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Anordnung zur interferometrischen Ebenheitaprüfung
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technischer Oberflächen Die Erfindung ist anwendbar zur automatischen
interferometrischen Ebenheitsprüfung reflektierender glatter technischer Oberflächen,
beispielsweise Haibleiterscheiben.
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Es sind bereits eine Reihe von Verfahren und Anordnungen zur interferometrischen
Messung von ebenen Oberflächen bekannt. Bekannt ist ein Gitterinterferometer, mit
dessen Hilfe sich die.effektive Wellenlänge bei der Prüfung beträchtlich vergrößern
läßt. Einem StrsaLfenabstand entsprechen Abweichungen von der Größe Gitterkonstante/2
(Birch, K,G. Journal of Physics E., Scientific 6 (1973) s. 1045).
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Der Nachteil dieser Anordnung besteht in dem Problem der projektiven
Verzerrung der Objektoberfläche.
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Bei einem anderen bekannten Gitterinterferometer zur Ebenheitsprüfung
von Siliziumscheiben wird das Licht von zwei benachbarten Beugungsordnungen, die
beide unter verschiedenen Winkeln auf das Objekt gelangen, zur Interferenz gebracht
(Järisch, W., Feinwerktechnik und Meßtechnik (1975) s. 199; DE-AS 2 636 211 / G
Ol B, 9/02).
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Da der Gangunterschied von dem Winkel abhängt, unter dem das Licht
das Interferometer durchlauf, ergeben sich bei der Ober lagerung durch die Differenzbildung
der Phasen bedeutende Variationsmöglichkeiten der topographischen Empfindlichkeit.
Störend wirken hier Mehrfachüberlagerungen durch den Einfluß von anderen Beugungsordnungen
und ähnliche
projektive Verzerrung wie bei der erstgenannten bekannten
Anordnung. Bekarint ist auch eine als "InterferoscopeU bezeichnete Anordnung zur
Ebenheitsprüfung technischer Oberflächen, z,B Stahlflächen, bei der die Wellenlängenvergrößerung
ebenfalls durch streifende Inzidenz erzeugt wird (Abramson, N., Optik 20 (1969)
5. 56).
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In dieser Anordnung wird ein 90Prisma verwendet, dessen Hypotenuse
als eferenzfläche in einem Fizeauinterferometer benutzt wird. Das Licht fällt unter
etwa 450 auf die Hypotenuse des Prismas und tritt nahezu streifend aus dieser aus.
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Nach Reflexion an der Prüflingsoberfläche tritt das Licht in das Prisma
wieder ein und verläßt dieses unter 450 zur Hypotenuse senkrecht zur Kathete des
Prismas. Durch die Brechung wird der Bündelcluerschnitt anamorphotisch verzerrt
und bei Wiedereintritt wieder entzerrt.
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Der Projektionefehler beträgt daher nur und nicht z.B.
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10. Dies kann als eindeutiger Vorteil gegenüber den bisher genannten
Lösungen angeführt werden1 da dadurch z,B eine photoelektrische Erfassung vereinfacht
bzw. erst ermöglicht wird, Nachteilig ist, daß das Interferogramm ein Mehrstrahlinterferogramm
ist, wobei von der Dicke des Luftspaltes zwischen Prisma und Prüfling abhängige
unsymmetrische Interferenzstreifen auftreten können. Weiterhin ist die effektive
Wellenlänge A eine Funktion der Einfallswinkel und der Brechzahlen des Prismas und
der Luft, Zwar ist die effektive Wellenlänge in weiten Grenzen wählbar, jedoch tritt
dann das Problem auf, daß bei automatischer Erfassung der Interferenzbilder nach
bekannten Verfahren (Bruning et al, Appl. Opt. 13 (1974) 2693; s.a. Gallagher, J.E.
u. Herriott, D.R., DD-PS 96 779/G 01 n 21/46) die Verschiebung des Referenzspiegels
jeweils in weiten Grenzen angepaßt werden muß, da die Referenzphase um eine volle
Periode (2) durchgestimmt werden muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit einem Rechner verbindbares
Prüfinterferometer zur direkten Messung von Ebenheitsabweichungevn an technischen
Planflächen derart auszubilden, daß ein die Information über die Prüflingsfläche
enthaltendes reines Zweistrahlinterferogramm zur Auswertung bereitgestellt wird
ohne daß eine Anwendung komplexer Entzerrungsverfahren nötig ist, wobei die wirksame
effektive Wellenlänge in weiten Grenzen variîerbar ist, ohne daß sich die Richtung
des íeferenzphasenstellgliedes ändert. Die Aufgabe wird gelöst lurch eine Anordnung,
unter Anwendung eines von einem 90°-Prisrna und der Prüflingsfläche gebildeten Fizeauinterferometers
und eines Lasers als Lichtquelle, die erfindungsgemäß in nachstehend beschriebener
Weise ausgebildet ist.
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Im Strahlengang des Lasers sind eine #/2-Platte und nachfolgend ein
Aufweitungssystem mit einer Lochblende angeordnet.
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Hinter dem Aufweitungssystem befindet siçh ein Umlenkspiegel, dem
das aus Prisma und Prüfling bestehende Fizeauinterferometer angeordnet ist. In dem
aus- dem Fizeauinterferometer austretenden Strahlengang steht ein weit armer Umlenkspiegel,
dem ein Moird-Interferometer nachgestellt ist. Dieses Moire-Interferometer besteht
aus einem ersten und zweiten Objektiv mit zwischengeschaltetem RaumfrequenzfilterJ
einem zwischen dem zweiten und einem dritten Objektiv angeordneten Beugungs element
und einem vierten Objektiv, sowie einem zwischen dem dritten und vierten Objektiv
befindlichen weiteren Raumfrequenzfilter. Dem Moire-Interferometer ist ein Flächenempfänger
nachgestellt, an dem sich ein Analog/Digital-Umsetzer anschließt zur Wandlung der
photoelektrischen Signale und deren Oberführung in einen Rechner.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung sind zur Veränderung der
Empfindlichkeit die Umlenkspiegel gegenläufig um eine in Richtung der Spiegelebene
an der jeweils inneren Spiegelkante des Spiegelpaares verlaufenden Achse schwenkbar.
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Das Beugungselement des Moird-Interferometers kann entweder ein Gitter
oder ein Hologramm sein.
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Zur Referenzphasenverstellung ist das Beugungselement in der Elementebene
senkrecht zu den Gitter- bzw. Interferenzlinien verschiecbar, beispielsweise mit
Hilfe eines mit dem Rechner gekoppelten Stellmotors.
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In Anpassung an die Raumfrequenz des Beugungselementes ist die Prbilingsfleche
unter einem vorgegebenen Winkel zur Hypotenusenfläche des 90°-Prismas angeordnet.
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Nachstehend soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung
beschrieben werden.
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Das Licht des Lasers durchsetzt zunächst die ?L/2-Platte zur Anpassung
der Polarisationsrichtung an das Interferometer, läuft dann durch das Aufweitungssystem,
wird an dem ersten Umlenkspiegel reflektiert, durchtritt die nächstgelegene Kathetenfläche
des Prismas und beleuchtet das aus Prisma und Prüfling bestehende Fizesuinterferometer.
Das an der Hypotenusenfläche des Prismas und der Prüflingsfläche reflektierte Licht
verläßt ds Prisma durch dessen andere Kathetenfläche und trifft auf den zweiten
Umlenkspiegel. Das hier reflektierte Licht läuft durch das erste Kollimatorobjektiv
des Moirè-Interferorleters, in dessen Fokus sich das erste Raumfrequenzfilter befindet,
das bei geeigneter Justierung des Fizesuinterferor.lèterst d.h. Neigung der Prüflingsfläche
relativ zur Referenzfläche, die ersten beiden der am Fizeauinterferometer entstehenden
Reflexe passieren läßt. Anschließend wird das Licht durch das zweite Objektiv wieder
parallel gerichtet und fällt auf das Beugungselement, beispielsweise ein Gitter,
dessen Gitterkonstante etwa gleich dem mittleren Szreifenabstand im Interferenzbild
ist, welches durch Oberlagerung der Wellenfelder an der Hypotenusenfläche des Prismas
und der Prüflingsfläche entsteht.
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Das zweite Raumfrequenzfilter des Moire-Interferometers, in der Brennebene
des dem Beugungselement nachgestellten Objektivs angeordnet, läßt nur eine Richtung
passieren, in welche die gebeugte Welle von der Referenzfläche und die ungebeugte
Prüflingewelle fällt. Das nachfolgende Objektiv
bildet die (Interferenz-)Ebene
des Beugungselementes auf den Flächenempfänger ab, wo ein Moirê-Irlterferenzbild
der Kombination Prüflingsfläche-Prismenhypotenuse entsteht, das ein niederfrequentes
Zweistrahlinterferpnzbild darstellt, wenn die Ortsfrequenz des Beugungselementes
gleich der des Interferenzbildes ist. Das photoelektrische Signal wird über den
Analog/Digital-Umsetzer in den Rechner eingegeben.
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Zur automatischen Bestimmung der Flächenabweichungen des Prüflings
müssen mehrere Interferenzbilder unterschiedlicher Referenzphasenlagen erzeugt werden.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von vier Referenzphasenwerten (O, 3r/2,j7
3/2#), wobei sich die gesuchte Phase # aus den vier Intensitätsverteilungen I1,
I2, I3, I4 in der Form #(mod 2 #) = arc tan I2 - I1 -I I1 - I3 ergibt.
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Zur Erzeugung der erforderlichen Referenzphasenlagen kann hier mit
Vorteil eine Translation des Beugungselementes in" der Interferenzebene senkrecht
zu den (;itter- bzw. Interferenzlinien genutzt werden. Selbst wenn man die Empfindlidhkeit
im Interferenzbild durch Andern des Beleuchtungs- und Beobachtungswinkels wechselt,
bleibt bei einer Verschiebung des Beugungselementes um einen Gitterlinien- bzw.
Interferenzlinienabstand die Phasenänderung gleich 2 #.
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Die Verschiebung läßt sich mittels eines Schrittmotors mit der gewünschten
Genauigkeit durchführen, da ein Beugungselement mit beispielsweise 5 Linien/mm ausreicht,
um ein kontrastreiches Moire-Interferenzbild zu erzeugen.
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Zur Variation der Empfindlichkeit lassen sich die vor und nach der
Kombination Prisma-Prüfling angeordneten Umlenkspiegel einsetzen. Dazu werden beide
m entgegengesetzt gleiche Winkel gedreht. Dadurch bleibt die mittlere Lichtrichtung
für die nachgeschaltete Moire-Anordnung erhalten und zusätzliche Bewegungen optischer
elemente sind nicht erforderlich.
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Die optimale Einstellung des Kontrastes kann durch Drehen der /2-Platte
im Beleuchtungssystem um ihre Flächennormale erfolgen. Durch die Unterdrückung höherer
Reflexe im Fizeauinterferometer fallen alle Probleme weg, die sich bei wachsender
effektiver Wellenlänge ergeben, da bei streifendem Einfall des Lichtes die Zahl
der Reflexe in dem Maße wächst, in em man sich der Grenze der Totalreflexion nähert.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Hologramms als Beugungslement.
Wenn bei Herstellung des Hologramms mittels der erfindungsgemäßen Anordnung anstelle
des Prüft lings eine sehr gute ebene Vergleichefläche eingesetzt wird, ist nach
Entwicklung und Repositionierung des Hologramme des Interferometere bezüglich aller
evtl. Fehler der die Referenzfläche darstellenden Prismenhypotenuse kompensiert.
Das Meßergebnis wird dann immer auf die bei der Hologrammdarstellung verwendete
gute ebene Vergleichefläche bezogen.
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Die Erfindung so:Ll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt die schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Anordnung zur direkten interferometrischen Messung von Flächenabweichungen
an Si-Scheiben.
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Als Lichtquelle des Beleuchtungssystems dient der Laser L, in dessen
Strahlengang die /2 Platte PL und nachfolgend das Aufweitungesystem A, bestehend
aus dem Objektiv °12 der Lochblende B und dem Objektiv 021 angeordnet sind.
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Hinter dem Aufweitungssystem A befindet sich der erste Umlenkspiegel
51, dem das Fizesuinterferometer nachgeordnet ist, welches von dem 90°-Prisma P
und dem Prüfling PR gebildet wird.
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In dem aus dem Fizeauinterferometer austretenden Strahlengang steht
der zweite Umlenkepiegel 032. Beide Umlenkspiegel S1,S2 sind sindgegenläufig um
eine an der jeweils inneren Spiegelkante des Spiegelpaares verlaufende Achse schwenkbar.
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Dem zweiten Umlenkspiegel 52 ist das Moird-Interferometer nachgestellt.
Es besteht aus dem ersten und zweiten Objektiv 03,04 mit dem zwischengeschaltetem
Raumfrequenzfilter F1, dem sich anschließenden Gitter als Beugungselement BE und
dem dritten und vierten Objektiv 05106 mit zwischengeschaltetem Raumfrequenzfilter
F2.
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Oiesem Moird-Tnterferometer ist der Flächenempfänger FE nachgestellt,
dem sich der Analog/Digital-Umsetzer A/D anschließt, dessen Ausgang mit dem Rechner
R verbunden ist.
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Der mit dem Rechner R gekoppelte Stellmctor N dient zur Verschiebung
des Gitters BE zwecks Referenzphasenverstellung.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lasten sich eine Reihe von Vorteilen
erzielen. Da das Interferenzbild ein reines Zweistrahlbild ist, ergeben sich keine
usätzlichen Fehlerquellen durch Mehrstrahlinterferenzerscheinungen.
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Die Empfindlichkeit ist in weiten Grenzen durch Verschwenken der Umlenkspiegel
variabel, so daß die einordnung an die Oberflächengüte angepaßt werden kann. Bei
dieser Anpassung ist keine Anderung der Referenzphasenvariation durch die verfahrensbedingte
Invarianz erforderlich, was der Fall wäre, wenn das Prisma bewegt werden müßte.
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Die anamorphotische Bildverzerrung ist so gering, daß der Rechner
die Intensitätswerte ohne Entzerrung verarbeiten kann, wobei zudem noch die anamorphotische
Verzerrung sehr geringfügig von der eingestellten Empfindlichkeit abhängt.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen L Laser PL 3/2-Platte A
Au fweitungc system 01 Objektiv 8 Lochblende O2 Objektiv S1 Umlenkspiegel P 90°-Prisma
PR Prüfling S2 Umlenkspiegel 03 Objektiv F1 Raumfrequenzfilter 04 Objektiv BE Beugungselement
(z.B. Gitter) Objektiv F2 Raumfrequenzfilter O6 Objektiv FE Flächenempfänger A/D
Analog/Digital-Umsetzer R Rechner M Stellmotor