DE19627637A1

DE19627637A1 - Verfahren und Vorrichtung für optische interferometrische Messungen mit verminderter Vibrationsempfindlichkeit

Info

Publication number: DE19627637A1
Application number: DE19627637A
Authority: DE
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 1995-07-10
Filing date: 1996-07-09
Publication date: 1997-03-27
Also published as: US5589938A; US5777741A; JPH09133505A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches interferometrisches Meßverfahren und eine Vorrichtung, die eine weitgehend verminderte Empfindlichkeit gegenüber Meßfehlern aufweist, die nicht nur durch das Vorhandensein von Vibrationen in der Umgebung, sondern auch durch Unge nauigkeiten der Phasenverschiebung des Instruments erzeugt werden.

Hintergrund der Erfindung

Ein Überblick über interferometrische Techniken, die beim Stande der Technik benutzt werden, findet sich in der Veröffentlichung von J. E. Greivenkamp und J. H. Bruning in Kapitel 14 von "Optical Shop Testing", 2. Auflage, J. Wiley pub, herausgegeben von D. Malacara. Diese Techniken werden in großem Umfang auf dem Gebiet der berührungslosen Metrologie (Meßtechnik) benutzt. Bei sorgfältiger Berück sichtigung der Umgebungsbedingungen ist eine Meßgenauigkeit bis in den Bereich von Nanometern oder darunter mit diesen Techniken möglich; es können jedoch Restmeßfehler auf treten, wobei äußere Vibrationen die einzige größte Ursache derartiger Restmeßfehler sind. Für die meisten kommerziellen Anwendungen erfordert die Kontrolle der Umgebungsbedingungen zumindest ein passiv isoliertes Instrument; passive Vibra tionsisolatoren wirken jedoch schlecht in bezug auf Nieder frequenzvibrationen. Frühere Versuche zur Lösung dieser Probleme sind nicht vollständig befriedigend verlaufen, bei denen versucht wurde, den Phasenextraktionsalgorithmus zu ändern, wie dies in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben ist: P. de Groot, "Vibration in phase shift ing interferometry", J. Opt. Soc. Am. A 12, 354-365 (1995), C. T. Farrell und M. A. Player, "Phase-step insensitive algorithms for shifting interferometry", Meas. Sci. Tech. 5, 648-652 (1994), sowie I. Kong und S. Kim, "General algorithm of phase-shifting interferometry by iterative least-squares fitting", Opt. Eng. 34, 183-188 (1995). Diese bekannten Versuche bewirken, obgleich sie nicht vollständig befriedigend sind, eine gewisse nützliche Verminderung der Vibrationsempfindlichkeit. Die bekannten Anordnungen, die von Farrell und Player vorgeschlagen wurden und kürzlich von Kong und Kim, zeigen eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen kleiner Amplitude, wenn die Phasenverschiebung als konstant über das Feld angenommen werden kann, und es wird eine Anpassung klein ster Quadrate in der Analyse der Interferogramme durch geführt. Vibrationen großer Amplitude können es jedoch unmöglich machen, eine Phasenmehrdeutigkeit in der Analyse zu überwinden, was die Autoren gegenwärtig dadurch zu lösen suchen, daß angenommen wird, daß die Phasenverschiebungen in einer Richtung verlaufen. Ein weiterer bekannter Versuch, der ebenfalls nicht vollständig befriedigend ist, wird in der folgenden Veröffentlichung diskutiert: J. L. Seligson, C. A. Callari, J. E. Greivenkamp und J. W. Ward, "Stability of a lateral-shearing heterodyne Twyman-Green interfero meter", Opt. Eng. 23, 353-356 (1984). In dieser Ver öffentlichung diskutieren die Autoren die Benutzung eines getrennten Interferometers zur Messung der wirklichen Phasenverschiebungen während der Interferogramm-Erfassung. Dies kann im Prinzip die Vibrationsempfindlichkeit wesent lich vermindern, und zwar sogar für Störungen mit großer Amplitude, aber dies ist kostspielig und schwierig im Einbau, und es erfordert einen stabilisierten Laser, eine Präzisionsoptik und eine komplizierte Elektronik zur Messung der wirklichen Bewegung des Phasenschiebers. Als Laboratoriumsgerät kann dies zweckmäßig sein, jedoch stellt dies keine kommerziell benutzbare Lösung dar. Ein weiterer Lösungsversuch, der zu ähnlichen Ergebnissen wie bei Seligson führt, ist in der US-PS 5 410 405 (Schultz et al.) beschrieben. Hier wird ein homodynes Interferometer be nutzt, um ähnliche Bewegungsmessungen wie bei dem Seligson-Gerät zu erzielen. Kürzliche Versuche bezüglich der Vibra tionsempfindlichkeit verschiedener Algorithmen, wie sie in dem obengenannten Artikel von de Groot beschrieben sind, zeigen jedoch, daß alle Algorithmen äußerst empfindlich auf Vibrationsfrequenzen bei der Hälfte der Datenacquisitions rate sind, da Vibrationen bei dieser Frequenz Phasen veränderungen erzeugen, die nicht unterscheidbar sind von Phasenveränderungen infolge von Oberflächenausbildungen.

Die Abtastraten werden über Video mit Kameras bewirkt, die meist benutzt werden, um das Interferogramm abzutasten, und dies geschieht im typischen Fall mit 30 Hz; demgemäß verursachen Vibrationen bei 15 Hz und niedriger den Groß teil der Probleme. Aktive Vibrationskompensationsvor richtungen, wie sie beispielsweise kommerziell von Newport Corp. (Irvine Ca.) verfügbar sind, erfordern einen hohen Kostenaufwand, und sie können nur einen begrenzten Vibra tionsamplitudenbereich kompensieren, und sie korrigieren keine Fehler in dem Gerät selbst, beispielsweise kompen sieren sie keine Nichtlinearitäten bei der Abtastung. Ein weiterer bekannter Versuch ist in einer Druckschrift diskutiert, die präsentiert wird von J. A. Meiling unter dem Titel "Interferometric Metrology of Surface Finish Below 1 Ångstrom RMS", erschienen in den April 1992 proceedings of the ASPE spring topical meeting on precision interferometric metrology. In dieser Druckschrift präsen tiert Meiling Ergebnisse, die auf einer massiven Daten durchschnittsbildung beruhen. Dieses Verfahren ist jedoch extrem langsam, und systematische Fehler werden nicht ausgemerzt.

Ein weiterer Versuch, der als "augenblickliche Phasen detektion" beschrieben wird, findet sich in der folgenden Veröffentlichung: R. Smythe und R. Moore, "Instantaneous phase measuring interferometry", Opt. Eng. 23, 361-364 (1984), sowie in den US-Patentschriften 4 653 921 und 4 624 569 (Kwon). Das hier beschriebene Verfahren ist schnell, wodurch die Vibrationseffekte "ausgefroren" werden, jedoch sind minimal drei Detektoren erforderlich, und im typischen Fall vier Detektoren, um Lösungen zu erhalten, die im typischen Fall bei einem interferometri schen Instrument erwartet werden, und diese Detektoren müssen vorher räumlich mit einer unter der Pixelgröße liegenden Genauigkeit ausgerichtet werden, und sie müssen die identischen Umgebungscharakteristiken aufweisen, wenn die Arbeitsbedingungen nicht zu restriktiv sind. Das Bild muß zwischen jedem Detektor aufgespaltet und in der Phase optisch mit einem Phasenretarder verschoben werden, dessen Retardation entweder gleichmäßig über dem Feld oder als Funktion des Feldes bekannt ist. Die individuelle Pixel ausbeute und die Versetzung eines jeden Detektors müssen entweder identisch sein (dies ist fast unmöglich) oder erfaßt sein; und die Bilder müssen außerdem gleichzeitig acquiriert werden, und dies erfordert das Äquivalent von drei oder vier Bildfangschaltungen, die sämtlich synchron betätigt werden müssen. Diese Probleme und die zugeordneten Kosten machen dieses bekannte Verfahren extrem schwierig in der Anwendung über Einzelpunktdetektoranwendungen, die in den Druckschriften beschrieben sind.

Die praktischen Schwierigkeiten bei der Erhöhung der Geschwindigkeit der Datenacquisition machen dieses schein bar so einfache Verfahren relativ schwierig, insbesondere deshalb, weil Profilanwendungen selten eine seitliche Auflösung für die Geschwindigkeit erfordern. Sensoren für hohe Geschwindigkeit und hohe Auflösung sind selten und extrem teuer. Beispielsweise kostet eine 210 Hz, 1024 Pixel × 1024 Pixel, Kamera, die von den David Sarnoff Labs (the SAR 1024) erzeugt wird und 32 parallele Ausgangs abgriffe besitzt, über 200 000 Dollar. Die Hochgeschwindig keitsforderung beeinflußt direkt das Verhältnis von Kamerasignal zu Rauschpegel, und deshalb werden die meisten Kameras mit einer Vielfachausgangsausbildung ausgerüstet.

Die Vielfachausgangsfähigkeit dieser Kameras erfordert dann eine komplizierte Datenacquisitionsvorrichtung, die mit typischen kommerziellen Fangschaltungen unvereinbar ist. Ein gewöhnliches Acquisitionssystem für die SAR 1024, welches mit RAM CUBE bezeichnet ist, wurde von TRW herge stellt und kostet so viel wie die Kamera. Obgleich andere kommerziell verfügbare Hochgeschwindigkeitskameras hoher Auflösung weniger kostspielig sind, hat es sich gezeigt, daß der Einbau von Kameras mit hoher Empfindlichkeit und hoher Auflösung in praktischen kommerziell verfügbare Produkte gegenwärtig, abgesehen von zahlreichen anderen Problemen, einfach nicht kosteneffektiv ist.

Die vorliegende Erfindung löst diese Probleme bekannter Vorrichtungen und ermöglicht die Benutzung von billigen Kameras mit geringer Bildgeschwindigkeit und hoher Dichte, um eine Vibrationsunempfindlichkeit zu erreichen, die fast so gut ist wie jene, die mit einer einzigen Kamera ver gleichbarer Dichte und Empfindlichkeit bzw. Geschwindigkeit erhalten wird. Außerdem ist das gegenwärtig bevorzugte Verfahren der vorliegenden Erfindung auf sehr verschiedene Typen interferometrischer Systeme anwendbar, beispielsweise Phasenverschiebungsinterferometer, Kohärenzabtast interferometer oder Interferometer langer äquivalenter Wellenlänge. Außerdem ist das gegenwärtig bevorzugte Verfahren der vorliegenden Erfindung auch anwendbar zur Korrektur hinsichtlich instrumentalen Fehlern, beispiels weise Fehlern der Phasenverschiebungsvorrichtung, ohne daß es notwendig wäre, zusätzliche Distanzmeßinterferometer zu benutzen, wodurch die Kosten erheblich vermindert werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß dem gegenwärtig bevorzugten Verfahren und der gegen wärtig bevorzugten Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung wird das Interferenzmuster, d. h. das Interferogramm, welches durch ein Interferometer erzeugt wird, in der Amplitude aufgespalten, um zwei Interferogramme zu er zeugen, von denen das eine auf einem ersten Detektor abgebildet wird, und von denen das zweite auf einem zweiten Detektor abgebildet wird. Die beiden Detektoren haben vorzugsweise unterschiedliche Bildraten, d. h. Daten acquisitionsraten. Im typischen Fall hat der schnelle Bildratendetektor eine geringe Pixeldichte, und der lang same Bildratendetektor besitzt eine hohe Pixeldichte.

Gemäß der Erfindung acquiriert bei einer Phasenverschie bungs-Interferometer(PSI)-Messung, wie sie im typischen Fall benutzt wird für die topologische Profilierung von Oberflächen, der Detektor mit hoher Bildgeschwindigkeit eine Folge von Interferogrammen während der Datenacquisi tion, die als Schnelldatengruppe bezeichnet wird, derart, daß die Phasentrennung zwischen aufeinanderfolgenden Interferogrammen nominell 90 Grad beträgt. Der Detektor mit geringer Bildgeschwindigkeit ist vorzugsweise mit dem Detektor hoher Bildgeschwindigkeit synchronisiert, so daß eine Folge, d. h. die Langsamdatengruppe, von Interfero grammen mit der identischen Bildintegrationszeit acquiriert wird, aber mit einer geringeren Frequenz. Die Schnell datengruppe wird dann vorzugsweise im Hinblick auf die Phase für jedes Interferogramm unter Benutzung eines herkömmlichen Phasenverschiebungs-Interferometeralgorithmus analysiert, und die Phasendifferenz zwischen den Inter ferogrammen in der Langsamdatengruppe wird aus den Phasen bestimmt, die aus der Schnelldatengruppe abgeleitet werden. Dann wird die Langsamdatengruppe vorzugsweise im Hinblick auf das Oberflächenprofil analysiert, wobei die Phasen differenzen von dem vorherigen Schritt durch einen ver allgemeinerten Phasenverschiebungs-Interferometeralgo rithmus erlangt werden, der für ungleiche Phasentrennungen zwischen Interferogrammen berechnet werden kann. Gemäß dem gegenwärtig bevorzugten Verfahren kann diese Phasentrennung zwischen acquirierten Interferogrammen dynamisch gemessen werden, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, bisher unbekannte Phasenfehler infolge von Instrumentenungenauig keiten und dem Vorhandensein äußerer Vibrationen zu korri gieren, was in einer praktikablen und kommerziell vertret baren Weise durchgeführt werden kann.

Bei der Abtastung profitieren kurze interferometrische Messungen der Kohärenzbauart, die als SWLI for Scanning White Light Interferometry bezeichnet werden, und auch Oberflächentopologiemessungen von der Möglichkeit der vorliegenden Erfindung, die Phasendifferenz zwischen den Interferogrammen dynamisch zu messen. Ein SWLI-Verfahren benutzt die dynamische Berechnung der Kontrastfunktion und eine augenblickliche oder folgende Suche nach der Kontrast spitze. Unter Benutzung des dynamischen Phasendifferenz meßverfahrens der vorliegenden Erfindung bei der Kontrast berechnung werden Fehler in der berechneten Kontrast funktion infolge Instrumentenungenauigkeiten oder infolge äußerer Vibrationen vermindert, und dadurch wird die Spitzenbestimmung erleichtert. Ein weiteres SWLI-Verfahren benutzt eine Interferogrammerfassung und eine folgende Analyse der Frequenzdomäne. Durch Benutzung des dynamischen Phasendifferenzmeßverfahrens gemäß vorliegender Erfindung und Benutzung beispielsweise einer allgemeinen Fourier-Transformation der Interferogrammdaten statt einer schnellen Fourier-Transformation kann die Analyse durchgeführt werden, die weniger empfänglich ist gegenüber Instrumenten ungenauigkeiten und äußeren Vibrationen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer Konfigu ration mit kleiner Apertur gemäß dem gegenwärtig bevor zugten Verfahren und der gegenwärtig bevorzugten Vor richtung nach der Erfindung;

Fig. 2 ist ein der Fig. 1 ähnliches schematisches Diagramm einer Konfiguration mit großer Apertur gemäß dem gegenwärtig bevorzugten Verfahren und der gegenwärtig bevorzugten Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ist ein typisches Bildacquisitions-Zeit-Diagramm, welches nützlich ist zur Erklärung des gegen wärtig bevorzugten Verfahrens nach der Erfindung;

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Effektiv wert-Phasenfehler in Abhängigkeit von der Vibrations frequenz für die übliche Phasenverschiebungs-Interfero metrie, wobei diese Darstellung nützlich ist zur Erklärung des gegenwärtig bevorzugten Verfahrens nach der Erfindung;

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung ähnlich Fig. 4, welche die Effektivwert-Phasenfehler in Abhängigkeit von der Vibrationsfrequenz für niederfrequente Vibrationen zeigt; und

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung ähnlich Fig. 4, welche die Effektivwert-Phasenfehler in Abhängigkeit von der Vibrationsfrequenz für mittelfrequente Vibrationen zeigt;

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung ähnlich Fig. 4, welche die Effektivwert-Phasenfehler in Abhängigkeit von der Vibrationsfrequenz bei mittleren Frequenzvibrationen, unter Benutzung einer Chirpacquisition.

Einzelbeschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Nunmehr wird auf die Zeichnungen im einzelnen Bezug ge nommen, und zwar anfangs auf Fig. 1. Diese veranschaulicht eine gegenwärtig bevorzugte Vorrichtung für eine Konfigu ration mit kleiner Apertur, die in der Lage ist, das gegenwärtig bevorzugte Verfahren nach der Erfindung durch zuführen. Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Beleuchtungsquelle 30 vorgesehen, um einen Lichtstrahl 31 zu erzeugen, der in ein herkömmliches Interferometer eintritt, welches hier beispielsweise als Interferometer objektiv 35 bezeichnet ist, welches einen Referenzpfad und einen Prüfpfad aufweist. Eine herkömmliche Phasenver schiebungsvorrichtung, beispielsweise in Gestalt eines piezoelektrischen Wandlers 45, ist vorzugsweise vorgesehen, um die Länge des einen Pfades des Interferometers um einen bestimmten Betrag zu verändern. Das Interferogramm, das durch Rekombination der Strahlen aus den beiden Pfaden des Interferometers 35 erzeugt wird, wird vorzugsweise durch einen Strahlteiler 33 in der Amplitude aufgespalten, um zwei Interferogramme zu liefern, von denen das eine vor zugsweise auf einem ersten Detektor 10 und das zweite auf einem zweiten Detektor 11 abgebildet wird. Die Detektoren, die vorzugsweise als Kamera ausgebildet sind, können beispielsweise ladungsgekoppelte Kameras (CCD-Kameras) sein. Vorzugsweise besitzen bei diesem Ausführungsbeispiel die beiden Kameras unterschiedliche Bildgeschwindigkeiten, d. h. unterschiedliche Datenacquisitionsraten. Im typischen Fall hat die Kamera 11 mit schneller Bildgeschwindigkeit eine geringe Pixeldichte und die Kamera 10 mit geringer Bildgeschwindigkeit vorzugsweise eine hohe Pixeldichte. Vorzugsweise sind die Kameras so angeordnet, daß die Bildfelder sich im wesentlichen überlappen und miteinander derart synchronisiert sind, daß die Bildintegrations perioden identisch sind und sich in der Zeit überlappen. Dies kann beispielsweise vorzugsweise mit einem äußeren Verschluß 14 vor der Kamera 10 mit geringer Bildgeschwin digkeit erreicht werden. Ein Schmalbandfilter 17 vor der Kamera 11 mit hoher Bildgeschwindigkeit kann vorzugsweise benutzt werden, um den Abtastbereich zu vergrößern, für den eine hohe Kontrastinterferenz beobachtet wird, obgleich dies fakultativ ist und von den Kohärenzeigenschaften der Beleuchtungsquelle 30 abhängt.

Nunmehr wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Diese zeigt eine gegenwärtig bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung für eine Ausbildung mit großer Apertur. Gemäß diesem bevor zugten Ausführungsbeispiel ist eine Beleuchtungsquelle 30, die hier als Laser dargestellt ist und vorzugsweise aus einer Laserdiode besteht, zur Erzeugung eines Lichtstrahls 31 vorgesehen, der in ein herkömmliches Interferometer eintritt, das einen Interferenzhohlraum 38 besitzt, der aus einer Bezugsoberfläche 37 und einem Gegenstand 40 besteht.

Es ist eine herkömmliche Phasenverschiebungsvorrichtung vorgesehen, beispielsweise in Gestalt eines Piezowandlers wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, oder vorzugs weise kann bei dieser Ausführungsform die Phasenverschie bung durch Modifizierung des Laserdiodenpumpstroms erreicht werden, um die Laserwellenlänge um einen bestimmten Betrag zu verändern, wie dies die US-PS 4 594 003 (Sommargren) lehrt. Das Interferogramm, welches durch Wiederkombination der Strahlen aus den beiden Pfaden des Interferometers erzeugt wird, wird vorzugsweise in der Amplitude durch einen Strahlteiler 33 aufgespalten, um zwei Interferogramme zu erzeugen, von denen das eine vorzugsweise auf eine erste Kamera 10 abgebildet wird, während das zweite Interfero gramm vorzugsweise auf eine zweite Kamera 11 abgebildet wird. Die beiden Kameras besitzen vorzugsweise unter schiedliche Bildgeschwindigkeiten, d. h. unterschiedliche Datenacquisitionsraten. Im typischen Fall hat die Kamera 11 mit schneller Bildgeschwindigkeit vorzugsweise eine geringe Pixeldichte, und die Kamera 10 mit geringer Bildgeschwin digkeit besitzt vorzugsweise eine hohe Pixeldichte. Die Kameras sind vorzugsweise so angeordnet, daß die Bildfelder sich beträchtlich überlappen und miteinander so synchroni siert sind, daß die Bildintegrationsperioden identisch sind und sich zeitlich überlappen. Dies kann beispielsweise vorzugsweise mittels eines äußeren Verschlusses 14 vor der Kamera 10 mit geringer Bildgeschwindigkeit erreicht werden.

Während der Datenacquisition ändert der Phasenschieber 45 vorzugsweise die Phasendifferenz zwischen den Strahlen im Interferometer in einer annähernd linearen Weise, während die Daten von beiden Kameras 10 und 11 durch eine her kömmliche Bildfangschaltung 15 erlangt und in einem Com puter 25 gesichert werden. Die Daten von der Kamera 11 mit schneller Bildfolgegeschwindigkeit werden als Schnell datengruppe bezeichnet, und die Daten von der Kamera 10 mit niedriger Bildfolgegeschwindigkeit werden als Langsam datengruppe bezeichnet. Die Geschwindigkeit der Phasen änderung wird vorzugsweise derart gesteuert, daß nominell 90 Grad Phasenänderung zwischen den Bildern in der Schnell datengruppe auftritt. Statt dessen könnte vorzugsweise eine Phasenstufung eingebaut werden, wodurch nominell 90 Grad Phasenänderung zwischen den Phasenstufen auftritt. Die Datenacquisition schreitet vorzugsweise fort, bis eine vorbestimmte Zahl von Bildern der Kamera 10 mit geringer Bildfolge erhalten ist. Die Kameradatenacquisitionsraten sind wenigstens 2 : 1.

Fig. 3 veranschaulicht ein typisches Beispiel einer Acqui sition, wobei die schnelle Kamera 11 eine Bildfolge geschwindigkeit besitzt, die fünfmal schneller ist als jene der langsamen Kamera 10, und die Niedrigdatengruppe besteht aus fünf im gleichen Abstand zueinander angeordneten Bildfeldern. Das Primärstreifenmuster 50 ist in Fig. 3 dargestellt, und es ist das obere sinusförmig verlaufende Muster. Die Bildacquisitionen der schnellen Kamera 11 erscheinen im Beispiel gemäß Fig. 3 alle 90 Grad der Phase, was identifiziert wird durch die Felder, die mit 1 bis 25 bezeichnet sind. Die Langsamkamera 10 acquiriert im Bei spiel nach Fig. 3 nur Daten in den Bereichen, die durch die geschwärzten Felder angedeutet sind. Die Daten der Schnell kamera sind vorzugsweise um einige Bildrahmen vor dem ersten Bildrahmen der Langsamkamera erforderlich (gekenn zeichnet als leader) und nach dem letzten Bildrahmen der Langsamkamera (trailer), um zu gewährleisten, daß die Phasen für jene Bildrahmen mit dem gewählten Algorithmus berechnet werden können.

Während der Datenanalyse wird die Phase an jedem Bildpunkt eines jeden Bildrahmens der Schnelldatengruppe vorzugsweise durch den Computer 25 unter Benutzung eines herkömmlichen Phasenextraktionsalgorithmus berechnet, beispielsweise unter Verwendung des bekannten 5-Punkt-Algorithmus, der zuerst durch Schwider et al. eingeführt wurde in "Digital wave-front measuring interferometry; some systematic error sources", Appl. Opt. 22, 3421-3432 (1983). Diese Phasen werden dann vorzugsweise so behandelt, daß die 2π-Dis kontinuitäten entfernt werden, die der Algorithmusver wirklichung eigen sind, wodurch eine sich glatt ändernde Messung der Phasenveränderung geliefert wird, die durch den Phasenschieber geliefert wird, zuzüglich der Umgebungs effekte wie Vibrationen als ein Funktionsfeld. Die Phasen zunahme zwischen jedem Bildrahmen in der Langsamdatengruppe wird vorzugsweise berechnet, indem entweder die gemessene Phasenveränderung von dem am nächsten benachbarten Feld punkt in der Schnelldatengruppe oder irgendeine Inter polation hiervon benutzt wird. Die Langsamdatengruppe wird dann vorzugsweise im Hinblick auf die Phase an jedem Bildpunkt analysiert, wobei beispielsweise ein verallge meinerter Algorithmus der kleinsten Quadrate Verwendung findet, wie dies von Greivenkamp beschrieben ist in: J. E. Greivenkamp, "Generalized date reduction for heterodyne interferometry", Opt. Eng. 23, 350-352 (1984). Hierbei wurden diese gemessenen Phasenzunahmen benutzt. Diese Phasen werden dann vorzugsweise in physi kalische Oberflächenhöhen des Gegenstandes 40 umgewandelt, und zwar unter Benutzung der mittleren Wellenlänge des Lichtstrahls 31.

Fig. 4 veranschaulicht den Effektivwert-Phasenfehler, normalisiert auf die Vibrationsamplitude von rein sinus förmigen Vibrationen, als Funktion des Verhältnisses der Vibrationsfrequenz zur Kamerabildrahmengeschwindigkeit. Bei dem Beispiel nach Fig. 4 wurde die Standard-PSI-Analyse mit dem Phasenextraktionsalgorithmus mit dem Schwider-5-Punkt-Phasenextraktionsalgorithmus benutzt, obgleich für PSI auch ein 3-Punkt-Algorithmus benutzt werden könnte. Das Beispiel gemäß Fig. 4 zeigt eine zweckmäßige Art und Weise der Kategorisierung von Vibrationen in niedrige, mittlere und hohe Frequenzen. Niederfrequente Vibrationen werden dadurch definiert, daß sie innerhalb der ersten PSI-Empfindlich keitsspitze liegen, d. h. Frequenzen unterhalb 25% der Bildfolgerate. Vibrationen mittlerer Frequenz liegen innerhalb der mittleren Hauptspitze (zwischen 25% und 75% der Kamerabildfolgerate), und die hohen Frequenzen sind alle Frequenzen darüber. Fig. 4 veranschaulicht eine typische Computersimulation der Vibrationsempfindlichkeit des gegenwärtig bevorzugten Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung und zeigt die Verminderung der Empfindlichkeit gegenüber Niederfrequenzvibrationen, wenn das erfindungs gemäße Verfahren mit einem Verhältnis von Schnellkamera zu Langsamkamera von 5 : 1 benutzt wird. Die Ergebnisse werden in Fig. 5 mit einem standardisierten PSI verglichen, das mit einer Rate erfaßt wurde, die gleich ist der Langsam kamerarate. Bei dem Beispiel nach Fig. 5 wurde der Schwider-5-Punkt-Phasenextraktionsalgorithmus benutzt, um sowohl die Phasen der Schnelldatengruppe als auch die Ergebnisse des Standard-PSI zu bestimmen. Die mit PSI in Fig. 5 bezeichnete Kurve repräsentiert den Effektivwert-Fehler, der unter Benutzung eines Standard-PSI erhalten wurde, während die mit HSPSI (High Speed PSI) bezeichnete Kurve eine Standardphasenverschiebungsanalyse von Daten repräsentiert, die mit der Schnellkamerarate erhalten wurden. Die beiden anderen Kurven 2C-5 und 2C-11 in Fig. 5 repräsentieren den Effektivwert-Phasenfehler unter Be nutzung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung, wobei die Zahl hinter dem Strich die Größe der Langsam datengruppe repräsentiert, die im Beispiel nach Fig. 5 benutzt wurde. Wie dargestellt und wie es zweckmäßig ist, ist die Vibrationsempfindlichkeit über den gesamten Frequenzbereich wenigstens so gut, wie dies bei hoher Geschwindigkeit der Fall ist.

Fig. 6 veranschaulicht ein Beispiel der Verbesserung, welches die vorliegende Erfindung für mittlere Vibrations frequenzen bewirkt. Die Verbesserung, obgleich schlechter als eine Hochgeschwindigkeitsacquisition, ist immer noch beträchtlich besser als ein Standard-PSI bei der langsamen Acquisitionsrate. Höhere Frequenzen sind relativ leicht mit passiven Isolatoren abzuschwächen. Eine weitere Empfind lichkeitsverminderung bei mittleren Frequenzen kann auf Kosten eines Anstiegs der Hochfrequenzempfindlichkeit dadurch erreicht werden, daß die Acquisition einer Impuls kompression durch FM unterworfen wird. Dies ist beispiels weise in Fig. 7 dargestellt. Um die Kurven 2C-5 Chirp und 2C-11 Chirp zu erzeugen, die in Fig. 7 dargestellt sind, wurde die Phasendifferenz zwischen benachbarten Langsam datenacquisitionen nacheinander um 90 Grad erhöht. Die Fähigkeit, die Acquisition so zu beschneiden, daß die beste Vibrationsunterdrückung für eine spezielle Umgebung er halten wird, ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung.

Die maximale Größe der Langsamdatengruppe hängt von dem verfügbaren Speicher im Computer 25 und dem maximalen Abtastbereich des Phasenschiebers 45 ab. Eine Erhöhung der Datengruppengröße hat allgemein die Wirkung, die Empfind lichkeitsspitzen schmaler zu gestalten, so wie die eine, die bei der halben Rahmengeschwindigkeit liegt. Dies kann aus Fig. 6 abgeleitet werden.

Die vorliegende Erfindung verbessert bekannte Verfahren zur Verminderung der Vibrationsempfindlichkeit für optische interferometrische Profile durch kostengünstige Messung der Wirkungen der Vibration auf die interferometrische Phase an einem oder mehreren Punkten im Feld. Die Phasentrennung zwischen den Datenpunkten ist eine gemessene Größe statt einer angenommenen Konstante, wie dies im typischen Fall beim Stande der Technik gemacht wird. Auf diese Weise wird das Spektrum der Vibrationen, das die Phasenbestimmung beeinflussen könnte, nach den höheren Frequenzen hin verschoben, die sehr viel leichter mit passiven Isolatoren abgeschwächt werden können und allgemein verminderte Amplituden besitzen. Die vorliegende Erfindung schafft diese Verbesserung für Vibrationen sowohl großer als auch kleiner Amplitude. Zusätzlich liefert das gegenwärtig bevorzugte Verfahren nach der Erfindung auch noch Korrek turen hinsichtlich Nichtlinearitäten der Phasenverschie bung. Es wurde seit langem erkannt, daß dies eine Haupt quelle von Fehlern bei der Phasenverschiebungsmessung ist, wie dies in dem Artikel von J. van Wingerden, H. J. Fran kena und C. Smorenburg, "Linear approximation for measurement errors in phase shifting interferometry", Appl. Opt. 30, 2718-2729 (1991), sowie auch von K. Kinn staetter, A. W. Lohmann, J. Schwider und N. Streibl in "Accuracy of phase shifting interferometry", Appl. Opt. 27, 5082-5089 (1988), erläutert wurde. Die Tatsache, daß das bevorzugte Verfahren nach der vorliegenden Erfindung in der Lage ist, das gleiche interferometrische Gerät zu benutzen, welches für Oberflächentopologiemessungen benutzt wird, ergibt eine beträchtliche Kosteneinsparung gegenüber bekannten Verfahren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können herkömmliche off-the-shelf-Kameras und Bildfang schaltungen benutzt werden statt kostspieliger speziali sierter Detektoren oder Bildfangschaltungen. Das gegen wärtig bevorzugte Verfahren erfordert bei den meisten Anwendungen nicht, daß die Abtastdichte der Hochgeschwin digkeitskamera 11 sehr hoch ist, weil die Phasenveränderung infolge der Vibrationen oftmals niedrig über der Apertur ist. Bei Mikroskopen, die das erfindungsgemäße Verfahren benutzen, kann beispielsweise die gesamte Apertur dadurch korrigiert werden, daß die Phasenveränderung bei hohen Geschwindigkeiten an einer einzigen Stelle in der Apertur gemessen wird. Die Hochgeschwindigkeitskamera könnte daher durch eine einzelne Photodiode ersetzt werden. Bei Inter ferometern mit großer Apertur, die komplizierte Gegenstände durch das erfindungsgemäße Verfahren messen, könnte die Apertur groß genug sein, um sich besser anzupassen als eine räumliche Vibrationsmode, und die Phasenveränderungen könnten dann eine Funktion der Apertur sein. In diesen Fällen ist es notwendig, die Apertur mit einer räumlichen Dichte abzutasten, die hoch ist im Vergleich mit der höchsten erwarteten räumlichen Vibrationsperiode. Für die meisten interessierenden Fälle werden nur die Vibrations moden niedriger Ordnung mit einer beträchtlichen Amplitude erregt, so daß wiederum die Abtastdichte der Hochgeschwin digkeitskamera 11 nicht sehr groß zu sein braucht.

Infolgedessen überwinden das gegenwärtig bevorzugte Ver fahren und die Vorrichtung nach der Erfindung zahlreiche Nachteile, die dem Stand der Technik eigen sind, indem eine praktikable und kommerziell zweckmäßige Lösung des Problems geschaffen wird, optische interferometrische Messungen durchzuführen, die gegenüber Meßfehlern eine verminderte Empfindlichkeit haben, wobei nicht nur eine Kompensation im Hinblick auf Vibrationsquellen in der Umgebung bewirkt wird, sondern auch Ungenauigkeiten der Instrumentenphasen verschiebung kompensiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Durchführung interferometrischer Messungen mit einer verminderten Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen, welches die folgenden Schritte aufweist:

- es wird die Amplitude in einem Interferenzmuster in ein erstes und ein zweites Interferogramm aufgespalten;
- es wird das erste Interferogramm auf einem ersten Detektor abgebildet, der eine erste Datenacquisitionsrate besitzt, um eine erste Datengruppe von Interferogrammen zu acquirieren;
- es wird das zweite Interferogramm auf einem zweiten Detektor abgebildet, der eine zweite Datenacquisitionsrate besitzt, um eine zweite Datengruppe von Interferogrammen zu acquirieren, wobei die zweite Datenacquisitionsrate unter schiedlich ist von der ersten Datenacquisitionsrate und wobei die erste Datenacquisitionsrate eine schnelle Bild folge aufweist, um eine Schnelldatengruppe als erste Datengruppe zu erhalten, während eine zweite Datenacquisi tionsrate eine niedrige Bildrahmengeschwindigkeit besitzt, um eine Langsamdatengruppe als zweite Datengruppe zu erhalten;
- es werden im wesentlichen identische Bildrahmen integrationsperioden benutzt, die sich zeitlich bei dem ersten und zweiten Detektor überlappen;
- es wird die erste Datengruppe im Hinblick auf die Phase für die Interferogramme in der Schnelldatengruppe analysiert;
- es wird eine Phasendifferenz zwischen den Inter ferogrammen in der Langsamdatengruppe aus den Phasen bestimmt, die von der Schnelldatengruppe abgeleitet werden; und
- es wird die Langsamdatengruppe mit den Phasendiffe renzen analysiert, wobei ungleiche Phasentrennungen zwischen den Interferogrammen berücksichtigt werden, wodurch die Phasentrennung zwischen den acquirierten Interferogrammen dynamisch gemessen werden kann, wobei eine Korrektur der Phasenfehler infolge Instrumentenungenauigkeiten und äußerer Vibrationen ermöglicht wird.

2. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 1, bei welchem der erste Detektor eine geringe Pixeldichte aufweist.

3. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 2, bei welchem der zweite Detektor eine hohe Pixeldichte besitzt.

4. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 1, bei welchem der zweite Detektor eine hohe Pixeldichte besitzt.

5. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 1, welches weiter den Schritt aufweist, die erste Datengruppe derart zu acquirieren, daß die Phasentrennung zwischen aufeinanderfolgenden Interferogrammen in der ersten Datengruppe von Interferogrammen nominell 90 Grad beträgt.

6. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 5, bei welchem der Analyseschritt der Langsam datengruppe den Schritt umfaßt, die Langsamdatengruppe im Hinblick auf das Oberflächenprofil zu analysieren.

7. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 1, bei welchem der Analyseschritt der Langsam datengruppe den Schritt umfaßt, die Langsamdatengruppe im Hinblick auf das Oberflächenprofil zu analysieren.

8. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 5, bei welchem der erste und der zweite Detektor jeweils aus einer Kamera bestehen.

9. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 8, bei welchem die Kameras CCD-Kameras sind.

10. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 1, bei welchem der erste und der zweite Detektor als Kameras ausgebildet sind.

11. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 10, bei welchem die Kameras als CCD-Kameras ausgebildet sind.

12. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 10, bei welchem den Kameras Bildfelder und eine Bildintegration liefernde Schritte zugeordnet sind, wobei ein Schritt die Kameras derart ausbildet, daß die Bild felder im wesentlichen überlappen und miteinander syn chronisiert sind.

13. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 12, bei welchem der Schritt der Kameradisposition weiter den Schritt umfaßt, einen äußeren Verschluß vor der Langsamkamera anzuordnen.

14. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 13, bei welchem der Schritt der Kameradisposition außerdem den Schritt umfaßt, ein Schmalbandfilter vor die Kamera mit schneller Bildfolge anzuordnen, um den Abtast bereich zu erhöhen, damit eine Hochkontrastinterferenz beobachtet werden kann.

15. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 1, bei welchem die Frequenz der schnellen Bild folge wenigstens doppelt so groß ist wie die langsame Bildfolgefrequenz.

16. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 15, bei welchem die Langsamdatengruppe wenigstens drei Bildrahmen umfaßt.

17. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 16, bei welchem die Schnelldatenbildrahmen acquisition alle 90 Grad der Phase auftritt.

18. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 1, bei welchem der Analyseschritt bezüglich der ersten Datengruppe den Schritt umfaßt, die erste Daten gruppe im Hinblick auf die Phase an jedem Bildpunkt auf jedem Rahmen der Schnelldatengruppe zu analysieren.

19. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 18, bei welchem der Analyseschritt der Langsam datengruppe weiter den Schritt umfaßt, die Phasenzunahme zwischen jedem Bildrahmen in der Langsamdatengruppe zu berechnen, und zwar unter Benutzung der Schnelldaten gruppenphasen und durch Analyse der Langsamdatengruppen im Hinblick auf die Phase an jedem Bildpunkt unter Benutzung der berechneten Phasenzunahmen.

20. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 19, bei welchem der Schritt der Phasenzunahme berechnung den Schritt umfaßt, die gemessenen Phasen veränderungen von dem am nächsten benachbarten Feldpunkt in der Schnelldatengruppe zu benutzen.

21. Verfahren zur interferometrischen Messung nach Anspruch 19, bei welchem der Schritt der Phasenzunahme berechnung den Schritt umfaßt, die Phasenänderung an jedem Bildpunkt in der Langsamdatengruppe zu interpolieren.

22. System zur interferometrischen Messung mit ver minderter Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen, welches die folgenden Merkmale umfaßt:

- eine Beleuchtungsquelle;
- eine Interferometeranordnung, bestehend aus einem Interferometerobjektiv mit einem Bezugspfad und einem Prüfpfad, wobei die Beleuchtungsquelle einen Lichtstrahl erzeugt, der in das Interferometer eintritt, um einen Lichtstrahl längs der Pfade zu erzeugen, die am Ausgang des Interferometers kombiniert werden, um ein Interferogramm zu erzeugen;
- der Interferometeranordnung ist ein Phasenschieber zugeordnet, um die Länge eines der Pfade um einen gesteuer ten Betrag zu verändern.
- es ist ein Strahlteiler gegenüber dem Ausgang des Interferometers angeordnet, um eine Amplitudenaufspaltung des wieder kombinierten Interferogramms in ein erstes und ein zweites Bildinterferogramm zu bewirken;
- der erste und der zweite Detektor haben jeweils unterschiedliche Datenacquisitionsraten, und der erste Detektor hat eine schnelle Bildfolgefrequenz, um eine schnelle Datengruppe von Interferogrammen zu acquirieren, während der zweite Detektor eine geringe Bildfolgefrequenz besitzt, um eine langsame Datengruppe von Interferogrammen zu acquirieren, wobei der Strahlteiler die ersten und zweiten Interferogramme auf dem ersten bzw. zweiten Detek tor abbildet und der erste und der zweite Detektor Bild felder aufweisen und so angeordnet sind, daß die Bildfelder sich im wesentlichen überlappen und miteinander synchroni siert sind, so daß die Bildrahmenintegrationsperioden identisch sind und sich zeitlich überlappen;
- der Phasenschieber verändert die Phasendifferenz zwischen den Strahlen in der Interferometeranordnung während der Datenacquisition; und
- es sind Mittel vorgesehen, um die Schnelldatengruppe von Interferogrammen im Hinblick auf die Phase zu analy sieren und eine Phasendifferenz zwischen den Interfero grammen in der Langsamdatengruppe von den Phasen zu be wirken, die von der Schnelldatengruppe erlangt werden, wobei die Langsamdatengruppe mit der Phasendifferenz analysiert wird, während ungleiche Phasentrennungen zwischen den Interferogrammen ausgewertet werden, und wobei die Phasentrennung zwischen den acquirierten Interferogrammen dynamisch gemessen werden kann, während eine Korrektur der Phasenfehler infolge von Instrumentenungenauigkeiten und äußeren Vibrationen erfolgt.

23. System zur interferometrischen Messung nach Anspruch 22, bei welchem der Analysator eine Bildfang schaltung aufweist, um Daten von den acquirierten Bild rahmen des Detektors zu erhalten.

24. System zur interferometrischen Messung nach Anspruch 23, bei welchem die ersten und zweiten Detektoren aus Kameras bestehen.

25. System zur interferometrischen Messung nach Anspruch 24, bei welchem die Kameras CCD-Kameras sind.

26. System zur interferometrischen Messung nach Anspruch 25, bei welchem der Analysator außerdem einen Computer aufweist, der einen zugeordneten Speicher besitzt, um die von der Bildfangschaltung gelieferten Daten zu speichern.

27. System zur interferometrischen Messung nach Anspruch 26, bei welchem der Computer Mittel aufweist, um die Phase an jedem Bildpunkt eines jeden Bildrahmens der Schnelldatengruppe während der Datenanalyse zu berechnen und um die Phasenzunahme für jeden Bildpunkt der Langsam datengruppe aus den Phasen der Schnelldatengruppe zu berechnen.

28. System zur interferometrischen Messung nach Anspruch 22, bei welchem das Verhältnis von Schnellbild rahmendetektor zu Langsambildrahmendetektor wenigstens 2:1 ist.

29. System zur interferometrischen Messung nach Anspruch 28, bei welchem der erste und der zweite Detektor jeweils eine Kamera mit einem Verhältnis zwischen Schnell bildgeschwindigkeitskamera und Langsambildgeschwindig keitskamera von wenigstens 2 : 1 aufweist.