DE10351142B4

DE10351142B4 - Vorrichtungen und Verfahren zur Messung von thermisch induzierten Oberflächendeformationen

Info

Publication number: DE10351142B4
Application number: DE10351142A
Authority: DE
Inventors: Axel Dr. Engel; Rolf Dr. Müller; Lutz Dr. Aschke; Jacob Dr. Fainberg; Jochen Dr. Alkemper; Klaus Gerstner; Uwe Nolte; Johannes Prof. Schwider
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2002-11-04
Filing date: 2003-11-03
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2023-11-04
Also published as: DE10351142A1

Abstract

Vorrichtung für die interferometrische Messung von thermisch induzierten Oberflächendefekten mit
– einer Lichtquelle (1);
– einem Element zur Probenaufnahme oder -halterung:
– einem Element (11b) mit Referenzfläche (11a) in Fizeau-Anordnung;
– einem Referenzspiegel (21) in Twyman-Green-Anordnung;
– einem Strahlteiler (6), der den Lichtstrahl in einen Teilstrahl für den Fizeau-Arm (33) und in einen Teilstrahl für den Twyman-Green-Arm (34) aufteilt;
– einem Detektor (16) zur Vermessung des Gesamtsignals aus dem Fizeausignal überlagert vom Twyman-Green-Signal.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen für die interferometrische Messung von thermisch induzierten Oberflächendeformationen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung von thermisch induzierten Oberflächendeformationen, insbesondere der Inhomogenität des Ausdehnungskoeffizienten.
Die Bestimmung der Homogenität des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist z. Bsp. bei optischen Komponenten von Bedeutung, die in Lithographiesystemen eingesetzt werden. Insbesondere bei kürzeren Wellenlängen wie dem ultravioletten und dem extrem ultravioletten Wellenlängenbereich sind die optischen Komponenten wie Linsen usw. durch die dauernde Bestrahlung einer hohen Wärmelast ausgesetzt. Inhomogenitäten in der Wärmeausdehnung führen dabei zu Abbildungsfehlern.
Besonders virulent ist dieses Problem bei optischen Komponenten in EUV-Lithographiesystemen. Diese optischen Komponenten bestehen aus Substraten, die mit Multilayer-Systemen versehen sind und als Spiegel eingesetzt werden. Wenn Inhomogenitäten in diesen Substraten vorliegen und eine Temperaturveränderung in dem EUV-Lithographiegerät stattfindet, tritt eine minimale Oberflächenveränderung bzw. Krümmung des Spiegels auf, so dass der Kontrast im optischen System, insbesondere dann, wenn mehrere optische Komponenten hintereinander geschalten sind, erheblich nachlässt und somit die Abbildung nicht die gewünschte Genauigkeit aufweist.
Es muss daher sicher gestellt sein, dass entweder keine Inhomogenitäten in dem Substrat vorhanden sind oder dass diese Inhomogenitäten so gering sind, dass sie sich in dem relevanten Temperaturbereich nicht auswirken. Hierbei sind Temperaturen von etwa 30° C von Bedeutung. Diese 30° C entstehend durch die Bestrahlung mit extrem ultraviolettem Licht und zwar nur im Oberflächenbereich der optischen Komponente, so dass im Substratmaterial ein Temperaturgradient auftritt.
Die Oberflächenbehandlung der optischen Komponente, bestehend aus einer Politur und einem Einschleifen der Krümmung in das Substrat, findet bei Raumtemperatur statt. Diese Temperaturdifferenz von 20° C für die mechanische Bearbeitung und 30° C im Einsatz der optischen Komponente kann bereits die oben beschriebenen negativen Auswirkungen zeigen.
Bisher werden thermische Ausdehnungskoeffizienten über Dilatometer gemessen. Dadurch kann allerdings nur der globale thermische Ausdehnungskoeffizient bestimmt werden, nicht dagegen die Verteilung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten über die gesamte bestrahlte Fläche. Außerdem werden bei herkömmlichen Messungen des thermischen Ausdehungskoeffizienten die Proben zerstört.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch Vorrichtungen gemäß Anspruch 1 oder 2 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 19. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.

Herzstück der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist ein Fizeau-Interferometer. Bei einem Fizeau-Interferometer bilden die Referenzfläche und die zu messende Oberfläche der Messprobe mit der zwischen ihnen befindlichen „Luftplatte" das eigentliche Interferometer, dessen Resonatorabstand modulo λ/2 vom Licht als Interferogramm dargestellt wird. Zusätzlich zu dieser Fizeau-Anordnung befindet sich bei der ersten Vorrichtungsvariante ein Referenzspiegel in Twyman-Green-Anordnung, wobei der Fizeau-Arm als zweiter Twyman-Green-Arm fungiert. Die Oberfläche des Referenzspiegels entspricht dabei der Oberfläche der Fizeau-Referenzfläche, inbesondere des Neigungswinkels relativ zur Messprobenoberfläche. Dieser Neigungswinkel kann im einfachsten Fall 0° betragen.

Durch die Überlagerung eines Fizeau-Signals und eines Twyman-Green-Signals erreicht man eine besonders hohe Messgenauigkeit, so dass nicht nur Inhomogenitäten detektiert werden können, die unmittelbar unter der Oberfläche liegen, sondern auch Inhomogenitäten, die sich etwas tiefer in der Messprobe befinden und Auswirkungen auf die Oberflächentopologie haben.

Zwar sind Fizeau-Interferometer auch in Verbindung mit einer Twyman-Green-Interferometeranordnung bekannt. Die JP 05-340735 A betrifft beispielsweise ein Interferometer zur Messung von Krümmungsradien an Proben. Es ist darin eine Vorrichtung mit einer Lichtquelle, einer Probe, einer Twyman-Green-Interferometeranordnung mit einem Strahlteiler, einer Fizeau-Linse im Strahlengang eines der Twyman-Green-Spektrometerarme, einem Spiegel im Strahlengang des anderen Spektrometerarms und ein Detektor vorgesehen. In einem Twyman-Modus wird die Interferenz zwischen der Fizeau-Oberfläche der Fizeau-Linse und dem Spiegel gemessen, in einem Fizeau-Modus wird der Radius der Probenoberfläche durch Messung der Interferenz zwischen der Fizeau-Oberfläche und der Probenoberfläche gemessen. Es wird jedoch nicht gelehrt, dass und wie solche Interferometer zur Messung von thermisch induzierten Oberflächendeformationen der eingangs genannten Art Anwendung finden könnten.

Aus der US 5,473,434 A ist außerdem eine Vorrichtung für die interferometische Messung von Oberflächentopologien bekannt, die eine Lichtquelle, eine Probe, eine Fizeau-Linse mit Referenzfläche, einen Strahlteiler und einen Detektor aufweist. Und die DE 196 14 896 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung von Deformationen, insbesondere thermisch induzierten Oberflächendeformationen, die als bildgebendes Verfahren die Rastelektronenmikroskopie einsetzt und mit der beispielsweise mittels CCD-Kamera jeweils ein Bild vor und ein Bild nach der Deformierung erzeugt und digital verglichen werden. Es wird ferner ein Verfahren zur Messung von insbesondere thermisch induzierten Oberflächendeformationen beschrieben, welches die Schritte Vermessen der Oberflächentopologie bei einer Referenztemperatur, Erwärmen der Probe auf Testtemperatur, erneutes Vermessen der Oberflächentopologie bei Testtemperatur, Bildung der Differenz der Messergebnisse und Berechnung der thermisch induzierten Oberflächendeformation aus der Topologiedifferenz aufweist.

Die DE 196 50 325 A1 beschreibt schließlich ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung von Objektverformungen unter Anwendung der Speckle-Interferometrie, wobei die Objektform einer Probe in einem Ausgangszustand gemessen wird, anschließend die Probe verformt wird, die Objektverformung gegenüber dem Ausgangszustand nochmals gemessen wird, aus den beiden Messungen die Formänderung bestimmt und daraus das Dehnungsfeld an der Oberfläche der Probe ermittelt wird.

Eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht man auch, wenn man entsprechend der zweiten Erfindungsvariante die entscheidenden Komponenten des Interferometers, nämlich die Referenzfläche und die Probe im Vakuum anordnet. Aus der US 6,219,145 B1 ist zwar eine Vorrichtung zur interferometischen Messung von sich verändernden Oberflächenstrukturen bekannt, die ein Michelson-Interferometer mit einer Lichtquelle, einer Probenaufnahme, einem Strahlteiler, einer Referenzfläche, einem Detektor und einer Vakuumkammer umfasst, in der die Probe angeordnet ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau werden jedoch Verfälschungen des Messergebnisses durch den Einfluss von Luft, insbesondere mit Temperaturgradienten, zwischen Referenzfläche und Probenfläche vermieden. Es hat sich herausgestellt, dass bereits ein leichtes Vakuum von ca. 0,1 bis 1 mbar ausreicht, um den Einfluss von Luftschlieren zu unterdrücken.

Ein weiterer Vorteil der Vakuumanordnung besteht darin, dass Komponenten, insbesondere die Platte mit der Referenzfläche nur sehr viel langsamer von der Probe aufgewärmt wird, so dass ein Driften der Messwerte bei längerer Messdauer vermieden wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden bei der ersten Erfindungsvariante der Twyman-Green-Arm und/oder der Fizeau-Arm im Vakuum angeordnet, um die Vorteile beider Varianten zu bündeln.

Ist die Neigung der Fizeau-Referenzfläche gegenüber der Probenoberfläche gleich 0°, erhält man einen einzigen Reflex, der zu Fizeau-Streifen führt. Ist der Neigungswinkel ungleich 0°, erhält man N Reflexionen an der Messoberfläche. Der Streifenabstand entspricht dann einer Oberflächenabweichung von (λ/2)N. Dadurch lässt sich die Empfindlichkeit der Vorrichtung steigern. Durch mehrfache Reflexion an der Messoberfläche können die Wellenflächendeformationen erheblich verstärkt werden. Bei N Reflexionen hat die N-fach reflektierte Welle eine Wellenflächendeformationen von 2 NΔz, wobei Δz die Abweichung der Oberfläche von der idealen Ebene ist.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden thermisch induzierte Oberflächendeformationen, insbesondere die lokalen thermischen Ausdehungskoeffizienten ermittelt, indem zunächst die Oberflächentopologie einer Probe bei einer Referenztemperatur interferometrisch gemessen wird. In der Regel wird diese Referenztemperatur bei Zimmertemperatur liegen. Danach wird die Probe auf Testtemperatur erwärmt und erneut die Oberflächentopologie der Probe interferometrisch vermessen. Indem man die Differenz der beiden Messergebnisse bildet, erhält man die thermisch induzierten Oberflächendeformationen. Insbesondere erhält man die lokalen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, indem man neben der Topologiedifferenz auch die Differenz aus Referenz- und Testtemperatur einrechnet. In Abhängigkeit von der Erwärmung der Probe wird sich diese mehr oder weniger ausdehnen.

Ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein großer Anteil der Probenoberfläche auf einmal vermessen werden kann.

Wie sich interferometrisch Oberflächentopologien vermessen lassen, ist seit langem dem Fachmann in vielen Variationen bekannt. Stellvertretend soll hier auf den Artikel von J.H. Bruning et al., Applied Optics, Vol. 13, No. 11, Seite 2693–2703, November 1974 verwiesen werden. Gemessen wird im wesentlichen eine zweidimensionale Intensitätsverteilung, aus der die zweidimensionale Verteilung der Phase bestimmt werden soll. Die Phasenverteilung spiegelt die Oberflächentopologie wieder. Prinzipiell geht man davon aus, dass die Intensitätsverteilung sinusförmig ist, und führt daher eine Fouriertransformation aus, um die Phasenverteilung zu ermitteln.

Wie auch in Bruning et al. vorgeschlagen, ist es vorteilhaft, jede interferometrische Messung bei mehr als einer Referenzphase durchzuführen. Die Referenzphase und damit die optische Wegdifferenz zwischen dem Weg zur Referenzfläche und dem Weg bis zur Messoberfläche in einem Fizeau-Arm oder der optische Wegunterschied zwischen dem Weg zur Messoberfläche in einem Twyman-Green-Arm und den Weg bis zum Referenzspiegel in einem anderem Twyman-Green-Arm lässt sich verändern, indem der Abstand zwischen Referenzfläche und Messoberfläche in einem Fizeau-Arm bzw. die Länge des Referenz-Twyman-Green-Armes verändert wird. Vorteil der Mehrphasenmessung ist, dass Fehler, die durch Rauschen, Driften, Turbulenzen in der Luft auf den optischen Wegen und nichtlinearen Effekten bedingt sind, minimiert werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich außerdem herausgestellt, die berechnete thermisch induzierte Oberflächendeformation mit einem Polynom niedrigen Grades zu interpolieren. Indem diese Interpolation von der experimentell bestimmten Oberflächendeformation abgezogen wird, wird die globale Deformation, die sich durch die gesamte Oberfläche hindurch fortsetzt, von den lokalen, hier interessierenden Deformationen getrennt. In Chungte W. Chen et al, SPIE Vol. 316 High Resolution Soft X-Ray Optics (1981), Seiten 9 bis 15 wird beispielsweise vorgeschlagen, dazu Zernike-Polynome zu verwenden.

Um den Streifenkontrast bei den interferometrischen Messungen zu erhöhen und damit die Messgenauigkeit zu erhöhen, wird die Wellenlänge des zur interferometrischen Messung verwendeten Lichtes derart gewählt, dass an der Messoberfläche möglichst hohe Reflexion vorliegt. Besonders bevorzugt wird eine Wellenlänge gewählt, bei der sich Totalreflexion erreichen lässt.

Als Lichtquelle sollte vorzugsweise ein Laser gewählt werden. Dessen Wellenlänge sollte eine möglichst hohe Reflexion an der Messprobenoberfläche erlauben. Mithilfe eines Lasers als Lichtquelle können zu hohe Absorptionen vermieden werden und ungewünschte Reflexionen unterdrückt werden.

Besonders bewährt haben sich CCD-Kameras als Detektoren zur Aufnahme zweidimensionaler Verteilungen.

Als vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, die Referenzfläche im Fizeau-Arm zu verspiegeln. Dadurch kann eine besonders hohe Anzahl von Reflektionen erreicht werden. Eine sinnvolle Ergänzung besteht darin, die Messprobenoberflächen ebenfalls zu verspiegeln.

Vorteilhafterweise ist der Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler.

Bewährt hat sich die Anordnung einer λ/2-Platte vor dem Strahlteiler, um das Intensitätsverhältnis zwischen den beiden Interferometerarmen, einerseits Fizeau-Arm, andererseits Twyman-Green-Arm, einzustellen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vor dem Strahlteiler eine in Strahlrichtung verschiebbare Feldblende angeordnet. Über die Verschiebung der Feldblende kann die Koinzidenz von Messprobenoberfläche und Referenzfläche besser eingestellt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vor dem Strahlteiler eine rotierende Mattscheibe angeordnet. Dies ist insbesondere bei der Verwendung eines Lasers als Lichtquelle von Vorteil. Durch die rotierende Mattscheibe wird das vollständig kohärente Licht des Lasers in partiell kohärentes Licht umgewandelt. Bei der Verwendung von partiell kohärentem Licht wird das Auftreten von Beugungen an Staubpartikeln (dust diffraction pattern) und von Störinterferenzen reduziert. Dadurch wird die Reproduzierbarkeit der interferometrischen Messung erhöht.

Vorzugsweise ist vor dem Detektor ein Ortsfrequenzfilter angeordnet. Das Ortsfrequenzfilter erlaubt die selektive Überlagerung der Referenzwelle mit der an der Messprobenoberfläche reflektierten Welle. Zur Unterdrückung von Störreflexen sind in einer bevorzugten Ausführungsform strahlaufweitende Kollimatoren in Verbindung mit jeweils einer dahinter angeordneten λ/2-Platte versehen. Nur Reflexe von optischen Flächen, die im Strahlengang auf die λ/2-Platten folgen, werden bei der Polarisationsstrahlenteilung mit hoher Intensität erscheinen.

Die Vermeidung von Störreflexen kann außerdem durch den Einsatz reflektiver Optiken zur Kollimation weiter verstärkt werden. Dies führt zu einem Höchstmaß an Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der interferometrischen Messung.

Zur Referenzphaseneinstellung im Twyman-Green-Arm oder im Fizeau-Arm werden vorteilhafterweise piezoelektrische Mittel zur Verschiebung des Referenzspiegels bzw. der Referenzfläche verwendet. Über die piezoelektrischen Mittel kann die Positionsveränderung des Referenzspiegels bzw. der Referenzfläche in Strahlrichtung kapazitiv gemessen werden. Dadurch können systematische Fehler klein gehalten werden.

Vorzugsweise ist das Element zu Probenaufnahme oder -halterung als Probenhalter ausgestaltet und besteht aus einem Material mit geringem Wärmeleitungskoeffizienten. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Messprobe während einer Vermessung ihrer Oberflächentopologie eine möglichst konstante Temperatur behält. Zu diesem Zweck hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, den Probenhalter von den übrigen Elementen der Vorrichtung thermisch zu isolieren.

Damit nicht zusätzliche, schwer separierbare Inhomogenitäten in der thermischen Ausdehnung verursacht werden, sollte der Probenhalter symmetrisch ausgelegt sein.

Vorteilhafterweise sollte zur gleichmäßigen Temperierung die Messprobe samt Probenhalter in ein Temperaturbad eingebracht werden. Dabei sollte die Wärmezufuhr über die gesamte Oberfläche gleichmäßig erfolgen. Um sicher zu gehen, dass die Messprobe überall auf gleicher Temperatur ist, sollte eine Zeitspanne von einigen Stunden bis einem Tag für den Temperierungsvorgang eingeplant werden.

Da die Zeitkonstante der thermischen Vorgänge im Sekundenbereich liegt, muss die interferometrische Messung unmittelbar nach Einbringen der temperierten Messprobe innerhalb weniger Sekunden erfolgen. Sonst könnten globale Deformationen die lokalen Oberflächendeformationen verdecken. Für die schnelle und genaue Positionierung des Probenhalters bietet sich dabei eine kinematische Dreipunktjustierung an.

Die Erfindung soll anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 ein Fizeau-Interferometer,
2a, b eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Variante 1,
3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Variante 1,
4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Variante 2,
5a, b, c Ausführungsformen nach Variante 1 mit Vakuumkammer,
6 eine Prinzipskizze zur Multipass-Anordnung.
In 1 ist ein Fizeau-Interferometer zur Planflächenprüfung dargestellt. Als Lichtquelle wird ein Laser 1 verwendet. Nach Passieren einer ersten Linse 2 und einer ersten Blende 3 wird das Laserlicht an der Linse 4 aufgeweitet und gegebenenfalls gefiltert, um kohärente Wellenfrontstörungen zu unterdrücken. Danach folgt ein Polarisationsstrahlteiler 6 mit vorgeschalteter λ/2-Platte 5 zum Intensitätsabgleich. Eine nachfolgende Wellenplatte 7 ermöglicht im doppelten Durchgang ein nahezu perfektes Umlenken des vom Interferometer reflektierten Lichtes auf die als Detektor eingesetzte CCD-Kamera 16. Zwischen Strahlteiler 6 und CCD-Kamera 16 ist ein Aufweitungsteleskop, dargestellt durch zwei Linsen 15a, b, angeordnet, das außerdem eine Ortsfrequenzfilterblende zum Ausblenden der Reflexe von Plattenrückseiten und Linsenoberflächen aufweist.
Das durch die Linse 8 und nach Durchgang durch die Blende 9 durch den Kollimator 10 kollimierte Laserlicht trifft auf die Normalplatte 11b mit der Referenzfläche 11a und anschließend auf die Oberfläche 13 der Messprobe 12. Die Referenzfläche 11a und die Messprobenoberfläche 13 bilden das eigentliche Interferometer.
Die Normalplatte ist auf Piezotranslatoren 14 montiert, die eine axiale Translation derselben um ca. eine Wellenlänge ermöglichen.
Die „Luftplatte", die von der Referenzfläche 11a und der Messprobenoberfläche 13 gebildet wird, stellt das eigentliche Interferometer dar, dessen Resonatorabstand modulo λ/2 vom Licht als Interferogramm dargestellt wird. Das an den Oberflächen 11,13 reflektierte Licht passiert erneut die λ/4-Platte 7 und den Polarisationsstrahlenteiler 6 und verlässt orthogonal zum einfallenden Licht den Strahlteiler 6. Nach der Abbildung mittels eines Teleskops 15a, b entsteht ein konjugiertes Bild der Messprobenoberfläche auf der CCD-Kamera 16.
Die unmittelbar gemessene Größe ist die Intensitätsverteilung über die Fläche. Die eigentliche Oberflächentopologie schlägt sich aber in der Phasenverteilung über die Flächen nieder. Die Phasenverteilung kann prinzipiell über eine Fouriertransformation erhalten werden.
Der Messfleck erstreckt sich über die gesamte Probenoberfläche mit Ausnahme der Ränder. Damit werden ca. 90 % der Probenoberfläche gleichzeitig vermessen. Bei dem vorliegenden Beispiel hat der Messfleck einen Durchmesser von 150 mm.
Eine Möglichkeit zur Ermittlung der Phase besteht darin, die Intensität bei fünf verschiedenen Referenzphasen zu messen, die durch Einstellen unterschiedlicher Abstände zwischen der Referenzfläche 11 und der Messprobenoberfläche 13 mit Hilfe der Piezotranslatoren 14 eingestellt werden können. Mit Hilfe eines 5-Phasenalgorithmus kann die Phase aus Φ = arctan(2I2 – 2I4)/(I1 – 2I3 + I5)mod2πberechnet werden. Dabei sind I₁ bis I₅ die gemessenen Intensitäten bei den fünf angenommen Referenzphase in Abstand Φ/2 (siehe auch J. Schwider et al., Applied Optics 22, 3421–3432 (1983)).
Als Normalplatte 11b mit Referenzfläche 11a wird eine Platte gewählt, deren Fläche eine derart geringe Rauhigkeit aufweist, dass sie verglichen mit den zu messenden Oberflächendeformationen als ideal eben angesehen werden kann. Bei der Vermessung der Oberflächentopolgie von Multilayerspiegeln für EUV-Lithographiesystem liegen die Änderungen der Oberflächentopologie bei Erwärmung um 10°C, die noch nachgewiesen werden müssen, im Bereich von 0,1 nm bis 0,2 nm.
Zur Bestimmung der lokalen Ausdehnungskoeffizienten des Multilayerspiegels wird dessen Oberflächentopologie zunächst bei 20°C vermessen. Danach wird er samt Probenhalter 12 Stunden in ein Temperaturbad bei 30°C auf diese Testtemperatur aufgewärmt. Der Probenhalter ist aus einem nur gering wärmeleitenden Material und wird in der Messvorrichtung wärmeisoliert angeordnet. Um keine zusätzlichen Deformationen zu verursachen, die aus den gemessenen Oberflächentopologien nicht herausgerechnet werden können, zu verursachen, ist der Probenhalter derart ausgeführt, dass die eigentliche Halterung die Symmetrie der Probenform wiederspiegelt. Um einen schnellen Probenwechsel zu ermöglichen, wird die horizontale Lagerung der Messprobe favorisiert. Zudem wird dabei die durch Gravitation hervorgerufene Rückstellkraft auf gleicher Stärke erhalten.
Die temperierte Messprobe wird unmittelbar nach dem Einbau in die Messvorrichtung vermessen, damit während der Messung ein zeitlich möglichst konstanter und möglichst geringer Temperaturgradient gewährleistet wird.
Nachdem die Intensitätsverteilungen bei 20°C und bei 30°C soweit ausgewertet sind, dass die Oberflächentopologien bekannt sind, kann durch Differenzbildung und Division durch die Temperaturdifferenz die Verteilung der lokalen thermischen Ausdehungskoeffizienten berechnet werden.
In 2a ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung nach Variante 1 dargestellt. Das zuvor erläuterte Fizeau-Prinzip ist dahingehend erweitert worden, dass im Fizeau-Arm 33 für eine Mehrfachreflexion des Lichtes gesorgt wird (siehe auch 2b). Dies wird durch eine Verspiegelung der entscheidenden Flächen 11a und 13 erreicht. Es kann auch dadurch erreicht werden, dass die Wellenlänge des Laserstrahls 1 derart ausgewählt wird, dass eine möglichst hohe Reflexion bis Totalreflexion an den Oberflächen 11a und 13 vorliegt. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, ist außerdem ein Twyman-Green-Arm 34 ergänzt worden.
Austretend aus dem Strahlteiler 6 passiert das Licht die λ/4-Platte 18, die Linse 19 und den Kollimator 20, bevor es auf den Referenzspiegel 21 trifft, der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass seine Reflexionsfläche der Referenzfläche des Fizeau-Arms entspricht. Das Interferogramm des Fizeau-Arms wird nach Passieren des Strahlteilers 6 mit dem reflektierten Licht des Twyman-Green-Armes 34 überlagert. Das Gesamtsignal passiert einen Polarisator 35, ein teleskopisches Abbildungssystem 15a, b mit Ortsfrequenzfilter 17, bevor es von der CCD-Kamera 16 detektiert wird. Durch die Multipass-Anordnung im Fizeau-Arm 33 und durch Hinzunehmen des Twyman-Green-Signales wird ins gesamt die Auflösung der Vorrichtung so sehr erhöht, dass auch Oberflächendeformationen im Subnanometerbereich detektiert werden können.
In 3 ist eine weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Variante 1 dargestellt. Zur Erhöhung der Signalqualität weist sie zusätzliche Polarisatoren 22 und 23 gleich hinter dem Laser 1 auf, sowie einen zusätzlichen Polarisator 31 vor der CCD-Kamera 16. Um partiell kohärentes Licht herzustellen, ist nach der ersten Linse 2 eine rotierende Mattscheibe 24 vorgesehen. Außerdem sind vor der λ/2-Platte 5 und dem Strahlteiler 6 eine bewegbare Feldblende 25 sowie zwei zusätzliche Linsen 26 und 27 vorgesehen.
Nach Passieren des Stahlteilers 6 und der Linse 8 wird mittels des Planspiegels 28 der Fizeau-Arm 33 aus der Papierebene nach oben auf einen Paraboloidspiegel 29 geleitet. Dieser wiederum spiegelt das Licht auf eine horizontal angeordnete Referenzfläche 11a und eine horizontal darunter angeordnete Probe 12. Dementsprechend wurde als Referenzspiegel 21 im Twyman-Green-Arm 34 ein sphärischer Spiegel gewählt. Unterschiedliche Referenzphasen werden in der in 3 dargestellten Vorrichtung durch Verschieben des Referenzspiegels 21 in Strahlrichtung (angedeutet durch den Doppelpfeil) mittels piezoelektrischer Elemente 32 eingestellt.
In 4 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach Variante 2 dargestellt. Der in 3 dargestellte Twyman-Green-Arm 34 ist weggefallen. Dafür sind Referenzplatte 11b mit Referenzfläche 11a sowie die Probe 12 mit ihrer zu messenden Oberfläche 13 in einer Vakuumkammer 36 angeordnet. Durch die Messung im Vakuum wird der Einfluss der Brechzahl der Luft auf das Messergebnis minimiert. Diese Unterschiede in der Brechzahlverteilung des Luftvolumens – auch aufgrund höherer Temperaturunterschiede durch Luftkonvektion – können an sonsten die eigentlichen Messdaten völlig überdecken. Durch die Messung im Vakuum liefert die aufgeheizte Probe nach dem Einbringen während einer Zeitspanne von ca. 15 Sekunden, die für die Messung benötigt werden, keinen Temperaturbeitrag zur Temperatur der Referenzplatte, so dass auch Messfehler durch Temperaturgradienten in der Referenzplatte ausgeschlossen werden können.
Besonderer Beachtung bedarf das Vakuumfenster 37. Es muss zum einen dem Druckunterschied von Normaldruck zu Vakuum standhalten und sich dabei möglichst wenig verbiegen. Zum anderen soll eine hohe Transmission erreicht werden. Als Fenstermaterial bieten sich Spezialgläser an, die zweiseitig entspiegelt sind. Es ist darauf zu achten, dass die Spezialgläser nicht zu weich ausgesucht werden. Denn dann lässt sich ihre Oberfläche nicht hinreichend gut polieren.
Das Vakuumfenster 37 ist unter einem bestimmten Winkel zur Probe 12 und Referenzplatte 11b angeordnet, so dass sich doch noch bildende Lichtreflexe nicht in dem Detektor 16 reflektiert werden.
Bei dem in 4 dargestellten Interferometer beträgt der Winkel zwischen Referenzfläche 11a und Probenoberfläche 13 0°. Indem man die Referenzplatte 11b gegenüber der Probe 12 etwas verkippt, erreicht man eine Multipass-Anordnung, die zu einer höheren Messgenauigkeit führt.
In den 6a und 6b ist das Multipass-Prinzip etwas erläutert. Wie in 6a dargestellt wird der Lichtstrahl zwischen der Referenzfläche 11a und der Probenoberfläche 13 mehrfach unter unterschiedlichen Winkeln reflektiert. Die n-fach reflektierte Intensität kann anhand der 6b berechnet werden. Dort bedeuten R_x Reflektivität, T_x Transmissivität und I₀ Eingangsintensität. Die n-fach reflektierte Intensität hat die allgemeine Form I_n = I₀T₂ ²R₃ ⁿR₃ ^n-1. Dadurch, dass mindestens die Referenzfläche 11b, vorzugsweise aber auch die Probenoberfläche 13 dielektrisch verspiegelt sind, kann bei der Berechnung die Absorption vernachlässigt werden. Gemessen an einem Zweistrahl-Fizeau-Interferometer ist die Intensität zwar um eine Größenordnung geringer. Bei Verwendung einer intensitätsstarken Lichtquelle wie z. B. eines Lasers ist dies aber hinnehmbar. Der Kontrast des Interferogramms hängt von der Wurzel des Intensitätsverhältnisses ab und ist daher auch hinreichend.
In den 5a bis 5c sind Vorrichtungen gemäß der ersten Variante gezeigt, bei denen entweder der Fizeau-Arm (5a) oder der Twyman-Green-Arm (5b) oder beide Arme des Interferometers (5c) im Vakuum angeordnet sind. Indem außerdem im Fizeau-Arm in Multipass-Anordnung gemessen wird, lässt sich dadurch eine maximale Messgenauigkeit erreichen.

1: Laser
2: Linse
3: Blende
4: Linse
5: λ/2-Platte
6: polarisierender Strahlteiler
7: λ/4-Platte
8: Linse
9: Blende
10: Kollimator
11a: Fizeau-Referenzfläche
11b: Referenzplatte
12: Messprobe
13: Probenoberfläche
14: piezoelektrisches Element
15a, b: Linsen
16: CCD-Kamera
17: Ortsfrequenzfilter
18: λ/4-Platte
19: Linse
20: Kollimator
21: Referenzspiegel
22: Polarisator
23: Polarisator
24: rotierende Mattscheibe
25: Feldblende
26: Linse
27: Linse
28: Planspiegel
29: Paraboloidspiegel
30: Ortsfrequenzfilter
31: Polarisator
32: piezoelektrisches Element
33: Fizeau-Arm
34: Twyman-Green-Arm
35: Polarisator
36: Vakuumkammer
37: Vakuumfenster

Claims

Vorrichtung für die interferometrische Messung von thermisch induzierten Oberflächendefekten mit – einer Lichtquelle (1); – einem Element zur Probenaufnahme oder -halterung: – einem Element (11b) mit Referenzfläche (11a) in Fizeau-Anordnung; – einem Referenzspiegel (21) in Twyman-Green-Anordnung; – einem Strahlteiler (6), der den Lichtstrahl in einen Teilstrahl für den Fizeau-Arm (33) und in einen Teilstrahl für den Twyman-Green-Arm (34) aufteilt; – einem Detektor (16) zur Vermessung des Gesamtsignals aus dem Fizeausignal überlagert vom Twyman-Green-Signal.
Vorrichtung für die interferometrische Messung von thermisch induzierten Oberflächendefekten mit – einer Lichtquelle (1); – einem Element zur Probenaufnahme oder -halterung; – einem Element (11b) mit Referenzfläche (11a) in Fizeau-Anordnung; – einem Detektor (16) und – einer Vakuumkammer (36), in der das Element (11b) mit Referenzfläche (11a) und das Element zur Probenaufnahme oder -halterung angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die eine oder zwei Vakuumkammern (36) aufweist, in der der Twyman-Green-Arm (34) und/oder der Fizeau-Arm (33) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein Laser (1) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor eine CCD-Kamera (16) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (11a) verspiegelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (11b) mit Referenzfläche (11a) und/oder der Referenzspiegel (21) derart angeordnet sind, dass Mehrfachreflektionen möglich sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler (6) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Strahlteiler (6) eine λ/2-Platte (5) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Strahlteiler (6) eine in Strahlrichtung verschiebbare Feldblende (25) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Strahlteiler (6) eine rotierende Mattscheibe (24) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichet, dass vor dem Detektor (16) ein Ortsfrequenzfilter (17, 30) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass strahlaufweitende Kollimatoren (19) in Verbindung mit jeweils einer dahinter angeordneten λ/4-Platte (18) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass reflektive Kollimatoren (29) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzspiegel (21) und/oder die Referenzfläche (11a) mittels piezoelektrischer Mittel (14, 32) verschiebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Probenaufnahme oder -halterung als Probenhalter ausgebildet ist und aus einem Material mit geringem Wärmeleitungskoeffizienten besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Probenaufnahme oder -halterung als Probenhalter ausgebildet ist und von den übrigen Elementen der Vorrichtung thermisch isoliert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Probenaufnahme oder -halterung als Probenhalter ausgebildet ist und symmetrisch ausgelegt ist.
Verfahren zur Messung von thermisch induzierten Oberflächendeformationen, insbesondere des lokalen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, durch – interferometrische Vermessung der Oberflächentopologie einer Probe bei Referenztemperatur, – Erwärmen der Probe auf Testtemperatur, – erneute interferometrische Vermessung der Oberflächentopologie der Probe bei Testtemperatur, – Bildung der Differenz der Meßergebnisse, – Berechnung der thermisch induzierten Oberflächendeformation, insbesondere des lokalen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, aus der Topologiedifferenz und der Differenz aus Referenz- und Testtemperatur.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass jede interferometrische Vermessung der Oberflächentopologie bei mehr als einer Referenzphase durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch Interpolation eines Polynoms niedrigen Grades und dessen Subtraktion von dem Meßergebnis die globalen Deformationen von den lokalen Deformationen getrennt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Lichts für die interferometrische Vermessung der Oberflächentopographie derart gewählt wird, daß an der Meßprobenoberfläche möglichst hohe Reflexion vorliegt.