DE10392754T5

DE10392754T5 - Interferometrisches optisches System und Verfahren, die eine optische Pfadlänge und einen Fokus bzw. Brennpunkt liefern, die gleichzeitig abgetastet werden

Info

Publication number: DE10392754T5
Application number: DE10392754T
Authority: DE
Inventors: Peter Middletown De Groot; Xavier Middletown COLONNA DE LEGA; Senthil Rocky Hill Balasubramaniam
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-08-25
Also published as: US20040027576A1; WO2003106921A1; US7012700B2; AU2003276755A1; JP2005530147A

Abstract

Verfahren, das folgendes aufweist:
eine Bildsynthese bzw. Bildgebung von Testlicht, das von einer Testoberfläche reflektiert wird, um mit Referenzlicht an einer Kamera zu interferieren und um ein Interferenzmuster zu bilden, wobei das Testlicht und das Interferenzlicht von einer gemeinsamen Quelle abgeleitet sind,
wobei optische Pfade für das Test- und das Referenzlicht eine optische Messoberfläche entsprechend einer theoretischen Testoberfläche definieren, die das Testlicht reflektieren würde, um eine konstante optische Pfadlängendifferenz zwischen ihm und dem Referenzlicht über der Kamera zu erzeugen;
Abtasten der optischen Messoberfläche relativ zu der Testoberfläche; und
Einstellen einer Position der Kamera relativ zu einem Bild der optischen Messoberfläche, die der Kamera am Nächsten ist, während des Abtastens der optischen Messoberfläche.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Dies beansprucht die Priorität der vorläufigen Patentanmeldung 60/398,762, mit dem Titel "INTERFEROMETRIC OPTICAL SYSTEMS HAVING SIMULTANEOUSLY SCANNED OPTICAL PATH LENGTH AND FOCUS", eingereicht am 17. Juni"002, von welcher der gesamte Inhalt hierdurch durch Bezugnahme enthalten ist.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft eine optische Metrologie.
HINTERGRUND
Geräte zum Profilieren von Oberflächen sind allgemein als entweder Kontakttypen oder kontaktlose bzw. berührungslose Typen klassifiziert. Bei Kontakttypen wird ein Schreibstift zum mechanischen Bewegen über die Oberfläche verwendet, während er in physikalischem Kontakt mit ihr ist, um Information über Oberflächenmerkmale zu bilden, die ihre Position und Skalierung enthalten. Berührungslose Typen basieren für gewöhnlich auf einer Optik und können in Abhängigkeit davon entweder Abtasttypen oder Vollfeldtypen sein, ob eine Sonde über eine Oberfläche auf die Weise eines Schreibstifts bewegt wird oder nicht, aber nicht in Kontakt mit der Oberfläche, oder ein Bereich, der größer als derjenige ist, der durch eine Sonde gemessen wird, auf einmal vollständig einer Bildsynthese unterzogen wird.
Eine optische Metrologie von Oberflächenprofilen kann allgemein in zwei Systeme aufgeteilt werden, nämlich ein interferometrisches und ein geometrisches. Geometrische Techniken enthalten eine Triangulation und Moire-Randanalyse, die die Projektion und Bildgebung bzw. Bildsynthese einer periodischen Struktur, wie beispielsweise eine Ronchi-Regel, enthält. Geometrische Techniken sind relativ unempfindlich gegenüber Oberflächenrauigkeit und Deformationen, sind aber von einer relativ niedrigen Auflösung, wodurch veranlasst wird, dass sie ungeeignet für viele Anwendungen sind, bei welchen Oberflächenprofile mit hoher Genauigkeit gemessen werden müssen.
Eine Interferometrie beruht andererseits auf der Wellennatur von Licht für eine Messung hoher Genauigkeit des Oberflächenprofils eines Testobjekts. Ein typisches Interferometer enthält einen Lichtgenerator, der einen Lichtstrahl erzeugt, gefolgt durch einen Strahlteiler, der den Strahl in Referenz- und Messstrahlen aufteilt. Der Referenzstrahl wird dann von einer Referenzoberfläche reflektiert und der Messstrahl von dem Objekt, dessen Oberfläche zu profilieren ist. Erste und zweite reflektierte Wellenfronten von den Referenz- und Messoberflächen werden dann miteinander rekombiniert, während sie sowohl konstruktiv als auch destruktiv interferieren, um ein Interferenz-Randmuster bei einem Detektor zu erzeugen, wobei das Randmuster eine Funktion der optischen Pfaddifferenz zwischen den Pfaden ist, die durch die Referenz- und Messstrahlen durchlaufen werden. Die optische Pfaddifferenz resultiert in Differenzen bezüglich einer Phase als Ergebnis der Differenzen bzw. Unterschiede bezüglich eines optischen Pfads, der zwischen den Referenz- und Messstrahlen durchlaufen wird. Eine Bildsynthese- bzw. Bildgebungsvorrichtung, wie beispielsweise eine Festzustandskamera, empfängt die rekombinierten Wellenfronten und erlangt bzw. erfasst Bilder des Interferenz-Randmusters. Das Interferenz-Randmuster wird dann analysiert, um Information über das Oberflächenprofil des Testobjekts zu erhalten.
Eine Randmusteranalyse für eine Oberflächenprofilometrie wird oft durch die wohlbekannte Technik einer Phasenverschiebungs-Interferometrie (PSI = phase shifting interferometry) durchgeführt. Bei PSI wird die Höhendifferenz zwischen Stellen auf einer Oberfläche, die durch erste und zweite Pixel an der Bildgebungsvorrichtung abgebildet bzw. einer Bildsynthese unterzogen sind, zuerst durch Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen bei dem ersten und dem zweiten Pixel empfangenen Licht bestimmt, und dann durch Verwenden der Phasendifferenz zum Berechnen einer Höhendifferenz. Ein primärer Vorteil von PSI besteht darin, dass sie äußerst genau ist. Die vertikale Höhengenauigkeit für PSI ist ein Bruchteil (z.B. 1/100) der optischen Wellenlänge der Lichtquelle, die zum Durchführen der Messung verwendet wird. Ein zweiter Vorteil von PSI besteht darin, dass sie gute Vibrationsimmunitätscharakteristiken hat, weil Phasendaten für alle Pixel gleichzeitig erlangt bzw. erfasst werden und weil die Datenerfassungszeit relativ kurz ist.
Allgemein gesagt können jedoch herkömmliche PSI-Ansätze nur glatte Oberflächen mit relativ geringen Höhenvariationen bzw. -schwankungen oder "Oberflächenabweichungen" zwischen benachbarten Messstellen profilieren (die maximale Höhenabweichung, die untergebracht werden kann, ist +/– ein Viertel der Wellenlänge), da eine herkömmliche Interferometrie an einer Oberfläche mit starken Neigungen eine solch hohe Randdichte erzeugt, dass keine bedeutungsvolle Information aus dem Randmuster abgeleitet werden kann. Daher ist, während eine PSI-Interferometrie sehr viel genauer als eine geometrische optische Profilometrie ist, sie historisch derart angesehen worden, dass sie schlecht für eine Verwendung bei groben bzw. rauen Objekten oder bei Objekten mit markierten Oberflächendeformationen geeignet ist.
Eine interferometrische Technik, der die Beschränkung auf ein Viertel der Wellenlänge der PSI fehlt, ist die so genannte abtastende Weißlicht-Interferometrie oder SWLI (= scanning white light interferometry). Bei SWLI erzeugt eine Weißlicht-Beleuchtungsquelle, oder allgemeiner, eine, welche im Gegensatz dazu, dass sie von einem Schmalbandspektrum ist (z.B. ein Laser), von einem Breitbandspektrum ist, ein Interferenzmuster, das als Funktion einer Abtastposition Bereiche hohen Kontrastes für jede Stelle auf der Testoberfläche enthält. Die Abtastposition von hohem Kontrast für ein gegebenes Pixel zeigt die Höhe der entsprechenden Stelle auf der Testoberfläche an. Daher kann durch Vergleichen der zeitlichen Charakteristiken bzw. Kennlinien dieser Bereiche hohen Kontrastes miteinander eine Differenz bezüglich einer Höhe zwischen zwei Stellen auf der profilierten Oberfläche bestimmt werden. Ungleich PSI berechnet SWLI Höhendifferenzen nicht basierend auf Phasendifferenzen, und die PSI-Phasenbeschränkung gilt daher nicht für SWLI. Die maximale physikalische Abweichung zwischen benachbarten Messstellen auf einer profilierten Oberfläche kann daher mit SWLI viel größer als mit PSI sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann SWLI unter Verwendung von Phasenmesstechniken verfeinert werden, um dieselbe Auflösung wie PSI zur Verfügung zu stellen, während sie zum Messen von diskontinuierlichen Oberflächen fähig ist.
Beispiele für hergestellte Elemente, die eine Metrologie erfordern, enthalten Maschinenteile, Komponenten für magnetische Speichervorrichtungen, Flachbildanzeigen, geformte und texturierte Plastikoberflächen, Oberflächen für mechanische Pumpen und Dichtungen und geprägte Münzen. Auf diesen und anderen industriellen Märkten gibt es eine signifikante und wachsende Notwendigkeit für eine schnelle, genaue Metrologie von Teilen mit nicht flachen prismatischen Oberflächen.
ZUSAMMENFASSUNG
Bezüglich gewisser Aspekte zeigt die Erfindung die Merkmale von abtastenden Interferometriesystemen und -verfahren, die eine optische Messoberfläche über Entfernungen abtasten können, die größer als eine Fokustiefe bzw. Schärfentiefe bzw. Tiefenschärfe von bildgebenden Optiken im Interferometriesystem sind, während die optische Messoberfläche im Brennpunkt gehalten wird (d.h. ein Bild der optischen Messoberfläche zusammenfallend bzw. koinzident mit dem Detektor gehalten wird). Die optische Messoberfläche bezieht sich auf eine theoretische Testoberfläche im Pfad von Testlicht im Interferometer, die das Testlicht reflektieren würde, um eine optische Pfadlängendifferenz (OPD = optical path length difference) zwischen dem Test- und dem Referenzlicht zu erzeugen, die über einem Detektor gleich einer Konstanten ist. Für Lichtquellen mit niedriger Kohärenz (z.B. eine Breitbandquelle) ist die Konstante OPD typischerweise eine OPD von Null. Bei einigen Ausführungsbeispielen behält das System das Bild der optischen Messfläche durch Bewegen der Lokalisierung des Detektors im Brennpunkt bzw. Fokus. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere der Bildgebungsoptiken zum Variieren der Position des Bildes der optischen Messfläche abgetastet werden, die dem Detektor am Nächsten ist. Die optische Messoberfläche wird typischerweise durch Bewegen von Optiken im Referenzzweig des Interferometers abgetastet, um die optische Pfadlänge des Referenzlichts beim Detektor zu verändern.
Die Fokuseinstellung kann angeordnet und eingerichtet sein, um entweder eine konstante Objektvergrößerung oder eine konstante Teilbildwinkelabbildung bei dem Objekt während der gesamten Abtastung der optischen Pfaddifferenz beizubehalten bzw. zu bewahren. Die Geschwindigkeit für die Abtastungen für den Brennpunkt und die OPD kann irgendein Verhältnis oder eine funktionsmäßige Beziehung haben, die über eine Computersteuerung programmierbar ist, was Systeme möglich macht, für welche die Fokus-Abtastrate unterschiedlich von derjenigen der OPD-Abtastrate ist, und zwar aufgrund von z.B. keiner 1:1-Bildgebung bzw. -synthese.
Ausführungsbeispiele enthalten ein Linnik-Interferometer für eine Bildsynthese von flachen Oberflächen unter Verwendung von telezentrischen Optiken, einen OPD-Scanner am Referenzarm bzw. -zweig des Interferometers und eine Fokusabtastung, die ein Versetzen einer elektronischen Bildsynthesevorrichtung, wie beispielsweise einer CCD-Kamera, enthält. In diesem Fall kann die Abtastung mit konstanter Vergrößerung zwischen dem Objekt und dem Bild erreicht werden. Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaus ist ein kontinuierlich variabler Arbeitsabstand vom optischen System zu der Teiloberfläche, während eine konstante Vergrößerung beibehalten wird.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel ist ein Interferometer zum Messen nicht flacher Oberflächen, insbesondere von Sphären und Konen, unter Verwendung von nicht telezentrischen Optiken. In diesem Fall ist das Abtasten angeordnet und eingerichtet, um einen konstanten Halb- bzw. Teilbildwinkel bei dem Objekt zur Verfügung zu stellen, während die Vergrößerung während der Abtastung kontinuierlich variiert. Hier bleibt die Objektoberfläche wiederum während des gesamten Abtastens mittels einer unabhängigen Abtastung von Fokus und OPD im scharfen Fokus bzw. Brennpunkt.
Allgemein hat die Erfindung gemäß einem Aspekt das Merkmal eines Verfahrens, das folgendes enthält: eine Bildsynthese von Testlicht, das von einer Testoberfläche reflektiert wird, um mit Referenzlicht an einer Kamera zu interferieren und um ein Interferenzmuster zu bilden, wobei das Testlicht und das Referenzlicht von einer gemeinsamen Quelle abgeleitet sind, wobei optische Pfade für das Test- und das Referenzlicht eine optische Messoberfläche entsprechend einer theoretischen Testoberfläche definieren, die das Testlicht reflektieren würde, um eine konstante optische Pfadlängendifferenz (z.B. eine optische Pfadlängendifferenz von Null) zwischen ihm und dem Referenzlicht zwischen der Kamera zu erzeugen; Abtasten der optischen Messoberfläche relativ zu der Testoberfläche; und Einstellen einer Position der Kamera relativ zu einem Bild der optischen Messoberfläche, die der Kamera am nächsten ist, während des Abtastens der optischen Messoberfläche.
Ausführungsbeispiele des Verfahrens können irgendeines der folgenden Merkmale enthalten.
Die Position der Kamera relativ zu dem Bild der optischen Messoberfläche kann während des Abtastens der optischen Messoberfläche eingestellt werden, um die optische Messoberfläche innerhalb einer Fokustiefe eines Bildgebungssystems bzw. Bildsynthesesystems bzw. Bildsynthesesystems beizubehalten, das zur Bildsynthese des Testlichts zur Kamera verwendet wird.
Ein Einstellen der Position der Kamera relativ zu dem Bild der optischen Messoberfläche kann ein Bewegen der Kamera enthalten.
Ein Einstellen der Position der Kamera relativ zum Bild der optischen Messoberfläche kann ein Bewegen von wenigstens einer Komponente enthalten, die zur Bildsynthese des Testlichts zur Kamera verwendet wird. Beispielsweise kann ein Einstellen der Position der Kamera relativ zum Bild der optischen Messoberfläche ein Bewegen eines teleskopischen Relais enthalten, das zur Bildsynthese des Testlichts zur Kamera verwendet wird, wobei das teleskopische Relais eine Vergrößerung hat, die nicht gleich 1 ist.
Das Verfahren kann weiterhin ein Aufzeichnen von Bildern des Interferenzmusters mit der Kamera als Funktion der Abtastung der optischen Messoberfläche enthalten.
Ein Abtasten der optischen Messoberfläche relativ zur Testoberfläche kann ein Abtasten eines Krümmungsradius eines lokal sphärischen Teils der optischen Messoberfläche enthalten. Beispielsweise kann der Krümmungsradius relativ zu einer Messdatenstelle verändert bzw. variiert werden. Ebenso kann die Bildsynthese ein Fokussieren des Testlichts in Richtung zu einer Messdatenstelle enthalten. Beispielsweise kann die Messdatenstelle vor der Testoberfläche positioniert sein.
Das Referenzlicht kann von einer Referenzfläche vor einem Erreichen der Kamera reflektieren, und wobei ein Abtasten der optischen Messoberfläche relativ zur Testoberfläche ein Bewegen von wenigstens der Referenzoberfläche enthält. Das Referenzlicht kann vor einem Reflektieren von der Referenzoberfläche in Richtung zu einer Referenz-Fokusstelle fokussiert werden. Beispielsweise kann die Referenz-Fokusstelle vor der Referenzoberfläche positioniert sein. Ebenso kann das Referenzlicht von einem gekrümmten Teil der Referenzoberfläche reflektieren. Beispielsweise kann die Referenzoberfläche das Referenzlicht zurück zur Referenz-Fokusstelle reflektieren.
Weiterhin kann ein Abtasten der optischen Messoberfläche relativ zur Testoberfläche ein Abtasten einer Stelle bzw. Lokalisierung der Referenz-Fokusstelle enthalten.
Ebenso kann das Referenzlicht von einem planaren Teil der Referenzoberfläche reflektieren.
Die gemeinsame Quelle kann eine Kohärenzlänge haben und die optische Messoberfläche kann über einen Bereich abgetastet werden, der größer als die Kohärenzlänge ist.
Die gemeinsame Quelle kann eine Kohärenzlänge haben und die optische Messoberfläche kann über einen Bereich abgetastet werden, der kleiner als die Kohärenzlänge ist.
Das Testlicht und das Referenzlicht können von der gemeinsamen Quelle unter Verwendung eines Interferometers abgeleitet werden. Beispielsweise kann das Interferometer ein Linnik-Interferometer oder ein Mirau-Interferometer sein. Ebenso kann das Verfahren weiterhin ein Einstellen der Lokalisierung der Testoberfläche relativ zum Interferometer enthalten.
Allgemein zeigt die Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt das Merkmal einer Vorrichtung, die folgendes enthält: ein interferometrisches Bildsynthesesystem, das zur Bildsynthese von Testlicht konfiguriert ist, das von einer Testoberfläche reflektiert wird, um mit Referenzlicht an einer Kamera zu interferieren und um ein Interferenzmuster zu bilden, wobei das Testlicht und das Referenzlicht von einer gemeinsamen Quelle abgeleitet werden, wobei optische Pfade für das Test- und Referenzlicht eine optische Messoberfläche entsprechend einer theoretischen Testoberfläche definieren, die das Testlicht reflektieren würde, um eine konstante optische Pfadlängendifferenz (z.B. eine optische Pfadlängendifferenz von Null) zwischen ihm und dem Referenzlicht über der Kamera zu erzeugen; wobei das interferometrische Bildsynthesesystem eine erste Bühne enthält, die zum Abtasten der optischen Messoberfläche relativ zur Testoberfläche konfiguriert ist, und eine zweite Bühne, die zum Einstellen einer Position der Kamera relativ zu einem Bild der optischen Messoberfläche konfiguriert ist, die der Kamera am nächsten ist, und zwar während der Abtastung der optischen Messoberfläche.
Ausführungsbeispiele der Vorrichtung können irgendeines der folgenden Ausführungsbeispiele enthalten.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine elektronische Steuerung in Kommunikation mit der ersten Bühne und der zweiten Bühne enthalten, und während eines Betriebs kann die elektronische Steuerung veranlassen, dass die erste Bühne die optische Messoberfläche relativ zur Testoberfläche abtastet, und veranlassen, dass die zweite Bühne die Position der Kamera relativ zum Bild der optischen Messoberfläche, die am nächsten zur Kamera ist, einstellt, um die optische Messoberfläche innerhalb einer Fokustiefe des interferometrischen Bildsynthesesystems beizubehalten.
Die Kamera kann an der zweiten Bühne montiert sein, und während eines Betriebs kann die elektronische Steuerung veranlassen, dass die zweite Bühne die Position der Kamera relativ zur Testoberfläche einstellt, um die optische Messoberfläche innerhalb einer Fokustiefe des interferometrischen Bildsynthesesystems beizubehalten.
Das interferometrische Bildgebungssystem bzw. Bildsynthesesystem kann weiterhin wenigstens eine Bildsynthesekomponente enthalten, die an der zweiten Bühne montiert ist, und während eines Betriebs kann die elektronische Steuerung veranlassen, dass die zweite Bühne die Position der Bildsynthesekomponente relativ zur Testoberfläche einstellt, um die optische Messoberfläche innerhalb einer Fokustiefe des interferometrischen Bildsynthesesystems beizubehalten. Beispielsweise kann die wenigstens eine Bildsynthesekomponente ein teleskopisches Relais sein, das an der zweiten Bühne montiert ist, und während eines Betriebs kann die elektronische Steuerung veranlassen, dass die zweite Bühne die Position des teleskopischen Relais relativ zur Testoberfläche einstellt, um die optische Messoberfläche innerhalb einer Fokustiefe des interferometrischen Bildsynthesesystems beizubehalten. Das teleskopische Relais kann eine Vergrößerung haben, die nicht gleich 1 ist.
Die elektronische Steuerung kann auch in Kommunikation mit der Kamera sein, und während eines Betriebs kann die elektronische Steuerung Bilder des Interferenzmusters mit der Kamera als Funktion der Abtastung der optischen Messoberfläche aufzeichnen.
Das interferometrische Bildsynthesesystem kann weiterhin Messoptiken enthalten, die Testlicht zu und von der Testoberfläche führen, und Referenzoptiken, die Referenzlicht zu und von einer Referenzoberfläche führen. Beispielsweise können die Referenzoptiken identisch zu den Testoptiken sein.
Die Referenzoberfläche kann an der ersten Bühne montiert sein, und während eines Betriebs kann die erste Bühne die optische Messoberfläche relativ zu der Testoberfläche durch Unterziehen der Referenzoberfläche einer Translation abtasten. Weiterhin können die Referenzoptiken auch an der ersten Bühne montiert sein, und während eines Betriebs kann die erste Bühne die optische Messoberfläche relativ zu der Testoberfläche durch Unterziehen der Referenzoptiken und der Referenzoberfläche einer Translation abtasten. Beispielsweise kann die Referenzoberfläche eine planare Oberfläche oder eine gekrümmte Oberfläche (z.B. eine sphärische Oberfläche) sein.
Die Referenzoptiken können eine Referenzlinse enthalten, die das Referenzlicht in Richtung zu einer Referenz-Fokusstelle bzw. einem Referenz-Brennpunkt fokussiert.
Die Messoptiken können eine Objektivlinse enthalten, die das Messlicht in Richtung zu einer Messdatenstelle fokussiert.
Die optische Messoberfläche kann eine planare Oberfläche enthalten.
Die optische Messoberfläche kann eine lokal sphärische Oberfläche enthalten.
Die Quelle kann eine Breitbandquelle sein.
Das interferometrische Bildsynthesesystem kann ein Linnik-Interferometer enthalten, das das Testlicht und das Referenzlicht von der gemeinsamen Quelle ableitet.
Das interferometrische Bildsynthesesystem kann ein Mirau-Interferometer enthalten, das das Testlicht und das Referenzlicht von einer gemeinsamen Quelle ableitet.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine dritte Bühne enthalten, die zum Einstellen einer Position der Testoberfläche relativ zum interferometrischen Bildsynthesesystem konfiguriert ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Vorteile haben.
Ein Beibehalten der optischen Messoberfläche im Brennpunkt bzw. Fokus, während über große Bereiche abgetastet wird, kann eine einfache Verwendung zum Profilieren von Oberflächen mit großen Oberflächenprofilvariationen zur Verfügung stellen. Insbesondere kann es einem erlauben, über eine gesamte Testoberfläche abzutasten, ohne dass man die Lokalisierung des Testteils relativ zum Interferometer einstellen muss. Alternativ oder zusätzlich können Systeme, die Objektivlinsen mit einer großen numerischen Apertur und somit geringer Fokustiefe enthalten, zum Profilieren von Oberflächen mit großen Oberflächenprofilvariationen verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen bewegt sich der Testteil in Bezug auf das Interferometer nicht. Dies kann eine Teilebefestigung einfacher machen, da sich die Befestigung direkt an das Interferometergehäuse anbringen kann. Dies kann auch eine Empfindlichkeit gegenüber einer Schwingung bzw. Vibration durch eine stärkere und direktere mechanische Kopplung des Teils am Interferometer reduzieren.
Wie es hierin verwendet wird, ist die zeitliche Kohärenzlänge einer Quellenstelle für ein bandbegrenztes Spektrum einer Breite D₁ (volle Breite bei halbem Maximum) und zentriert bei einer mittleren Wellenlänge λ₀ λ₀ ²/D₁.
Wie es hierin verwendet wird, ist die räumliche Kohärenz einer weiteren monochromatischen oder quasi-monochromatischen Quelle: 4λ/NA² für ein Interferometer, bei welchem die Quelle die Pupille eines Kollimationsobjektivs einer numerischen Apertur NA füllt. Eine gefüllte Pupille bedeutet, dass dann, wenn F die Brennweite des Mikroskopobjektivs ist, die Quellengröße bei der Pupille wenigstens 2FNA ist. Wenn die Quelle kleiner als die Pupille ist, dann ist die räumliche Kohärenz einer erweiterten monochromatischen oder quasi-monochromatischen Quelle: 16λF²/D², wobei D der Quellendurchmesser ist.
Die Details von einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung aufgezeigt. Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen offensichtlich werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Interferometriesystems.
2 ist ein Ausdruck einer relativen Intensität über einer optischen Pfaddifferenz für ein einzelnes Kamerapixel unter Verwendung einer Quelle mit niedriger Kohärenz.
3 ist eine schematische Ansicht des Interferometriesystems der 1 in einer anderen Konfiguration.
4 ist eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Interferometriesystems.
5 ist ein Koordinatensystem für den Objektraum des in
4 gezeigten Interferometriesystems.
6 ist ein Koordinatensystem für einen Bildraum des in 4 gezeigten Interferometriesystems.
7 ist eine schematische Ansicht des Interferometriesystems der 4 in einer anderen Konfiguration.
8 ist eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Interferometriesystems.
9 ist eine schematische Ansicht des Interferometriesystems der 4 in einer weiteren Konfiguration.
10A-10D sind schematische Diagramme, die die Beziehung zwischen der Position eines Objekts und eines Bildes in einem System mit einer Vergrößerung von 2× darstellen.
Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen zeigen gleiche Elemente an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nimmt man Bezug auf 1, enthält ein Interferometriesystem, das zum Messen von nominal flachen Oberflächen konfiguriert ist, einen Sensor 100, der in einem Gehäuse 105 untergebracht ist. Der Sensor 100 ist gleich einem Linnik-Interferometer, wobei eine Gruppe von Referenzoptiken, in diesem Fall eine Referenzlinse 130, im Wesentlichen eine Gruppe von Messoptiken, hier eine Messlinse 140, dupliziert, um eine chromatische Dispersion und optische Abberationen anzupassen. Während eines Betriebs misst der Sensor 100 interferometrisch ein Oberflächenprofil einer Testoberfläche 102 eines Testteils, die vom Sensor entfernt positioniert ist.
Der Sensor 100 enthält eine Lichtquelle 100, eine Kamera 164 und zahlreiche optische Komponenten (die nachfolgend beschrieben sind). Die Lichtquelle 110, wie z.B. eine Quelle mit niedriger Kohärenz, wie beispielsweise eine Halogenlampe, eine Licht emittierende Diode (LED) oder eine Superlumineszenzdiode (SLD), führt Licht über Beleuchtungsoptiken 118 zu einem Strahlteiler 120. Der Strahlteiler 120 teilt das Licht in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl auf. Der Referenzstrahl beleuchtet einen Referenzspiegel 132 durch eine Referenzlinse 130, während der Messstrahl die Testoberfläche 102 durch eine Messlinse 140 beleuchtet. Der Referenzspiegel 132 ist an einer OPD- Abtastbühne 134 montiert, die den Referenzspiegel 132 relativ zur Referenzlinse 130 abtastet. Die Referenzlinse 130 und die Messlinse 140 haben beide eine Brennweite f. Die Referenz- und Messstrahlen reflektieren jeweils vom Referenzspiegel 132 und von der Testoberfläche 102 und rekombinieren sich beim Strahlteiler 120 unter Ausbreitung als Ausgangsstrahl 113 in Richtung zur Kamera 164. Der Ausgangsstrahl 113 ist in 1 durch einen Hauptstrahl 111 und einen Marginalstrahl 112 dargestellt. Die unterschiedlichen Pfade, die durch die Referenz- und Messstrahlen durchlaufen werden, führen eine optische Pfaddifferenz (OPD = optical path difference) zwischen den Komponenten des Referenzstrahls und des Messstrahls des Ausgangsstrahls 113 ein. Diese OPD variiert typischerweise über das Profil des Ausgangsstrahls 113 aufgrund von Variationen bezüglich des Profils der Testoberfläche 102. Wenn die OPD innerhalb der zeitlichen Kohärenzlänge der Lichtquelle 110 ist, variiert die Intensität des durch die Kamera 164 erfassten Ausgangsstrahls als Funktion der OPD aufgrund einer Interferenz zwischen den Referenz- und Messkomponenten des Ausgangsstrahls 113. Bei Ausführungsbeispielen, bei welchen die Lichtquelle 110 eine Quelle niedriger Kohärenz ist, treten diese Interferenzeffekte typischerweise dort auf, wo die OPD nahe Null ist (z.B. wo die OPD innerhalb einiger weniger Wellenlängen von Null ist, wobei die Wellenlänge diejenige der Lichtquelle 110 ist). Eine theoretische Oberfläche entsprechend einer Oberfläche, die den Messstrahl reflektieren würde, um eine konstante optische Pfadlängendifferenz zwischen ihm und dem Referenzstrahl über der Kamera zu erzeugen, wird als optische Messoberfläche 152 angezeigt, die bei der gegenwärtigen Konfiguration bei der Brennpunktebene der Messlinse 140 lokalisiert ist.
Der Sensor 100 enthält auch eine Bildgebungslinse bzw. Bildsyntheselinse 160, die eine Brennweite 2F hat und die 3f entfernt von der Messlinse 140 angeordnet ist, welche die optische Messoberfläche 152 einer Bildsynthese zu einem ebenen Bild 162 unterzieht. Bei der gegenwärtigen Konfiguration ist die Teiloberfläche 102 bei der Brennpunktebene der Messlinse 140 angeordnet, die mit der optischen Messoberfläche 152 koinzident ist bzw. mit dieser zusammenfällt. Weiterhin ist die Kamera 164 bei der Brennpunktebene der Bildsyntheselinse 160 angeordnet. Demgemäß sind sowohl die Teiloberfläche 102 als auch die optische Messoberfläche 152 bei der Kamera 164 perfekt im Brennpunkt, und zwar mit einer Vergrößerung von 2×. Es ist zu beachten, dass, obwohl sich die Beschreibung auf ein Bild der optischen Messoberfläche bezieht, hier das Bild 162, tatsächlich kein Bild gebildet wird, bis es nicht eine Oberfläche gibt, die mit der optischen Messoberfläche zusammenfällt, um Licht zurück zu den Bildgebungsoptiken zu reflektieren. Genau wie die optische Messoberfläche eine theoretische Oberfläche ist, so ist dies auch das Bild der optischen Messoberfläche. Beides sind abstrakte Konstrukte, die bei der Beschreibung der hierin offenbarten Interferometriesysteme helfen sollen.
Um das Profil der Teiloberfläche 102 zu messen, unterzieht die OPD-Abtastbühne 134 den Referenzspiegel 132 einer Translation relativ zur Referenzlinse 130, um dadurch die Lokalisierung der optischen Messoberfläche 152 relativ zu einer Lokalisierung auf einer optischen Achse der Bildgebungsoptiken (d.h. der Messlinse 140 und der Bildgebungslinse 160) abzutasten. Während des Abtastens ist der Sensor 100 unter einer Computerdatenerfassung und -steuerung 199, die elektronische Intensitätsdaten von der Kamera 164 annimmt. Bei einem Ansatz zum Bestimmen des Profils der Teiloberfläche 102 ist der Messprozess gleich demjenigen eines Abtast-Weißlicht-Interferometers. Eine beispielhafte Datengruppe für ein einzelnes Kamerapixel ist in 2 gezeigt, welche die relative Intensität des Ausgangsstrahls, die bei einem Pixel erfasst wird, als Funktion der Position des Referenzspiegels 132 zeigt. Die Lokalisierung des Interferenzintensitätssignals 213 um die OPD-Position von Null ist charakteristisch für eine Interferometrie, und zwar unter der Annahme, dass die in 1 gezeigte Quelle 110 spektral breitbandig ist, wie z.B. eine spektrale Bandbreite von 100 nm, zentriert bei z.B. 600 nm. Die Randlokalisierung liefert ein Mittel zum Bestimmen des genauen Moments, zu welchem die Messebene die Objektstelle entsprechend dem Bildpixel schneidet. Die Abtastbewegung wird durch den Sensor 100 genau gesteuert, so dass eine Kenntnis darüber, wann eine gegebene Objektstelle bei der OPD von Null ist, direkt in eine relative Länge umgesetzt werden kann, wie z.B. von dem in 1 gezeigten Hauptstrahl 111.
Man kann irgendeine einer Vielfalt von Techniken zum Bestimmen einer Oberflächenhöhe unter Verwendung von Quellen mit niedriger Kohärenz anwenden. Es soll beispielsweise angenommen werden, dass Interferenzdaten für ein erstes Pixel wie in 2 ausschauen, mit einer Spitze 212 im Randkontrast 211 bei einer Abtastposition von 0 μm. Ein zweites Pixel für die Kamera 164 könnte eine andere Randkontrastspitze bei einer anderen Abtastposition haben, wie beispielsweise 10 μm. Die Differenz bzw. der Unterschied bezüglich der Position der Kontrastspitzen zwischen den zwei Objektstellen entsprechend dieser Bildpixel wäre daher 10 μm. Für solche Ausführungsbeispiele kann eine Datenverarbeitung z.B. eine Kohärenz-Hüllkurvenerfassung oder Frequenzbereichsanalyse enthalten. Eine Kohärenz-Hüllkurvenerfassung ist beispielsweise von T. Dresel und Mitarbeitern in "Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar", Applied Optics 31(7), S. 919–925 (1992) beschrieben. Ausführungsbeispiele einer Frequenzbereichsanalyse sind im US-Patent Nr. 5,398,113 mit dem Titel "METHOD AND APPARATUS FOR SURFACE TOPOGRAPHY MEASUREMENT BY SPATIAL-FREQUENCY ANALYSIS OF INTERFEROGRAMS" von P. de Groot beschrieben. Die gesamten Inhalte von beiden dieser Referenzen sind hierdurch durch Bezugnahme enthalten.
Nimmt man wieder Bezug auf 1, bewegt sich während des Abtastens die Position des Bildes 162 der optischen Messoberfläche 152, wenn sich die optische Messoberfläche 152 selbst bewegt. In der Tat ist aufgrund der Vergrößerung von 2× des Bildes die Rate, mit welcher sich das Bild bewegt, 4× der Rate bzw. Geschwindigkeit, mit welcher sich die optische Messoberfläche 152 bewegt. Allgemein sind für Sensoren, bei welchen die optische Messoberfläche flach ist, die relativen Fokus-zu-OPD-Abtastraten proportional zum Quadrat der Vergrößerung des Bildgebungssystems. Eine Folge der Bewegung der optischen Messoberfläche 152 besteht darin, dass die optische Messoberfläche bei der gegenwärtigen Konfiguration bei der Kamera 164 nicht mehr im Fokus ist. Nimmt man auch Bezug auf 3, tastet eine Fokus-Abtastbühne 170, um die optische Messoberfläche 152 während des Abtastens im Fokus zu halten, die Lokalisierung der Kamera 164 ab. Insbesondere ist bei der in 3 gezeigten Konfiguration der Teil der Testoberfläche 102 im Fokus um einen Betrag δz im Vergleich mit dem Teil der Testoberfläche 102 im Fokus für die in 1 gezeigte Konfiguration versetzt. Demgemäß ist der Referenzspiegel 132 um δz versetzt, um sicherzustellen, dass die optische Messoberfläche 152 den richtigen Teil der Testoberfläche 102 kontaktiert. Die Kamera 164 wird um einen Betrag δz' = 4δz versetzt, um sicherzustellen, dass die optische Messoberfläche 152 im Fokus bleibt und die Vergrößerung sich nicht ändert. Demgemäß tastet der Sensor 100 in diesem Fall die Kamera 164 mit einer Geschwindigkeit bzw. bei einer Rate ab, die nominal 4× von der Rate ist, bei welcher er den Referenzspiegel 132 (und die optische Messoberfläche) abtastet. Somit bleibt das Bild 162 der optischen Messoberfläche 152 während der gesamten OPD-Abtastung scharf im Fokus, während eine konstante Vergrößerung behalten wird. Das Verhältnis zwischen den Raten eines Versatzes der Fokus-Abtastbühne 170 und der OPD-Abtastbühne 134 ist programmierbar und wird durch einen Computer 199 gesteuert.
Aufgrund des dualen Abtastens kann die optische Messoberfläche 152 über einen sehr großen Bereich (im Vergleich mit z.B. der zeitlichen Kohärenzlänge der Lichtquelle 110) abgetastet werden, ohne eine Vergrößerung zu ändern und ohne einen Bildfokus zu verlieren.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann ein Interferometriesystem zum Profilieren von nicht flachen Oberflächen, wie z.B. sphärischen und/oder konischen Oberflächen angepasst sein. Beispielsweise zeigt die 4 einen Sensor 400, der zum Profilieren einer konischen Testoberfläche 402 geeignet ist. Gleich dem Sensor 100, der oben beschrieben ist, ist der Sensor 400 gleich einem Linnik-Interferometer, wobei die Referenzoptiken 431 im Wesentlichen Messoptiken 440 duplizieren, wie beispielsweise zum Anpassen einer chromatischen Dispersion und von optischen Abberationen. Komponenten des Sensors 400 sind in einer Umhüllung bzw. einem Gehäuse 405 untergebracht. Die Messoptiken 440, einschließlich von Linsen 448 und 449, die Referenzoptiken 431, einschließlich von Linsen 428 und 429, und ein sphärischer Referenzspiegel 432 sind ausgewählt und angeordnet und eingerichtet, um eine sphärische optische Messoberfläche 452 zu erzeugen. Die Linse 429 fokussiert den Referenzstrahl zu einer Stelle, die koinzident zu der Linse 428 ist. Die Messoptiken 440 bilden ein virtuelles Bild der optischen Messoberfläche 452 innerhalb eines Strahlteilers 420. Die Referenzoptiken 440 und der Referenzspiegel 432 sind an einer OPD-Abtastbühne 434 montiert, die die Optiken und den Referenzspiegel einer Translation unterzieht, um den Krümmungsradius der sphärischen optischen Messoberfläche 452 zu verändern. Obwohl der Krümmungsradius sich verändern kann, ist die sphärische optische Messoberfläche 452 um eine Datenstelle 450 zentriert, so dass ein Hauptstrahl 411 durch die Datenstelle 450 verläuft, welche in diesem Fall auch bei der Pupille der Messoptiken 440 ist. Die optische Messoberfläche 452 stellt die momentane Stelle von OPD-Stellen von Null im Raum dar, und zwar mit allen Stellen im Fokus bei einem nominalen Krümmungsradius und zwar wenigstens im Wesentlichen über einen begrenzten Bereich von Strahlwinkeln.
Eine Lichtquelle 410 (z.B. eine Quelle mit niedriger Kohärenz wie beispielsweise eine Halogenlampe, eine Licht emittierende Diode (LED), eine Superlumineszenzdiode (SLD)) beleuchtet sowohl die Referenzoptiken 431 als auch die Messoptiken 440 über eine Beleuchtungslinse 418 und einen Strahlteiler 420. Bildgebungs- bzw. Bildsyntheseoptiken 460, einschließlich von Linsen 458 und 459, bilden ein ebenes Bild 462 an einer Kamera 464 des Referenzspiegels 432 und von irgendeiner möglichen Objektstelle, die die optische Messoberfläche 452 schneiden kann und Licht über die Messoptiken 440 zurück reflektieren oder streuen kann. Dies ist durch den Pfad eines Marginalstrahls 412 dargestellt. Die Kamera 464 ist an einer Fokus-Abtastbühne 430 montiert, die die Kamera 464 einer Translation in Richtung zu und weg von den Bildgebungsoptiken 460 unterzieht.
Ein Einstellen der Referenzstrahl-Pfadlängen über eine OPD-Abtastbühne 434 ändert den Krümmungsradius für die Messoberfläche 452, was effektiv den Bereich der optischen Messoberfläche 452 in Bezug auf Stellendaten 450 abtastet, wie bei einem aufgeblasenen Ballon, während die Datenstelle 450 im Wesentlichen fest bleibt.
In diesem Fall ändert sich die Vergrößerung konstant als Funktion einer optischen Messoberflächenposition, wohingegen der Teilbild- bzw. Feldwinkel bei dem Objekt während des gesamten Abtastens konstant ist. 5 und 6 klären über die Messgeometrie auf. 5 zeigt ein Koordinatensystem für den Objektraum des Sensors (d.h. bei einer Teiloberfläche 402), während 6 ein Koordinatensystem für den Bildraum (d.h. bei der Kamera 464) zeigt. Wie es in 5 dargestellt ist, kann der Krümmungsradius r der optischen Messoberfläche 452 ein Maß relativ zu einem kartesischen Koordinatensystem sein, das seinen Ursprung bei der Datenstelle 450 hat. Die z-Achse ist koinzident zu einer optischen Achse 501 des Bildgebungssystems. Hauptstrahlen (z.B. der Hauptstrahl 551) mit einem Teilbild- bzw. Feldwinkel θ relativ zur optischen Achse 501, wie es in 5 gezeigt ist, bilden auf Bildstellen bei einem Radius von ρ = Pθ ab, wobei P eine Konstante ist, die durch einen Bildabschnitt 600 in 6 angezeigt wird, welche den Bildbereich 662 der Kamera 464 zeigt. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann P von ρ abhängen. Allgemein kann die Beziehung zwischen ρ und θ (d.h. P) unter Verwendung von z.B. Strahlverfolgungstechniken bestimmt werden. Die optische Achse schneidet die Kamera bei einer Stelle 650. Die Abbildung ist relativ zu einem Azimutwinkel φ symmetrisch. Die Vergrößerung ändert sich während des Abtastens konstant, weil Strahlen bei demselben Feldwinkel θ immer auf denselben Radius ρ an der Kamera abgebildet werden, und zwar ungeachtet des Krümmungsradius r der optischen Messoberfläche. Die Abbildung von Objektraum zum Bildraum, sowie Verfahren zum Analysieren von Daten, die unter Verwendung von solchen Abbildungen erfasst werden, sind in der US-Patentanmeldung mit der seriellen Nr. 10/190,353, mit dem Titel "MEASUREMENT OF COMPLEX SURFACE SHAPES USING A SPHERICAL WAVEFRONT" von Peter de Groot, et al. und eingereicht am 3. Juli 2002 beschrieben, von welcher der gesamte Inhalt hierdurch durch Bezugnahme enthalten ist.
Nimmt man nun Bezug auf 7 ist die Testoberfläche 402 um einen Betrag von δz relativ zu der Position des Teils versetzt, die in 4 gezeigt ist. Um die Testoberfläche 402 in dieser Konfiguration zu profilieren, unterzieht die OPD-Abtastbühne 434 den Referenzspiegel 432 und die Referenzoptiken 431 einer Translation um einen Betrag von δz'', was den Krümmungsradius der optischen Messoberfläche 452 um δz'' reduziert, was sie in Kontakt mit einem Teil 711 der Testoberfläche 402 bringt. Die Änderung bezüglich des Radius der optischen Messoberfläche 452 ändert die Lokalisierung des Bildes 462 um einen Betrag von δz'. Zum Akkumulieren bzw. Anpassen dieser Änderung bewegt die Fokus-Abtastbühne 430 die Kamera 464, so dass sie koinzident zu dem Bild 462 bleibt und die optische Messoberfläche 452 während der gesamten OPD-Abtastung scharf im Fokus bleibt.
Aufgrund des Variierens der Vergrößerung des Bildes 462 kann die Beziehung zwischen der OPD-Abtastrate und der Fokus-Abtastrate in diesem Fall sehr komplex sein, und zwar in Abhängigkeit von dem Bereich der Vergrößerung, der während der Abtastung abgedeckt wird. Jedoch akkumuliert die kombinierte Bewegung der Kamera 464, der Referenzoptiken 431 und des Referenzspiegels 432 eine breite Vielfalt von Vergrößerungen und macht es möglich, die OPD über sehr lange Bereiche (z.B. relativ zu der zeitlichen Kohärenzlänge der Quelle 410) abzutasten, während der richtige Fokus beibehalten wird. Während des Abtastens wird der Feldwinkel, während sich die Vergrößerung ändert, konstant gehalten. Die Rate, mit welcher die Kamera relativ zu den Referenzoptiken/zum Referenzspiegel abgetastet werden sollte, um einen Fokus beizubehalten, kann beispielsweise empirisch und unter Verwendung eines Kalibrierungstestteils oder unter Verwendung von Strahlverfolgungstechniken bestimmt werden.
Nimmt man Bezug auf 8, ist der Sensor 400 bei einigen Ausführungsbeispielen an einer z-Bühne 810 montiert, die an einem festen Ständer 820 angebracht ist, der an einer Basis 812 montiert ist. Ein Testteil mit einer konischen Testoberfläche 800 ist in einer Teilbefestigung 822 montiert, die an der Basis 812 angebracht ist. Die Z-Bühne 810 liefert eine Steuerung der vertikalen Position des Sensors 400 und lässt zu, dass der Sensor 400 verschiedene Durchmesser der Testoberfläche 800 misst. Jeder Durchmesser schneidet die optische Messoberfläche 452 für einen anderen Krümmungsradius, eine Fokuseinstellung und ein Verhältnis von Abtastraten für die Kamera und die Referenzoptiken. Die in 8 gezeigte Konfiguration ermöglicht bzw. erleichtert mehrere funktionelle Fähigkeiten der Messgeometrie, einschließlich z.B. einer Berechnung des Konuswinkels der konischen Testoberfläche 800 durch eine Messung von zwei oder mehreren Durchmessern bei unterschiedlichen z-Positionen und profilieren der gesamten Oberfläche des konischen Teils 800 durch Kombinieren oder Zusammenstecken von Bildsegmenten für eine Sequenz von z-Positionen.
Während die vorangehenden Ausführungsbeispiele alle die Lokalisierung bzw. Stelle der Kamera abtasten, um einen Fokus des optischen Messoberflächenbildes beizubehalten, sind andere Ausführungsbeispiele nicht so beschränkt. Allgemein können andere optische Komponenten in einem Sensor zusätzlich oder alternativ zu der Kamera bewegt werden, um einen Fokus beizubehalten. Beispielsweise kann unter Bezugnahme auf 9 der Sensor 400 dazu angepasst sein, dass die Bildgebungsoptiken 460 bewegt werden, um einen Fokus beizubehalten, anstelle der Kamera 464. bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kamera 464 relativ zum Sensorgehäuse 405 fest, während die Bildgebungsoptiken 460 an einer Fokus-Abtastbühne 910 montiert sind. Während eines Betriebs bewegt die Fokus-Abtastbühne 910 die Bildgebungsoptiken 460, um einen Fokus des Bildes 462 beizubehalten, während die OPD-Abtastbühne 434 den Krümmungsradius der optischen Messoberfläche 452 abtastet.
Der Versatz der Bildgebung relativ zu der Kamera, der zum Beibehalten des Fokus nötig ist, ist eine Funktion der Vergrößerung des Sensors. Nimmt man Bezug auf 10A–10D ist diese Beziehung für ein telezentrisches Relais mit einer Vergrößerung von 2× einschließlich von Linsen 1030 und 1040 dargestellt. Dieses Relais ist äquivalent zu dem Bildgebungssystem im Sensor 100 (siehe 1) und zu den Bildgebungsoptiken 460 in dem Sensor 400 (siehe 9), welcher das virtuelle Bild innerhalb des Strahlteilers 420 zur Kamera 464 abbildet. Nimmt man insbesondere Bezug auf 10A, bilden die Linse 1030 und die Linse 1040, die jeweils Brennweiten von F und 2F haben, ein Bild 1010 in einem Bildraum eines Objekts 1001 (z.B. ein virtuelles Bild wie für den Sensor 400). Bei der gegenwärtigen Konfiguration ist das Objekt 1001 bei einer Position auf der Fokusebene der Linse 1030 und ist ein Detektor 1020 bei der Position auf der Fokusebene im Objektraum der Linse 1040. Demgemäß ist das Bild 1010 koinzident zu dem Detektor 1020. Nimmt man nun Bezug auf 10B, ist das Objekt 1001 um einen Betrag d weg von der Fokusebene der Linse 1030 versetzt. Demgemäß ist das Bild 1010 um eine Betrag proportional zum Quadrat der Systemvergrößerung in derselben Richtung wie das Objekt 1001 versetzt. Das vorliegende System hat eine Vergrößerung von 2×, so das das Objekt 1010 um 4d versetzt ist. Es ist zu beachten, dass dies äquivalent zu der in 3 gezeigten Konfiguration ist, wobei der Detektor um 4δz versetzt ist, um die optische Messoberfläche im Fokus zu halten. Nimmt man Bezug auf 10C, bewegt ein Versetzen der Linsen 1030 und 1040 um d das Bild 1010 näher zu dem Detektor 1020, da dies aber einfach eine Translation der gesamten Konfiguration ist, die in 10A gezeigt ist (außer dem Detektor 1020), und zwar um einen Betrag d, wird auch das Objekt um einen Betrag d aus der Detektorposition versetzt. Demgemäß sollten die Linsen um mehr als d versetzt werden, um die Nicht-Eins-zu-Eins-Skalierung zu berücksichtigen, die durch die Systemvergrößerung veranlasst ist. Nimmt man Bezug auf 10D, bringt nun ein Versatz der Linsen 1030 und 1040 um einen Betrag von (4/3)d das Bild 1010 zurück in den Fokus an dem Detektor 1020. Allgemeiner sollten die Optiken für telezentrische afokale optische Systeme mit eine r Vergrößerung von nicht gleich Eins um einen Betrag von
versetzt werden, um einen Versatz d der optischen Messoberfläche zu akkumulieren. Hier bezieht sich M auf die Systemvergrößerung. Weil die Optiken telezentrisch sind, ist die Vergrößerung ungeachtet von Objekt- und Bildpositionen konstant. Äquivalent dazu ist in dem Fall einer konstanten winkelmäßigen Abbildung die Höhe bei der Kamera entsprechend einem gegebenen Feldwinkel unabhängig von Objekt- und Bildlokalisierungen bzw. -stellen.
Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf eine Interferometrie mit niedriger Kohärenz sind, können auch andere Interferometrietechniken verwendet werden. Beispielsweise können auch Interferometrieverfahren verwendet werden, die eine Lichtquelle mit langer zeitlicher Kohärenzlänge (z.B. Laser) verwenden. Eine solche Technik ist eine Phasenverschiebungs-Interferometrie (PSI). Bei PSI wird die Phase eines erfassten Interferenzsignals durch z.B. Variieren der Wellenlänge der Lichtquelle oder Schwanken der Position einer Referenzoberfläche variiert. Die Differenz bezüglich der Phase des Interferenzsignals als Funktion der Wellenlänge oder der Referenzoberflächenposition bezieht sich direkt auf die gesamte optische Pfaddifferenz im Interferometer. Bei PSI werden Interferenzbilder gemäß einem Phasenverschiebungsalgorithmus erfasst, so dass jede inkrementale Änderung bezüglich des Interferenzsignals auf eine bekannte Wellenlängenänderung von, oder eine OPD-Änderung zwischen, Referenz- und Messwellenfronten bezogen werden kann. Beispiele für PSI-Techniken können im US-Patent Nr. 6,359,692 mit dem Titel "METHOD AND SYSTEM FOR PROFILING OBJECTS HAVING MULTIPLE REFLECTIVE SURFACES USING WAVELENGTHTUNING PHASE-SHIFTING INTERFEROMETRY" von Peter de Groot, in der US-Patentanmeldung mit der seriellen Nr. 10/144,527 mit dem Titel "APPARATUS AND METHOD FOR PHASE-SHIFTING INTERFEROMETRY" von Michael Kuchel et al. und in der vorläufigen US-Anmeldung mit der seriellen Nr. 60/339,214 mit dem Titel "FREQUENCY TRANSFORM PHASE SHIFTING INTERFEROMETRY" von Leslie L. Deck gefunden werden. Es ist zu beachten, dass dann, wenn eine Lichtquelle mit langer zeitlicher Kohärenzlänge verwendet wird, die optische Messoberfläche einer konstanten OPD entsprechen kann, die aber nicht Null ist.
Interferometrietechniken mit langer Wellenlänge (z.B. Infrarot, wie beispielsweise 0,75–10 μm) können auch die vorgenannten Verfahren und Systeme verwenden. Oberflächen, die sichtbare Wellenlängen oder Licht diffus reflektieren, können für längere Wellenlängen spiegelnd erscheinen. Somit können Quellen mit langer Wellenlänge zum Charakterisieren von groben Oberflächen verwendet werden. Natürlich sollte für eine Interferometrie mit langer Wellenlänge der Systemdetektor und die optischen Komponenten ausgewählt werden, um bei der Lichtquellenwellenlänge geeignet durchzuführen. Interferometrietechniken für eine lange Wellenlänge sind weiterhin im US-Patent Nr. 6,195,168 mit dem Titel "INFRARED SCANNING INTERFEROMETRY APPARATUS AND METHOD" von Xavier Colonna de Lega et al. beschrieben.
Weiterhin können, obwohl die vorgenannten Ausführungsbeispiele Interferometer vom Linnik-Typ enthalten, andere Typen von Interferometern für denselben Zweck angepasst bzw. geeignet sein. Beispiele für andere Interferometer enthalten Mirau-Interferometer und Mach-Zehnder-Interferometer.
Es ist eine Anzahl von Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben worden. Nichtsdestoweniger wird es verstanden werden, dass verschiedene Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Sinngehalt und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Demgemäß sind andere Ausführungsbeispiele innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche.
Zusammenfassung
Bezüglich bestimmter Aspekte zeigt die Erfindung abtastende Interferometriesysteme und Verfahren, die eine optische Messoberfläche über Entfernungen bzw. Abstände abtasten können, die größer als eine Fokustiefe von Bildsyntheseoptiken bzw. Bildgebungsoptiken im Interferometriesystem sind, während eine optische Messoberfläche im Fokus gehalten wird (d.h. ein Bild der optischen Messoberfläche koinzident zu dem Detektor beibehalten wird). Dies wird z.B. durch gleichzeitiges Bewegen eines Referenzspiegels (132) und einer Kamera (164), aber mit einem unterschiedlichen Betrag eines Versatzes, erreicht. Das Verhältnis eines Versatzes wird durch die Vergrößerung des Bildsynthesesystems bzw. Bildgebungssystems bestimmt. Die optische Messoberfläche bezieht sich auf eine theoretische Testoberfläche im Pfad von Testlicht im Interferometer, die das Testlicht reflektieren würde, um eine optische Pfadlängendifferenz (OPD) zwischen ihm und Referenzlicht, die gleich einer Konstanten ist, über einem Detektor zu erzeugen.
(1)

Claims

Verfahren, das folgendes aufweist: eine Bildsynthese bzw. Bildgebung von Testlicht, das von einer Testoberfläche reflektiert wird, um mit Referenzlicht an einer Kamera zu interferieren und um ein Interferenzmuster zu bilden, wobei das Testlicht und das Interferenzlicht von einer gemeinsamen Quelle abgeleitet sind, wobei optische Pfade für das Test- und das Referenzlicht eine optische Messoberfläche entsprechend einer theoretischen Testoberfläche definieren, die das Testlicht reflektieren würde, um eine konstante optische Pfadlängendifferenz zwischen ihm und dem Referenzlicht über der Kamera zu erzeugen; Abtasten der optischen Messoberfläche relativ zu der Testoberfläche; und Einstellen einer Position der Kamera relativ zu einem Bild der optischen Messoberfläche, die der Kamera am Nächsten ist, während des Abtastens der optischen Messoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die konstante optische Pfadlängendifferenz eine optische Pfadlängendifferenz von Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Position der Kamera relativ zu dem Bild der optischen Messoberfläche während des Abtastens der optischen Messoberfläche eingestellt wird, um die optische Messoberfläche innerhalb einer Fokustiefe eines Bildsynthesesystems bzw. Bildgebungssystems zu halten, das zur Bildsynthese des Testlichts zur Kamera verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Einstellen der Position der Kamera relativ zum Bild der optischen Messoberfläche ein Bewegen der Kamera aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Einstellen der Position der Kamera relativ zum Bild der optischen Messoberfläche ein Bewegen von wenigstens einer Komponente aufweist, die zur Bildsynthese des Testlichts zur Kamera verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Einstellen der Position der Kamera relativ zum Bild der optischen Messoberfläche ein Bewegen eines teleskopischen Relais aufweist, das zur Bildsynthese des Testlichts zur Kamera verwendet wird, wobei das teleskopische Relais eine Vergrößerung hat, die nicht gleich 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin ein Auf zeichnen von Bildern des Interferenzmusters mit der Kamera als Funktion der Abtastung der optischen Messoberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Abtasten der optischen Messoberfläche relativ zur Testoberfläche ein Abtasten eines Krümmungsradius eines lokal sphärischen Teils der optischen Messoberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Krümmungsradius relativ zu einer Messdatenstelle variiert bzw. verändert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Bildsynthese bzw. Bildgebung ein Fokussieren des Testlichts in Richtung zu einer Messdatenstelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Messdatenstelle vor der Testoberfläche positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Referenzlicht von einer Referenzoberfläche vor einem Erreichen der Kamera reflektiert, und wobei ein Abtasten der optischen Messoberfläche relativ zur Testoberfläche ein Bewegen von wenigstens der Referenzoberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Referenzlicht in Richtung zu einer Referenz-Fokusstelle vor einem Reflektieren von der Referenzoberfläche fokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Referenz-Fokusstelle vor der Referenzoberfläche positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Referenzlicht von einem gekrümmten Teil der Referenzoberfläche reflektiert.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Referenzoberfläche das Referenzlicht zurück zu der Referenz-Fokusstelle reflektiert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Abtasten der optischen Messoberfläche relativ zur Testoberfläche ein Abtasten einer Lokalisierung der Referenz-Fokusstelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Referenzlicht von einem planaren Teil der Referenzoberfläche reflektiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gemeinsame Quelle eine Kohärenzlänge hat und wobei die optische Messoberfläche über einem Bereich abgetastet wird, der größer als die Kohärenzlänge ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gemeinsame Quelle eine Kohärenzlänge hat und wobei die optische Messoberfläche über einem Bereich abgetastet wird, der kleiner als die Kohärenzlänge ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Testlicht und das Referenzlicht von der gemeinsamen Quelle unter Verwendung eines Interferometers abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei 21, wobei das Interferometer ein Linnik-Interferometer ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Interferometer ein Mirau-Interferometer ist.
Verfahren nach Anspruch 21, das weiterhin ein Einstellen der Lokalisierung der Testoberfläche relativ zum Interferometer aufweist.
Vorrichtung, die folgendes aufweist: ein interferometrisches Bildsynthesesystem bzw. Bildgebungssystem, das zur Bildsynthese von Testlicht konfiguriert ist, das von einer Testoberfläche reflektiert wird, um mit Referenzlicht an einer Kamera zu interferieren und um ein Interferenzmuster zu bilden, wobei das Testlicht und das Referenzlicht von einer gemeinsamen Quelle abgeleitet sind, wobei optische Pfade für das Test- und das Referenzlicht eine optische Messoberfläche entsprechend einer theoretischen Testoberfläche definieren, die das Testlicht reflektieren würde, um eine konstante optische Pfadlängendifferenz zwischen ihm und dem Referenzlicht über der Kamera zu erzeugen; wobei das interferometrische Bildsynthesesystem eine erste Bühne aufweist, die zum Abtasten der optischen Messoberfläche relativ zur Testoberfläche konfiguriert ist, und eine zweite Bühne, die zum Einstellen einer Position der Kamera relativ zu einem Bild der optischen Messoberfläche, die der Kamera am Nächsten ist, während des Abtastens der optischen Messoberfläche konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die konstante optische Pfadlängendifferenz eine optische Pfadlängendifferenz von Null ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, die weiterhin eine elektronische Steuerung in Kommunikation mit der ersten Bühne und der zweiten Bühne aufweist, wobei während eines Betriebs die elektronische Steuerung veranlasst, dass die erste Bühne die optische Messoberfläche relativ zur Testoberfläche abtastet, und veranlasst, dass die zweite Bühne die Position der Kamera relativ zu dem Bild der optischen Messoberfläche einstellt, die der Kamera am Nächsten ist, um die optische Messoberfläche innerhalb einer Fokustiefe des interferometrischen Bildsynthesesystems beizubehalten.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Kamera an der zweiten Bühne montiert ist, und die elektronische Steuerung während eines Betriebs veranlasst, dass die zweite Bühne die Position der Kamera relativ zur Testoberfläche einstellt, um die optische Messoberfläche innerhalb einer Fokustiefe des interferometrischen Bildsynthesesystems beizubehalten.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei das interferometrische Bildsynthesesystem weiterhin wenigstens eine Bildsynthesekomponente aufweist, die an der zweiten Bühne montiert ist und die elektronische Steuerung während eines Betriebs veranlasst, dass die zweite Bühne die Position der Bildsynthesekomponente relativ zur Testoberfläche einstellt, um die optische Messoberfläche innerhalb einer Fokustiefe des interferometrischen Bildsynthesesystems beizubehalten.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die wenigstens eine Bildsynthesekomponente ein teleskopisches Relais ist, das an der zweiten Bühne montiert ist, und die elektronische Steuerung während eines Betriebs veranlasst, dass die zweite Bühne die Position des teleskopischen Relais relativ zur Testoberfläche einstellt, um die optische Messoberfläche innerhalb einer Fokustiefe des interferometrischen Bildsynthesesystems beizubehalten.
Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei das teleskopische Relais eine Vergrößerung hat, die nicht gleich 1 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die elektronische Steuerung auch in Kommunikation mit der Kamera ist, und die elektronische Steuerung während eines Betriebs Bilder des Interferenzmusters mit der Kamera als Funktion der Abtastung der optischen Messoberfläche aufzeichnet.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das interferometrische Bildsynthesesystem Messoptiken aufweist, die Testlicht zu und von der Testoberfläche führen, und Referenzoptiken, die Referenzlicht zu und von einer Referenzoberfläche führen.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Referenzoptiken identisch zu den Testoptiken sind.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Referenzoberfläche an der ersten Bühne montiert ist und die erste Bühne während eines Betriebs die optische Messoberfläche relativ zur Testoberfläche durch Unterziehen der Referenzoberfläche einer Translation abtastet.
Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei die Referenzoptiken auch an der ersten Bühne montiert sind und die erste Bühne während eines Betriebs die optische Messoberfläche relativ zur Testoberfläche durch Unterziehen der Referenzoptiken und der Referenzoberfläche einer Translation abtastet.
Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei die Referenzoberfläche eine planare Oberfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei die Referenzoberfläche eine gekrümmte Oberfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 38, wobei die Referenzoberfläche eine sphärische Oberfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Referenzoptiken eine Referenzlinse aufweisen, die das Referenzlicht in Richtung zu einer Referenz-Fokusstelle fokussiert.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Messoptiken eine Objektivlinse aufweisen, welche das Messlicht in Richtung zu einer Messdatenstelle fokussiert.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die optische Messoberfläche eine planare Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die optische Messoberfläche eine lokal sphärische Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Quelle eine Breitbandquelle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das interferometrische Bildsynthesesystem ein Linnik-Interferometer aufweist, das das Testlicht und das Referenzlicht von der gemeinsamen Quelle ableitet.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das interferometrische Bildsynthesesystem ein Mirau-Interferometer aufweist, das das Testlicht und das Referenzlicht von der gemeinsamen Quelle ableitet.
Vorrichtung nach Anspruch 25, das weiterhin eine dritte Bühne aufweist, die zum Einstellen einer Position der Testoberfläche relativ zu dem interferometrischen Bildsynthesesystem konfiguriert ist.