed such that plate-shaped or film-shaped individual samples are conveyed transversely through the conveyor belt by means of a conveyor belt Measuring section can be pulled. In this case, in the time intervals, when no sample is currently in the beam path of the measuring section, the optical layer thickness s0 can be measured. On the other hand, when a sample is in the measuring section, the optical layer thickness s1 and s2 of the optical medium can be measured on both sides of the sample.

In einer Ausführungsform ist die Messstrecke schwenkbar gelagert, so dass im Falle einer endlosen bandförmigen Probe, die quer durch die Messstrecke gezogen wird, die Messstrecke über die Probe hin- und her geschwenkt werden kann. An den Umkehrpunkte der Schwenkbewegung, die außerhalb des Probenbereichs liegen, kann s0 gemessen werden, während in dem mittleren Bereich der Schwenkstrecke die optischen Schichtdicken s1 und s2 des optischen Mediums auf beiden Seiten der Probe gemessen werden können. In one embodiment, the measuring section is pivotably mounted, so that in the case of an endless band-shaped sample which is pulled transversely through the measuring section, the measuring section can be pivoted back and forth over the sample. At the reversal points of the pivoting movement, which are outside the sample area, s0 can be measured, while in the middle area of the pivoting distance the optical layer thickness s1 and s2 of the optical medium can be measured on both sides of the sample.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Messvorrichtung eine erste Halteplatte und eine mit der ersten Halteplatte einen Spalt zur Aufnahme der Probe bildende zweite Halteplatte auf, wobei der Messkopf in einer Ausnehmung der ersten Halteplatte versenkt ist und der Reflektor in einer Ausnehmung der zweiten Halteplatte versenkt ist. In one embodiment of the invention, the measuring device has a first holding plate and a second holding plate forming a gap for receiving the sample with the first holding plate, wherein the measuring head is sunk in a recess of the first holding plate and the reflector is sunk in a recess of the second holding plate ,

Durch die Versenkung des Messkopfes und des Reflektors in den Halteplatten wird gewährleistet, dass der Messkopf und der Reflektor von einer Probe nicht beschädigt werden kann. Außerdem wird dadurch sichergestellt, dass ausreichender Raum zur Aufnahme des optischen Mediums auf beiden Seiten der Probe – zwischen der Probe und dem Reflektor bzw. zwischen der Probe und dem Messkopf, vorhanden ist. The countersinking of the measuring head and the reflector in the holding plates ensures that the measuring head and the reflector of a sample can not be damaged. In addition, this ensures that there is sufficient space to accommodate the optical medium on both sides of the sample - between the sample and the reflector or between the sample and the measuring head.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Messstrecke starr ausgebildet, in dem der Messkopf und der Reflektor vorzugsweise mit Hilfe einer Zerodur-Halterung auf einem konstanten genau bekannten Abstand d0 zueinander gehalten werden. Die starre Ausführung der Messstrecke ist besonders gut für dünne Proben geeignet, die ohne Verlängerung der Messtrecke zwischen dem Messkopf und dem Reflektor aufgenommen werden können. Dabei werden in dem ersten Messzustand, d.h. wenn die Messstrecke frei von der Probe ist, Messungen lediglich zur Ermittlung des Brechungsindexes des optischen Mediums durchgeführt. In one embodiment of the invention, the measuring section is rigid, in which the measuring head and the reflector are preferably held to one another at a constant, precisely known distance d0 with the aid of a Zerodur holder. The rigid design of the measuring section is particularly well suited for thin specimens that can be picked up without lengthening the measuring section between the measuring head and the reflector. In this case, in the first measuring state, i. if the measurement path is free from the sample, measurements are made only to determine the refractive index of the optical medium.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Platte mit einer Ausnehmung zur Halterung der Probe vorgesehen, die die Probe im Spalt zwischen der oberen und der unteren Halteplatten festhält. In one embodiment of the invention, a plate is provided with a recess for holding the sample, which holds the sample in the gap between the upper and lower holding plates.

Durch das Festhalten der Probe werden auch die optischen Schichtdicken des optischen Mediums auf beiden Seiten der Probe während der Messung konstant gehalten, wodurch die Reproduzierbarkeit der Messung erhöht wird, wenn man beispielsweise mehrere Messreihen an denselben Stellen der Probe durchführen möchte. By holding the sample, the optical layer thicknesses of the optical medium are kept constant on both sides of the sample during the measurement, whereby the reproducibility of the measurement is increased, for example, if you want to perform several series of measurements at the same points of the sample.

Die Messvorrichtung weist einen zweiten Reflektor auf der dem Messkopf abgewandten Seite der Probe, vorzugsweise an der zweiten Haltefläche, zur Bestimmung des Brechungsindexes des optischen Mediums auf, wobei sich der Messkopf und der zweite Reflektor derart begegnen können, dass wenigstens ein Teil eines von dem Messkopf ausgesandten und von dem zweiten Reflektor zurückreflektierten Lichtes vom Messkopf erfassbar ist. Alternativ kann der zweiter Reflektor sich auf der dem Messkopf zugewandten Seite der Probe, vorzugsweise an der ersten Haltefläche, befinden. The measuring device has a second reflector on the side facing away from the measuring head of the sample, preferably on the second support surface, for determining the refractive index of the optical medium, wherein the measuring head and the second reflector can meet such that at least a portion of one of the measuring head emitted and reflected back from the second reflector light from the measuring head can be detected. Alternatively, the second reflector may be located on the side of the sample facing the measuring head, preferably on the first holding surface.

Somit wird ein dedizierter zweiter Reflektor zur Bestimmung des Brechungsindexes bereitgestellt, der auf die Bestimmung des Brechungsindexes des optischen Mediums hin ausgelegt werden kann, so dass der Brechungsindex des optischen Mediums in einer unabhängigen Messung bestimmt werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Messvorrichtung eine zweite Messstrecke zwischen einem zweiten Messkopf und einem zweiten Reflektor zur Bestimmung eines Brechungsindexes n des optischen Mediums auf, wobei wenigstens ein Teil eines von dem zweiten Messkopf ausgesandten und von dem zweiten Reflektor zurückreflektierten Lichtes vom zweiten Messkopf erfassbar ist. Thus, a dedicated second Reflective Index Reflector is provided which can be designed to determine the refractive index of the optical medium so that the refractive index of the optical medium can be determined in an independent measurement. In one embodiment of the invention, the measuring device has a second measuring path between a second measuring head and a second reflector for determining a refractive index n of the optical medium, whereby at least a part of a light emitted by the second measuring head and reflected back by the second reflector can be detected by the second measuring head is.

Somit wird eine dedizierte zweite Messstrecke zur Bestimmung des Brechungsindexes des optischen Mediums bereitgestellt, der speziell auf die Bestimmung des Brechungsindexes des optischen Mediums ausgelegt werden kann, so dass der aktuelle Brechungsindex des optischen Mediums in einer unabhängigen Messung präzise bestimmt werden kann. Thus, a dedicated second measurement path for determining the refractive index of the optical medium, which can be designed specifically for determining the refractive index of the optical medium, so that the actual refractive index of the optical medium can be determined precisely in an independent measurement.

Zudem wird durch die Verwendung von unterschiedlichen Messköpfen zur Ermittlung der optischen Schichtdicken einerseits und zur Ermittlung des Brechungsindexes des optischen Mediums andererseits das Auseinanderhalten von Verschiedenen Messsignalen und die nachfolgende Analyse vereinfacht. In addition, the use of different measuring heads for determining the optical layer thicknesses on the one hand and for determining the refractive index of the optical medium on the other hand simplifies the separation of different measuring signals and the subsequent analysis.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der zweite Reflektor mindestens zwei reflektierende Flächen und einen Raum mit einer bekannten geometrischen Höhe zur Aufnahme des optischen Mediums auf. According to one embodiment of the invention, the second reflector comprises at least two reflective surfaces and a space with a known geometric height for receiving the optical medium.

In dieser Ausführungsform ist der aktuelle Brechungsindex des optischen Mediums n aus dem Verhältnis einer spektralinterferometrisch ermittelten optischen Raumhöhe zur bekannten geometrischen Raumhöhe sR/dR unmittelbar bestimmbar. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Reflektor als Referenzstufe ausgeführt. Die Referenzstufe weist eine erste reflektierende Fläche, eine zweite reflektierende Fläche und eine Stufenkante mit einer bekannten Stufenhöhe dR auf, wobei ein von der ersten reflektierenden Fläche zurückreflektiertes Licht und ein von der zweiten reflektierten Fläche zurückreflektiertes Licht vom zweiten Messkopf erfassbar sind. In this embodiment, the actual refractive index of the optical medium n is from the ratio of a spectrally interferometrically determined optical room height to the known geometric room height sR / dR directly determinable. According to one embodiment of the invention, the second reflector is designed as a reference stage. The reference stage has a first reflective surface, a second reflective surface, and a step edge having a known step height dR, wherein light reflected back from the first reflective surface and light reflected back from the second reflective surface are detectable by the second sensing head.

In dieser Ausführungsform ist der aktuelle Brechungsindex des optischen Mediums n aus dem Verhältnis einer spektralinterferometrisch ermittelten optischen Stufenhöhe zur bekannten geometrischen Stufenhöhe sR/dR unmittelbar bestimmbar. In this embodiment, the actual refractive index of the optical medium n can be determined directly from the ratio of a spectrally interferometrically determined optical step height to the known geometric step height sR / dR.

Somit kann durch die Messung der optischen Stufenhöhe sR die Unsicherheit über den Brechungsindex des optischen Mediums in den Messungen der optischen Schichtdicken des optischen Mediums, s0, s1, s2 eliminiert werden. Man kann die optische Schichtdicke auf die geometrische Schichtdicke direkt umrechnen: d(i) = s(i)·dR/sR Thus, by measuring the optical step height sR, the uncertainty about the refractive index of the optical medium in the measurements of the optical layer thicknesses of the optical medium, s0, s1, s2, can be eliminated. One can directly convert the optical layer thickness to the geometric layer thickness: d (i) = s (i) .dR / sR

Damit bekommt man direkt die geometrische Schichtdicke der Probe auf einfache Weise, ohne deren Brechungsindex kennen zu müssen, denn dp = d0 – d1 – d2. In order to get directly the geometric thickness of the sample in a simple manner, without having to know their refractive index, because dp = d0 - d1 - d2.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Lichtstrahl des zweiten Messkopfs so dimensioniert und ausgerichtet, dass das von der ersten reflektierenden Fläche zurückreflektierte Licht und das von der zweiten reflektierenden Fläche zurückreflektierte Licht von dem zweiten Messkopf gleichzeitig erfassbar sind. In one embodiment of the invention, the light beam of the second measuring head is dimensioned and aligned such that the light reflected back from the first reflecting surface and the light reflected back from the second reflecting surface can be simultaneously detected by the second measuring head.

Dies kann beispielsweise durch eine Ausrichtung des Lichtstrahls auf die Stufenkannte erfolgen, so dass bedingt durch den endlichen Querschnitt des Lichtstrahls beide reflektierenden Flächen wenigstens teilweise vom Lichtstrahl erfasst werden. This can be done, for example, by aligning the light beam with the step indicator, so that, due to the finite cross section of the light beam, both reflective surfaces are at least partially detected by the light beam.

Somit enthält das vom zweiten Reflektor zurückreflektierte Licht von den beiden reflektierenden Flächen des zweiten Reflektors zurückreflektierte Anteile, so dass durch spektralinterferometische Analyse des reflektierten Lichtes auf die der geometrischen Stufenhöhe der Referenzstufe entsprechende optische Stufenhöhe des optischen Mediums zurückgeschlossen werden kann. Thus, the light reflected back from the second reflector contains portions reflected back from the two reflecting surfaces of the second reflector, so that the optical step height of the optical medium corresponding to the geometric step height of the reference stage can be deduced by spectrally interferometric analysis of the reflected light.

In einer Ausführungsform der Erfindung können die von den beiden reflektierenden Flächen des zweiten Reflektors zurückreflektierte Anteile zeitlich getrennt erfasst werden. Dies kann beispielsweise durch eine zeitweise laterale – also zum Strahlengang senkrechte – Versetzung des zweiten Reflektors bezüglich des Messkopfes erfolgen. In one embodiment of the invention, the portions reflected back from the two reflecting surfaces of the second reflector can be detected separately in time. This can be done for example by a temporarily lateral - ie perpendicular to the beam path - displacement of the second reflector with respect to the measuring head.

Somit kann durch eine zeitlich aufgelöste Auswertung des zurückreflektierten Lichtes die von der ersten reflektierenden Fläche und von der zweiten reflektierenden Fläche zurückreflektierten Lichtanteile zur Bestimmung der optischen Stufenhöhe des optischen Mediums klar voneinander getrennt werden. Thus, by a time-resolved evaluation of the reflected light back from the first reflecting surface and the second reflecting surface reflected light components for determining the optical step height of the optical medium can be clearly separated.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Referenzstufe eine hochgenau bekannte geometrische Stufenhöhe auf, sodass der jeweils aktuelle Wert des Brechungsindexes des optischen Mediums, der im Allgemeinen wellenlängen-, zusammensetzungs- und temperaturabhängig ist, hochgenau bestimmt werden kann, wodurch eine genaue Bestimmung der Dicke der Probe ermöglicht wird. In one embodiment of the invention, the reference stage has a high-accuracy known geometric step height, so that each current value of the refractive index of the optical medium, which is generally wavelength, composition and temperature-dependent, can be determined with high accuracy, whereby an accurate determination of the thickness of Sample is allowed.

In einer Ausführungsform der Erfindung liegt die geometrische Stufenhöhe der Referenzstufe im Bereich von 50 µm bis 5000 µm, insbesondere im Bereich von 100 µm bis 1000 µm. In one embodiment of the invention, the geometric step height of the reference stage is in the range from 50 μm to 5000 μm, in particular in the range from 100 μm to 1000 μm.

Durch die Wahl der geometrischen Stufenhöhe in diesem Bereich kann die der geometrischen Stufenhöhe entsprechende optische Stufenhöhe des optischen Mediums interferometrisch auf eindeutige Weise zuverlässig bestimmt werden. By choosing the geometric step height in this area, the geometric step height corresponding optical step height of the optical medium can be determined interferometrically in a unique manner reliably.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind Halteflächen mit Greifplatten zur senkrechten Positionierung und Halterung der Probe vorgesehen, wobei die Greifplatten an geeigneten Stellen Aussparungen zum Lichtdurchgang aufweisen. In one embodiment of the invention holding surfaces are provided with gripping plates for vertical positioning and mounting of the sample, wherein the gripping plates have recesses for passage of light at suitable locations.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist als fluides optisches Medium Luft vorgesehen. Alternativ kann auch ein flüssiges optisches Medium, wie etwa Wasser oder Öl, eingesetzt werden. In a preferred embodiment of the invention, air is provided as the fluid optical medium. Alternatively, a liquid optical medium such as water or oil may be used.

Die optischen Eigenschaften der Luft sind verhältnismäßig gut bekannt und weisen geringe Schwankungen auf. Zudem ist die Durchführung von Messungen in der Luft mit geringem experimentellem Aufwand möglich. The optical properties of the air are relatively well known and have little variation. In addition, it is possible to carry out measurements in the air with little experimental effort.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der zweiter Reflektor als ein doppeltes Fabry-Perot-Interferometer aufgebaut, der eine erste luftgefüllte Resonator-Wegstrecke und eine zweite evakuierte Resonator-Wegstrecke aufweist, wobei die beiden Wegstrecken gleich lang sind und deren Länge vorzugsweise mit einer Zerodur-Halterung im Wesentlichen konstant gehalten wird. In one embodiment of the invention, the second reflector is constructed as a double Fabry-Perot interferometer having a first air-filled resonator path and a second evacuated resonator path, the two paths being of equal length and preferably having a length of Zerodur. Holder is kept substantially constant.

Die beiden Resonatoren sind so ausgebildet, dass die von den Resonatoren zurückreflektierten Lichtanteile (analog zu dem Fall mit der Referenzstufe) zu Interferenz gebracht werden können. Diese Ausführungsform ist besonders gut für den Fall geeignet, wenn als optisches Medium Luft vorgesehen ist. Aus der spektralinterferometrischen Analyse des resultierenden Lichtes kann der Brechungsindex der Luft genau ermittelt werden, denn durch die Verwendung der Fabry-Perot-Interferometer kann die Messgenauigkeit gesteigert werden kann. Eine hohe Reflektivität wird nur bei Erfüllung der Bedingung λ(N, n) = 2·L·n/N mit ganzzahligem N erreicht, wobei für Vakuum n = 1 und n = 1,00029 für Luft. In einer Ausführungsform der Erfindung liegen die Lichtwellenlängen der breitbandigen kohärente Lichtquelle im Nah-Infrarot-Bereich, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 950 nm bis 2000 nm, insbesondere im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 1200 nm. The two resonators are designed so that the light components reflected back from the resonators (analogous to the case with the reference stage) can be brought into interference. This embodiment is particularly well suited for the case when air is provided as the optical medium. From the spectral interferometric analysis of the resulting light, the refractive index of the air can be accurately determined, because by using the Fabry-Perot interferometer, the measurement accuracy can be increased. A high reflectivity is only achieved if the condition λ (N, n) = 2 * L * n / N with integer N is satisfied, where for vacuum n = 1 and n = 1.00029 for air. In one embodiment of the invention, the light wavelengths of the broadband coherent light source are in the near-infrared range, preferably in the wavelength range from 950 nm to 2000 nm, in particular in the wavelength range from 1000 nm to 1200 nm.

In diesem Wellenlängenbereich sind viele Werkstoffe, insbesondere Halbleiterwerkstoffe (beispielsweise Si-Wafer), die für die Untersuchung in Frage kommen, optisch transparent. In this wavelength range, many materials, in particular semiconductor materials (for example Si wafers) which are suitable for the investigation, are optically transparent.

Die breitbandige kohärente Lichtquelle kann ausgewählt sein aus einer Gruppe, bestehend aus einer Leuchtdiode, einer Halbleiter-Superlumineszenz-Diode, einer ASE-Quelle (optically pumped fiber based amplified spontaneous emission source), einem optisch gepumpten photonischen Kristall-Laser sowie einem abstimmbaren Halbleiter-Quantendot-Laser. The broadband coherent light source may be selected from a group consisting of a light emitting diode, a semiconductor superluminescent diode, an optically pumped fiber based amplified spontaneous emission (ASE) source, an optically pumped photonic crystal laser, and a tunable semiconductor laser. quantum dot laser.

Diese Lichtquellen eignen sich gut als Lichtquellen im nahen Infrarotbereich. These light sources work well as near infrared light sources.

In einer ausführungsform der Erfindung wird ein Spektrometer zur Ermittlung des Spektrums des vom Messkopf erfassten Lichtes vorgesehen. In one embodiment of the invention, a spectrometer is provided for determining the spectrum of the light detected by the measuring head.

Der Einsatz des Spektrometers erlaubt es, breitbandige im relevanten Spektralbereich nicht durchstimmbare Lichtquellen zu verwenden. The use of the spectrometer makes it possible to use broadband non-tunable light sources in the relevant spectral range.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Spektrometer ein optisches Gitter auf, ausgebildet zum Auffächern der spektralen Verteilung der von dem Messkopf erfassten reflektierten Strahlung. In one embodiment of the invention, the spectrometer has an optical grating, designed to fan out the spectral distribution of the reflected radiation detected by the measuring head.

Das optische Gitter ist gut dafür geeignet, das Lichtspektrum im Nah-Infrarot-Bereich spektral aufzufächern. The optical grating is well suited to spectrally fan out the light spectrum in the near-infrared range.

In einer Ausführungsform der Erfindung im Falle einer swept source OCT wird das optische Spektrum des vom Messkopf erfassten Lichtes mit Hilfe eines Photodetektors ermittelt, der die Lichtintensität zu unterschiedlichen Zeitpunkten I(t) misst und an die Auswerteeinheit zur Auswertung ausgibt. Das Spektrum I(λ) des vom Messkopf erfassten Lichtes kann dann anhand einer bekannten zeitlichen Abhängigkeit der Lichtwellenlänge der swept source λ(t) durch die Auswerteeinheit ermittelt werden. In one embodiment of the invention, in the case of a swept source OCT, the optical spectrum of the light detected by the measuring head is determined with the aid of a photodetector, which measures the light intensity at different times I (t) and outputs it to the evaluation unit for evaluation. The spectrum I (λ) of the light detected by the measuring head can then be determined by the evaluation unit on the basis of a known time dependence of the light wavelength of the swept source λ (t).

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Messkopf in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse angeordnet, das ein für das Licht der Lichtquelle transparentes Fenster aufweist. According to one embodiment of the invention, the measuring head is arranged in a hermetically sealed housing which has a window transparent to the light of the light source.

Der Messkopf kann somit zusammen mit dem Fenster in der dafür vorgesehenen Ausnehmung in der ersten Haltefläche eingesetzt werden. The measuring head can thus be used together with the window in the recess provided in the first holding surface.

Das hermetisch abgedichtete Gehäuse schützt den Messkopf vor vor äußeren Einflüssen, wie Eindringen von Staubpartikeln oder des fluiden optischen Mediums. The hermetically sealed housing protects the measuring head from external influences, such as the penetration of dust particles or the fluid optical medium.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Messvorrichtung mehrere Messstrecken auf, so dass eine Probe gleichzeitig an mehreren Stellen bzw. mehrere Proben gleichzeitig gemessen werden können. According to one embodiment of the invention, the measuring device has a plurality of measuring sections, so that a sample can be measured simultaneously at several points or several samples at the same time.

Dadurch kann die Dickeninhomogenität bzw. Dickenverteilung der Probe bzw. mehrere Proben in kürzester Zeit gemessen werden. As a result, the thickness inhomogeneity or thickness distribution of the sample or several samples can be measured in a very short time.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Messung einer Dicke einer flächigen Probe in einer Messvorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, das folgende Schritte umfasst:

– Aussenden des breitbandigen kohärenten Lichtes mit mehreren Wellenlängen aus dem Messkopf;
– Empfangen mit dem Messkopf wenigstens eines Teils eines zurückreflektierten Lichtes;
– Ermitteln einer Dicke der Probe mittels Analysierens des von dem Messkopf erfassten zurückreflektierten Lichtes unter Verwendung eines optischen spektralinterferometrischen Verfahrens.

According to a second aspect of the invention, a method for measuring a thickness of a flat sample in a measuring device according to the first aspect of the invention is provided, comprising the following steps:

- emitting the multi-wavelength broadband coherent light from the measuring head;
Receiving with the measuring head at least part of a back-reflected light;
Determining a thickness of the sample by analyzing the back-reflected light detected by the probe using an optical spectral interferometric method.

Das Verfahren erlaubt es, durch eine einseitige optische Messung die absolute Dicke der Probe mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. The method makes it possible to determine the absolute thickness of the sample with high accuracy by a one-sided optical measurement.

Es wird das zurückreflektierte Licht in dem ersten Messzustand und in dem zweiten Messzustand empfangen und das von dem zweiten Reflektor zurückreflektierte Licht zur Bestimmung des Brechungsindexes erfasst. The back-reflected light is received in the first measurement state and in the second measurement state, and the light reflected back from the second reflector is detected for determination of the refractive index.

Im ersten Messzustand kann eine optische Dicke s0 des optischen Mediums zwischen dem Messkopf und dem Reflektor ermittelt werden und in dem zweiten Messzustand können optische Dicken s1 und s2 des optischen Mediums auf beiden Seiten der Probe ermittelt werden. In the first measuring state, an optical thickness s0 of the optical medium between the measuring head and the reflector can be determined, and in the second measuring state optical thicknesses s1 and s2 of the optical medium can be determined on both sides of the sample.

Anhand der in dem ersten Messzustand und in dem zweiten Messzustand ermittelten optischen Dicken kann unter Kenntnis des Brechungsindexes des optischen Mediums n die absolute geometrische Dicke der Probe dp = (s0 – s1 – s2)/n berechnet werden, ohne dabei über den Brechungsindex oder Dispersionseigenschaften der Probe oder über deren Temperaturabhängigkeit etwas wissen zu müssen. On the basis of the optical thicknesses determined in the first measuring state and in the second measuring state, the absolute geometric thickness of the sample dp = (s0-s1-s2) / n can be calculated with knowledge of the refractive index of the optical medium, without exceeding the refractive index or dispersion properties to know something about the sample or about its temperature dependence.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Bestimmung des Brechungsindexes des optischen Mediums das von dem zweiten Reflektor zurückreflektierte Licht von dem zweiten Messkopf erfasst. According to one embodiment of the invention, the light reflected back from the second reflector is detected by the second measuring head to determine the refractive index of the optical medium.

Somit werden die optischen Schichtdicken und der Brechungsindex des optischen Mediums mit unterschiedlichen Messköpfen gemessen, wodurch sich das Auseinanderhalten von verschiedenen Messsignalen und die nachfolgende Analyse vereinfacht. Thus, the optical layer thicknesses and the refractive index of the optical medium are measured with different measuring heads, which simplifies the separation of different measuring signals and the subsequent analysis.

In einer Ausführungsform der Erfindung liegen die Lichtwellenlängen der breitbandigen Lichtquelle im Nah-Infrarot-Bereich, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 950 nm bis 2000 nm, insbesondere im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 1200 nm. In one embodiment of the invention, the light wavelengths of the broadband light source are in the near-infrared range, preferably in the wavelength range from 950 nm to 2000 nm, in particular in the wavelength range from 1000 nm to 1200 nm.

In einer Durchführungsform der Erfindung liegt die Belichtungsdauer bei einer Messung unter 1000 µs, insbesondere unter 10 µs. In one embodiment of the invention, the exposure duration during a measurement is less than 1000 μs, in particular less than 10 μs.

Diese Messzeiten sind kurz genug, um die Verminderung der Messqualität durch mechanische Drifts wie etwa durch Vertikalbewegung der Probe vermieden. These measurement times are short enough to avoid the degradation of measurement quality due to mechanical drifts such as vertical movement of the sample.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die breitbandige kohärente Lichtquelle ausgewählt sein aus einer Gruppe, bestehend aus einer Leuchtdiode, einer Halbleiter-Superlumineszenz-Diode, einer ASE-Quelle (optically pumped fiber based amplified spontaneous emission source), einem optisch gepumpten photonischen Kristall-Laser sowie einem abstimmbaren Halbleiter-Quantendot-Laser. In the method according to the invention, the broadband coherent light source can be selected from a group consisting of a light-emitting diode, a semiconductor superluminescent diode, an ASE source (optically pumped fiber-based amplified spontaneous emission source), an optically pumped photonic crystal laser and a tunable semiconductor quantum dot laser.

Diese Lichtquellen eignen sich gut als Lichtquellen im Nah-Infrarot-Bereich. These light sources work well as near-infrared light sources.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren Erfassen der optischen Stufenhöhe des optischen Mediums anhand einer Messung an der Referenzstufe. In one embodiment of the invention, the method comprises detecting the optical step height of the optical medium based on a measurement at the reference stage.

In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Erfassen der optischen Stufenhöhe des optischen Mediums anhand einer Messung an der Referenzstufe mit dem zweiten Messkopf. In one embodiment of the invention, the detection of the optical step height of the optical medium takes place on the basis of a measurement at the reference stage with the second measuring head.

Der aktuelle Brechungsindex des optischen Mediums wird aus dem Verhältnis n = sR/dR einer spektralinterferometisch ermittelten optischen Stufenhöhe sR zur geometrischen Stufenhöhe dR unmittelbar bestimmt. The actual refractive index of the optical medium is determined directly from the ratio n = sR / dR of a spectrally interferometrically determined optical step height sR to the geometric step height dR.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die geometrische Stufenhöhe zuvor in Luft mit einem Monochrom-Interferometer bestimmt. Der Versatz der Interferenzsteifen liefert die Phasenverschiebung Δφ Modulo 2π bzw. die geometrische Stufenhöhe dR Modulo λ/2. In one embodiment of the invention, the geometric step height is previously determined in air with a monochrome interferometer. The offset of the interference fringes yields the phase shift Δφ modulo 2π or the geometric step height dR modulo λ / 2.

Dadurch kann die bereits anhand einer bereits im Vorfeld mit einer Mindestgenauigkeit von λ/2 durchgeführten Vorabmessung ermittelte Stufenhöhe hochpräzise bestimmt werden. As a result, the step height determined already on the basis of a preliminary measurement already carried out in advance with a minimum accuracy of λ / 2 can be determined with high precision.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das spektralinterferometrische Verfahren ein Auffächern der spektralen Verteilung der vom Messkopf erfassten Strahlung unter Verwendung eines optischen Gitters. According to one embodiment of the invention, the spectral interferometric method comprises a fanning of the spectral distribution of the radiation detected by the measuring head using an optical grating.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Reflektionsspektrum des von dem Messkopf empfangenen Lichts als eine Funktion der Wellenlängen I(λ) mittels eines Arrays von Photodetektoren in dem Spektrometer gemessen und ein Spektrum I'(1/λ) als eine Funktion der invertierten Wellenlängen ermittelt. In one embodiment of the invention, the reflectance spectrum of the light received by the probe as a function of wavelengths I (λ) is measured by an array of photodetectors in the spectrometer and a spectrum I '(1 / λ) determined as a function of the inverted wavelengths.

Unter Einsatz der aus den vorherigen Messungen ermittelten Brechungsindizes, kann dabei eine entzerrte Intensitätsverteilung I(k) mit k = n(λ)/λ berechnet werden. Using the refractive indices determined from the previous measurements, an equalized intensity distribution I (k) with k = n (λ) / λ can be calculated.

Aus der spektralen Analyse der Intensitätsverteilung I(k) kann dann direkt auf die optischen Schichtdicken der im Strahlengang liegenden Schichten geschlossen werden. From the spectral analysis of the intensity distribution I (k) can then be closed directly to the optical layer thicknesses of the layers lying in the beam path.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird bei der Ermittlung des Brechungsindexes des optischen Mediums ein Dispersionsabgleich auf Brechungsindex durchgeführt. Dazu wird vor der FFT (Fast Fourier Transformation) das Spektrum I(p) über Detektorpixel auf I(k´) umgerechnet, wobei man ein äquidistantes Raster über die spektrale Größe k´ = n(λ)/λ bildet. In one embodiment of the invention, a dispersion adjustment to refractive index is performed in determining the refractive index of the optical medium. For this purpose, before the FFT (Fast Fourier Transformation), the spectrum I (p) is converted to I (k ') via detector pixels, whereby an equidistant raster is formed over the spectral variable k'= n (λ) / λ.

Auf diese Weise kann durch den Dispersionsabgleich die Genauigkeit der Ermittlung des Brechungsindexes des optischen Mediums erhöht werden. In this way, the accuracy of determining the refractive index of the optical medium can be increased by the dispersion adjustment.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird bei der Ermittlung des Brechungsindexes des optischen Mediums Interferometerphasen-Bestimmung durchgeführt. According to one embodiment of the method, interferometric phase determination is performed in determining the refractive index of the optical medium.

Dabei wird zunächst eine Interferometerphase für ein λ₀ im Spektrum hochgenau bestimmt und sie dann mit einer grob gemessenen Absolutphase φ = 4 π·dR·n(λ₀)/λ₀ abgeglichen, um ein präzises n(λ₀) zu erhalten. Diese Prozedur wird dann für diejenigen Spektralanteile wiederholt, die zur Messung von s0, s1 und s2 beitragen, um daraus entsprechende geometrische Dicken abzuleiten. In this case, first an interferometer phase for a λ ₀ in the spectrum is determined with high precision and then compared with a roughly measured absolute phase φ = 4π · dR · n (λ ₀ ) / λ _{0 in} order to obtain a precise n (λ ₀ ). This procedure is then repeated for those spectral components which contribute to the measurement of s0, s1 and s2 in order to derive corresponding geometric thicknesses.

Für die Isolierung der Spektralanteile wird ein FFT-Filterverfahren durchgeführt, bei dem zunächst im komplexwertigen Fourierspektrum eine Umgebung um einen bestimmten Schichtdickenpeak herausgeschnitten und der Rest des Spektrums auf Null gesetzt wird. For the isolation of the spectral components, an FFT filtering process is carried out, in which first an environment around a certain layer thickness peak is cut out in the complex-valued Fourier spectrum and the remainder of the spectrum is set to zero.

Durch eine nachfolgende FFT-Rücktransformation des so modifizierten Fourier-Spektrums, wird dann die spektrale Modulation zu einer Einzelschichtdicke und daraus die Interferometerphase ermittelt. By a subsequent FFT inverse transformation of the thus modified Fourier spectrum, the spectral modulation is then determined to a single-layer thickness and from there the interferometer phase.

Alternativ kann die Interferometerphase unmittelbar anhand von Peaks des komplexwertigen Fourierspektrums extrahiert werden. Alternatively, the interferometer phase can be extracted directly from peaks of the complex Fourier spectrum.

Zur Ermittlung des Brechungsindexes wird ein Quotient zwischen der optischen und der geometrischen Weglängen gebildet. Das interferometrische Verfahren liefert die gemessene optische Dicke mit der Genauigkeit eines Terms, der eine ganzzahlige Konstante enthält, so dass man für den Brechungsindex erhält: n_gemessen(λ) = n(λ) + N·(λ/dR) To determine the refractive index, a quotient between the optical and the geometric path lengths is formed. The interferometric method provides the measured optical thickness with the accuracy of a term containing an integer constant to give the refractive index: n_measured (λ) = n (λ) + N · (λ / dR)

Um den Brechungsindex dennoch eindeutig bestimmen zu können, wird vorgeschlagen, die Referenzstufenhöhe dR der Luftschichtso klein zu halten, dass nur ein N-Wert einen Brechungsindex liefert, der konsistent mit dem Brechungsindex der Luft ist. Nevertheless, to be able to unambiguously determine the refractive index, it is proposed to keep the reference step height dR of the air layer small so that only one N value provides a refractive index consistent with the refractive index of the air.

Um den Brechungsindex n des Bearbeitungsmediums eindeutig bestimmen zu können, wird alternativ oder zusätzlich eine Messung der optischen Schichtdicke des optischen Mediums s0 mit der Messung im Vakuum bei der entsprechenden geometrischen Schichtdicke durchgeführt. Durch den Abgleich dieser beiden Messungen können beispielsweise die Ergebnisse der Stufenmessungen verifiziert werden. In order to be able to unambiguously determine the refractive index n of the processing medium, alternatively or additionally, a measurement of the optical layer thickness of the optical medium s0 is carried out with the measurement in vacuum at the corresponding geometric layer thickness. By comparing these two measurements, for example, the results of the step measurements can be verified.

Die erforderliche Absolutgenauigkeit bei der Messung des Brechungsindexes hängt von der geforderten Genauigkeit der Dickenbestimmung der Probe ab. Bei einer Zielgenauigkeit der Dickenmessung der Probe von 100 ppm, und bei einer Absolutgenauigkeit der optischen Stufenhöhenmessung von 1 nm, (etwa durch phasenschiebenden Interferometrie unter Einsatz eines HeNe-Lasers mit einer Verstärkungsbandbreite von 1,5 GHz und bei der Lichtwellenlänge von 632,816 nm) ist die Mindeststufenhöhe 10 µm. The required absolute accuracy in the measurement of the refractive index depends on the required accuracy of the thickness determination of the sample. At a target accuracy of sample thickness measurement of 100 ppm, and absolute accuracy of the optical step height measurement of 1 nm (such as phase-shifting interferometry using a HeNe laser with a gain bandwidth of 1.5 GHz and at the light wavelength of 632.816 nm) the minimum step height 10 μm.

Die maximale Stufenhöhe wird aus Eindeutigkeitsüberlegungen gewählt und hängt davon ab, wie genau man die Stufenhöhe bzw. den Brechungsindex in einer Vorabmessung bestimmen kann. Der interferometrische Eindeutigkeitsbereich hängt von der Wellenlänge und dem Brechungsindex des Mediums ab λ/(2·n). Beispielsweise, bei einer Wellenlänge von 1,1 µm und bei Brechungsindex von 1,33 (Wasser) ergibt dies 0,42 µm oder 4,2 Promille von 100 µm Stufenhöhe. The maximum step height is chosen for uniqueness considerations and depends on how accurately you can determine the step height or the refractive index in a pre-measurement. The interferometric uniqueness range depends on the wavelength and the refractive index of the medium from λ / (2 · n). For example, at a wavelength of 1.1 μm and at a refractive index of 1.33 (water), this gives 0.42 μm or 4.2 parts per thousand of 100 μm step height.

Im Falle der Luft als optisches Medium ist der Brechungsindex niedriger (n = 1,00029) und weist geringere Schwankungen auf (im Bereich von 10 %), sodass eine eindeutige Bestimmung des Brechungsindexes auch bei höheren Referenzschichthöhen erzielt werden kann. Durch Messung von Druck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit mit einer entsprechender Sensorik kann einen sehr genauen Zielwert für den Brechungsindex der Luft erhalten. In the case of air as an optical medium, the refractive index is lower (n = 1.00029) and has smaller variations (in the range of 10%), so that a clear determination of the refractive index can be achieved even at higher reference layer heights. By measuring pressure, temperature and humidity with appropriate sensors, a very accurate target value for the refractive index of the air can be obtained.

Durch die Messungen an der Referenzstufe, bzw. an den Referenzkavitäten des Fabry-Perot-Interferometers können die Temperaturabhängigkeit der Spektrometerkennlinie λ = λ(pixel) und ihre Auswirkung auf den Messwert kompensiert werden. Durch die Kombination der optisch gemessenen Dickenwerte der definierten Vakuum-Kavität und einer definierten Stufenhöhe in Luft kann der tatsächliche Brechungsindex der Luft ohne temperaturbedingten Messwertdrift ermittelt werden. By the measurements at the reference stage or at the reference cavities of the Fabry-Perot interferometer, the temperature dependence of the spectrometer characteristic λ = λ (pixel) and its effect on the measured value can be compensated. By combining the optically measured thickness values of the defined vacuum cavity and a defined step height in air, the actual refractive index of the air can be determined without temperature-dependent measured value drift.

Damit man für jede Temperatur den plausiblen Bereich genau trifft, wird vorgeschlagen, an der Messstelle einen Temperaturfühler anzubringen, um für die lokale Temperatur T den plausibelsten Brechungsindex für das optische Medium, n(T, λ) anzusetzen, um den plausibelsten N-Wert zu ermitteln. In order to meet the plausible range exactly for each temperature, it is proposed to attach a temperature sensor at the measuring point in order to set the most plausible refractive index for the optical medium, n (T, λ), at the local temperature T, by the most plausible N value determine.

Das beschriebene Messverfahren erlaubt es, Messungen in unterschiedlichen Genauigkeitsklassen – von 1000 ppm (grobe Messungen) bis 1 ppm (ultrapräzise Messungen) – durchzuführen. Dabei können die einzelnen Verfahrensschritte je nach Bedarf, sprich je nach erforderlicher Messgenauigkeit durchgeführt werden. The measuring method described makes it possible to carry out measurements in different accuracy classes - from 1000 ppm (coarse measurements) to 1 ppm (ultra-precise measurements). The individual process steps can be carried out as required, that is, depending on the required accuracy of measurement.

Mit sukzessiver Erweiterung des Verfahren mit den oben beschriebenen Verfahrensschritten, angefangen von der Messung der Gesamtlänge der Messstrecke d0, über das Konstanthalten von d0, über die Messung an der Referenzstufe in der Luft, über die Phasenauswertung, bis hin zur Messung an dem doppelten Fabry-Perot-Interferometer mit Luft- bzw. Vakuumkavitäten, kann die Messgenauigkeit bis hin zu 1 ppm sukzessive erhöht werden. With successive expansion of the method with the method steps described above, starting from the measurement of the total length of the measuring section d0, over the keeping constant of d0, over the measurement at the reference level in the air, over the phase evaluation, up to the measurement at the double Fabry-Perot interferometer with air or vacuum cavities The measuring accuracy can be successively increased up to 1 ppm.

Gemäß einer Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich ein Luftspalt bekannter Dicke gemessen und einer Phasenauswertung unterzogen. According to an embodiment of the method according to the invention, an air gap of known thickness is additionally measured and subjected to a phase evaluation.

Somit kann eine Echtzeiteichung des Spektrometers durchgeführt werden, wodurch durch etwaige Drifts verursachte Messungenauigkeiten reduziert werden können. Thus, a real-time calibration of the spectrometer can be performed, whereby measurement inaccuracies caused by any drifts can be reduced.

In einer Ausführungsform kann eine derartige Eichung des Spektrometers sowohl während einer Messung als auch zwischen zwei Messvorgängen durchgeführt werden. In one embodiment, such calibration of the spectrometer may be performed both during a measurement and between two measurements.

Somit kann die Eichung je nach Bedarf durchgeführt werden, sodass die Messzeit effizienter genutzt werden kann, insbesondere bei Spektrometern, welche geringe bzw. langsame Drifts aufweisen. Thus, the calibration can be performed as needed, so that the measurement time can be used more efficiently, especially in spectrometers that have low or slow drifts.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Vergleichsmessung an einer Referenzstufe in Luft zur Kontrolle und zum Abgleich eines temperaturabhängigen Spektrometers durchgeführt. According to one embodiment of the invention, a comparative measurement is carried out on a reference stage in air for the purpose of checking and matching a temperature-dependent spectrometer.

Dafür werden zuvor Messungen an einer Referenzstufe – insbesondere an der im zweiten Reflektor vorgesehenen Referenzstufe oder an einer identischen dazu Referenzstufe – in der Luft bei unterschiedlichen Temperaturen der Auswerteeinheit unter Erfassung der lokalen Temperatur in der Auswerteeinheit durchgeführt. For this purpose, measurements at a reference stage-in particular at the reference stage provided in the second reflector or at an identical reference stage-in the air at different temperatures of the evaluation unit are carried out with detection of the local temperature in the evaluation unit.

Die erfassten Daten zur Temperaturabhängigkeit der Auswerteeinheit kann dann in einer Speichereinheit hinterlegt und bei der Auswertung der Messsignale von der Auswerteeinheit ausgelesen werden. Auf diese Weise können die Auswirkungen der Temperaturschwankungen auf Messergebnisse bei der Auswertung mitberücksichtigt und ausgeglichen werden. The recorded data on the temperature dependence of the evaluation unit can then be stored in a memory unit and read out in the evaluation of the measurement signals from the evaluation unit. In this way, the effects of temperature fluctuations on measurement results during evaluation can be taken into account and compensated.

Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying figures.

1 zeigt schematisch eine optische Messstrecke in einem ersten Messzustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 1 schematically shows an optical measuring path in a first measuring state according to an embodiment of the invention.

2 zeigt schematisch die optische Messstrecke gemäß 1 in einem zweiten Messzustand. 2 schematically shows the optical measuring section according to 1 in a second measuring state.

3 zeigt schematisch eine Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 3 schematically shows a measuring device according to an embodiment of the invention.

4 zeigt schematisch eine Messvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 4 schematically shows a measuring device according to another embodiment of the invention.

Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. The figures are not necessarily to scale.

Die optische Messstrecke 5 wird durch einen Messkopf 6 und einen Reflektor 7 gebildet. Zwischen dem Messkopf 6 und dem Reflektor 7 ist ein fluides transparentes optisches Medium 14 vorgesehen. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist als optisches Medium 14 Luft vorgesehen. Der Messkopf 6 weist ein transparentes Fenster 8 mit einer Außenfläche 30 auf und ist dazu ausgebildet, das Licht von einer breitbandigen kohärenten Lichtquelle auszusenden und zu empfangen. The optical measuring section 5 is through a measuring head 6 and a reflector 7 educated. Between the measuring head 6 and the reflector 7 is a fluid transparent optical medium 14 intended. In this embodiment of the invention is as an optical medium 14 Air provided. The measuring head 6 has a transparent window 8th with an outer surface 30 and is adapted to emit and receive the light from a broadband coherent light source.

In diesem ersten Messzustand ist die Messstrecke 5 zwischen dem Messkopf 6 und dem Reflektor 7 von der Probe freigehalten. Das aus dem Messkopf 6 ausgesandte Licht, dargestellt durch den Pfeil A, wird von dem gegenüber der Messkopf 6 liegenden Reflektor 7 zurück zum Messkopf 6 reflektiert. Dabei ist ein Teil des zurückreflektierten Lichtes, dargestellt durch den Pfeil B, vom Messkopf 6 erfassbar. Der Reflektor 7 ist in diesem Beispiel als eine reflektierende Platte ausgebildet. In this first measuring state is the measuring section 5 between the measuring head 6 and the reflector 7 kept free of the sample. That from the measuring head 6 emitted light, represented by the arrow A, is from the opposite the measuring head 6 lying reflector 7 back to the measuring head 6 reflected. In this case, a part of the reflected back light, represented by the arrow B, from the measuring head 6 detectable. The reflector 7 is formed in this example as a reflective plate.

Da in dem in 1 gezeigten Messzustand die Probe 1 nicht im Lichtweg zwischen dem Messkopf 6 und der Reflektorplatte 7 steht, kann die luftgefüllte Strecke zwischen dem Fenster 8 und dem Reflektor 7 unmittelbar spektralinterferometrisch gemessen werden. As in the in 1 shown measurement state the sample 1 not in the light path between the measuring head 6 and the reflector plate 7 can stand, the air-filled track between the window 8th and the reflector 7 be measured directly spectrally interferometrically.

Aus der Messung können die optische Dicke s0 sowie über die Beziehung s0 = n·d0 die geometrische Dicke d0 des Spalts präzise ermittelt werden, vorausgesetzt, der Brechungsindex der Luft n ist bekannt. From the measurement, the optical thickness s0 and the relationship s0 = n × d0 can be used to precisely determine the geometric thickness d0 of the gap, provided that the refractive index of the air n is known.

In diesem zweiten Messzustand befindet sich die Probe 1 innerhalbe der Messtrecke 5. Die Probe 1 weist eine obere Oberfläche 15 und eine untere Oberfläche 16 und eine zu bestimmende Dicke dp auf. In this second measurement state is the sample 1 within the measuring distance 5 , The sample 1 has an upper surface 15 and a lower surface 16 and a thickness dp to be determined.

Das aus dem Messkopf 6 ausgesandte Licht wird von der ersten Oberfläche 15 der Probe 1, von der der ersten Oberfläche 15 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 16 der Probe 1 sowie von dem Reflektor 7 zurückreflektiert. Der Messkopf 6 ist insbesondere ausgebildet zum Aussenden des kohärenten Lichtes mehrerer Wellenlängen und zum Empfangen zumindest eines Teils eines von dem Reflektor 7 bzw. von der Probe 1, insbesondere von einer oberen Oberflächen 15 und von einer unteren Oberfläche 16 der Probe 1, reflektierter Lichtes. Der Strahlengang wird schematisch mit dünnen Pfeilen schematisch dargestellt. That from the measuring head 6 emitted light is emitted from the first surface 15 the sample 1 , from the first surface 15 opposite second surface 16 the sample 1 as well as the reflector 7 reflected back. The measuring head 6 is particularly adapted to emit the coherent light of multiple wavelengths and to receive at least a portion of one of the reflector 7 or from the sample 1 , in particular from an upper surface 15 and from a lower surface 16 the sample 1 , reflected light. The beam path is shown schematically schematically with thin arrows.

Die geometrischen Luftschichtdicken zwischen der Probe 1 und dem Messkopf 6 bzw. zwischen der Probe 1 und dem Reflektor 7 werden entsprechend durch d1 bzw. d2 gekennzeichnet. The geometric air layer thicknesses between the sample 1 and the measuring head 6 or between the sample 1 and the reflector 7 are marked accordingly by d1 or d2.

In diesem Messzustand können mittels Analysierens von Interferenzen in einem breitbandigen Spektralbereich zwischen von der Außenfläche 30 des Fensters 8 und von dem Reflektor 7 bzw. von den Oberflächen 15 und 16 der Probe 1 reflektierten Teilwellen des Lichtes die den geometrischen Schichtdicken d1 und d2 entsprechenden optischen Schichtdicken s1 und s2 der Luft bestimmt werden, so dass unter Kenntnis des Brechungsindexes n der Luft die geometrische Dicke dp der Probe direkt bestimmt werden kann gemäß dp = (s0 – s1 – s2)/n, ohne über den Brechungsindex oder Dispersionseigenschaften der Probe bzw. über ihre Temperaturabhängigkeit etwas wissen zu müssen. In this measurement state, by analyzing interferences in a broadband spectral range between the outer surface 30 of the window 8th and from the reflector 7 or from the surfaces 15 and 16 the sample 1 reflected partial wavelengths of the light, the optical layer thicknesses s1 and s2 of the air corresponding to the geometric layer thicknesses d1 and d2 are determined, so that the knowledge of the refractive index n of the air, the geometric thickness dp of the sample can be determined directly according to dp = (s0 - s1 - s2 ) / n, without having to know anything about the refractive index or dispersion properties of the sample or about their temperature dependence.

3 zeigt schematisch die Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 3 schematically shows the measuring device according to an embodiment of the invention.

Die Messvorrichtung 45 weist die optische Messstrecke 5 zwischen einem Messkopf 6 und einem Reflektor 7 auf. Der Reflektor 7 ist in diesem Beispiel als eine Reflektorplatte ausgebildet. The measuring device 45 has the optical measuring section 5 between a measuring head 6 and a reflector 7 on. The reflector 7 is formed in this example as a reflector plate.

Die Messvorrichtung 45 weist eine breitbandige kohärente Lichtquelle 17 auf. Die Lichtquelle 17 kann eine spektrale Breitband-Lichtquelle oder eine abstimmbare Laser-Quelle sein, welche zum Emittieren kohärenten Lichts mehrerer Wellenlängen in einem Nah-Infrarot-Bereich ausgebildet ist. Die Lichtquelle 17 kann mittels einer oszillierenden Mikromechanik (oscillating micromechanics) abstimmbar sein. The measuring device 45 has a broadband coherent light source 17 on. The light source 17 may be a broadband spectral light source or a tunable laser source configured to emit coherent light of multiple wavelengths in a near infrared region. The light source 17 may be tunable by means of oscillating micromechanics.

Der Messkopf 6 ist dazu ausgebildet, das Licht von der breitbandigen kohärenten Lichtquelle 17 auszusenden und zu empfangen. Der Messkopf 6 ist in einem Gehäuse 18 angeordnet. Kohärentes Licht der Lichtquelle 17 und zumindest ein Teil der reflektierten Strahlung treten durch ein Fenster 8 des Gehäuses 18 durch, wobei das Fenster 8 für das Licht der Lichtquelle 17 transparent ist. In der gezeigten Ausführungsform ist das Fenster 8 transparent für infrarotes Licht. The measuring head 6 is adapted to receive the light from the broadband coherent light source 17 to send and receive. The measuring head 6 is in a housing 18 arranged. Coherent light of the light source 17 and at least a portion of the reflected radiation passes through a window 8th of the housing 18 through, with the window 8th for the light of the light source 17 is transparent. In the embodiment shown, the window is 8th transparent for infrared light.

Die Auswerteeinheit 24 ist zum Ermitteln der Dicke der Probe 1 mittels Analysierens von Spektral-Breitbandinterferenzen vorgesehen. The evaluation unit 24 is to determine the thickness of the sample 1 by analyzing spectral broadband interference.

Die Messvorrichtung 45 weist ferner eine zweite optische Messstrecke 5´ zwischen einem zweiten Messkopf 6´ und einem zweiten Reflektor 7´ unterhalb der Probe 1 zur Bestimmung des Brechungsindexes der Luft auf. Der zweite Messkopf 6´ weist ein Fenster 8´ mit einer Außenfläche 30´ auf. Wenigstens ein Teil des von dem zweiten Messkopf 6´ ausgesandten und von dem zweiten Reflektor 7´ zurückreflektierten Lichtes wird vom zweiten Messkopf 6´ erfasst. Dies wird durch Pfeile A´ und B´ verdeutlicht. The measuring device 45 also has a second optical measuring path 5 ' between a second measuring head 6' and a second reflector 7' below the sample 1 for determining the refractive index of the air. The second measuring head 6' has a window 8th with an outer surface 30' on. At least part of the second measuring head 6' emitted and from the second reflector 7' reflected light is from the second measuring head 6' detected. This is illustrated by arrows A 'and B'.

Die Messvorrichtung 45 weist eine obere Haltefläche 2 und eine untere Haltefläche 3 auf. Die Probe 1 mit einer oberen Oberfläche 15 und mit einer unteren Oberfläche 16 ist in einem Spalt 4 zwischen den Halteflächen 2 und 3 in einer speziellen Halterung (nicht dargestellt) gelagert. The measuring device 45 has an upper holding surface 2 and a lower holding surface 3 on. The sample 1 with an upper surface 15 and with a lower surface 16 is in a gap 4 between the holding surfaces 2 and 3 stored in a special holder (not shown).

Die obere Haltefläche 2 weist Ausnehmungen 11 und 11´ zur Aufnahme der Messköpfe 6 und 6´ auf. Die untere Haltefläche weist Ausnehmungen 13 und 13´ zur Aufnahme von Reflektoren 7 und 7´ auf. The upper holding surface 2 has recesses 11 and 11' for receiving the measuring heads 6 and 6' on. The lower holding surface has recesses 13 and 13' for receiving reflectors 7 and 7' on.

In dieser Ausführungsform ist der zweite Reflektor 7´ in Form einer Referenzstufe 26 ausgebildet. Somit ergibt sich eine luftgefüllte Stufe für Referenzmessungen zur Bestimmung des aktuellen Brechungsindexes der Luft, der im Allgemeinen temperatur-, druck- und feuchtigkeitsabhängig variieren kann. In this embodiment, the second reflector 7' in the form of a reference level 26 educated. Thus, there is an air filled level for reference measurements to determine the actual refractive index of the air, which can generally vary in temperature, pressure and humidity.

Der tatsächliche aktuelle Brechungsindex der Luft kann – auch bedingt durch Luftkontamination – von einem nominellen Wert abweichen. The actual refractive index of the air may deviate from a nominal value, also due to air contamination.

Zur Erhöhung der Robustheit der Referenzmessungen gegenüber Temperaturschwankungen, wird für die Referenzstufe ein Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet. To increase the robustness of the reference measurements against temperature fluctuations, a material with a low thermal expansion coefficient is used for the reference stage.

In diesem Beispiel ist die Referenzstufe 26 aus Quarzglas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient von 0,5 × 10 ^–6 1/K ausgeführt. In this example, the reference level is 26 made of quartz glass with a thermal expansion coefficient of 0.5 × 10 ^-6 1 / K.

Die Referenzstufe 26 kann auch aus einem Material mit einem noch geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sein. The reference level 26 can also be made of a material with an even lower coefficient of thermal expansion.

In einer vorteilhaften Ausführung ist die Referenzstufe als eine Zerodur-Glas-Referenzstufe (ZERODUR^RTM) ausgeführt mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nahezu gleich Null. In an advantageous embodiment, the reference stage is designed as a Zerodur glass reference stage (ZERODUR ^RTM ) with a thermal expansion coefficient close to zero.

Für eine ungestörte und genaue Messung wird sichergestellt, dass die Temperatur, Druck und die Feuchtigkeit der Luft an den Messstellen 5 und 5´ gleich ist, und dass die Oberfläche der Referenzstufe 26 frei von Partikeln oder Ablagerungen ist. For an undisturbed and accurate measurement it is ensured that the temperature, pressure and humidity of the air at the measuring points 5 and 5 ' is the same, and that the surface of the reference level 26 free from particles or deposits.

Zur Erfassung der aktuellen Temperatur an den Messstellen können Temperaturfühler vorgesehen werden. Temperature sensors can be provided to record the current temperature at the measuring points.

Der Messkopf 6´ ist mit dem Spektrometer 19 mittels Lichtwellenleiter 21´ gekoppelt bzw. verbunden, wobei die Lichtwellenleiter 21 und 21´ unterschiedliche dimensioniert sind, um Signalübersprechen zwischen unterschiedlichen Messköpfen zu minimieren. The measuring head 6' is with the spectrometer 19 by optical fiber 21' coupled or connected, wherein the optical waveguides 21 and 21' are dimensioned to minimize signal crosstalk between different measuring heads.

Der zweite Reflektor 7´ weist eine erste reflektierende Fläche 9 und eine zweite reflektierende Fläche 10 auf. Zwischen den reflektierenden Flächen 9 und 10 ist ein Raum (nicht dargestellt) mit einer bekannten Höhe zur Aufnahme des optischen Mediums vorgesehen. Somit ergibt sich eine Schicht des optischen Mediums mit einer bekannten Schichtdicke für Referenzmessungen zur Bestimmung des aktuellen Brechungsindexes des optischen Mediums, der im Allgemeinen temperatur- und zusammensetzungsabhängig variieren kann. The second reflector 7' has a first reflective surface 9 and a second reflective surface 10 on. Between the reflective surfaces 9 and 10 a space (not shown) with a known height for receiving the optical medium is provided. This results in a layer of the optical medium having a known layer thickness for reference measurements for determining the actual refractive index of the optical medium, which may generally vary in temperature and composition.

Der Messkopf 6 ist mit einem Spektrometer 19 mittels Lichtwellenleiter 21, 23 gekoppelt bzw. verbunden. The measuring head 6 is with a spectrometer 19 by optical fiber 21 . 23 coupled or connected.

Ein optischer Koppler 20 koppelt die Lichtquelle 17 mittels des ersten Lichtwellenleiters 21 und eines zweiten Lichtwellenleiters 22, der den optischen Koppler 20 mit der Lichtquelle 17 verbindet, an den Messkopf 6. Das kohärente Licht der Lichtquelle 17 wird dem Messkopf 6 über den zweiten Lichtwellenleiter 22, den optischen Koppler 20 und den ersten Lichtwellenleiter 21 bereitgestellt. An optical coupler 20 couples the light source 17 by means of the first optical waveguide 21 and a second optical fiber 22 that the optical coupler 20 with the light source 17 connects to the measuring head 6 , The coherent light of the light source 17 becomes the measuring head 6 over the second optical fiber 22 , the optical coupler 20 and the first optical fiber 21 provided.

Die von der oberen und von der unteren Oberflächen 15, 16 sowie von der Reflektorplatte 7 zurückreflektierte Strahlung wird dem Spektrometer 19 der Messvorrichtung 45 über den ersten Lichtwellenleiter 21 und einen dritten Lichtwellenleiter 23, der den optischen Koppler 20 mit dem Spektrometer 19 koppelt, bereitgestellt. Das Spektrum der reflektierten Strahlung wird mittels eines Arrays von Photodetektoren (nicht gezeigt) in dem Spektrometer als eine Funktion der Wellenlängen I(λ) gemessen und einer Auswertevorrichtung 24 mittels einer Signalleitung 25, die das Spektrometer 19 mit der Auswertevorrichtung 24 koppelt, bereitgestellt. The top and bottom surfaces 15 . 16 as well as the reflector plate 7 back-reflected radiation becomes the spectrometer 19 the measuring device 45 over the first optical fiber 21 and a third optical fiber 23 that the optical coupler 20 with the spectrometer 19 couples, provided. The spectrum of the reflected radiation is measured by an array of photodetectors (not shown) in the spectrometer as a function of the wavelengths I (λ) and an evaluation device 24 by means of a signal line 25 that the spectrometer 19 with the evaluation device 24 couples, provided.

Bei einem Spektrometer mit 512 Kanälen wird das erfasste Lichtspektrum durch 512 Intensitätswerte I(p) wiedergegeben. Hier bezeichnet p die Kanal-nummer bzw. die Pixelnummer des Spektrometers. Über die Spektrometerkennlinie λ(p) und über eine als Tabelle hinterlegte Abhängigkeit n = n(λ) des Materials können sogenannte "entzerrte" Intensitäten I(k) mit k = n(λ)/λ ermittelt werden. For a 512 channel spectrometer, the detected light spectrum is represented by 512 intensity values I (p). Here p denotes the channel number or the pixel number of the spectrometer. Via the spectrometer characteristic λ (p) and via a dependency n = n (λ) of the material stored as a table, so-called "equalized" intensities I (k) with k = n (λ) / λ can be determined.

Unter der Annahme, dass die geometrische Schichtdicke d0 zwischen dem Fenster 8 und der Reflektor 7 in dem Messzustand gem. 1 und in dem Messzustand gem. 2 gleich groß, gilt: d0 = d1 + dp + d2. Daraus kann die geometrische Dicke der Probe dp aus der geometrischen Dicken der Luftschichten ermittelt werden. Assuming that the geometric layer thickness d0 between the window 8th and the reflector 7 in the measurement state acc. 1 and in the measuring state gem. 2 the same applies: d0 = d1 + dp + d2. From this, the geometric thickness of the sample dp can be determined from the geometric thicknesses of the air layers.

4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Messvorrichtung 45´ der 4 ist zum Teil identisch mit der Messvorrichtung 45 der 3 und weist auch eine zweite Messstrecke 5´ mit einem zweiten Messkopf 6´ und mit einem zweiten Reflektor 7´´ zur Bestimmung des Brechungsindexes der Luft auf. Die Messstrecke 5´ ist so ausgebildet, dass wenigstens ein Teil des von dem zweiten Messkopf 6´ ausgesandten und von dem zweiten Reflektor 7´´ zurückreflektierten Lichtes vom zweiten Messkopf 6´ erfasst wird. Dies wird durch Pfeile A´ und B´ verdeutlicht. 4 shows schematically a further embodiment of the invention. The measuring device 45' of the 4 is partly identical to the measuring device 45 of the 3 and also has a second measuring section 5 ' with a second measuring head 6' and with a second reflector 7'' for determining the refractive index of the air. The measuring section 5 ' is formed so that at least a part of the second measuring head 6' emitted and from the second reflector 7'' reflected light from the second measuring head 6' is detected. This is illustrated by arrows A 'and B'.

Im Unterschied zur Messvorrichtung der 3 ist der zweite Reflektor 7´´ oberhalb der Probe angeordnet und istin Form eines doppelten Fabry-Perot-Interferometers ausgebildet, der eine erste luftgefüllte Resonator-Wegstrecke (27) und eine zweite evakuierte Resonator-Wegstrecke (28) aufweist, wobei die beiden Resonator-Wegstrecken (27, 28) gleich lang sind. Die äußeren reflektierenden Flächen 9´´ und 10´´ des Reflektors 7´´ stellen zugleich Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsfenster des jeweiligen Fabry-Perot-Resonators dar. In contrast to the measuring device of 3 is the second reflector 7'' is arranged above the sample and is in the form of a double Fabry-Perot interferometer comprising a first air-filled resonator path ( 27 ) and a second evacuated resonator path ( 28 ), wherein the two resonator paths ( 27 . 28 ) are the same length. The outer reflective surfaces 9'' and 10'' of the reflector 7'' represent at the same time light entrance or light exit window of the respective Fabry-Perot resonator.

Somit ergibt sich für Referenzmessungen eine luftgefüllte Strecke und eine Strecke mit gleicher Länge mit Vakuum zur Bestimmung des aktuellen Brechungsindexes der Luft, der wie oben erwähnt im Allgemeinen temperatur-, druck-, feuchtigkeits- und zusammensetzungsabhängig variieren kann. Thus, for reference measurements, an air-filled track and a track of equal length with vacuum will be used to determine the actual refractive index of the air which, as mentioned above, can generally vary in temperature, pressure, humidity and composition.

In diesem Beispiel ist der Körper des doppelten Fabry-Perot-Interferometers mit aus Zerodur (ZERODUR^RTM) ausgeführt mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten unter 10^–8 K^–1. In this example, the body of the double Fabry-Perot interferometer is made with Zerodur (ZERODUR ^RTM ) with a thermal expansion coefficient below 10 ^-8 K ^-1 .

Zur Erfassung der aktuellen Temperatur, des aktuellen Druckes und der Luftfeuchtigkeit kann eine entsprechende Sensorik mit entsprechenden Sensoren an den Messstellen vorgesehen werden. To record the current temperature, the current pressure and the air humidity, a corresponding sensor system with corresponding sensors can be provided at the measuring points.

Um die Oberfläche der Reflektoren 7, 7´´ Referenzstufe 26 von Partikeln oder Ablagerungen frei zu halten, kann sie während der Messung oder zwischen Messvorgängen einer Ultraschallreinigung mit Hilfe eines an der Messvorrichtung, insbesondere an einer der Halteflächen 2 oder 3 angekoppelten Ultraschallgenerators (nicht dargestellt) unterzogen werden. To the surface of the reflectors 7 . 7'' reference level 26 of particles or deposits, it can during the measurement or between measuring operations of an ultrasonic cleaning with the help of a on the measuring device, in particular on one of the holding surfaces 2 or 3 coupled ultrasonic generator (not shown) are subjected.

Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen. Although at least one exemplary embodiment has been shown in the foregoing description, various changes and modifications may be made. The above embodiments are merely examples and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the present disclosure in any way. Rather, the foregoing description provides those skilled in the art with a scheme for practicing at least one example embodiment, which may make numerous changes in the function and arrangement of elements described in an exemplary embodiment without departing from the scope of the appended claims and their legal equivalents ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Probe sample
22: erste Haltefläche first holding surface
33: zweite Haltefläche second holding surface
44: Spalt gap
55: Messstrecke measuring distance
66: Messkopf probe
77: Reflektor reflector
88th: Fenster window
99: erste reflektierende Fläche first reflecting surface
1010: zweite reflektierende Fläche second reflective surface
1111: Ausnehmung in der ersten Haltefläche Recess in the first holding surface
1212: Ausnehmung in der zweiten Haltefläche Recess in the second holding surface
1313: Stufenkante step edge
1414: optisches Medium optical medium
1515: erste Oberfläche der Probe first surface of the sample
1616: zweite Oberfläche der Probe second surface of the sample
1717: Lichtquelle light source
1818: Gehäuse casing
1919: Spektrometer spectrometer
2020: Koppler coupler
2121: erster Lichtwellenleiter first optical fiber
2222: zweiter Lichtwellenleiter second optical fiber
2323: dritter Lichtwellenleiter third optical fiber
2424: Auswerteeinheit evaluation
2525: Signalleitung signal line
2626: Referenzstufe reference level
2727: Luftgefüllte Resonator-Wegstrecke Air-filled resonator path
2828: Evakuierte Resonator-Wegstrecke Evacuated resonator path
2929: Vakuum vacuum
3030: Außenfläche des Fensters Outside surface of the window
d0d0: geometrischer Abstand zwischen dem Messkopf und dem Reflektor geometric distance between the measuring head and the reflector
d1d1: geometrische Schichtdicke des optischen Mediums zwischen der Probe und dem Messkopf geometric layer thickness of the optical medium between the sample and the measuring head
d2d2: geometrische Schichtdicke des optischen Mediums zwischen der Probe und dem Reflektor geometric layer thickness of the optical medium between the sample and the reflector
dpdp: geometrische Schichtdicke der Probe geometric layer thickness of the sample
dRdR: geometrische Stufenhöhe der Referenzstufe geometric step height of the reference step

Claims

Measuring device for measuring a thickness of a flat sample ( 1 ) with a fluid transparent optical medium ( 14 ) having optical measuring path ( 5 ) between a measuring head ( 6 ) and a reflector ( 7 ), whereby the measuring head ( 6 ) a window ( 8th ) with an outer surface ( 30 ) and for emitting and receiving a light from a broadband coherent light source ( 17 ) is formed in a spectral region in which the sample is at least partially transparent, and wherein at least a portion of the of the measuring head ( 6 ) and emitted by the reflector ( 7 ) or surfaces ( 15 . 16 ) of the sample ( 1 ) reflected light from the measuring head ( 6 ) is detectable, so that a reflection spectrum of the measuring head ( 6 ) detected back-reflected light can be determined, and wherein an evaluation unit ( 24 ) for determining a thickness of the sample ( 1 ) by analyzing interferences in a broadband spectral range between the outer surface ( 30 ) of the window ( 8th ) and of the reflector ( 7 ) or from the surfaces ( 15 . 16 ) of the sample ( 1 ) is provided, wherein the measuring device is designed such that measurements in a first measurement state and in a second measurement state are feasible, wherein in the first measurement state, an optical layer thickness of the measurement path ( 5 ) with the optical medium ( 14 ) without sample ( 1 ) is measurable and in the second measuring state an optical layer thickness of the optical medium ( 14 ) between the sample ( 1 ) and the measuring head ( 6 ) as well as an optical layer thickness of the medium ( 14 ) between the sample ( 1 ) and the reflector ( 7 ) are measurable, and wherein a second reflector ( 7' . 7'' ) for determining the refractive index of the optical medium ( 14 ) is provided, and wherein the measuring head ( 6 ) and the second reflector ( 7' . 7'' ) in such a way that at least a part of one of the measuring head ( 6 ) and from the second reflector ( 7' . 7'' ) reflected light from the measuring head ( 6 ) is detectable.

Measuring device according to claim 1, characterized in that a second measuring section ( 5 ' ) between a second measuring head ( 6' ) and the second reflector ( 7' . 7'' ) for determining a refractive index of the optical medium ( 14 ), wherein at least a part of one of the second measuring head ( 6' ) and from the second reflector ( 7' . 7'' ) reflected light from the second measuring head ( 6' ) is detectable.

Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the second reflector ( 7' . 7'' ) as a reference level ( 26 ) with a first reflective surface ( 9 . 9 ' ), with a second reflective surface ( 10 . 10' ) and with a step edge ( 13 ) is formed with a known step height (dR).

Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the second reflector ( 7'' ) is formed as a double Fabry-Perot interferometer comprising a first air-filled resonator path ( 27 ) with a first reflective surface ( 9 ' ) and a second evacuated resonator path ( 28 ) with a second reflective surface ( 10' ), the two paths ( 27 . 28 ) are the same length.

Measuring device according to claim 3 or 4, characterized in that that of the first reflecting surface ( 9 . 9 ' ) reflected light and that of the second reflective surface ( 10 . 10' ) reflected light from the second measuring head ( 6' ) are simultaneously detectable.

Method for measuring a thickness of a flat sample in a measuring device ( 45 ) according to one of claims 1 to 5, comprising the following steps: - emitting the multi-wavelength broadband coherent light from the measuring head ( 6 ); - Receiving with the measuring head ( 6 ) at least part of a back-reflected light; Determining a thickness of the sample ( 1 ) by analyzing the from the measuring head ( 6 ), wherein the method comprises receiving the back reflected light in the first measurement state and receiving the back reflected light in the second measurement state and detecting the light reflected back from the second reflector for determining the refractive index.

A method according to claim 6, characterized in that the method detecting the optical step height of the optical medium based on a measurement at the reference level ( 26 ).

A method according to claim 6 or 7, characterized in that for the measurement, a coherent light is used, which is emitted by a broadband spectral light source or a tunable laser source.

Method according to one of claims 6 to 8, characterized in that the light wavelengths in the range of 950 nm to 2000 nm, in particular in the range of 1000 nm to 1200 nm.

Method according to one of claims 6 to 9, characterized in that a reflection spectrum I (λ) of the of the measuring head ( 6 ) is measured as a function of the wavelengths λ by means of an array of photodetectors in the spectrometer and a spectrum I '(1 / λ) is determined from the measured reflection spectrum I (λ) as a function of the inverted wavelengths.

Method according to one of claims 6 to 11, characterized in that in the determination of the refractive index of the optical medium dispersion adjustment and / or interferometer phase determination is performed.

Method according to one of claims 6 to 12, characterized in that a comparison measurement is carried out at a reference level in air for controlling and for adjusting a temperature-dependent spectrometer.