DE19854942A1

DE19854942A1 - Method to determine topography of macroscopic smooth surfaces of spherical or aspherical sample bodies; involves using narrow beam to scan surface and measure local curvature at each measuring point

Info

Publication number: DE19854942A1
Application number: DE1998154942
Authority: DE
Inventors: Ingolf Weingaertner; Michael Schulz
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2018-11-28
Also published as: DE19854942C2

Abstract

The method involves scanning the surface (2) with a measuring beam (4) and a very small aperture opposite the extent of the surface. For each measuring point (5), a local curvature of the surface is measured using the measuring beam. Topography data for the surface are calculated from the determined curvature values.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Topogra phie von makroskopisch glatten Oberflächen von sphärisch oder asphärisch gekrümmten Probekörpern.The invention relates to a method for determining the topography phie of macroscopically smooth surfaces of spherical or aspherically curved specimens.

Für die Bestimmung der Topographie der Oberfläche eines sphärisch oder asphärisch gekrümmten Probekörpers besteht ins besondere bei der Herstellung von hochpräzisen Linsen für ins besondere großflächige Optiken ein Bedarf. So werden für die Erstellung von Masken, die zur Herstellung von Halbleiterwafern benötigt werden, hochpräzise Photolithographieobjektive benutzt, die aus einer Vielzahl von hochpräzisen Linsen bestehen müssen. Dabei ist beispielsweise es erforderlich festzustellen, ob die Oberfläche frei von störenden Unebenheiten ist und ob die ge wünschte Abweichung einer asphärischen Oberfläche von der je weils zugrundeliegenden Sphäre mit ausreichend enger Toleranz eingehalten ist.For the determination of the topography of the surface of a spherically or aspherically curved specimen ins especially in the manufacture of high-precision lenses for ins special large-area optics a need. So for the Creation of masks for the production of semiconductor wafers high-precision photolithography lenses are used, which must consist of a large number of high-precision lenses. For example, it is necessary to determine whether the Surface is free of disturbing unevenness and whether the ge desired deviation of an aspherical surface from the ever because the underlying sphere with a sufficiently narrow tolerance is adhered to.

Für die Überprüfung großflächiger Oberflächen sind Interferome ter erstellt worden, deren Meßstrahl so aufgeweitet worden ist, daß er die gesamte Oberfläche des Probekörpers erfaßt. Durch die Überlagerung des auftreffenden Meßstrahls mit dem reflektierten Meßstrahl wird ein Interferenzmuster erzeugt, das jedoch bereits bei nur geringen Krümmungen keine Auswertung in der gewünschten Genauigkeit erlaubt. Es sind daher keine praktikablen Meßverfah ren bekannt, mit denen insbesondere asphärisch gekrümmte Ober flächen mit einer Genauigkeit hinsichtlich ihrer Topographie vermessen werden können, die beispielsweise im Nanometer- oder sogar Subnanometerbereich liegt.Interferomes are used to check large surfaces ter was created, the measuring beam of which has been expanded in such a way that it covers the entire surface of the test specimen. Through the Superimposition of the incident measuring beam with the reflected one An interference pattern is generated in the measuring beam, but it already does with only slight curvatures, no evaluation in the desired one Accuracy allowed. It is therefore not a practical measurement method ren known, with which in particular aspherically curved upper areas with an accuracy in terms of their topography can be measured, for example in the nanometer or even sub-nanometer range.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Problemstellung zu grunde, ein Meßverfahren für die Bestimmung der Topographie von beliebig gekrümmten Oberflächen anzugeben, das eine verbesserte Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messung ermöglicht.The present invention therefore addresses the problem reasons, a measuring method for the determination of the topography of to indicate any curved surfaces, which is an improved Accuracy and reproducibility of the measurement enabled.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Oberfläche mit einem Meßstrahl mit einer gegen über der Ausdehnung der Oberfläche sehr kleinen Apertur abgeta stet wird, daß für jeden Meßpunkt durch den Meßstrahl eine loka le Krümmung der Oberfläche am Meßpunkt bestimmt wird und daß aus den bestimmten Krümmungswerten die Topographie-Daten errechnet werden.On the basis of this problem, according to the invention Method of the type mentioned in the introduction, characterized in that the surface to be measured with a measuring beam with a counter Very small aperture over the extent of the surface It is continuous that a loca for each measuring point by the measuring beam le curvature of the surface is determined at the measuring point and that from the topography data is calculated from the determined curvature values become.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht somit auf der im wesentli chen punktförmigen Abtastung der Oberfläche des Probekörpers. Derartige Abtastungen sind insbesondere für plane Oberflächen bereits diskutiert worden, um im Meßpunkt jeweils den Abstand der Oberfläche zu einer Referenzfläche zu bestimmen, die bei spielsweise durch eine Linearführung eines Meßkopfes definiert wird. Ein derartiges Meßverfahren ist jedoch aufgrund der dabei zu berücksichtigenden Toleranzen bei weitem nicht mit der hier angestrebten und geforderten Genauigkeit realisierbar.The method according to the invention is therefore essentially based on Chen punctiform scanning of the surface of the test specimen. Such scans are particularly for flat surfaces have already been discussed in order to measure the distance in each case to determine the surface to a reference surface, which at defined for example by a linear guide of a measuring head becomes. Such a measuring method is due to the fact tolerances to be considered by far not with the here desired and required accuracy realizable.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren beruht auf der Bestimmung der lokalen Krümmung an jedem Meßpunkt. Die Bestimmung der lokalen Krümmung bietet den entscheidenden Vorteil, daß sie nicht von der relativen Position eines Meßkopfes zur Oberfläche abhängt, so daß während der Messung der Meßkopf relativ zur Oberfläche beliebig bewegt werden kann. The measuring method according to the invention is based on the determination of the local curvature at each measurement point. The determination of local Curvature has the decisive advantage that it does not have depends on the relative position of a measuring head to the surface, so that during the measurement the measuring head relative to the surface can be moved as desired.

Wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung daher die Krümmung beispielsweise mit einem Interferometer mit einer sehr kleinen Apertur von beispielsweise einem Millimeter oder wenigen Millimetern bestimmt, wird zur Ermittlung eines gut aus wertbaren Interferogramms der Meßkopf so justiert werden, daß der Meßstrahl im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche auf diese auftritt. Die Bedingung "im wesentlichen senkrecht" ist dann erfüllt, wenn mit dem reflektierten Meßstrahl ein deutliches Interferogramm erzeugt wird, das vorzugsweise symmetrisch ist.Therefore, in a preferred embodiment of the invention the curvature, for example with an interferometer with a very small aperture of, for example, one millimeter or determined a few millimeters, is used to determine a good valuable interferogram of the measuring head are adjusted so that the measuring beam is essentially perpendicular to the surface of the surface occurs. The condition "essentially vertical" is then fulfilled if there is a clear one with the reflected measuring beam Interferogram is generated, which is preferably symmetrical.

Die Bestimmung der Topographie der Oberfläche des Probekörpers erfolgt dann durch eine rechnerische Auswertung aus den über die gesamte Oberfläche bestimmten Krümmungswerten, beispielsweise durch zweimalige Integration. Diese Integration wird vorzugswei se gemäß einer üblichen Auswertungsmethode mit Fouriertransfor mierten im Frequenzraum durchgeführt.Determination of the topography of the surface of the test specimen is then carried out by means of a mathematical evaluation from the entire surface certain curvature values, for example through double integration. This integration is preferred se according to a common Fourier transform evaluation method carried out in the frequency domain.

Die Größe der Apertur des Meßstrahls kann für hochgenaue Messun gen auch auf Bruchteile von Millimetern begrenzt werden. Die vollständige Abtastung der Oberfläche des Probekörpers erfolgt vorzugsweise überlappend, wobei die jeweils festgestellten Krüm mungswerte sinnvollerweise dem Mittelpunkt des durch den auf treffenden Meßstrahl definierten Meßpunktes zugeordnet werden. Die zu wählende Größe der Apertur ist natürlich auch von der Größe des Probekörpers abhängig. Für die Vermessung von Reflek toren von Autoscheinwerfern kann eine Apertur von einigen Milli metern Durchmessern ausreichend sein. Deutlich größere Aperturen können angemessen sein, um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren riesige Teleskopspiegel, wie sie für astronomische Zwecke ver wendet werden, auszumessen.The size of the aperture of the measuring beam can be used for high-precision measurements can also be limited to fractions of a millimeter. The complete scanning of the surface of the specimen is carried out preferably overlapping, the respectively determined crumb values meaningfully the center of the through the measuring beam to be defined. The size of the aperture to be selected is of course also from Depending on the size of the test specimen. For the measurement of reflect The headlights of car headlights can have an aperture of a few milli diameters are sufficient. Significantly larger apertures may be appropriate to using the inventive method huge telescope mirror, as ver. for astronomical purposes be used to measure.

Als bevorzugter Krümmungssensor wird ein kleines Interferometer verwendet, dessen Interferogramm jeweils aus einem kohärenten auftreffenden und einen von der Oberfläche reflektierten Meß strahl gebildet und zur Bestimmung der Krümmung ausgewertet wird. A small interferometer is the preferred curvature sensor used, whose interferogram each consist of a coherent incident and a measurement reflected from the surface beam formed and evaluated to determine the curvature becomes.

Die Bestimmung der Krümmung kann in an sich bekannter Weise aus dem Interferogramm erfolgen. Eine bevorzugte Auswertungsmethode besteht darin, die Krümmung aus dem Interferogramm durch Ver gleich des gemessenen Interferogramms - in ausgewerteter oder unausgewerteter Form - mit Daten einer in ihren Parametern zur Anpassung variierten analytischen, dreidimensional gekrümmten Oberfläche vorzunehmen. Entsteht beispielsweise ein im wesentli chen rotationssymmetrisches Interferogramm, läßt dies auf eine Kugelform schließen, so daß als analytische Funktion die Funk tion einer Kugeloberfläche eingegeben werden kann. Durch Ände rung der Parameter kann in einem Optimierungsverfahren die An passung an die durch Messung bestimmten Werte vorgenommen wer den. Für die optimierten Parameter der Kugelfunktion ergibt sich dann der dem Meßpunkt zugeordnete Krümmungswert. Läßt das Inter ferogramm eine elliptische Verzerrung erkennen, kann als analy tische Funktion ein Ellipsoid beschrieben werden, dessen Parame ter dann an das gemessene Interferogramm durch Optimierung ange paßt werden. Es ergeben sich dann beispielsweise unterschiedli che Krümmungswerte in zwei senkrecht zueinander stehenden Be trachtungsrichtungen.The curvature can be determined in a manner known per se the interferogram. A preferred evaluation method consists of verifying the curvature from the interferogram by ver equal to the measured interferogram - in evaluated or unevaluated form - with data in their parameters for Adaptation varied analytical, three-dimensional curved Surface. For example, an essentially arises Chen rotationally symmetric interferogram, this leaves one Close spherical shape, so that the radio as an analytical function tion of a spherical surface can be entered. By changes The parameters can be adjusted in an optimization process adjustment to the values determined by measurement the. The result for the optimized parameters of the spherical function then the curvature value assigned to the measuring point. Leaves the inter can recognize an elliptical distortion as an analy table function of an ellipsoid, its parameter ter then to the measured interferogram by optimization be fit. This then results, for example, in different ways che curvature values in two mutually perpendicular Be trachtungsrichtungen.

Zur Minimierung der systematischen Meßfehler kann es sinnvoll sein, zur Auswertung jeweils die Differenz zwischen zwei durch Messung bestimmten Krümmungswerten heranzuziehen. Dadurch geht die Information über die absolute Krümmung verloren. Diese wird in vielen Fällen aber auch nicht benötigt, wenn beispielsweise nur die Abweichungen von einer vorgegebenen sphärischen Oberflä che von Interesse sind. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine asphärische Oberfläche auf der Basis einer vorgegebenen Sphäre definiert ist. It can be useful to minimize the systematic measurement errors to evaluate the difference between two Measurement using certain curvature values. This goes lost the information about the absolute curvature. This will in many cases it is also not required if, for example only the deviations from a given spherical surface are of interest. This is the case, for example, if an aspherical surface based on a given one Sphere is defined.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dar gestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zei gen:The invention will be illustrated below with reference to the drawing presented embodiments are explained in more detail. It shows gene:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer sphärisch oder asphärisch gekrümmten Oberfläche eines Pro bekörpers und eines die Oberfläche mit einem Meß strahl abtastenden Meßkopfes Fig. 1 is a schematic representation of a spherically or aspherically curved surface of a body pro and one of the surface with a measuring beam scanning probe

Fig. 2 einen schematischen Strahlengang eines als Meß kopf verwendeten Interferometers Fig. 2 is a schematic beam path of an interferometer used as a measuring head

Fig. 3 ein Beispiel für ein beobachtetes, symmetrisches Interferogramm Fig. 3 shows an example for an observed, symmetric interferogram

Fig. 4 den Verlauf eines aus einem symmetrischen Inter ferogramm gemäß Fig. 3 ermittelten Höhenprofils für ein sphärisches Oberflächenelement mit glei cher Krümmung in allen Richtungen FIG. 4 shows the profile of a height profile determined from a symmetrical interferogram according to FIG. 3 for a spherical surface element with a smooth curvature in all directions

Fig. 5 ein Beispiel für ein aus einem unsymmetrischen Interferogramm ermittelten Höhenprofil für ein asphärisches Oberflächenelement mit verschiedenen Krümmungen in unterschiedlichen radialen Richtun gen. Fig. 5 shows an example of a height profile determined from an asymmetrical interferogram for an aspherical surface element with different curvatures in different radial directions.

Fig. 1 läßt schematisch einen Probekörper 1 erkennen, der eine gekrümmte Oberfläche 2 aufweist, wobei die Krümmung eine sphäri sche Krümmung oder eine auf einer Kugeloberfläche basierende asphärische Krümmung ist. Fig. 1 shows schematically a test specimen 1 having a curved surface 2 , the curvature being a spherical curvature or an aspherical curvature based on a spherical surface.

Ein Meßkopf 3 ist relativ zur Oberfläche 2 bewegbar, und zwar derart, daß ein von dem Meßkopf 3 ausgehender Meßstrahl 4 je weils im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 2 in dem jeweili gen Meßpunkt 5 auftrifft, so daß der reflektierte Meßstrahl mit dem ausgesandten Meßstrahl ein im Meßkopf 3 detektierbares In terferogramm bildet, wenn der Meßkopf 3 gemäß Fig. 2 als Inter ferometer ausgebildet ist. In diesem Fall wird der Meßstrahl 4 durch den kohärenten Lichtstrahl einer punktförmigen Lichtquelle 6 gebildet, der mit einem Kollimator 7 parallel gerichtet und mit einem halbdurchlässigen Spiegel 8 auf den Meßpunkt 5 gerich tet wird. Das von der Oberfläche 2 im Meßpunkt 5 reflektierte Licht tritt im wesentlichen geradlinig durch den halbdurchlässi gen Spiegel 8 hindurch und gelangt über eine Sammellinse 9 auf eine Halbleiterkamera 10.A measuring head 3 is movable relative to the surface 2 , in such a way that a measuring beam 4 emanating from the measuring head 3 strikes essentially perpendicular to the surface 2 in the respective measuring point 5 , so that the reflected measuring beam with the emitted measuring beam is an im Measuring head 3 forms a detectable terferogram if the measuring head 3 is designed as an interferometer according to FIG. 2. In this case, the measuring beam 4 is formed by the coherent light beam from a point-shaped light source 6 , which is directed in parallel with a collimator 7 and with a semitransparent mirror 8 is directed to the measuring point 5 . The light reflected from the surface 2 at the measuring point 5 passes essentially in a straight line through the semi-transparent mirror 8 and passes through a converging lens 9 to a semiconductor camera 10 .

Ein von der Halbleiterkamera 10 aufgenommenes Interferogramm 11 ist als Beispiel in Fig. 3 dargestellt und zeigt kreisförmige Interferenzringe 12, die auf eine symmetrische, d. h. kugelförmi ge Krümmung der Oberfläche 2 schließen lassen.An interferogram 11 recorded by the semiconductor camera 10 is shown as an example in FIG. 3 and shows circular interference rings 12 which indicate a symmetrical, ie spherical curvature of the surface 2 .

Fig. 4 verdeutlicht den Verlauf eines Höhenprofils 13, das dem symmetrischen Interferogramm 11 entspricht. Fig. 4 illustrates the course of a height profile 13 which corresponds to the symmetric interferogram. 11

Fig. 5 zeigt demgegenüber ein aus einem unsymmetrischen Inter ferogramm rekonstruiertes Höhenprofil, das für ein asphärisches Oberflächenelement mit verschiedenen Krümmungen in den unter schiedlichen radialen Richtungen entsteht. Fig. 5 shows a contrast of an asymmetrical ferogramm Inter reconstructed height profile that is created for an aspherical surface member having different curvatures in the radial difference union directions.

Für die Auswertung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die im Meßpunkt 5 bestimmten Krümmungswerte dem Zentrum des Meß punktes S zugeordnet und hieraus die Topographie der vollständig abgetasteten Oberfläche errechnet.For the evaluation according to the method according to the invention, the curvature values determined in measuring point 5 are assigned to the center of measuring point S and the topography of the completely scanned surface is calculated therefrom.

Da die Bestimmung der Krümmung positionsinvariant ist, beein flußt die relative Lage des Meßkopfes 3 zur Oberfläche 2 die Meßwerte nicht. Daher kann der Meßkopf 3 in beliebiger Weise so justiert werden, daß der Meßstrahl 4 mit seiner geringen Apertur im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche 2 in dem jeweiligen Meßpunkt 5 auftrifft.Since the determination of the curvature is invariant in position, the position of the measuring head 3 relative to the surface 2 does not influence the measured values. Therefore, the measuring head 3 can be adjusted in any way so that the measuring beam 4 with its small aperture strikes the surface 2 at the respective measuring point 5 essentially perpendicularly.

Claims

1. A method for determining the topography of macroscopically smooth surfaces ( 2 ) of spherically or aspherically curved specimens, characterized in that the surface to be measured ( 2 ) with a measuring beam ( 4 ) with a very small aperture compared to the extent of the surface is sensed that for each measuring point ( 5 ) by the measuring beam ( 4 ) a local curvature of the surface at the measuring point ( 5 ) is determined and that the topography data are calculated from the determined curvature values.

2. The method according to claim 1, characterized in that the measuring beam ( 4 ) in each case at the measuring point ( 5 ) is aligned substantially perpendicular to the surface ( 2 ).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that at the measuring point ( 5 ) in each case an interferogram of a coherent impinging and reflected from the surface th measuring beam ( 4 ) is formed and evaluated to determine the curvature.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized records that the determination of the curvature from the interfe rogram by comparing the measured or evaluated unevaluated interferogram with data in their Parameters for adapting varied, analytical, three-way dimensionally curved surface is made.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized records that the difference between two curvature values determined by measurement under Ver no determination of the absolute curvature will.