DE2247709A1 - Interferometer hoher aufloesung - Google Patents

Description

• Interferometer hoher Auflösung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Interferometer hoher Auflösung, insbesonders zur Messung der Schichtparameter di elektrischer Vielfachschichten, sowie zur Messung an Phasenobjekten, transparenten und reflektierenden optischen Komponenten, bestehend aus einer kohärenten Lichtquelle, einem Kösters-Prisma, das den von der Lichtquelle ausgehenden kohärenten Lichtstrahl in zwei kohärente Teilstrahlen aufspaltet, einem Reflektor und einer Anzeigevorrichtung.
• Bei den üblicherweise verwendeten interferometrischen Meßverfahren werden Genauigkeiten von 10-1 bis 10 2 Å erreicht, wobei t die Wellenlänge des verwendeten Lichtes ist. Will man nun die Genauigkeit von interferometrischen Messungen bis auf Werte von 10-4 # erhöhen, wie es z.B. bei Messungen an dielektrischen Vielfachschichten zur Bestimmung der Schichtparameter erforderlich ist, so werden extrem stabile Aufbauten benötigt. Derartige Aufbauten lassen sich aber nur in speziell dafür hergerichteten Laboratorien realisieren.
• Der vorliegenden Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein Interferometer der eingangs genannten Art anzugeben, das eine Meßgenauigkeit von mindestens 10 0'4 4 aufweist, bei erheblich geringeren Anforderungen an die Stabilität der optischen Bauteile.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß im Strahlengang der beiden Teilstrahlen innerhalb des Interferometers ein Fresnelsches Biprisma, ein fokussierendes Element und eine drehbare planparallele Platte angeordnet sind.
• Vorzugsweise sind sowohl das Kösters-Prisma als auch das Fresnelsche Biprisma im Strahlengang verschiebbar angeordnet, um den Abstand der beiden Teilstrahlen voneinander zu variieren.
• Das fokussierende Element ist vorteilhafterweise ein Teleskopsystem, um den Durchmesser der beiden Teilstrahlen beliebig einzustellen.
• Die planparallele Platte ist um eine Achse senkrecht zur Strahlrichtung derart drehbar angeordnet, daß sie die beiden Teilstrahlen parallel zur Strahlrichtung versetzt.
• Besonders günstig ist es, wenn die Anzeigevorrichtung ein fotoelektrisches Sensorsystem ist.
• Im folgenden soll die Erfindung anhand der beiden Figuren näher erläutert werden, die schematisch das erfindungsgemäße Interferometer zeigen.
• Bei dem in der Figur 1 dargestellten Aufbau ist mit 1 ein kohärenter Lichtstrahl bezeichnet, der von einer nicht dargestellten Lichtquelle stammt, beispielsweise einem Laser.
• Der Laserstrahl 1 wird durch ein Kbsters-Prisma 2 und ein Fresnelsches Biprisma 5 in zwei kohärente Parallel strahlen 3 und 4 aufgespalten. Der Abstand der beiden Parallelstrahlen 3 und 4 voneinander kann dabei durch Verschieben entweder des Kösters-Prismas 2 oder des Fresnelschen Biprismas 5 in der Strahlrichtung eingestellt werden. Der Durchmesser der Parallelstrahlen 3 und 4 kann nun mittels eines fokussierenden Elementes, beispielsweise mittels eines Teleskopsystems 6, beliebig eingestellt werden. Ein derartiges Teleskop system, das Z.Bb zwei Sammellinsen aufweist, eignet sich besonders gut zu Messungen an transparenten Objekten. Mit 7 ist ein derartiges transparentes Objekt bezeichnet, z.B. ein Substrat 7, das teilweise eine dünne Schicht 17 trägt, und mit 8 ein Spiegel. Die vom Spiegel 8 reflektierten beiden kohärenten Parallelstrahlen 3 und 4 kehren also zum Kösters-Prisma 2 zurück und verlassen dieses auf der dem einfallenden Lichtstrahl 1 abgewandten Seite, wobei sie auf einem in der Figur 1 nicht dargestellten Detektorsystem ein Interferenzsystem erzeugen. Mit 10 ist eine planparallele Glasplatte bezeichnet, die um eine Achse senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes und senkrecht zur Zeichenebene schwenkbar angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, daß die beiden Parallel strahlen 3 und 4 seitlich versetzt werden können und so das Objekt 7 abtasten.
• Wird anstelle eines transparenten Objektes, wie es in Figur 1 dargestellt ist, ein reflektierendes Objekt verwendet, so ist es notwendig, Reflexionen an der dem Teleskopsystem 6 abgewandten Seite des Objektes zu vermeiden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen,daB an der dem Teleskopsystem-6 abgewandten Seite des Objektes ein Glaskeil in optischem Kontakt mit dem Objekt angebracht wird.
• Die Messung des Objektes besteht nun darin, daß dieses Objekt von den beiden Parallelstrahlen abgetastet wird, wobei der eine Teilstrahl z.B. das Substrat 7 durchsetzt und der andere Teilstrahl die Schicht 17, und die aus dem Kösters-Prisma 2 austretenden Parallel strahlen 3 und 4 ein Interferenzsystem erzeugen, das gemessen wird. Die Phasenverschiebungen, die in den beiden Parallel strahlen 3 und 4 beim Durchsetzen des zu messenden Objektes auftreten, werden beispielsweise in einer Auswerteschaltung gemessen, wie sie in Figur 2 dargestellt ist.
• Handelt es sich bei dem zu untersuchenden Objekt um eine dünne, das Substrat 7 teilweise bedeckende Schicht 17, so lassen sich die Schichtparameter aus den Phasenverschiebungen durch folgende Uberlegungen ableiten: Der das Objekt durchsetzende Lichtstrahl erleidet eine Phasenverschiebung von wobei g t der Phasensprung beim Eintritt in das Substrat und d die Schichtdicke ist. Handelt es sich bei dem Substrat um ein dielektrisches Substrat, so ist & t t O, Beim Durchsetzen der dünnen Schicht 17 wird die Phase des Lichtstrahls um einen Wert #2 geändert, für den im Falle einer nicht absorbierenden dünnen Schicht folgende Beziehung gilt: wobei n2 der Brechungsindex der dünnen Schicht ist und für die Größe rij folgende Beziehung gilt: n1 ist dabei der Brechungsindex des angrenzenden Mediums, beispielsweise Luft, und n3 der Brechungsindex des Substrates.
• Für die gemessene Phasenverschiebung gilt dann: Da in vielen Fällen die Beziehung gilt kann man in guter Näherung setzen: und In ähnlicher Weise lassen sich die Beziehungen für die Phasenverschiebungen an einer reflektierenden Oberfläche ableiten.
• Ist die gesamte Oberfläche mit einer reflektierenden Schicht versehen, die das Profil von Substrat 7 und Schicht 17 aufweist, so gilt für die Phasenverschiebung Die Phasenverschiebung äußert sich am Detektor in einer Verschiebung der Interferenzringe. Diese Verschiebung läßt sich sehr genau durch eine Schaltung messen, wie sie in der Figur 2 dargestellt ist. Die beiden vom Kösters-Prisma 2 austretenden, sich überlagernden und eine Phasenverschiebung aufweisenden Parallelstrahlen 3 und 4 werden von einer Linse 11 auf die Schaltung 12 projiziert, die beispielsweise zwei Fotowiderstände 13 und 14 aufweist, die in einer Wheatstone-Brückenschaltung angeordnet sind. Die Genauigkeit mit einer derartigen Meßanordnung beträgt 10 4 Streifen, was einer Phasenverschiebung von 2 . 10 4ff entspricht.
• Die in Figur 2 dargestellte Brückenschaltung ist als Null-Instrument ausgeführt, um den sinusförmigen Verlauf des Ausgangssignals der Schaltung als Funktion der Phasenverschiebung zu liflearisieren. Dazu ist ein Kompensationssystem nötig, wie es ebenfalls in Figur 2 dargestellt ist. Ein derartiges Kompensationssystem weist noch die Vorteile auf, daß erstens das Vorzeichen der Phasenverschiebung direkt gemessen wird und daß zweitens Kontraständerungen während der Messung ausgeglichen werden.
• Das in Figur 2 dargestellte Kompensationssystem weist einen piezoelektrischen Körper 10 auf, der einen Teilspiegel 9 trägt.
• Der zweite Teilspiegel 19 ist direkt an der Halterung des piezoelektrischen Körpers 10 befestigt. Der piezoelektrische Körper 10 ist mit dem Ausgang der Brückenschaltung 12 über einen integrierenden Verstärker 15 verbunden. Der integrierende Verstärker 15 sorgt dafür, daß die Interferenzstreifen in ihrer Null-Stellung gemessen werden, so daß die am piezoelektrischen Körper 10 anliegende Spannung der zu kompensierenden Phasenverschiebung exakt proprotional ist. Anstelle eines piezoelektrischen Körpers 10 kann auch ein den magnetostriktiven Effekt aufweisender Körper verwendet werden.
• Andere Möglichkeiten zur Kompensation der Phasenverschiebungen bestehen darin, entweder ein Rayleigh-Refraktometer zu verwenden oder rotierende planparallele Glasplatten oder einen Glaskeil.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich insbesonders Verschiebungen, Vibrationen, Veränderungen an reflektierenden Oberflächen und Phasenobjekte hochgenau untersuchen. Es ist besonders geeignet zur Untersuchung dünner Schichten, wobei sowohl die Phasenänderungen in Transmission als auch die Phasenänderungen in Reflexion gemessen werden, so daß die Schichtparameter bestimmt werden können.
• 5 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (5)

1. Patentansprüche X Interferometer hoher Auflösung, insbesonders zur Messung der Schichtparameter dielektrischer Vielfachschichten sowie zur Messung an Phasenobjekten, transparenten und reflektierenden optischen Komponenten, bestehend aus einer kohärenten Lichtquelle, einem Kösters-Prisma, das den von der Lichtquelle ausgehenden kohärenten'Lichtstrahl in zwei kohärente Teilstrahlen aufspaltet, einem Reflektor und einer Anzeigevorrichtung, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Strahlengang der beiden Teilstrahlen innerhalb des Interferometers ein Fresnelsches Biprisma, ein fokussierendes Element und eine drehbare planparallele Platte angeordnet sind.
2. 2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß sowohl das Kösters-Prisma als auch das Fresnelsche Biprisma in Strahlrichtung verschiebbar angeordnet sind, um den Abstand der beiden Teilstrahlen voneinander zu variieren.
3. 3. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das fokussierende Element ein Teleskopsystem ist, um den Durchmesser der beiden Teilstrahlen beliebig einzustellen.
4. 4. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die planparallele Platte um eine Achse senkrecht zur Strahlrichtung derart drehbar angeordnet ist, daß sie die beiden Teilstrahlen parallel zur Strahlrichtung versetzt.
5. 5. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch g ek e n n -z e i c h n e t , daß die Anzeigevorrichtung ein fotoelektrisches Sensorsystem ist.