DE4411798A1 - Vorrichtung zur Regelung und Messung des Reflexionswinkels in optischen Vorrichtungen unter Verwendung von Zwangsführungen und linearer Positioniereinrichtung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Eine Reihe von optischen Vorrichtungen verwendet die Reflexion von

• -Licht
• - anderen elektromagnetischen Wellen
• - Elektronenstrahlen
• - Teilchenstrahlen

an

• - einem Gitter
• - einem Prisma
• - anderen optischen Bauteilen
• - einer zu vermessenden Fläche,

im Folgenden zusammenfassend Reflexionskörper genannt.

Dabei fällt ein Strahl ein, wird am Reflexionskörper reflektiert, dabei z. B. abgeschwächt und trifft als ausgehender Strahl auf eine weitere optische Vorrichtung oder auf einen Detektor.

Dabei muß in der Regel der Winkel des einfallenden, von einer Strahlungsquelle stammenden Strahls in einem Winkel zum Lot positioniert werden. Im gleichen Betrag muß der Winkel, den das Lot mit dem ausfallenden, zu einem Detektor oder weiteren optischen Vorrichtungen (im Folgenden als Teil des Detektors verstanden) fallenden Strahl einschließt, positioniert und vermessen werden.

Relevante Vorrichtungen in optischen Geräten mit dieser Charakteristik sind Oberflächenplasmonenspektrometer, Ellipsometer, Reflexionsspektrometer und andere.

Bei Oberflächenplasmonenspektrometern mit Licht wird die Resonanz von Licht mit Oberflächenplasmonen vermessen. Bei einer Wellenlänge des Lichts ergibt sich an einem für die Oberflächenbeschaffenheit einer Metall- oder Halbleiterschicht charakteristischen Einfallswinkel des Lichtes eine Resonanz des Lichtes mit den Oberflächenplasmonen. Variation des Winkels bei konstanter Wellenlänge oder Variation der Wellenlänge bei konstantem Einfallswinkels führt im Resonanzfall zur Abschwächung des reflektierten Lichtes in einer für die Oberflächeneigenschaft kennzeichnenden Position und Intensität. Oberflächenplasmonenresonanz findet Anwendung z. B. in oberflächenaktiven Bio- und Chemosensoren. Zur Variation des Einfallswinkels wird in der Regel eine der obigen Anordnungen eingesetzt.

In Ellipsometern wird das Verhältnis der Reflexionsabschwächung von s- und p-pola­ risierten Lichts an einer Oberfläche vermessen. Dies geschieht bei verschiedenen, einzustellenden Reflexionswinkeln.

Ellipsometrie wird in großem Umfang in der Halbleiterqualitätskontrolle und anderen modernen Produktionsverfahren, bei denen Oberflächenbeschaffenheit optisch vermessen wird, eine wichtige Rolle.

Reflexionsspektroskopie vermißt die unterschiedliche Reflektivität an Oberflächen zur Bestimmung von Real- und Imaginärteil von Brechungsindices.

Weitere relevante Vorrichtungen in optischen Geräten sind die sogenannten Monochromatoren. Hier wird die Dispersion von Licht oder Teilchenstrahlen an Prismen oder Gittern verwendet, um aus Licht einer breitbandigen ("weißen") Quelle eine einzige Wellenlänge der Strahlung zu selektieren. Teilweise wird eine ähnliche Anordnung wie eben beschrieben, verwendet, um die gleichnamige Verstellung des Winkels auf den Reflexionskörper einfallender und ausfallender Strahlung zu bewerkstelligen. Häufig wird die Verstellung der Winkel statt dessen über Drehspiegel erzielt. Monochromatorern sind Teile anderer Vorrichtungen und stellen für andere Vorrichtungen Strahlung einer einzigen, variablen Wellenlänge zur Verfügung.

In der Regel werden in derartigen Vorrichtungen Winkeldreh-Positionier- Einrichtungen (Goniometer) verwendet, bei denen auf zwei Drehtischen jeweils Strahlungsquelle und Detektor in gleichen Betrag und entgegengesetzter Richtung des Winkels bewegt werden und der Reflexionskörper raumfest bleibt oder der Reflexionskörper um den Winkel Theta und der Detektor um den Winkel Zwei-Theta verstellt werden, wobei die Strahlungsquelle raumfest bleibt oder der Reflexionskörper um den Winkel Theta und die Quelle um den Winkel Zwei- Theta verstellt werden, wobei der Detektor raumfest bleibt.

Derartige Vorrichtungen sind wegen zwei mechanisch bogenförmig zu bewegender Teile häufig fehleranfällig oder zu teuer. Die sich bewegenden Teile sind teilweise nur jeweils an einem Ende (Drehpunkt) befestigt und neigen so zu Verschiebung, Verbiegung oder Schwingung.

Die Goniometer werden darüber hinaus in geringerer Stückzahl hergestellt, als andere, z. B. lineare Positioniervorrichtungen.

Wenn möglich, wird deshalb versucht, durch raumfeste ortsabhängig messende Detektoren (Zeilenkameras, CCD oder Diodenarrays) oder durch Ausleuchtung des Reflexionskörpers von mehreren Winkeln aus, diese mechanischen Goniometer zu vermeiden. Dies ist jedoch nicht mit allen Strahlungsarten zu vernünftigen Preisen und Auflösungen möglich.

Deshalb war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mechanisch einfachere, genaue und preiswerte Vorrichtung zur Steuerung, Regelung bzw. Messung von Reflexionswinkeln bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst, da hier die Verstellung und Messung mit einer einfachen Linear-Positioniervorrichtung und Meßvorrichtung gemeinsam mit Zwangsführungen an mindestens drei einfachen Drehachsen erfolgt.

In vielen Geräten des Maschinenbaus wird durch Zwangsführung an Drehgelenken eine lineare Verstellung in eine Winkelverstellung umgesetzt. Aus dem optischen Apparatebau ist eine derartige Verwendung nicht bekannt.

Besonders vorteilhaft läßt sich dieses Prinzip in zusammengesetzten optischen Geräten, beispielsweise Monochromator mit Spektrometer kombiniert, einsetzen.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend anhand von Beispielen und mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das Beispiel eines Oberflächenplasmonenspektrometers mit einem Prisma als Herzstück des optischen Aufbaus. Fig. 2 zeigt die Erfindung in einer Ausführung der Erfindung mit zwei räumlich bewegten Drehachsen. Die Ausrichtung der Probe wird durch mindestens eine weitere Führung mit zwei Drehachsen über das Prinzip einer parallelogrammförmigen Verstellung vorgenommen. Fig. 3 zeigt ebenfalls das Anwendungsbeispiel Oberflächenplasmonenspektrometer jedoch mit einer einzigen, auf einer Führungsschiene bewegten Drehachse und zwei ortsfesten Drehachsen. Fig. 4 zeigt die Kombination zweier Vorrichtungen der Erfindung zu einer optischen Vorrichtung am Beispiel der Kombination eines Monochromators mit einem Reflexionspektrometer zur Verstellung und Messung von sowohl Wellenlänge als auch Richtung des reflektierten Strahls.

Die Erfindung besteht aus mindestens einem Probehalter, einem Gestänge und aus mindestens einer Antriebseinrichtung. Die Antriebseinrichtung wird vorzugsweise als lineare Verstelleinrichtung ausgeführt. Diese weist mindestens einen Schlitten 1, bewegt durch Verschiebeeinrichtung 2, auf.

Diese Verschiebeeinrichtung kann ausgeführt werden als beruhend auf dem Vortrieb einer Gewindespindel, vorzugsweise als Gewindespindel, vorzugsweise als Kugelgewindespindel oder als Trapezspindel, als Riementrieb vorzugsweise als Zahnriementrieb oder als hydraulischer oder pneumatischer Kolben und Zylinder oder durch Koppelung an den Exzenter einer Kreisscheibe.

Die Wegstreckenzählung kann mit der Positioniervorrichtung erreicht werden, wenn ein Schrittmotor oder ein Antrieb mit Signalgeber zur Zählung der Achsendrehung einer genau gearbeiteten Spindel als Antrieb der Positioniervorrichtung vorgesehen wird. Es kann ebenso ein unabhängiges Wegstreckenmeßsystem 3 zur Vermessung der Auslenkung des Schlittens 1 etwa als geritzter Glasstab, als Seil-Wegstreckenmeßgerät, als Induktions-, elektrischer Widerstands oder optischer Wegstreckenmesser oder ein anderes Wegstreckenmeßsystem eingesetzt werden.

Auf dem bewegten Schlitten 1 befindet sich eine Drehachse 1a, auf der eine oder mehrere Stangen 4 in präzisen Gleit- oder Wälzlagern am Ende der Stange oder der Stangen drehbar gelagert sind. Am anderen Ende sind die Stange oder die Stangen 4 ebenso präzise frei drehbar in der Achse 5 gelagert mit einer Plattform 6 verbunden.

An dieser Plattform 6 ist ein Reflexionskörper 7 also Prisma, Gitter, Meßoberfläche usw. mit einer Bezugsfläche 7a befestigt. In Fig. 2 ist beispielhaft die Verwendung der Erfindung in einer Verwendung innerhalb eines Oberflächenplasmonenspektrometers dargestellt. In einem Oberflächenplasmonenspektrometer wird in der Regel das Licht in die interessierende Metallschicht über ein Prisma oder einen Halbzylinder aus einem optischen Werkstoff, beispielsweise aus Glas, Kunststoff, Quarz, Silizium, eingekoppelt. Bei einem Oberflächenplasmonenspektrometer trifft Licht auf einer Rechtecksfläche eines dreiseitigem Prismas oder auf der gekrümmten Fläche eines Halbzylinders auf. Es wird dort gebrochen und gelangt auf die Bezugsfläche 7a des Prismas. Diese liegt in der Zeichnung beispielhaft nach oben offen in der Apparatur. An der auf der Bezugsfläche 7a aufgebrachten dünnen Metallschicht, deren offene Fläche untersucht werden soll, wird es reflektiert und gelangt auf eine andere Rechteckseite eines dreiseitigen Prismas oder im Falle des Halbzylinders auf die andere Hälfte der gekrümmten Oberfläche eines Halbzylinders. Dort wird es gebrochen und gelangt beispielsweise durch die Luft oder das Vakuum zum Detektor.

An dieser Plattform ist eine weitere Drehachse 5 eingearbeitet, an der mindestens eine Stange 8 an einem Ende drehbar gelagert sind. Das gegenüberliegende Ende der Stange oder Stangen 8 ist drehbar mit einer Drehachse 9 verbunden, die gegenüber dem Schlitten 1 durch das Wegstreckenverstellsystem 2 bewegt wird. In Fig. 2 ist dargestellt, wie durch eine vierte Drehachse eine Ausrichtung von Plattform 6 und Probe 7 bewerkstelligt werden kann. Zusätzlich zu 5 ist an der Plattform 6 eine Drehachse 10 angebracht. Dritte Stange oder Stangen 11 verbinden drehbar die Plattform derart mit der Verbindungslinie durch Drehachse 1a und Drehachse 8, daß die Plattform 6 auch bei Bewegung des Schlittens 1 parallel zu dieser Verbindungslinie ausgerichtet bleibt.

An den Stangen 8 wird die Strahlungsquelle 12 direkt befestigt oder die Strahlung durch Spiegel oder Lichtleiter oder andere Zuführungen eingekoppelt, so daß die Strahlung auf den Reflexionskörper 7 zeigt. An den Stangen 4 wird der Detektor 13 oder Zuführungen zu weiteren optischen Bauteilen derart befestigt, daß der reflektierte Strahl vom Reflexionskörper 6 auf diesen Detektor 13 zeigt. Die Variation der Winkel von einfallendem und ausfallendem Strahl wird durch Bewegung des Schlittens 1 erreicht, wobei die Verstellung des Winkels durch den Arcussinus des halben Weges, den der Schlitten 1 zurückgelegt hat, dargestellt und vermessen wird. Es ist auch möglich wie in Fig. 3 gezeigt, die Stangen 4 und 8 auf jeweils eigenen Schlitten zu verfahren. Die Anordnung von Verschiebevorrichtung und Wegstreckenmeßsystem in Fig. 3 ist nur beispielhaft. Vorzugsweise wird nur ein Schlitten wie in Fig. 2 verwendet. Es ist auch möglich, die Ausrichtung der Plattform 6 bezüglich der Verbindungslinie zwischen Drehachse 9 und Schlitten 1 durch Linear-Führungen statt durch Drehgestänge vorzunehmen. Vorzugsweise wird das Drehgestänge 10 wie in Fig. 2 dargestellt zur Ausrichtung eingesetzt. Es ist auch möglich, den Weg der Plattform 6 zu vermessen. Vorzugsweise wird der meist längere Weg zwischen Drehachse 9 und Schlitten 1 zur Winkelbestimmung verwendet. Es ist auch möglich, die bewegende Kraft direkt an der Plattform 6 angreifen zu lassen, etwa durch magnetische oder elektrostatische Kräfte oder durch die oben als Teil des sonst zu verwendenden Positioniersystems 3 beschriebenen Verstellverfahren. Die Drehachse 9 und das Positioniersystem 2 können raumfest eingesetzt werden. Ebenso kann die Vorrichtung an der Plattform 6 nach außen befestigt werden oder an den Stangen 4 oder an den Stangen 8. Vorzugsweise wird wie in der Fig. 2 das Positioniersystem 3 sowie die Drehachse 9 raumfest ausgeführt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Verwendung von Zwangsführungen an Drehachsen kann vorteilhaft in Kombination mit gleichen oder anderen optischen Vorrichtungen innerhalb eines komplexeren optischen Apparates verwendet werden. In Fig. 4 ist der Strahlengang am Beispiel der Kombination eines Monochromators mit einem Oberflächenplasmonenspektrometer dargestellt. Beispielsweise kann ein Monochromator beruhend auf der Verwendung der vorliegenden Erfindung oder konventionell aufgebaut mit einem Oberflächenplasmonenspektrometer derart kombiniert werden, daß Strahlung aus einer breitbandigen Quelle 11, beispielsweise einer Glühbirne, in dem Monochromator an beispielsweise einem Brechgitter 14 zu einfarbiger Strahlung selektiert wird, den Monochromator verläßt und zweckmäßig in einem unmittelbar anschließenden Oberflächenplasmonenspektrometer der Resonanzwinkel des Lichtes bestimmt wird. Monochromator und Spektrometer sind über die Gestänge 8 sowie die darauf befestigte Drehachse 17 miteinander verbunden. Die Reihenfolge ist beispielhaft, ebenso kann die Winkelverstellung der Wellenlängenselektion vorangehen. Jede andere Kombination von einzelnen Einheiten zu beliebigen optischen Zwecken ist denkbar.

Bezugszeichenliste

Schlitten der linearen Verstelleinrichtung 1
Drehachse auf Schlitten 1a
Verschiebeeinrichtung der linearen Verstelleinrichtung 2
Wegstreckenmeßsystem 3
Stangen des Gestänges 4
Erste Drehachse auf Probenhalter 5
Probenplattform 6
Reflexionskörper (Prisma, Gitter, Meßoberfläche etc.) 7
Bezugsfläche des Prismas 7a
Stangen des Gestänges 8
Dritte Drehachse 9
Vierte Drehachse 10
Dritte Stange oder Stangen 11
Strahlungsquelle 12
Detektor 13
Monochromatorgitter 14.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Steuerung, Regelung bzw. Messung von optischen Winkeln, insbesondere Winkeln, insbesondere von Reflexionswinkeln bei einer elastischen Streuung von Licht oder anderen Strahlen, mit

• a) einer optischen Quelle (12),
• b) einem optischen Detektor (13),
• c) einer optischen Probe (7),
• d) einer ersten Ausrichteinrichtung (1a, 4, 5), die ein erstes, unteres Drehgelenk (1a), ein oberes Drehgelenk (5) und eine die Drehgelenke (1a, 5) verbindende erste Verbindungseinrichtung (4) aufweist,
• e) einer zweiten Ausrichteinrichtung (9, 8, 5), die ein zweites unteres Drehgelenk (9), ein mit dem oberen Drehgelenk (5) gemeinsames Drehgelenk (5) und ein die Drehgelenke (9, 5) verbindende zweite Verbindungseinrichtung (8) aufweist,
• f) wobei die Quelle (12) entlang der zweiten Verbindungseinrichtung (8) und der Detektor (13) entlang der ersten Verbindungseinrichtung (4) ausgerichtet ist und wobei eine Bezugsfläche (7a) der Probe im wesentlichen am gemeinsamen oberen Drehgelenk (5) im wesentlichen parallel zu einer Strecke zwischen dem ersten unteren Drehgelenk (1a) und dem zweiten unteren Drehgelenk (9) angeordnet ist,

gekennzeichnet durch

• g) eine geradlinige Bewegungseinrichtung (1, 2, 15, 16) zum relativen Bewegen der Probe (7) entlang dem Mittellot der Strecke zwischen den beiden unteren Drehgelenken (1a, 9).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der unteren Drehgelenk je (1a) auf das andere, untere Drehgelenk (9) geradlinig bewegbar ist und die erste Verbindungseinrichtung (4) mindestens eine erste Stange (4) und die zweite Verbindungseinrichtung (8) mindestens eine zweite Stange (8) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung (1, 2) einen auf einer Verschiebeeinrichtung (2) verstellbaren Schlitten (1) aufweist, wobei das erste untere Drehgelenk (1a) am Schlitten (1) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsfläche (7a) der Probe (7) mittels einer Parallelogrammanordnung (19, 11, 11a) zu einem der Arme (8) parallel zu der Strecke zwischen den unteren Drehgelenken (1a, 9) bewegbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet, durch ein Wegstreckenmeßsystem (3) zum Bestimmen der geradlinigen Bewegung des Schlittens (1) und damit des zu steuernden, zu regelnden, bzw. zu messenden Winkels.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide unteren Drehgelenke (1a, 9) gemeinsam auf einer Verschiebungseinrichtung (2) aufeinander zubewegbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungseinrichtung (2) senkrecht ausgerichtet zum Mittellot der Strecke zwischen den beiden unteren Drehgelenken (1a, 9) entlang dem Mittellot verschiebbar ist und die geradlinige Verschiebung der Verschiebeeinrichtung (2) über ein Wegsteckenmeßsystem (3) zum Bestimmen des zu steuernden, zu regelnden bzw. zu messenden Winkels ablesbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Drehgelenke (1a, 9) ortsfest sind und die beiden Verbindungseinrichtungen (4, 8) längenverstellbar sind.

9. Vorrichtung nach einem Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verbindungseinrichtungen (4, 8) durch Teleskopstangen längenverstellbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch Bewegung der Probe (7) durch eine Verschiebeeinrichtung zwischen einer unteren Achsen (1a oder 9) und der oberen Achse (5).

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Monochromator.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11 in einem Ellipsometer.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11 in einem Oberflächenplasmonenspektrometer.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11 in einem Reflexionsspektrometer.

15. Kombination mehrerer Vorrichtungen nach jeweils einem der vorstehenden Ansprüche.