DE102015118483B3

DE102015118483B3 - Interferenzobjektiv nach Mirau

Info

Publication number: DE102015118483B3
Application number: DE102015118483.4A
Authority: DE
Inventors: Hans-Martin Heuck; Frank Eisenkrämer
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2017-05-04
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: JP2018532164A; JP6732904B2; WO2017072315A1; WO2017072315A9; US20180364465A1; US10890745B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Interferenzobjektiv (1) nach Mirau mit einer Objektivlinse (2), einem zwischen Objektivlinse (2) und einem zu untersuchenden Objekt (5) angeordneten Teilerelement (4) zur Teilung auftreffenden Lichts in einen Probenstrahlengang (7) und einen Referenzstrahlengang (6), wobei die Objektivlinse (2) den Probenstrahlengang (7) auf das zu untersuchende Objekt (5) fokussiert, und mit einem zwischen Teilerelement (4) und Objektivlinse (2) angeordneten Spiegelelement (3) zur Reflexion des Referenzstrahlengangs (6), wobei das Interferenzobjektiv (1) ein Phasenverschiebungskompensationselement zur Kompensation einer wellenlängenabhängigen Phasenverschiebung zwischen Referenzstrahlengang (6) und dem sich mit diesem überlagernden Probenstrahlengang (7) enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Interferenzobjektiv nach Mirau mit einer Objektivlinse, einem zwischen Objektivlinse und einem zu untersuchenden Objekt angeordneten Teilerelement zur Teilung auftreffenden Lichts in einen Probenstrahlengang und einen Referenzstrahlengang, wobei die Objektivlinse den Probenstrahlengang auf das zu untersuchende Objekt fokussiert, und mit einem zwischen Teilerelement und Objektivlinse angeordneten Spiegelelement zur Reflexion des Referenzstrahlengangs.
Stand der Technik
Ein gattungsgemäßes Interferenzobjektiv nach Mirau ist aus der EP 0 612 414 B1 bekannt und in der 1 schematisch dargestellt. Das Interferenzobjektiv 1 umfasst eine Objektivlinse 2 mit einem Aufsatz bestehend aus einem Spiegelelement 3 und einem Teilerelement 4. Das Spiegelelement 3 ist zur Objektivlinse 2 hin angeordnet, während das Teilerelement 4 zum Objekt 5 hin angeordnet ist. Das Spiegelelement 3 besteht aus einer optisch transparenten Platte mit einem verspiegelten Teil (Referenzspiegel) 3a, der auf der optischen Achse angeordnet ist. Ein Teil des durch das Spiegelelement 3 hindurchtretenden und auf das Teilerelement 4 auftreffenden Lichtes wird von dem Teilerelement 4 als Referenzstrahlengang 6 reflektiert und gelangt auf den verspiegelten Teil 3a des Spiegelelements 3. Das dort reflektierte Licht gelangt zum Teilerelement 4 und wird dort wiederum zum Teil zurück zum transparenten Teil des Spiegelelements 3 reflektiert, von wo der Referenzstrahlengang 6 zur Objektivlinse 2 gelangt. Der nicht am Teilerelement 4 reflektierte Teil des vom Objektiv kommenden Lichts durchläuft das Teilerelement 4 als transmittierter Strahl und wird als Probenstrahlengang 7 auf das zu vermessende Objekt 5 fokussiert. Nach Reflexion an dem Objekt 5 tritt der Probenstrahlengang 7 durch das Teilerelement 4 und gelangt von dort ebenfalls zur Objektivlinse 2. Der Probenstrahl und der Referenzstrahl überlagern sich nach Durchtritt des Probenstrahls durch das Teilerelement 4. Beide Lichtstrahlen kommen zur Interferenz. Das entstehende Interferenzmuster kann mikroskopisch abgebildet werden. Auf diese Weise kann durch Abscannen des Objekts 5 und Auswertung der Interferenzmuster die Mikrostruktur des vermessenen Objekts 5 dreidimensional dargestellt werden.
Die DE 39 42 896 A1 beschreibt eine Mirau-ähnliche Interferometer-Anordnung, in der zur genauen Messung kleiner Abstandsänderungen einer kleinen Messfläche zwischen einer Referenzfläche und der Messfläche ein Verzögerungselement angeordnet ist, welches eine Differenz der Gangunterschiede zwischen dem Messstrahl und dem Vergleichsstrahl von ungefähr Lambda-Viertel für zwei Polarisationsrichtungen bewirkt. Die Leistungen der Strahlungen in diesen Polarisationsrichtungen werden von einer Detektionseinrichtung gemessen, die aus einem polarisationsabhängigen Strahlteiler und zwei Detektoren besteht.
Bei bekannten interferenzmikroskopischen Verfahren unter Verwendung eines derartigen Mirau-Objektivs stellt sich als nachteilig heraus, dass die zu untersuchenden Objekte stark variierende Reflexionswerte aufweisen können. Die Helligkeit des Probenstrahlengangs variiert somit stark in Abhängigkeit vom zu vermessenden Objekt, während die Helligkeit des am verspiegelten Fleck des Spiegelelements reflektierten Referenzstrahlengangs unabhängig vom zu vermessenden Objekt gleich hoch bleibt. Die Interferenz zweier Teilstrahlen unterschiedlicher Helligkeit führt aber bekanntlich zu schlechten Kontrasten.
Die genannte EP 0612 414 B1 schlägt zur Behebung dieses Nachteils vor, einen Wechselträger mit mehreren unterschiedlichen Teilerelementen einzusetzen, die sich in ihren jeweiligen Reflexions-/Transmissionscharakteristiken unterscheiden, so dass in Abhängigkeit von der jeweiligen Reflektivität des zu vermessenden Objekts wahlweise ein passendes Teilerelement in den Strahlengang eingebracht werden kann. Auf diese Weise können die Helligkeiten des Referenz- und des Probenstrahlengangs auch bei unterschiedlich reflektierenden Objekten jeweils möglichst gleich gehalten werden, um einen optimalen Kontrast zu erzielen.
Aus der EP 2 369 293 A1 ist ebenfalls ein Interferenzmikroskop mit Mirau-Objektiv bekannt. Die zu untersuchende Probe wird mit einem breiten Wellenlängenspektrum, beispielsweise Weißlicht, beleuchtet. In einer dort definierten "Fokusposition" ist bei einem üblichen Mirau-Objektiv die optische Weglänge des Probenstrahlengangs gleich der optischen Weglänge des Referenzstrahlengangs. Probenstrahl und Referenzstrahl überlagern sich dann bei gleicher Phase und ergeben ein Interferenzmusterbild hoher Intensität. Dies wirkt sich bei der Vermessung von Objekten mit Bereichen hoher und Bereichen niedriger Reflektivität jedoch nachteilig aus, da eine für einen Objektbereich niedriger Reflektivität eingestellte Helligkeit bei einem Objektbereich hoher Reflektivität zu einer Übersteuerung führen kann. Deshalb schlägt die genannte EP 2 369 293 A1 ein 90°-Phasenschiebeelement ("phase difference control member") vor, das in Form einer dielektrischen Schicht auf das Teilerelement oder das Spiegelelement aufgebracht sein kann. Das 90°-Phasenschiebeelement verursacht bei Überlagerung des Probenstrahls und des Referenzstrahls eine Phasenverschiebung zwischen Probenstrahlgang und Referenzstrahlengang von insgesamt 180°. Die resultierende Helligkeit des Interferenzmusters ist somit minimal, so dass die oben beschriebene Übersteuerung bei Reflexion an hochreflektierenden Probenteilen vermieden werden kann.
Die US 8,072,610 B1 behandelt ein Mirau-Interferometer zur Verwendung für die geometrische Phasenverschiebungsinterferometrie. Das Teilerelement eines Mirau-Objektivs wird durch zwei achromatische λ/4-Plättchen ersetzt, wobei das zweite, dem Objekt zugewandte λ/4-Plättchen auf seiner Oberseite eine dünne reflektierende Schicht mit einer Reflektivität von 50% aufweist, um einen Strahlteiler zu erhalten. Die für den Referenzstrahl benötigte reflektierende Spiegelfläche kann direkt auf der Frontfläche des Objektivs aufgebracht sein oder aber auf einem Spiegelelement, das zwischen Objektiv und dem ersten λ/4-Plättchen angeordnet ist. Bei der Interferometriemethode der genannten US 8,072,610 B1 wird beispielsweise weißes, linear polarisiertes Licht über das Objektiv in Richtung Objekt geleitet. Bei der genannten Ausgestaltung des Teilerelements bleibt die Polarisationsebene des Referenzstrahlengangs beim Eintritt zurück in das Objektiv unverändert, während die Polarisationsebene des Probenstrahlengangs um 90° gedreht ist. Die beiden orthogonal zueinander polarisierten Strahlengänge werden nach Durchtritt durch das Objektiv über einen Strahlteiler und von dort durch einen achromatischen Phasenschieber zu einer CCD-Kamera geleitet.
Schließlich ist auch aus der US 4,639,139 A ein Mirau-Interferometer bekannt, bei dem das Spiegelelement zwischen Objektiv und Teilerelement mittels eines piezoelektrischen Antriebs in Richtung optischer Achse verfahren werden kann. Das erhaltene Interferenzmuster wird auf ein Photozellenarray fokussiert, dessen Ausgangssignal jeweils über eine durch Verschiebung des Spiegelelements erzeugte Phasenverschiebung von 90° integriert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Mirau-Objektiv den Kontrast des erhaltenen Interferenzmusters beim Einsatz von breitbandigen Lichtquellen, beispielsweise Weißlicht, weiter zu erhöhen.
Die Erfindung schlägt zu diesem Zweck ein Interferenzobjektiv nach Mirau mit den Merkmalen des Patentanspruch 1 vor. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der Stand der Technik berücksichtigt bisher nicht, dass die verwendeten Teilerelemente und in einem geringen Maß auch die verwendeten Spiegelelemente eine über die Wellenlänge variierende Phasenverzögerung bewirken. Außerdem weist jede Probe ihrerseits einen materialtypischen wellenlängenabhängigen Phasenverlauf auf. Insbesondere bei Proben, die dünne Schichten aufweisen, beispielsweise optische Filter, tritt das Problem der über die Wellenlänge variierenden Phasenverzögerung auf. Hieraus resultiert eine wellenlängenabhängige Phasendifferenz zwischen Probenstrahlengang und Referenzstrahlengang bei ihrer Überlagerung. Wie unten ausführlich dargelegt, kann hieraus eine starke Kontrastabnahme – auch bei gleichen Helligkeiten von Proben- und Referenzstrahl – resultieren, was die Auswertung der Interferenzen deutlich erschwert.
Das erfindungsgemäße Interferenzobjektiv nach Mirau weist eine Objektivlinse, ein zwischen Objektivlinse und einem zu untersuchenden Objekt angeordnetes Teilerelement zur Teilung auftreffenden Lichts in einen Probenstrahlengang und einen Referenzstrahlengang, wobei die Objektivlinse den Probenstrahlengang auf das zu untersuchende Objekt fokussiert, und ein zwischen Teilerelement und Objektivlinse angeordnetes Spiegelelement zur Reflexion des Referenzstrahlengangs auf. Bei der genannten Objektivlinse handelt es sich in der Regel um eine Anordnung mehrerer Linsen oder Linsengruppen, prinzipiell kann es sich aber auch um einen Einzellinse handeln. Ein solches an sich bekanntes Interferenzobjektiv nach Mirau enthält erfindungsgemäß ein Phasenverschiebungskompensationselement, welches eine wellenlängenabhängigen Phasenverschiebung zwischen Referenzstrahlengang und dem sich mit dem Referenzstrahlengang überlagernden Probenstrahlengang kompensiert. Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise das Phasenverschiebungskompensationselement als Dünnschichtsystem aufgebaut, welches auf dem Teilerelement aufgebracht wird.
Auf diese Weise können die genannten wellenlängenabhängigen Phasenverschiebungen, wie sie durch das Teilerelement und/oder das Spiegelelement und/oder das zu untersuchende Objekt selbst hervorgerufen werden, wirksam aufgehoben und der Kontrast deutlich verbessert werden.
Vorteile der Erfindung
Zur Erläuterung der Erfindung seien zunächst deren Grundlagen beschrieben. Die hier behandelten Interferenzobjektive nach Mirau, im Folgenden auch Mirau-Objektive genannt, arbeiten in der Regel mit breitbandigem Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs, häufig auch mit Weißlicht. Damit eine Weißlichtinterferenz entstehen kann, muss der Wegunterschied zwischen sich überlagernden Strahlengängen kleiner als die Kohärenzlänge sein:
Mit einer Bandbreite von typisch Δλ ≈ 200 nm und einer zentralen Wellenlänge des Spektrums, λ_c = 530 nm, ergibt sich eine Kohärenzlänge von 2–3 µm, was nur wenigen Wellenzügen entspricht.
Wichtig für die Anwendung ist, dass ein möglichst guter Interferenzkontrast, K, in der Bildebene entsteht. Um das zu erreichen, muss vom Referenzzweig die gleiche Intensität, I_R, zurückkommen wie von der Probe, I_P. Um dies zu erreichen, wird, zum Beispiel gemäß genanntem Patent EP 0 612 414 B1 , ein variabler Mirau-Strahlteiler eingeführt.
Dabei wird die Kontrastverbesserung dadurch erreicht, dass verschiedene Teiler mit unterschiedlichen Teilungsverhältnissen eingeschwenkt werden können und somit der Mirau-Aufsatz der Reflektivität der Probe angepasst werden kann. Bei dieser Art der Betrachtung bleibt unberücksichtigt, dass das Licht beider Strahlgänge phasengleich überlagert werden muss. Die Reflexion am Teiler, R_t, die Transmission am Teiler, T_t, die Reflexion am Referenz-Spiegel, R_r, und die Reflexion an der Probe, R_p, verändern nämlich nicht nur die Amplitude des reflektierten Lichts, sondern haben auch einen Einfluss auf die Phase:
Das E-Feld, E_R, des Referenzstrahlengangs ergibt sich dann durch
Das E-Feld, E_P, des Probenstrahlengangs ergibt sich dann durch
Wenn sich nun beide Strahlengänge wieder überlagern, entsteht das resultierende E-Feld
Dabei ist die Ortsabhängigkeit in der xy-Ebene für die weitere Betrachtung unerheblich:
Wobei I_max, I_min die Intensität beim maximalen bzw. minimalen Interferenzkontrast ist. Der Kontrast, K, ist bestimmt durch:
Das Patent EP 0 612 414 B1 geht stillschweigend davon aus, dass die Phasendifferenz, Δϕ(λ) = const, ist. Somit ist ein optimaler Kontrast erreicht, wenn die Lichtintensität von Referenz- und Probenstrahl genau gleich ist: E ^ 2 / R = E ^ 2 / P .
(Intensität ist proportional zum Amplitudenquadrat). Somit kann man durch Teiler mit verschiedenen Reflektivitäten den Kontrast ideal der Probe anpassen.
Aus der Formel für K(λ) wird ersichtlich, dass eine Phasendifferenz den Kontrast im erheblichen Maß mit beeinflussen kann, ja sogar dominiert gegenüber dem Kontrastverlust aufgrund von Intensitätsschwankungen. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, den wellenlängenabhängigen Teil des Kontrastes, cos(ΔΦ(x, y, λ), konstant zu halten und somit zu maximieren. Letzteres ist gleichbedeutend mit der Forderung ΔΦ(λ) = π,
wenn das Kontrastmaximum im Intensitätsminimum liegen soll, oder ΔΦ(λ) = 0 wenn das Kontrastmaximum im Intensitätsmaximum liegen soll.
Mittels der Erfindung kann der genannte Effekt einer über die Wellenlänge variierenden Phasenverschiebung zunächst für das Interferenzobjektiv – unabhängig vom zu untersuchenden Objekt – neutralisiert werden. Ausgehend von einer neutralen Probe, also einem Objekt, das eine wellenlängenunabhängige Reflektivität aufweist, werden das Teilerelement und/oder das Spiegelelement mit Hilfe des Phasenverschiebungskompensationselements neutral ausgelegt, das heißt etwaige Phasenverschiebungen des Proben- und/oder Referenzstrahlengangs werden wellenlängenunabhängig. Da im Referenzstrahlengang die Phasenverschiebung im Idealfall wellenlängenunabhängig sein sollte, ist in der Praxis meist nur noch das Teilerelement neutral auszulegen. Derartige Interferenzobjektive können dann besonders für neutrale Proben mit Vorteil eingesetzt werden. Für Proben mit wellenlängenabhängiger Reflektivität, wie beispielsweise dünnschichtige Proben, sollten für die jeweilige Probe erfindungsgemäß optimierte Interferenzobjektive zum Einsatz kommen, wie weiter unten beschrieben.
Interferenzobjektive lassen sich in besonders vorteilhafter Weise durch Verwendung eines Aufsatzes ("Mirau-Kappe") herstellen. Ein solcher Aufsatz enthält dann das Teilerelement, das Spiegelelement und das Phasenverschiebungskompensationselement, wobei der Aufsatz durch geeignete Befestigungsmittel derart ausgestaltet ist, dass er insbesondere lösbar an der Objektivlinse angebracht werden kann.
Das Phasenverschiebungskompensationselement kann auf dem Teilerelement, beispielsweise in Form einer Beschichtung aufgebracht sein, kann dessen Bestandteil sein oder kann schließlich das Teilerelement selbst bilden. Ist das Teilerelement auf diese Weise mit dem Phasenverschiebungskompensationselement ausgestattet, können für verschiedene Proben spezifische Teilerelemente zum Einsatz kommen, die in einem Schieber oder einem Rad, allgemein Wechselträger, derart angeordnet sind, dass sie passend zur untersuchten Probe in den Strahlengang eingebracht werden können. Zudem können, wie in der EP 0 612 414 B1 vorgeschlagen, hinsichtlich des Reflexions- und Transmissionsgrades variable Teilerelemente je nach zu untersuchendem Objekt zum Einsatz kommen. Auf diese Weise kann der Kontrast des Interferenzbildes sowohl hinsichtlich der Phasenverschiebung als auch hinsichtlich der Intensitäten des Referenzstrahlengangs und des Probenstrahlengangs optimiert werden. Hierdurch wird der Weißlichtinterferenzkontrast erheblich gesteigert.
Zusätzlich oder alternativ kann das Phasenverschiebungskompensationselement auf dem Spiegelelement aufgebracht sein, dessen Bestandteil sein oder das Spiegelelement selbst bilden. Spiegelelement im Rahmen dieser Anmeldung meint ein zur Spiegelung des Referenzstrahlengangs im Mirau-Objektiv eingesetztes Element. Sollte sich die spiegelnde Fläche auf der Objektivlinse (insbesondere auf deren Frontlinse) befinden, so meint Spiegelelement diese spiegelnde Fläche. Sollte unabhängig von der Objektivlinse ein Spiegelelement vorhanden sein, so meint Spiegelelement das die spiegelnde Fläche tragende Element, das in der Regel eine optisch transparente Platte darstellt, in deren Zentrum sich die spiegelnde Fläche befindet. Beispielsweise kann das Spiegelelement bzw. der den Referenzstrahlengang spiegelnde Teil des Spiegelelements aus demselben Material wie das zu untersuchende Objekt gebildet sein. Auf diese Weise würde sich eine etwaige Phasenverschiebung beim Probenstrahlengang hervorgerufen durch eine wellenlängenabhängige Reflektivität am Objekt mit der entsprechenden Phasenverschiebung des Referenzstrahls bei Reflexion am Spiegelelement aufheben. Wenn das Teilerelement dann derart ausgebildet ist, dass es keine weitere wellenlängenabhängige Phasenverschiebung zwischen Referenz- und Probenstrahlengang induziert, wäre diese Maßnahme allein bereits ausreichend zur effektiven Phasenverschiebungskompensation.
Das Spiegelelement kann als Teil der Objektivlinse ausgebildet sein. Insbesondere kann das Spiegelelement bzw. der den Referenzstrahlengang spiegelnde Teil des Spiegelelements auf der objektseitigen Frontlinse aufgebracht, beispielsweise aufgedampft, sein.
Zur Kompensation der wellenlängenabhängigen Phasenverschiebung zwischen Referenzstrahlengang und dem sich mit diesem überlagernden Probenstrahlengang verschiebt das Phasenverschiebungskompensationselement die Phase des Referenzstrahlengangs und/oder des Probenstrahlengangs derart, dass die resultierende Phasenverschiebung über einen definierten Wellenlängenbereich wellenlängenunabhängig einen konstanten Wert oder zumindest einen näherungsweise konstanten Wert mit maximalen Abweichungen von ±20 %, insbesondere ±10, annimmt. Dieser definierte Wellenlängenbereich ist vorzugsweise der im jeweiligen Anwendungsfall betrachtete Wellenlängenbereich, insbesondere aber der überwiegende Teil des betrachteten Wellenlängenbereichs. Der betrachtete Wellenlängenbereich erstreckt sich konkret beispielsweise auf einen Bereich zwischen 450 nm und 630 nm; der überwiegende Teil dieses Bereichs ist dann beispielsweise ein Bereich zwischen 530 nm und 630 nm (vgl. Ausführungsbeispiele unten). Auf diese Weise ist der Kontrast über die betrachteten Wellenlängen konstant. Vorzugsweise beträgt der konstante Wert 0 oder π, da dann der Kontrast sein Maximum erreicht. In der Praxis wird ein möglichst konstanter Wert über den gesamten betrachteten Wellenlängenbereich angestrebt. Dabei werden unterschiedliche Einflüsse berücksichtigt, wie beispielsweise Dickedifferenzen, Glaseigenschaften (z.B. Dispersion) und Keilfehler zwischen dem Teiler und dem Spiegel. Selbstverständlich sind hier geringe Abweichungen zuzulassen, solange deutliche Kontraststeigerungen bemerkbar bleiben. Nähere Ausführungen zu Aufbau und Funktion des erfindungsgemäßen Phasenverschiebungskompensationselements befinden sich in den Ausführungsbeispielen.
Bei dem erfindungsgemäßen Interferenzobjektiven nach Mirau handelt es sich insbesondere um ein Interferenzmikroskopobjektiv. Hierbei können das Teilerelement, das Spiegelelement und das Phasenverschiebungskompensationselement Bestandteile eines Aufsatzes (oder einer Kappe) sein, der mittels Befestigungselementen derart ausgestaltet ist, dass er insbesondere lösbar am Mikroskopobjektiv angebracht werden kann. Im Rahmen dieser Erfindung soll auch ein entsprechender Aufsatz für ein Mikroskopobjektiv unter Schutz gestellt sein.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt ein bekanntes Mirau-Objektiv in schematischer Ansicht,
2 zeigt zwei Diagramme für die Reflektivität bzw. die Phasenverschiebung für Silber in Abhängigkeit der Wellenlänge;
3 zeigt zwei Diagramme für die Reflektivität bzw. die Phasenverschiebung für Aluminium in Abhängigkeit der Wellenlänge;
4 zeigt zwei Diagramme für die Reflektivität bzw. die Phasenverschiebung für Silizium in Abhängigkeit der Wellenlänge;
5 zeigt zwei Diagramme für die Reflektivität bzw. die Phasenverschiebung für Aluminium mit einer dielektrischen Schutzschicht in Abhängigkeit der Wellenlänge;
6 zeigt drei Diagramme für die Reflektivität, die jeweilige Phasenverschiebung bzw. die hieraus resultierende Phasendifferenz für ein typisches Multilayer-50:50-Teilerelement in Abhängigkeit der Wellenlänge;
7 zeigt drei Diagramme für die Reflektivität, die jeweilige Phasenverschiebung bzw. die hieraus resultierende Phasendifferenz für eine erfindungsgemäß optimierte Teilerschicht mit Phasenverschiebungskompensationselement in Abhängigkeit der Wellenlänge;
8 zeigt den Schichtaufbau der optimierten Teilerschicht des Phasenverschiebungskompensationselements; und
9 zeigt den schematischen Aufbau eines Interferenzmikroskops mit erfindungsgemäßem Interferenzobjektiv nach Mirau.
1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich diskutiert. Sie zeigt ein gängiges Mirau-Objektiv. Ein derartiges Mirau-Objektiv zeigt jedoch, wie ausführlich dargelegt wurde, eine wellenlängenabhängige Phasenverschiebung zwischen Referenzstrahlengang und dem sich überlagernden Probenstrahlengang. Im Folgenden soll anhand von Materialbeispielen die Ursache und Bedeutung dieser Phasenverschiebung erläutert werden.
2 zeigt im oberen Diagramm die Reflektivität, angegeben in Prozent (%), von Silber in Abhängigkeit von der Wellenlänge ("wavelength"), angegeben in nm. Dargestellt ist der Wellenlängenbereich von Weißlicht, von 400 nm (violett) bis 700 nm (rot). Die zentrale Wellenlänge liegt bei etwa 530 nm (grün). Die Reflektivität von Silber nimmt zu höheren Wellenlängen hin zu, wie aus dem oberen Diagramm der 2 ersichtlich. Im unteren Diagramm der 2 ist eine Phasenverschiebung ("Phase") in rad, von an Silber reflektiertem Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Als Phasenverschiebung ist hierbei die Änderung der Phasenlage des Strahlengangs nach der Reflexion oder Transmission an einer optischen Grenzfläche definiert. 2π rad entspricht 360°, so dass 1 rad ca. 57,3° entspricht. Die Phasenverschiebung nimmt ausgehend von etwa 2 rad zu höheren Wellenlängen hin ab (bis auf etwa 0,5 rad). Bei Grenzflächen aus Materialien mit komplexem Brechungsindex (z.B. bei Metallen) zeigt sich der Phasenverlauf in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung und dem Einfallswinkel. Im Wellenlängenbereich oberhalb der zentralen Wellenlänge variiert die Phasenverschiebung nur gering, während im unteren Wellenlängenbereich eine etwas stärkere Wellenlängenabhängigkeit der Phasenverschiebung besteht.
3 zeigt die Diagramme aus 2 für das Material Aluminium. Während im unteren Wellenlängenbereich die Reflektivität gering wellenlängenabhängig ist, so fällt sie für höhere Wellenlängen geringfügig ab. Es sei darauf hingewiesen, dass die Reflektivität im betrachteten Wellenlängenbereich nur zwischen 90,5 und ca. 92,5 Prozent variiert, während für Silber (siehe 2) eine größere Variationsbreite vorliegt. Der Verlauf der Phasenverschiebung zeigt für Aluminium im betrachteten Wellenlängenbereich einen nur sehr geringfügig variierenden Verlauf bei einem nahezu konstanten Wert von etwa 0,3 bis 0,4 rad.
4 zeigt im oberen Diagramm eine zu höheren Wellenlängen hin stark abnehmende Reflektivität für Silizium. Sie nimmt von 70 % bei 400 nm auf ca. 58 % bei 700 nm ab. Hingegen zeigt die Phasenverschiebung einen nahezu konstanten Verlauf über den gesamten betrachteten Wellenlängenbereich mit einem Wert von knapp über 3 rad.
5 zeigt analoge Diagramme für Aluminium mit einer einfachen dielektrischen Schutzschicht. Hierbei handelt es sich um einen typischen Spiegel für Laser- und Optikanwendungen. Eine dielektrische Schutzschicht ist in der Praxis immer notwendig, da Aluminium in Reinform oxidieren würde. Somit können die in 3 gezeigten Kurven für Aluminium in der Praxis nicht erreicht werden. Aufgrund der relativ geringen und nahezu konstanten Phasenverschiebung über den gesamten betrachteten Wellenlängenbereich wäre Aluminium besser geeignet als die in 5 dargestellte Schutzschicht. Die Reflektivität von dieser Schutzschicht nimmt zur zentralen Wellenlänge hin von ca. 86,5 % auf knapp unter 89 % zu und fällt zu höheren Wellenlängen geringfügig ab. Die Phasenverschiebung nimmt relativ kontinuierlich von etwa 3 rad auf etwa 1 rad über den betrachteten Wellenlängenbereich hin ab. Somit ist sowohl die Wellenlängenabhängigkeit als auch die Höhe der Phasenverschiebung für diese Schutzschicht stärker ausgeprägt als für Aluminium.
Die 2 bis 5 zeigen somit die Höhe und die Wellenlängenabhängigkeit der Phasenverschiebung bei Einsatz verschiedener Materialien beispielsweise als zu untersuchende Proben oder als verspiegelter Teil eines Spiegelelements im Mirau-Objektiv. Es zeigt sich, dass die im bisherigen Stand der Technik stillschweigend getroffene Annahme, wonach die Phasenverschiebung einen konstanten wellenlängenunabhängigen Wert annimmt, für einige Materialien falsch ist.
6 zeigt eine typische Multilayer-50:50-Teilerschicht, wie sie häufig als Teilerelement auch in Mirau-Objektiven zum Einsatz kommt. Die Reflektivität sowie die Transmissivität liegen beide über den gesamten dargestellten Wellenlängenbereich in einem schmalen Bereich um die 50 Prozent herum. Solche Teilerschichten sind also auf ein optimales Verhältnis der transmittierten zur reflektierten Intensität optimiert. Das Intensitätsverhältnis variiert über den betrachteten Wellenlängenbereich nur um wenige Prozentpunkte. Hingegen variieren die einzelnen Phasenverschiebungen für die Reflektivität (durchgezogene Linie) und die Transmissivität (gestrichelte Linie) deutlich über den gesamten dargestellten Wellenlängenbereich und entsprechend auch die Phasenverschiebung zwischen reflektiertem und transmittiertem Anteil, also die Phasendifferenz, die im untersten Diagramm der 7 dargestellt ist. Vor allem im Bereich niedrigerer und höherer Wellenlängen betragen die absoluten Unterschiede in den jeweiligen Phasenverschiebungen einige rad, teils bis zu 4 rad. Hierbei ist zu beachten, dass die Teilerschicht mit dem Faktor 2 eingeht, da an dieser Schicht zweimal reflektiert (Referenzstrahlengang) bzw. zweimal transmittiert (Probenstrahlengang) wird.
6 zeigt somit, dass bei Verwendung einer konventionellen dielektrischen Teilerschicht sich eine stark wellenlängenabhängige Phasenverschiebung zwischen Proben- und Referenzstrahlengang allein aufgrund des Teilerelements im Mirau-Objektiv einstellt. Hinzukommen kann eine wellenlängenabhängige Phasenverschiebung bei Reflexion des Referenzstrahlengangs am verspiegelten Teil des Spiegelelements sowie ein weitere wellenlängenabhängige Phasenverschiebung des Probenstrahlengangs bei Reflexion an der zu untersuchenden Probe.
7 zeigt die Reflektivität, die jeweiligen Phasenverschiebungen und die Phasendifferenz eines Phasenverschiebungskompensationselements, das durch eine erfindungsgemäß optimierte Teilerschicht erzielt wurde. Reflexion (durchgezogene Linie) und Transmission (gestrichelte Linie) liegen bis etwa 550nm in einem engen Bereich um 50%, zu höheren Wellenlängen hin besteht ein wachsender Unterschied zwischen Reflexion und Transmission. Aus den beiden unteren Diagrammen der jeweiligen Phasenverschiebungen bzw. der Phasendifferenz ist jedoch sichtbar, dass sowohl für den reflektierten als auch für den transmittierten Anteil die Höhe und die Schwankung über den betrachteten Wellenlängenbereich deutlich geringer ist als im entsprechenden Diagramm der 6. Insbesondere ist die Differenz der beiden dargestellten Phasenverschiebungen in dem im vorliegenden Anwendungsfall betrachteten Wellenlängenbereich zwischen 450 nm und 650 nm, insbesondere im Bereich zwischen 500 nm und 630 nm, weiter insbesondere im Bereich zwischen 530 nm und 630 nm kleiner als ca. 2 rad und beträgt im überwiegenden Wellenlängenbereich absolut annähernd konstant ca. 1,5 rad, ist also deutlich geringer und über die Wellenlänge weniger variierend als für eine konventionelle Teilerschicht.
Ein entsprechendes Teilerelement mit aufgedampftem Phasenverschiebungskompensationselement ist somit bestens geeignet, die wellenlängenabhängige Phasenverschiebung zwischen Referenzstrahlengang und dem sich mit diesem überlagernden Probenstrahlengang zu kompensieren. Das dargestellte Teilerelement ist somit für die Anwendung bei neutralen Proben ausgelegt.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die konventionellen Teilerschichten von Teilerelementen einen deutlichen Farbverlauf bei der Untersuchung von Silizium und Glas als Proben zeigen. Mit der neuen Schicht gemäß 7 ist der Farbverlauf symmetrisch um das schwarze Kontrastminimum herum.
Für nicht neutrale Proben, also Proben mit wellenlängenabhängiger Phasenverschiebung des Probenstrahlengangs kann die Phasenverschiebungskompensationsschicht auf dem Teilerelement weiter optimiert werden. Häufig ist es ausreichend, zwischen dielektrischen und metallischen Proben zu unterscheiden und entsprechende Mirau-Aufsätze (Mirau-Kappen) mit optimierten Teilerschichten vorzusehen.
8 zeigt ein Beispiel für den Schichtaufbau einer optimierten Teilerschicht des Phasenverschiebungskompensationselements. Die Teilerschicht besteht aus sechs aufgedampften Schichten. Die sechs aufgedampften Schichten bestehen abwechselnd aus SiO2 und aus Ta2O5. In der Tabelle aufgeführt sind die jeweiligen Brechungsindices sowie die Schichtdicken in Nanometer [nm]. Die erste Schicht liegt auf dem Substrat, während die letzte sechste Schicht an Luft grenzt.
9 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau eines Interferenzmikroskops mit einem erfindungsgemäßen Interferenzobjektiv nach Mirau. Das Interferenzobjektiv 1 ist hier als ein einheitliches Objektiv dargestellt, das Linsenbaugruppen 11 des eigentlichen Mikroskopobjektivs aufweist sowie das Teiler-element 4 und das Spiegelelement 3. Auf der optischen Achse des Interferenzobjektivs 1 befindet sich auf dem Spiegelelement 3 der verspiegelte Teil 3a. Auf dem Teilerelement 4 befindet sich die als Phasenverschiebungskompensationselement erfindungsgemäß optimierte Teilerschicht. Dieses Interferenzobjektiv 1 ist Bestandteil eines Interferenzmikroskops 20, das als wesentliche Elemente eine Beleuchtungseinheit 12, einen Strahlteiler 13 und eine Tubuslinse 14 aufweist. Die Objektebene ist mit 16, die Bildebene mit 15 bezeichnet. Von der Beleuchtungseinheit 12 ausgehendes breitbandiges (Weiß-)Licht gelangt über den Strahlteiler 13 in das Interferenzobjektiv 1, von welchem es auf die Objektebene 16 fokussiert wird. Dort wird eine in der Objektebene 16 liegende Probe interferenzmikroskopisch untersucht. Die als Phasenverschiebungskompensationselement wirkende Teilerschicht bewirkt erfindungsgemäß über einen Großteil des im konkreten Anwendungsfall betrachteten Wellenlängenbereichs eine konstante wellenlängenunabhängige Phasendifferenz zwischen Probenstrahlengang und Referenzstrahlengang. Bei Interferenz dieser Strahlengänge resultiert hieraus ein hoher Kontrast und damit eine verbesserte Auswertemöglichkeit des Interferenzbildes.
Die interferierten Proben- und Referenzstrahlen gelangen über den Strahlteiler 13 in die Tubuslinse 14, von der sie in die Bildebene fokussiert werden. Das Interferenzbild ist folglich in der Bildebene 15 zu betrachten bzw. mit einer Kamera aufzuzeichnen. Bei den schematisch dargestellten Linsenbaugruppen 11 sowie der schematisch dargestellten Tubuslinse 14 kann es sich um mehrere Einzellinsen bzw. mehrere Linsengruppen handeln.
Bezugszeichenliste

1: Interferenzobjektiv
2: Objektivlinse
3: Spiegelelement
3a: verspiegelter Teil
4: Teilerelement
5: Objekt, Probe
6: Referenzstrahlengang
7: Probenstrahlengang
11: Linsenbaugruppen
12: Beleuchtungsbaugruppen
13: Strahlteiler
14: Tubuslinie
15: Bildebene
16: Objektebene
20: Interferenzmikroskop

Claims

Interferenzobjektiv (1) nach Mirau mit – einer Objektivlinse (2), – einem zwischen Objektivlinse (2) und einem zu untersuchenden Objekt (5) angeordneten Teilerelement (4) welches einen auftreffenden Lichtstrahl in einen Probenstrahlengang (7) und einen Referenzstrahlengang (6) aufteilt, wobei die Objektivlinse (2) den Probenstrahlengang (7) auf das zu untersuchende Objekt (5) fokussiert, und mit – einem zwischen Teilerelement (4) und Objektivlinse (2) angeordneten Spiegelelement (3) zur Reflexion des Referenzstrahlengangs (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzobjektiv (1) ein Phasenverschiebungskompensationselement aufweist, das eine wellenlängenabhängige Phasenverschiebung zwischen Referenzstrahlengang (6) und dem sich mit diesem überlagernden Probenstrahlengang (7) kompensiert.
Interferenzobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungskompensationselement als Dünnschichtsystem ausgebildet ist, das eine wellenlängenabhängige Phasenverschiebung, die durch das Teilerelement (4) und/oder das Spiegelelement (3) und/oder das zu untersuchende Objekt (5) hervorgerufen wird, kompensiert.
Interferenzobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der wellenlängenabhängigen Phasenverschiebung das Phasenverschiebungskompensationselement die Phasen des Referenzstrahlengangs (6) und/oder des Probenstrahlengangs (7) derart verschiebt, dass die resultierende Phasenverschiebung über einen definierten Wellenlängenbereich wellenlängenunabhängig einen konstanten Wert annimmt.
Interferenzobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Wert 0 oder π beträgt.
Interferenzobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungskompensationselement auf dem Teilerelement (4) aufgebracht ist Bestandteil des Teilerelements ist oder das Teilerelement bildet.
Interferenzobjektiv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungskompensationselement auf dem Spiegelelement (3) aufgebracht ist, Bestandteil des Spiegelelements ist oder das Spiegelelement bildet.
Interferenzobjektiv nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungskompensationselement aus demselben Material wie das zu untersuchende Objekt (5) gebildet ist.
Interferenzobjektiv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelelement (7) als Teil der Objektivlinse (2) ausgebildet ist.
Interferenzobjektiv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektivlinse (2) ein Mikroskopobjektiv darstellt und das Teilerelement (4), das Spiegelelement (3) und das Phasenverschiebungskompensationselement Bestandteile eines Aufsatzes sind, der mittels eines Befestigungselements derart ausgestaltet ist, dass er an dem Mikroskopobjektiv angebracht werden kann.