DE3240234C2 - Oberflächenprofil-Interferometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Oberflächenprofil- Interferometer, d. h. ein Gerät zum Ermitteln der Ober­ flächenrauhigkeit bzw. der Höhe einer Dickenänderungs­ stufe, wie sie z. B. entsteht, wenn man einen Metallfilm auf ein Substrat aufbringt, um eine Leiterplatte oder eine integrierte Mikroschaltung herzustellen.

Im "Journal of Physics E", 1972, Bd. 5, S. 445-449, be­ schreiben King u. a. drei Verfahren zum Ermitteln der Dicke von Filmen durch Messen der Stufenhöhe am Rand eines Films. Bei einem Verfahren wird ein mechanischer Taststift über die auszumessende Fläche hinwegbewegt, doch muß die­ ser Taststift die Fläche berühren, so daß die Gefahr einer Beschädigung der Fläche besteht. Bei einem anderen Verfah­ ren wird ein mit mehreren Strahlen oder Lichtbündeln ar­ beitendes Interferometer benutzt; hierbei dient eine Mi­ kroskopanordnung dazu, von mehreren Strahlen herrührende Interferenzstreifen auf einem photographischen Film abzu­ bilden, und das so aufgezeichnete Interferogramm wird aus­ gewertet, um die Stufenhöhe zu ermitteln. Bei dieser An­ ordnung besteht ein Nachteil darin, daß der photographi­ sche Film entwickelt werden muß, bevor die Messung der Stufenhöhe durchgeführt werden kann.

Bei einer dritten Anordnung, bei der von einem photoelek­ trischen Scherinterferometer Gebrauch gemacht wird, läßt man polarisiertes Licht durch einen Schlitz, ein Wollaston- Prisma und das Objektiv eines Mikroskops fallen, um zwei Bilder des Schlitzes zu erzeugen, die der Stufenhöhenände­ rung auf einer zu untersuchenden Fläche benachbart sind. Die durch die Fläche reflektierten Strahlen durchlaufen das Objektiv und das Prisma, und mit Hilfe von zwei recht­ winklig zueinander polarisierten Strahlen wird ein Bild erzeugt, wobei diese Strahlen eine Phasendifferenz aufwei­ sen, die sich nach der Höhe der Stufe richtet. Um diese Phasendifferenz zu messen, bewegt man mit der Hand eine schwache Linse quer zu dem Strahl, bis die Phasendifferenz genau ausgelöscht ist; das Vorhandensein dieses Zustandes wird mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators, eines Analysators, eines Photoelektronen-Vervielfachers und eines phasenempfindlichen Detektors festgestellt, die dazu dienen, die Lage der Phasengleichheit der beiden inter­ ferierenden Strahlen nachzuweisen. Die Genauigkeit dieses Systems richtet sich nach der Genauigkeit, mit der die lineare Bewegung der schwachen Linse gemessen werden kann. Außerdem handelt es sich um ein Gerät, bei dem sich die Lichtstrahlen nicht längs einer gemeinsamen Bahn fortpflan­ zen. Vielmehr pflanzen sich die beiden interferierenden Strahlen längs räumlich getrennter optischer Wege fort, so daß das Meßergebnis durch jede Kippbewegung der zu unter­ suchenden Fläche beeinflußt wird.

Eine weitere Verwendungsmöglichkeit für einen elektroopti­ schen Modulator besteht auf dem Gebiet der Polarimetrie; siehe z. B. die Arbeit von King in "photoelectric Spectro­ metry Group Bulletin" Nr. 16, Dezember 1965, S. 487-492, gemäß welcher ein als Faraday-Zelle bekannter magnetoopti­ scher Modulator benutzt wird, um eine direkte Kompensation der Polarisationsdifferenz zu bewirken, wobei eine Messung des Stroms erfolgt, der der Zelle zugeführt wird, um eine Drehung der Schwingungsebene eines eben polarisierten Strahls herbeizuführen, so daß sich ein erforderlicher Zustand ergibt, der mit Hilfe eines phasenempfindlichen Detektors nachgewiesen wird. Man kann eine solche Anordnung benutzen, um sehr kleine Änderungen bezüglich der Schwin­ gungsebene von linear polarisiertem Licht zu ermitteln, die z. B. durch eine optische Rotationsdispersion oder Dre­ hung hervorgerufen werden.

Es sei bemerkt, daß von den beiden vorstehend geschilder­ ten optischen Verfahren zum Messen der Stufenhöhe das In­ terferometer mit mehreren Strahlen bezüglich der Messung nicht von der Phasendifferenz zwischen zwei zueinander orthogonal polarisierten Strahlen abhängt und daß bei dem photoelektrischen Scherinterferometer zwar die Phasendif­ ferenz zwischen zwei zueinander orthogonal polarisierten Strahlen gemessen wird, daß jedoch die Strahlen durch das Wollaston-Prisma seitlich gegeneinander versetzt werden, so daß bei dieser Anordnung das Interferometer keinen ge­ meinsamen Strahlenweg aufweist.

Aus der EP 11 708 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Ebenheit, der Rauhigkeit oder des Krümmungsradius einer Meßfläche bekannt, mit der auch die Neigung einer Objekt­ oberfläche gemessen werden kann. Diese Vorrichtung besitzt eine Lichtquelle und einen doppelbrechenden Kristall zum Erzeugen eines gerichteten Strahlungsbündels, das Komponenten von gleicher Amplitude in zwei zueinander orthogonalen Polarisa­ tionsrichtungen enthält. Weiter ist ein Strahlenteiler als Einrichtung zum Richten des Strahls vorgesehen. Durch eine doppelbrechende Fokussiereinrichtung, die aus dem doppelbre­ chenden Kristall und einer Linse besteht, wird die Strahlung in den beiden Polarisationsrichtungen an verschiedenen Punkten fokussiert. Ein polarisationsabhängiger Phasenschieber, ein Analysator und ein Lichtdetektor bilden eine phasenempfind­ liche Einrichtung zum Messen eines etwa vorhandenen Phasen­ unterschiedes zwischen den polarisierten Strahlungskompo­ nenten. Der Strahlteiler als Einrichtung zum Richten des Strahls ist so aufgebaut, daß er mindestens einen Teil des gerichteten Strahls zu der doppelbrechenden Fokussiereinrich­ tung gelangen läßt und von der doppelbrechenden Einrichtung Strahlung empfängt die durch den zu untersuchenden Gegen­ stand reflektiert worden ist. Diese Strahlung läßt der Strahlenteiler dann zu der Phasenmeßeinrichtung gelangen, wobei er jedoch im wesentlichen keinen Phasenunterschied zwischen den Strahlungskomponenten in den beiden zueinander orthogonalen Polarisationsrichtungen hervorruft.

Diese Druckschrift beschreibt seitliche Scherstrahlen, die Erfindung betrifft dagegen axiale Scherstrahlen auf der optischen Achse.

Dadurch wird die Aufgabe gelöst, die Konzentrizität der Optik zu erhalten und außerordentlich intensiv zu wirken, wenn es darum geht, die zu untersuchende Oberfläche während der Messung zu kippen.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung in der Gesamt­ heit der Merkmale des Anspruchs 1.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den optischen Teil sowie die elektrische Steuer- und Meßschaltung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Oberflächenprofil-Interferometers;

Fig. 2 Anordnung zum Beleuchten der zu untersuchenden Fläche;

Fig. 3a, b, c und d jeweils optische bzw. elektrische Sig­ nale, die an den verschiedenen Punkten des Geräts auftreten; und

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines Oberflächenprofil- Interferometers nach der Erfindung.

Zunächst sei auf die Strahlenwege bei dem Gerät nach Fig. 1 eingegangen; ein Helium-Neon-Laser 10 erzeugt einen mono­ chromatischen Lichtstrahl, der eine Strahlspreizeinrich­ tung 12 durchläuft, um dann zu einem polarisierenden Strah­ lenteiler 14 zu gelangen, der einen Teil des einfallenden Lichtes unter einem Winkel von 90° reflektiert. Der gerich­ tete Strahl durchläuft ein Halbwellenplättchen 16 aus Glim­ mer und einen Polarisator 18 und gelangt dann zu einem Re­ flektor 20, der eine Hälfte des einfallenden Strahls zurück­ hält. Die von dem einfallenden Strahl abgewandte Seite 21 des Reflektors ist als Spiegel ausgebildet. Die Hälfte des Strahls, welche nicht durch den Reflektor zurückgehalten wird, pflanzt sich nur auf einer Seite der optischen Achse des Geräts fort und fällt durch eine Sammellinse 22 aus Calcid, die in Berührung mit einer Zerstreuungslinse 24 aus Silica steht; danach durchläuft diese Hälfte des Strahls ein Viertelwellenlängenplättchen 26 aus Glimmer sowie ein Mikroskopobjektiv 28, um dann zu einer zu untersuchenden Fläche 30 zu gelangen. Das durch die Fläche 30 zurückge­ worfene Licht pflanzt sich auf der anderen Seite der opti­ schen Achse in der Gegenrichtung fort und fällt erneut durch das Objektiv 28, das Plättchen 26 und die Doppellinse 22, 24, bis es auf die reflektierende Fläche 21 trifft. Die Fläche 21 ist unter 45° gegen den zurücklaufenden Strahl geneigt, der so reflektiert wird, daß er durch eine Begrenzungsöffnung 32 fällt und über einen elektroopti­ schen Phasenmodulator 34, ein Viertelwellenlängenplättchen 36, einen Kompensator 38 in Form einer Faraday-Zelle und einen Analysator 40 zu einem Photoionenverviel­ facher 42 gelangt.

Der elektrooptische Phasenmodulator 34 ist an eine Modula­ torsteuerschaltung 50 angeschlossen, die ein Eingangssig­ nal einem phasenempfindlichen Detektor 52 zuführt. Das andere Eingangssignal wird durch den Photoionenmultipli­ kator 42 erzeugt, der durch eine Einrichtung 54 mit einer sehr hohen Spannung versorgt wird. Das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 52 wird einer Faraday-Zellen- Kompensatorschaltung 56 zugeführt, die ein Bezugsausgabe­ signal 58 liefert, dessen Wert der Stärke des durch die Spule der Faraday-Zelle fließenden Stroms entspricht.

Während des Betriebs erzeugt der Laser 10 einen eben pola­ risierten Lichtstrahl, der durch die Spreizeinrichtung 12 aufgespreizt wird. Der polarisierende Strahlenteiler 14 reflektiert den aufgespreizten Strahl so, daß er durch das Halbwellenlängenplättchen 16 aus Glimmer zu dem Polarisa­ tor 18 gelangt, der so eingestellt ist, daß er die Polari­ sationsebene des aufgespreizten Eingangsstrahls dreht, bis Strahlen von gleicher Intensität vorhanden sind, die in zwei zueinander orthogonalen Richtungen P und S polarisiert sind, deren Lage durch die Achsen der doppelbrechenden Lin­ se bestimmt ist. Das Halbwellenlängenplättchen 16 dient da­ zu, die Intensität des von dem Polarisator 18 durchgelas­ senen Lichtes durch Drehen der Polarisationsebene auf einen maximalen Wert zu bringen. Die nicht durch den Reflektor 20 zurückgehaltene Hälfte des Strahls durchläuft die Linse 22 aus Calcid und die Linse 24 aus Silica.

Eine Eigenschaft der Sammellinse 22 aus Calcid besteht darin, daß sie bei Licht von unterschiedlicher Polarisa­ tion unterschiedliche Brechzahlen aufweist. Bei einem ein­ fallenden gerichteten Strahl, der die Komponenten P und S enthält, wird die eine Komponente stärker abgelenkt als die andere, so daß die Brennpunkte der Komponenten P und S verschieden weit von der Linse entfernt sind. Der Unter­ schied bezüglich der Sammelkraft für die Komponenten P und S ist gering und beträgt etwa 1 Dioptrie. Die Wirkung des Mikroskopobjektivs 28 besteht darin, daß eine relativ starke Fokussierwirkung von z. B. 100 Dioptrie hervorgerufen wird, daß jedoch ein Unterschied bezüglich der Sammelfähig­ keit für die Komponenten P und S erhalten bleibt. Die Ge­ samtwirkung besteht darin, daß eine Komponente des Strahls, z. B. die Komponente P, genau auf die zu untersuchende Flä­ che 30 fokussiert wird, während die zweite Komponente auf einen anderen Abstand fokussiert wird, so daß sie von einem größeren Teil der Fläche 30 zurückgeworfen wird. Die ver­ schiedenen beleuchteten Flächen sind in Fig. 2 dargestellt. Die Komponente P wird genau als kleiner runder Fleck nahe der Auflösungsgrenze des Objektivs 28 fokussiert, während die Komponente S einen erheblich größeren Teil der zu un­ tersuchenden Fläche einnimmt. Beispielsweise hat der Licht­ fleck P bei einem Durchmesser des Objektivs von 8 mm einen Durchmesser von weniger als 1 Mikrometer, während die Flä­ che bei der Komponente S einen Durchmesser von 100 Mikro­ meter haben kann. Somit liegt der Unterschied zwischen den Flächen, durch welche die Strahlkomponenten reflektiert werden, in der Größenordnung von 10⁴. Die Reflexion durch die Fläche 30 führt bei kleinen Einfallswinkeln nicht zu einer Änderung des Polarisationszustandes, doch führt die mittlere Höhenlage der Fläche, durch welche jede Strahl­ komponente reflektiert wird, zu einer Veränderung der Be­ ziehung zwischen den beiden Strahlkomponenten dadurch, daß sich ein Unterschied bezüglich des optischen Strahlenweges und daher eine Phasendifferenz des einen Strahls gegenüber dem anderen ergibt. Der scharf fokussierte Lichtfleck lie­ fert eine Information über die Höhenlage der Fläche, die für einen sehr kleinen Teil der Fläche gilt, während man die große Fläche als Bezugsfläche betrachten kann, da die Information hier über einen relativ großen Teil der Fläche ausgemittelt wird und daher innerhalb der gesamten zu un­ tersuchenden Fläche unveränderlich sein dürfte. Die beiden Strahlen pflanzen sich längs eines gemeinsamen Weges fort, so daß das System für Bewegungen der Fläche 30 im rechten Winkel zu ihrer Ebene unempfindlich ist, und dadurch, daß mit einer Koaxialmessung und Bezugsstrahlen gearbeitet wird, wird das System außerdem gegen Verkantungen der Fläche 30 unempfindlich. Die reflektierten Strahlen können benutzt werden, um Informationen zu gewinnen, z. B. über die Oberflächenrauhigkeit, d. h. die Höhenlage eines be­ stimmten Punktes gegenüber der Hauptfläche, oder um Ände­ rungen der Profilhöhe zu untersuchen. Gewöhnlich wird die Fläche 30 quer zu den sie beleuchtenden Strahlen in einer von zwei zueinander orthogonalen Richtungen x und y oder in beiden Richtungen abgetastet, wie es in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet ist, d. h. es wird der Objekttisch eines Mikroskops benutzt, und das elektrische Ausgangssignal des Geräts bildet ein Maß für die Oberflächenrauhigkeit oder Veränderungen der Profilhöhe.

Gemäß Fig. 1 pflanzen sich die durch die Fläche 30 reflek­ tierten Strahlen auf der anderen Seite der optischen Achse in der Gegenrichtung zu der Linse 22 aus Calcid und der Linse 24 aus Silica fort, nachdem sie ein zweites Mal das Viertelwellenlängerplättchen 26 durchlaufen haben, das ge­ gen die Achsen der doppelbrechenden Linse unter 45° geneigt ist. Dieses doppelte Durchlaufen des Plättchens 26 hat zur Folge, daß die Komponenten P und S gegenüber den ordent­ lichen und außerordentlichen Achsen der Calcidlinse 22 mit­ einander vertauscht werden und daß die Fokussierwirkung dieser Linse auf die Strahlkomponenten daher umgekehrt wird. Die Strahlkomponente, die beim ersten Durchgang durch die Linse stärker gebrochen wurde als die andere, wird jetzt weniger stark gebrochen, und umgekehrt. Die Zerstreuungs­ linse aus Silica ist vorgesehen, damit die Linsenanordnung 22, 24 bei dem Eingangsstrahl, der in einem kleineren Ab­ stand fokussiert wird, die Sammelleistung Null aufweist, so daß beide Komponenten durch das Linsenpaar auf geeignete Weise erneut gerichtet werden können. Das Linsenpaar gibt somit zwei gerichtete, orthogonal polarisierte Strahlen ab, deren Phasendifferenz direkt proportional zur Höhe der Fläche 30 innerhalb des kleinen Lichtflecks im Vergleich zur mitt­ leren Oberflächenhöhe ist.

Durch die reflektierende Fläche 21 werden die Strahlen in Richtung auf die Detektoranordnung umgelenkt. Bei dem Re­ flektor 20 kann es sich um ein mit Aluminium beschichtetes Glasprisma handeln; alternativ kann man eine dielektrische Spiegelbeschichtung benutzen. In beiden Fällen führt die Reflexion an der Fläche 21 nicht zu einer wesentlichen Ver­ änderung der relativen Phasen der Komponenten P und S, vor­ ausgesetzt daß die Komponenten und die reflektierende Fläche fehlerfrei ausgerichtet sind. Alternativ kann man den Re­ flektor so beschichten, daß zwischen den orthogonal pola­ risierten Komponenten bei jeder beliebigen Lage eine Phasenänderung und eine Amplitudenänderung vom Wert Null eintritt.

Die durch die reflektierende Fläche 21 zurückgeworfenen Strahlen durchlaufen eine Begrenzungsöffnung 32 und gelan­ gen dann zu dem elektrooptischen Phasenmodulator. Bei ko­ härenten Eingangsstrahlen von gleicher Amplitude bei ortho­ gonaler Polarisation erhält man als Ergebnis der inter­ ferierenden Strahlen einen elliptisch polarisierten Strahl, dessen Hauptachse unter einem Winkel von 45° zu den Rich­ tungen der Komponenten P und S verläuft. Die Achsen des Phasenmodulators 34 sind auf die P- und S-Richtungen ein­ gestellt, und die Achsen des Viertelwellenlängenplätt­ chens 36 verlaufen unter 45° zu den P- und S-Richtungen. Die Modulatorschaltung 5C ist so ausgebildet, daß sie den Phasenmodulator 34 derart betätigt, daß die Polarisations­ ebene des resultierenden Strahls um die 45°-Richtung sym­ metrisch um einen großen Winkel von z. B. ± 30° geschwenkt wird, wie es in Fig. 3a und 3b gezeigt ist, wobei Fig. 3a als Polardiagramm die Winkel zwischen den Eingangsstrahlen und dem modulierten resultierenden Strahl wiedergibt, wäh­ rend Fig. 3b die zeitabhängige Veränderung der Winkellage des resultierenden Strahls erkennen läßt. Wenn dieser mo­ dulierte Strahl dem Photoionenvervielfacher 42 über den auf die 45°-Richtung ausgerichteten Analysator 40 zugeführt wird und wenn die Eingangsstrahlen bei Phasenmodulator 34 bei genau orthogonaler Polarisation ohne einen Strahlenweg­ unterschied die gleiche Amplitude haben, erhält der Photoionen­ vervielfacher 42 Licht, dessen Intensität in Abhängigkeit von der Zeit in der aus Fig. 3c ersichtlichen Weise variiert (da eine Empfindlichkeit nicht für die Polarisationsrich­ tung, sondern nur für die Lichtintensität vorhanden ist), und es würde eine Reihe von Sinuswellen von gleicher Ampli­ tude bei der doppelten Modulationsfrequenz nachgewiesen, so daß man ein im wesentlichen konstantes Ausgangssignal entsprechend der gestrichelten Linie in Fig. 3c erhält. Sind jedoch die interferierenden Strahlen phasenverschie­ den, ergibt sich bei 45° kein resultierender Strahl, und es erfolgt keine beiderseitige Schwenkbewegung um die 45°- Richtung, sondern man erhält eine Gewichtung oder Tendenz in Richtung auf die eine oder die andere Seite. Das Aus­ gangssignal des Photoionenvervielfacher 42 "betrachtet" somit Sinuswellen beim Zweifachen der Modulationsfrequenz und bei unterschiedlichen Amplituden, wie es in Fig. 3d ge­ zeigt ist, und am Ausgang des Photoionenvervielfacher erscheint ein Fehlersignal mit der Modulationsfrequenz entsprechend der gestrichelten Kurve in Fig. 3d. Dieses Signal wird einem phasenempfindlichen Detektor zugeführt und mit der Phase der Modulation verglichen, so daß man ein Gleichspannungs- Ausgangssignal erhält, das in einer direkten Beziehung zur Phasendifferenz zwischen den beiden interferierenden Strah­ len steht.

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät dient das Gleichstrom- Ausgangssignal zum Betätigen des Kompensators 38 bzw. der Faraday-Zelle bei einem elektrooptischen Servosystem be­ kannter Art. Der durch die Faraday-Zelle fließende Strom ist direkt proportional zur Phasendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen.

Um das Gerät zum Gebrauch vorzubereiten, entfernt man das Linsenpaar 22, 24 und verstellt das Mikroskopobjektiv 28 axial, bis es auf die zu untersuchende Fläche 30 fokus­ siert ist. Während der Analysator 40 auf 45° eingesellt ist, wird der Polarisator 18 gedreht, bis die gewünschten Amplituden die gleiche Größe haben, was dadurch angezeigt wird, daß sich bei dem Photoionenvervielfacher 42 der Wert Null ergibt. Jetzt wird das Linsenpaar 22, 24 in seine Gebrauchs­ stellung gebracht. Da es eine erheblich schwächere Wirkung hat als das Objektiv 28, verändert es die Scharfstellung nur um einen kleinen Betrag. Jetzt wird das Objektiv 28 verstellt, bis die eine Strahlkomponente auf der Fläche 30 fokussiert ist. Die Faraday-Zelle 38 und eine Rückkopp­ lungsschaltung werden eingeschaltet, woraufhin man durch Messen des Stroms der Faraday-Zelle, der gemäß Fig. 1 bei 58 erscheint, ein zur Oberflächenrauhigkeit direkt propor­ tionales elektrisches Ausgangssignal erhält. Wird die Flä­ che 30 entsprechend abgetastet, erhält man somit ein Maß für ihre Rauhigkeit.

Die Wirkungsweise des Geräts beruht auf einem Phasenunter­ schied zwischen den beiden in verschiedenen Richtungen polarisierten Komponenten; die Tatsache, daß die Amplituden nicht einander gleich zu sein brauchen, da sich hierbei nur der Interferenzkontrast verringern würde, erweist sich als vorteilhaft, wenn die beiden Teile der zu untersuchen­ den Fläche, die die Strahlenkomponenten reflektieren, ein unterschiedliches Reflexionsvermögen haben, z. B. an einer Stufe des Substrats eines integrierten Schaltkreises. Hier­ aus ergibt sich eine Ergänzung der Vorteile der Verwendung eines gemeinsamen Strahlenwegs für beide Strahlen, wobei außerdem das phasenempfindliche Polarimetrieverfahren, mit dem die Fühlschaltung arbeitet, eine hohe Genauigkeit gewährleistet.

Ein Hauptvorteil der Ausführungsform nach Fig. 1 besteht darin, daß der Reflektor 20 eine Hälfte des einfallenden Laser­ strahls zurückhält und den zurückkehrenden Strahl veranlaßt, sich längs eines versetzten optischen Weges fortzupflanzen, so daß der durch die zu untersuchende Fläche reflektierte Strahl nicht zu dem Laser zurückkehrt und daher auch nicht mit dem Ausgangsstrahl des Lasers interferiert. Bei einem Gerät mit hoher Empfindlichkeit, z. B. dem Gerät nach der Erfindung, ist diese Verbesserung der Stabilität des Lasers sehr erwünscht.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind der einfallen­ de und der zurückkehrende Strahl längs der optischen Achse einander benachbart. Dies ist jedoch nicht unbedingt erfor­ derlich, und die Strahlen könnten vollständig voneinander getrennt sein; jedoch vergrößert die Verwendung einander benachbarter Strahlen den nutzbaren Strahlenquerschnitt auf ein Maximum, so daß auch ein maximales optisches Ein­ gangssignal für die elektrische Meßschaltung zur Verfügung steht und mit einem Fokussierfleck von minimaler Größe ge­ arbeitet werden kann.

Um das Gerät zum Gebrauch vorzubereiten, wird der Reflek­ tor 20 entfernt, so daß das durch die Fläche 30 reflektier­ te Licht durch den Polarisator 18 und das Halbwellenplättchen 16 fällt, um zu dem Strahlenteiler 14 zu gelangen, von dem aus ein Teil des Strahls nach dem Durchlaufen eines Polari­ sators 44 zum Auge 46 eines Beobachters gelangt. Der zu beobachtende Strahl kann benutzt: werden, um das Interfero­ meter auf ein Merkmal innerhalb der 100-Mikrometer-Fläche eines polarisierten Strahls zu fokussieren.

In Fig. 2 unterscheiden sich die durch die Strahlen P und S beleuchteten Flächen um einen Faktor von etwa 10⁴, der anwendbar ist, wenn die Rauhigkeit einer Oberfläche gemes­ sen werden soll. In manchen Fällen kann sich jedoch auch ein kleinerer Faktor von z. B. 10 als ausreichend erweisen. Wenn man eine Meßfläche mit einem Durchmesser von etwa 0,75 Mikrometer und eine Bezugsfläche mit einem Durchmesser von etwa 3 Mikrometer verwendet, unterscheiden sich die beiden Flächen um den Faktor 16. Es hat sich gezeigt, daß eine solche Anordnung dann besonders zweckmäßig ist, wenn die Einzelmerkmale einer Stufenhöhenänderung untersucht werden sollen; beispielsweise kann die Schärfe einer Stufen­ änderung eines Merkmals auf einem mikroelektronischen Schaltkreis von Interesse sein.

In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die in zahlreichen Einzelheiten der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 1 ähnelt, weshalb die betreffenden Ele­ mente jeweils mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Der Unterschied zu der Anordnung nach Fig. 1 besteht darin, daß der Reflektor 20 nach Fig. 1 mit der geneigten reflek­ tierenden Fläche 21 durch einen nicht polarisierenden Strah­ lenteiler 60 ersetzt ist und daß die volle Öffnung des Sy­ stems ausgenutzt wird.

Zu dem nicht polarisierenden Strahlenteiler 60 gehören zwei Prismen 62 mit einem Querschnitt in Form eines recht­ winkligen Dreiecks aus ungespanntem Glas, die so mitein­ ander verkittet sind, daß sie einen Würfel bilden, bei dem sämtliche Außenflächen mit eine Reflexion verhindernden Stoffen beschichtet sind. Die Hypotenusenfläche des einen Prismas ist mit einer Aluminiumschicht mit einer Dicke von 10 nm versehen, und diese Fläche ist mit der entsprechen­ den Fläche des anderen Prismas verkittet, das beschichtet ist, um eine Reflexion an der Grenzfläche des Kitts zu verhindern. Die Beschichtungen und der Kitt sind in Fig. 4 nicht eigens dargestellt. Gewöhnlich hat ein spannungs­ freies Glas einen hohen Brechungsindex von z. B. 1,84, während bei einem Glaskitt der höchste bis jetzt bekannte Brechungsindex etwa 1,58 beträgt. Daher ist es wichtig, auch auf den verkitteten Flaschen Beschichtungen vorzu­ sehen, die eine Reflexion verhindern.

Ein solcher Strahlenteiler hat die Eigenschaft, daß die Produkte der Reflexions- und Durchlässigkeitskoeffizien­ ten R und T der orthogonal polarisierten Komponenten die Bedingung erfüllen, daß R_pT_s annähernd gleich R_sT_p ist, wenn P die Komponente ist, die parallel zur Einfallsebene schwingt, während S die Komponente ist, die im rechten Winkel zur Einfallsebene schwingt. Daher bewirkt das zwei­ fache Hindurchlaufen des Strahls durch den Strahlenteiler nicht, daß die relativen Phasen der Komponenten P und S innerhalb des Strahls verändert werden. Zwar kann man die Amplituden der Komponenten P und S durch Drehen des Pola­ risators 18 einander angleichen, doch ist das Gerät gegen Änderungen der Amplitude praktisch unempfindlich.

Die P- und S-Achsen des Strahlenteilers 60 werden so ein­ gestellt, daß sie mit den entsprechenden Achsen der doppel­ brechenden Linse 22 zusammenfallen.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 befinden sich die auf die zu untersuchende Fläche fallenden bzw. von ihr zurückge­ worfenen Strahlen in Deckung miteinander, und es wird von der vollen Öffnung des Geräts Gebrauch gemacht. Zwar kann ein gewisser Teil der Strahlung in Richtung auf den Laser 10 zurückgeworfen werden, doch kann sich dies als zulässig erweisen.

Das Gerät läßt sich ferner in der nachstehend beschriebe­ nen Weise weiterbilden:

Bei der doppelbrechenden Fokussiereinrichtung kann es sich anstelle eines Linsenpaares um eine einzige doppelbrechende Linse mit positiver oder negativer optischer Wirkung handeln; es ist ferner möglich, interferometrische Überlagerungs­ verfahren anzuwenden, um die Phasendifferenz zwischen den interferierenden orthogonal polarisierten Strahlen zu mes­ sen, doch würde sich hierbei der Nachteil ergeben, daß es erforderlich ist, einen frequenzstabilisierten Laser mit einer Zeeman-Strahlenteilungseinrichtung zu verwenden.

Bei einem für Licht durchlässigen System zur Verwendung bei einem transparenten Gegenstand muß man in dem durch­ gelassenen Strahl ein zusätzliches doppelbrechendes Fokus­ siersystem anordnen, das die gleiche optische Leistung hat wie das dem einfallenden Strahl zugeordnete; alternativ kann man die Amplituden der durchgelassenen Strahlen auf photometrischem Wege analysieren.

Zwar könnte man den elektrooptischen Phasenmodulator 34 durch eine Faraday-Wechselspannungszelle ersetzen, doch würde das System dann von den relativen Amplituden der interferierenden Strahlen abhängig werden.

Da die Kohärenzlänge durch die Stufenhöhenänderung oder die Rauhigkeit der zu untersuchenden Fläche bestimmt wird, ist sie relativ kurz, so daß es bei dem Laser nicht auf eine große Kohärenzlänge ankommt. Somit kann man den Laser 10 durch eine gefilterte Quelle für weißes Licht und ent­ sprechend auch den Photoionenmultiplikator durch einen für weißes Licht empfindlichen Siliziumdetektor ersetzen.

Wird mit einem automatischen Fokussiersystem gearbeitet, kann man eine Fokuseinstelleinrichtung benutzen, um eine Relativbewegung zwischen der Brennebene der Position des fokussierten polarisierten Strahls und der zu untersuchen­ den Fläche herbeizuführen, wobei sich Informationen über das Oberflächenprofil dadurch gewinnen lassen, daß ihn die Signale des Photodetektors mit der Abtastfrequenz unter­ sucht.

Man kann dieses Verfahren zum Analysieren der interferie­ renden Strahlen anstelle der Anordnung mit einer Faraday- Zelle anwenden, doch benötigt man umfangreiche Rechen­ arbeiten, um das Ausgangssignal auszuwerten, und es ist nicht unempfindlich für die relativen Amplituden der inter­ ferierenden Strahlen.

Bei sämtlichen Ausführungsformen der Erfindung besteht ein Vorteil darin, daß ein Unterschied bezüglich der optischen Strahlenweglänge durch Drehen einer Schwingungsebene gemes­ sen wird. Ein Längenunterschied des Strahlenweges, der einer halben Wellenlänge entspricht, ist einer Änderung der Phase zwischen den interferierenden Strahlen um 180° gleichwertig und führt zu einer Drehung der Polarisationsebene des re­ sultierenden Strahls um 90°. (Hierzu sei bemerkt, daß eine Änderung des Strahlenwegunterschiedes um λ/2 durch eine Änderung der Höhenlage der Fläche um λ/4 hervorgerufen wird. Bei einem Helium-Neon-Laser, der bei 632,8 Mikro­ meter betrieben wird, entspricht eine Drehung um 90° einer Änderung der Höhenlage der Fläche um 158,2 Mikrometer. Auf dem Gebiet der Polarimetrie ist es üblich, Drehbewegungen mindestens mit einer Genauigkeit von 0,01° zu messen, was 0,01 nm entspricht, woraus sich die hohe Genauigkeit er­ klärt, die sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Geräte er­ zielen läßt.

Claims (6)

1. Oberflächenprofil-Interferometer

• - mit Einrichtungen (10, 12, 14, 16, 18) zum Erzeugen eines gerichteten Strahlungsbündels, das Komponenten von glei­ cher Amplitude in zwei zueinander orthogonalen Polarisa­ tionsrichtungen enthält,
• - einer Einrichtung (20, 21; 60) zum Richten des Strahls,
• - einer doppelbrechenden Fokussiereinrichtung (22, 24, 28) mit einer Strahlumkehrungseinrichtung (26) zum Fokussie­ ren von Strahlung in den beiden Polarisationsrichtungen an voneinander getrennten Punkten im Raum,
• - sowie phasenempfindliche Einrichtungen (34, 36, 38, 40, 42, 52) zum Messen eines Phasenunter­ schiedes zwischen den polarisierten Strahlungskomponen­ ten,

wobei die Einrichtung zum Richten des Strahls (20, 21; 60) so aufgebaut ist,

• - daß sie mindestens einen Teil des gerichteten Strahls zu der doppelbrechenden Fokussiereinrichtung gelangen läßt,
• - daß sie von der doppelbrechenden Fokussiereinrichtung Strahlung empfängt, die durch den zu untersuchenden Ge­ genstand (30) reflektiert worden ist und
• - daß sie die Strahlung zu der Phasenmeßeinrichtung gelan­ gen läßt, jedoch im wesentlichen keinen Phasenunterschied zwischen den Strahlungskomponenten in den beiden zuein­ ander orthogonalen Polarisationsrichtungen hervorruft,

dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Fokussiereinrichtung (22, 24, 28) die beiden Strahlungskomponenten in unterschiedliche Brennpunkte auf der optischen Achse fokussiert und eine der Strahlungskomponenten auf den zu untersuchenden Gegenstand (30) fokussiert, wobei in der diesem Brennpunkt entsprechenden Brennebene die andere Strahlungskomponente eine größere Querschnittsfläche als die der fokussierenden Strahlungskomponente besitzt, und zwar mindestens um den Faktor 10, und die fokussierte Strahlungskomponente umgibt.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Einrichtung (20, 21) zum Rich­ ten des Strahls eine ebene reflektierende Fläche (21) gehört, die auf einer Seite der optischen Achse so ange­ ordnet ist, daß sie die Strahlung auffängt, die in dem gerichteten Strahl auf der genannten Seite der optischen Achse enthalten ist, und daß diese Fläche auf der genann­ ten Seite der optischen Achse von der doppelbrechenden Fokussiereinrichtung kommende Strahlung in Richtung auf die phasenempfindliche Einrichtung reflektiert.

3. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Richten des Strahls als Strahlenteiler (60) ausgebildet ist, der die Eigenschaft hat, daß das Produkt des Reflexionskoeffi­ zienten bei der ersten Polarisationsrichtung und des Transmissionskoeffizienten bei der orthogonalen Polari­ sationsrichtung gleich dem Produkt des Transmissions­ koeffizienten bei der ersten Polarisationsrichtung und des Reflexionskoeffizienten bei der orthogonalen Polari­ sationsrichtung ist.

4. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die phasenempfindliche Einrichtung in Form einer Reihenschaltung einen elektrooptischen Phasenmodulator (34) umfaßt, ferner einen elektro­ optischen Kompensator (38), einen Photoionenvervielfacher (42) sowie einen phasenempfindlichen Detektor (52), wo­ bei der phasenempfindliche Detektor so ausgebildet ist, daß er ein elektrisches Ausgangssignal liefert, das in einer Beziehung zu einem etwa vorhandenen Phasenunter­ schied zwischen den beiden orthogonal zueinander pola­ risierten interferierenden Strahlen steht, die von dem Photoionen empfangen werden.