DE2628836B2 - Optischer Phasendiskriminator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum interferometrischen Messen der Dicke oder des Brechungsindexes einer lichtdurchlässigen Schichtprobe, z. B. eines Filmes, eines aufgedampften Filmes oder

- eines Glas-zu-Glas-Intervalles, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

In der US-PS 25 18 647 ist bereits eine derartige 'Vorrichtung zur interferometrischen Messung der optischen Phase beschrieben. Hiernach werden die Wellenfronten, die von beiden Seiten einer von einer weißen Lichtquelle beleuchteten Schicht herrühren, je

• auf ein Interferometer gerichtet, das eine geneigte durchscheinende Oberfläche und eine ungeneigte reflektierende Oberfläche aufweist, so daß jede der beiden von der Schicht herrührenden Wellenfronten in ifler Amplitude durch die geneigte durchscheinende Oberfläche aufgeteilt werden, wobei die zwei durch ^Reflexion aufgeteilten Wellenfronten geneigt und auf eine Interferenzoberfläche gerichtet werden, während die beiden durch Durchlaß geteilten Wellenfronten an der ungeneigten reflektierenden Oberfläche reflektiert und auf die interferenzoberfläche gerichtet werden, so daß weiße Interferenzmuster auf der Interferenzoberfläche gebildet werden. Sodann wird die Fiimdicke anhand des Längenunterschiedes des optischen Weges zwischen den Positionen gemessen, wo die gegenseitig einander verstärkenden Interferenzmuster gebildet ,sind. Ähnliche Meßmethoden sind aus den US-PS 25 78 859 und 2b 55 073 bekannt, jedoch sind aii diese Vorrichtungen von einer Bauart, bei der die Messung der Schichtdicke anhand eines Längenunterschiedes des optischen Weges zwischen Positionen bewirkt wird, wo die sich gegenseitig verstärkenden Interferenzmuster gebildet werden. Dieses ist jedoch für eine Automatisierung der Messung unzweckmäßig.

Eine Vorrichtung, die hier Abhilfe schafft, ist in der US-PS 33 19 515 ( = DE-PS 1447 253) beschrieben. Bei dieser Vorrichtung werden die Lichtstrahlen, die von einer ersten und zweiten Oberfläche einer von einer breitbandigen Lichtquelle beleuchteten Probe herrühren, auf ein Interferometer, beispielsweise ein Michelson-Interferometer oder dergleichen, gerichtet und einer der beiden Teilstrahlengänge des Interferometers wird innerhalb einer gewissen Spanne in Vibrationen ^ri versetzt.

Hierzu wird einer der beiden Spiegel, auf die die beiden vom Strahlteiler des Michelson-Interferometers aufgeteilten Wellenfronten gerichtet sind, innerhalb einer gewissen Spanne in Vibrationen versetzt, um eine optische Weglängendifferenz gegenüber dem anderen Spiegel zu erzeugen. Der während einer solchen Vibration erzeugte Verschiebungsbetrag wird durch die Zeitachse dargestellt und die verstrichene Zeit zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die von der Vibration herrührende Interferenzspitze auftritt und dem Zeitpunkt in der Spanne, der der Position entspricht, wo der Spiegel in Ruhe ist, wird gemessen, ebenso die optische Phase als Funktion der gemessenen verstrichenen Zeit. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß dort (20 Zeitspannen gemessen werden und deshalb der 'vibrierende Spiegel sich zeitlich linear bewegen muß. Ein Spiegel aber, der zeitlich linear vibrieren soll, ist extrem schwierig zu realisieren. Dieses ergibt sich schon aus dem Umstand, daß bei der bekannten Anordnung 2¹) die Anzahl Impulse gemessen werden, die dem Verschiebungsbetrag des vibrierenden Spiegels entsprechen, und nicht die verstreichende Zeit gemessen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrich-3» itung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der kein schwingender Spiegel verwendet, sondern eine optische Weglängendifferenz erzeugt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs gekennzeich- y> net.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung findet also im wesentlichen eine Amplitudenteilung zweier Wellenfronten statt, die von den beiden Seiten der Schichtprobe herrühren (mit Hilfe eines Strahlteilers in einem Interferometer), danach werden zwei der aufgeteilten Wellenfronten gegenüber den beiden anderen Wcllenfronten geneigt und gegenseitig überlagert und das Abstandsintei vall zwischen den Spitzen des von der Überlagerung herrührenden weißen Interferenzmusters mit Hilfe eines Abtasters gemessen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sehr vorteilhaft dahingehend, daß die Spiegel des Interferometers in etwas geneigter Position zueinander fixiert werden können und daß keine Position zueinander fixiert ¹SO werden können und daß keine bewegten Teile wie die Schwingspiegel bekannter Interferometer vorhanden sind.

Nachstehend ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen im einzel- v> nen beschrieben; es zeigen

F i g. 1 und 2 in schematischer Darstellung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipes,

Fig.3 und 4 ein weißes Interferenzmuster bzw. dessen Wellenform,

bo F i g. 5 und 6 in schematischer Darstellung eine erste bzw. zweite Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 und 8 in schematischer Darstellung eine dritte bzw. vierte Ausführungsform der Erfindung und

Fig.9 und 10 in schematischer Darstellung eine M fünfte Ausführungsform der Erfindung.

Entsprechend Fig. I beleuchtet das von einer Quelle 1 für breitbandiges weißes Licht herrührende Lichtstrahlenbündel 2 eine zu messende Probe 3. Das

Lichtstrahlenbündel 2 erzeugt ein an der ersten reflektierenden Oberfläche der Probe 3 reflektiertes Li^htstrahlenbündel 5 und ein unter entsprechender Brechung in die Probe eintretendes und dort an der zweiten reflektierenden Probenoberflüche reflektiertes Lichtstrahlenbündel 4. Das Strahlenbündel 4 iritt aus der Probe erneut unter entsprechender Brechung aus, um ein parallel zum reflektierten Lichtstrahlenbündel 5 verlaufendes Lichtstrahlenbündel 6 zu erzeugen. Die Probe habe die Dicke d, einen Brechungsindex n, und der Einfallswinkel des Lichtstrahlenbündels an der zweiten reflektierenden Oberfläche sei Φ. Dann wird ein Abstand von 2nd ■ cos Φ zwischen den Lichtstrahlenbündeln 5 und 6 erzeugt. Diese beiden Strahlen treten in ein sog. Michelson-Interferometer ein, das aus einem Strahlteiler 7, Spiegeln 9 und 11 und einer Linse 12 aufgebaut ist, wo die Strahlenbündel am Strahlteiler 7 in der Amplitude aufgeteilt werden, um zu Strahlenbün- - dein 8 bzw. 10 zu führen. Das Strahlenbündel 8 wird am ',;' Spiegel 9 reflektiert und geht erneut du,ch den •"Strahlteiler 7 und weiter durch die Linse 12 zu einem "Schirm 13. Das andere Lichtstrahlenbündel 10 wird am Spiegel 11 reflektiert und am Strahlteiler 7 erneut reflektiert, um ebenfalls über die Linse 12 auf den Schirm 13 zu gelangen. Es sei angenommen, daß der Spiegel 11 gegenüber dem Spiegel 9 geneigt ist.

Fig.2 zeigt ein virtuelles Bild iV des Spiegels 11 gegenüber dem Strahlteiler und dem Spiegel 9'. In dieser Fig.2 sind die beiden Spiegel gleichfalls gegeneinander geneigt. Es sei angenommen, daß zwei Lichtstrahlenbündel 5' und 6', die gegenseitig außer Phase sind, in dieses Spiegelsystem eintreten; dann sind die zur Interferenz beitragenden Komponenten die Reflexion des Lichtstrahlenbündels & am Spiegel W und die Reflexion des Lichistrahlenbündels 5' am Spiegel 9', und am Schnittpunkt 14 entsteht ein weißes Interferenzmuster der beiden Reflexionen. Mit parallel zum Spiegel 9' angeordneter x-Achse ist die Position, wo das weiße Interferenzmuster lokalisiert ist, an einer Stelle gelegen, die etwa um nd ■ cos Φ/tan Θ vom Schnittpunkt 15 zwischen den Spiegeln 9' und 1Γ "entfernt gelegen ist. Diese Stelle ist dargestellt durch

χ = nd ■ cos Φ/tan Θ.

Zusätzlich zu diesem weißen Interferenzmuster wird ein von den Lichtstrahlen 5' und 6' selber herrührendes weißes Interferenzmuster in der Nachbarschaft des Schnittpunktes 15 an der Stelle

x= —nd ■ cos Φ/tan Θ

■-. erzeugt, die richtungsmäßig gegenüber dem Schnittpunkt 15 entgegengesetzt ist (siehe F i g. 3). Sonach •fokussiert die in F i g. 1 dargestellte Linse 12 diese lokalisierten weißen Interferenzmuster auf den Schirm 13. Hat die Linse 12 die Vergrößerung Ix, dann können •die auf den Schirm 13 projizierten Interferenzmuster in der in Fig.3 dargestellten Weise beobachtet werden. jDie Lichtintensitätsverteilung in Richtung der x-Achse kann in einem solchen Fall wiedergegeben werden mit

I(x) = J i(k) ■ cos* (knd ■ cos Φ) · cos² (kx tan &)■ dk,

wobei i(k) erhältlich ist durch Multiplikation der spektralen Verteilung der Lichtquelle mit der spektralen Empfindlichkeit des Beobachtungssystems und der spektralen Durchlässigkeit des optischen Systems, und wobei k die Anzahl der Wellen ist. Eine typische Form einer solchen Lichtintensitätsverteilung ist in Fig.4 dargestellt. Es sei angenommen, daß die bei x=0 erzeugte weiße Interferenzspitze als die mittlere Spitze, die bei

x= nd ■ cos Φ/tan θ

■> erzeugte weiße Interferenzspitze als eine erste Seitenspitze und die bei

x= —nd ■ cos Φ/tan Θ

erzeugte weiße Interferenzspitze als eine zweite ίο Seitenspitze definiert sind. Dann kann die Größe

nd ■ cos Φ/tan Θ

erhalten werden durch Bestimmen des Abstandes von dem Punkt, an dem die mittlere Spitze erzeugt wird, bis

i^r> zu dem Punkt, an dem die erste oder zweite seitliche Spitze erzeugt wird, oder durch Bestimmen des Abstandes von dem Punkt, an dem die erste seitliche Spitze erzeugt wird, bis zu dem Punkt, an dem die zweite .seitliche Spitze erzeugt wird, oder durch Bestimmen des lAbstandes von einem vorbestimmten Bezugspunkt auf ;ider χ -Achse bis zu dem Punkt, wo die erste oder die «weite Seitenspitze erzeugt wird. Damit kann durch ^Einsetzen des Wertes des Brechungsindexes η der Probein

"' , nd ■ cos Φ/tan 0

die Dicke t/der Probe gemessen werden.

Sollte der Brechungsindex η der Probe gleichfalls unbekannt sein, so ist es möglich, den Brechungsindex η

s» und die Dicke d der Probe durch individuelles zweimaliges Messen unter einem Projektionswinkel Φ auf die Probe, beispielsweise für Φ = 0° und Φ=45^Ο, zu bestimmen.

In Fig, I weist die zu messende Probe zwei

i^r> 'reflektierende Oberflächen auf; hat jedoch eine Probe mehr als zwei reflektierende Oberflächen, d. h. umfaßt sie mehrere Schichten, dann wird, wenn genügend Licht an jeder der reflektierenden Oberflächen reflektiert wird, ein weißes Interferenzmuster an einer Steife

■H) erzeugt, die der Dicke einer jeden Schicht entspricht. jHierdurch ist es möglich, die Dicke einer jeden Schicht zu messen.

Auch bei einer doppelbr sehenden Substanz kann die Verzögerung zwischen den die Substanz durchlaufen-

4¹) ^den P-polarisierten und S-polarisierlen Lichtstrahlenibündeln in der beschriebenen Weise gemessen werden.

Zum Feststellen und Ausmessen des auf den Schirm

projizierten, räumlich erzeugten weißen Interferenzmu- |Sters kann eine eindimensionale Photodiodenanordnung an der Position des Schirms parallel zu dessen x-Achse "angeordnet und aufeinanderfolgend abgetastet werden.

Aus dem weißen Interferenzmuster, das in der Zeitachse lauseinandergezogen ist, wird so die Dicke der Probe aus fdem Zeitintervall bei der Abtastung der Interferenzspit-

v> |zen erhalten. Die Verwendung einer Photodiodenan-

'ordnung ist hinsichtlich der Linearität viel besser als bei bekannten Verfahren, da es dort schwierig ist, bewegliche Spiegel guter Linearität und guten Impulses

\ tzu erhalten, die jeden der Teilstrahlengänge des

a) ![Interferometers verändern. Die Auswertung des weißen Jnterferenzmusters kann auch unter Verwendung einer Fernsehbildaufnahmeröhre bewerkstelligt werden, die dieselbe Funktion wie die Photodiorisnanordnung hat. Alternativ kann das weiße Interferenzmuster durch

M Drehung oder Schwenkung eines drehbaren Spiegels 16 um eine Achse 17 festgestellt werden, wie dies bei 18 in Fig.5 angedeutet ist, und mit Hilfe einer Nadeliochblende 19 und eines Photodetektors 20. In diesem Fall

kann eine größere Lichtmenge erhalten werden, wenn für die Nadellochblende 19 ein Spalt benutzt wird.

Weiterhin kann wie in Fig. 6 ein Nadel/och oder ein Spalt 21 in Richtung des Doppelpfeils 23 bewegt werden und kann die Verteilung des weißen Interferenzmusters am Photodetektor 22 festgestellt werden.

Bei jeder der vorstehend beschriebenen Feststellmethoden für das weiße Interferenzmuster wird dieses eindimensional erzeugt und im Hinblick hierauf kann eine zylindrische Linse mit der Linse 12 kombiniert werden, um eine größere Lichtmenge zu erhalten. Ein optisches System, bei dem eine solche zylindrische Linse benutzt ist, ist in F i g. 7 dargestellt.

Das von einer Lichtquelle 101 ausgehende Lichtstrahlenbündel wird für eine Probe über eine bilderzeugende Linse 102 konzentriert und das an der Probe reflektierte Lichtstrahlenbündel wird durch eine Linse 104 im wesentlichen kollimiert und auf ein Interferometer 105 des Neigungstyps gerichtet. Das in der Nachbarschaft des geneigten Spiegels des Interferometers erzeugte weiße Inlerferenzmuster wird auf eine eindimensionale Photodiodenanordnung durch ein anamorphotisches System 106, 107 abgebildet. In diesem Fall wird durch Kürzermachen der Brennweite der Zylinderlinse 107, die in der zur Richtung der Diodenanordnung senkrechten Richtung Abbildungsfunktion hat, gegenüber der Brennweite der Zylinderlinse 106, die ihre Abbildungsfunktion in Richtung der Photodiodenanordnung 108 hat, die Längsvergrößerung des weißen Interferenzmusters nach Fig.3 im Vergleich zur seitlichen Vergrößerung reduziert, um dadurch das Licht des weißen Interferenzmusters auf die Oberfläche der eindimensionalen Photodiodenanordnung wirksam richten zu können.

Das Interferometer ist zwar als Michelson-Interferometer beschrieben worden, es kann aber auch ein Mach-Zehnder-Interferometer oder dergleichen ebenfalls verwendet werden. Analog zu diesen Interferometern kann auch ein optisches System mit einem Wollaston-, Rochon- oder Senarmont-Prisma verwendet werden. Fig.8 zeigt eine Ausführungsform mit einem WoUaston-Prisma 54, 55. Letzteres kann hergestellt werden durch Schneiden eines doppelbrechenden Materials, z. B. eines geeigneten Kristaiies, in einem Teilstück 54, dessen optische Achse senkrecht zur Papierebene orientiert ist, und ein Teilstück 55, dessen optische Achse entsprechend dem dargestellten Doppelpfeil parallel zur Papierebene verläuft, wonach dann diese beiden Teilstücke 54, 55 zusammengeklebt werden. Vor dem Wollaston-Prisma befindet sich ein Polarisator 53. dessen Polarisationsrichtung einen Winke! von 45° mit den optischen Achsen der Kristalle 54 und 55 bildet. Ein nachgeschalteter Analysator 56 ist vorgesehen, um eine parallele oder gekreuzte Nicöl-Anordnung mit dem Polarisator zu bilden. Wenn die Wellenfront 51 des an der Oberfläche der Probe 3 reflektierten Lichtstrahlenbündel 5 und die Wellenfront 52 des an der Rückseile der Probe reflektierten und im optischen Weg um 2nd - cos Φ verzögerten Lichtstrah- !enbündels 6 auf das optische System einfallen, werden die Wellenfronten 51 und 52 durch das Wollaston-Prisma 54, 55 je in zwei Wellenfronten aufgespalten, während gleichzeitig die Wellenfronten geneigt werden, um dadurch Wellenfronten 51', 52' und 51", 52" zu erzeugen. Es sei angenommen, daß die y-Achse, wie in Fig.8 bei 62 dargestellt, ihren Ursprung auf einer Ebene hat, in der die Dicken der Prismen 54 und 55 gleich sind. Die optische Weglängendifferenz, die zwischen den Wellenfronten 51' und 52' erzeugt wird, ist gegeben durch

2(n_e-n„)y- tanÖ,

wobei n„ und n_c die Brechungsindices der doppelbrechenden Substanz für den ordentlichen bzw. außerordentlichen Strahl bedeuten. Die Wellenfronten 5i' und 51" sowie die Wellenfronten 52' und 52" interferieren gegenseitig in der Nachbarschaft des Punktes 58 (y=O) und liefern die mittlere Interferenzmusterspitze. Die Wellenfronten 51' und 52" interferieren gegenseitig in der Nähe des Punktes 57, und die Wellenfronten 52' und 51" interferieren gegenseitig in der Nähe des Punktes 59. Diese Interferenzen erzeugen jeweils Seitenspilzen

)5 des Interferenzmusters. Diese finden an einer Stelle statt, wo 2nd ■ cos Φ ungefähr gleich

2(n_c— n_o)y ■ fan θ

ist, d. h. in der Nachbarschaft von

y = nd ■ cos Φ{π_σ- n„) tan Θ.

Die weißen Interferenzmuster sind in der Nähe des WoIIaston-Prismas vorhanden; daher fokussiert die Linse 69 diese Muster auf einen Photodetektor 61, beispielsweise eine Photodiodenanordnung.

Wenn das Wollaston-Prisma aus Kristallen aufgebaut wird, dann kann die Dicke der zu messenden Probe in der Größenordnung von 2 mm liegen, um einen Neigungsgrad von einigen Winkelminuten für die Wellenfronten zu erzeugen, was zu einem kompakten Aufbau des Interferometers führt. Ein mit einem Wollaston-Prisma arbeitendes Interferometer hat zahlreiche Vorteile gegenüber einem Michelson-Interferometer: Die Neigungen der Wellenfronten können während der Herstellung des Prismas bestimmt werden, so daß die Notwendigkeit der Einstellung der Spiegelneigung während des Aufbaues eines Michelson-Interferometers entfällt; außerdem treten keine Veränderungen mit der Zeit auf und der Aufbau ist äußerst kompakt.

Bei der Ausführungsform nach Fig.7, bei der eine eindimensionale Photodiodenanordnung 108 verwendet wird, ist ein optisches System zu Reduzierung des weißen interierenzffluSiefs in der zur Richtung der Diodenanordnung senkrechten Richtung benutzt, um die Lichlmengen wirksam auszunutzen, jedoch ist ein hierzu zu verwendendes anamorphotisches System 107 üblicherweise mit größeren Linsenfehlern behaftet.

F i g. 9,10a und 10b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des optischen Systems, mit dem die Lichlmenge des Interferenzmusters wirksam auf die eindimensionale Photodiodenanordnung 122 gerichtet werden kann. Fig. !Oa zeigt eine linearisierte Schnittansicht des Systemstrahlenganges und Fig. 10b eine linearisierte Draufsicht hierauf. Das von einer Quelle 110 für weißes Licht herrührende Lichlstrahlenbündel wird von einer Linse 111 im wesentlichen kollimiert und sodann im Bündeldurchmesser durch ein afokales Zylinderlinsensystem 112, 113 vertikal komprimiert, um eine Spaltöffnung 114 auszuleuchten. Das die Spaltöffnung 114 passierende parallele Lichtstrahlenbündel wird durch eine Polarisatorplatte 115 geschickt und durch eine Linse 116 auf die Probenoberfläche 117 konzentriert.

Bei der Erfindung braucht zwar das Licht nicht immer auf die Probenoberfläche konzentriert werden, jedoch ist eine solche Lichtkonzenlralion von Vorteil, wenn die Oberflächenbeschaffenheit der Probe ungünstig ist. da

hierdurch der Einfluß der Probenoberflächenbeschaffenheit verringert und das Nutz/Störsignal-Verhältnis im Ausgangssignal der Diodenanordnung verbessert wird.

Das an der Probe 117 reflektierte Lichtstrahlenbündel wird über eine Linse 118 auf ein Neigungstyp-Interferometer 119 gerichtet, z. B. ein Wollaston-Prismeninterfe-

! rometer. Die Umgebung des Zentrums des Wollaston-Ffrismas 119 Und der Spaltöffnung 114 sind zueinander !konjugiert derart, daß das'BÜd der Spaltöffnung in der |₀ •'Nähe des Zentrums des Wollaston-Prismas erzeugt wird. Da ein weißes Interferenzmuster im Lichtstrahlenbündel des Bildes der Spaltöffnung in der Nähe des Zentrums des Wollaston-Prismas 119 erzeugt wird, wird dieses Interferenzmuster über eine polarisierende Platte 120 auf die eindimensionale Photodiodenanordnung 122 mit Hilfe einer bilderzeugenden Linse 121 projiziert. Da das Bild der Spaltöffnung 114 gleichfalls auf der Photodiodenanordnung 122 erzeugt wird, kann die Lichtmenge des weißen Interferenzmusters auf die Photodiodenanordnung ohne Verlust gerichtet werden, wenn die Größe des Spaltöffnungsbildes kleiner als die Größe der Lichtempfangsfjäche der Photodiodenanordnung 122 gemacht wird.

Bei dieser Ausführungsform, bei der das weiße Interferenzmuster auf die Photodiodenanordnung 122 mit Hilfe eines üblichen bilderzeugenden Linsensystems <121 gerichtet wird, ist der Einfluß von Verzeichnungen und ähnlichen Linsenfelilern kleiner als bei der vorigen Ausführungsform,bei derein anamorphotisches Linsensystem benutzt wird.

Die Richtung der Ablenkung der polarisierenden Platte 115 bildet bei der Ausführungsform gemäß Fig.9, 10a, 10b einen Winkel von 45° zur optischen Achse des Wollaston-Prismas 119.

Zwar ist bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung für die Lichtquelle eine Quelle weißen Lichtes benutzt worden, aber auch jede andere Quelle für sichtbares oder unsichtbares Licht ist in gleicher Weise brauchbar, sofern sie ausreichend breitbandig ist.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen MO 109/318

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zum interferomelrisnhen Messen der Dicke oder des Brechungsindex einer lichtdurchlässigen Schichtprobe, bei der die von einer ersten und einer zweiten Oberfläche der von einer breitbandigen Licntquelle beleuchteten Schichtprobe herrührenden Wellenfronten auf ein Interferometer gerichtet und von einem im Interferometer vorgesehenen Strahlteiler geteilt werden, wobei oder wonach zwei der Teilwellenfronten gegenüber den anderen beiden Teilwellenfronten geneigt und je einander zur Bildung eines Interferenzmusters überlagert werden und das Interferenzmuster ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das der Probendicke entsprechende Abstandsintervall zwischen einem vorbestimmten Punkt und einer der Spitzen des Interferenzmusters durch Abtasten des Interferen7musters mit einem Abtaster (61,108,122) bestimmt wird.