DE69032373T2

DE69032373T2 - Vermögensmodulierte laservorrichtungen

Info

Publication number: DE69032373T2
Application number: DE69032373T
Authority: DE
Inventors: Alan Bearden; Michael O'neill
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1990-09-27
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2010-09-28
Also published as: EP0494255A4; WO1991005336A1; EP0494255A1; CA2066202C; CA2066202A1; JPH05501004A; AU6535890A; US5029023A; AU639496B2; JP2823092B2; ATE166993T1; DE69032373D1; EP0494255B1

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein leistungsmoduliertes Lasermikroskop und optische Datenspeichervorrichtungen.

2. Quellenangaben

Sand, D., Optics Lett, 13:1057 (1988). Clunie, DM., et al, J. Sci. Instrum., 41:489 (1964). Hansma PK, et al Science 1988; 242: 209-216.
Introduction to Microlithography, ACS Symposium Series, (Thompson, L.F., et al, eds.) ACS (1983).
King, P.G.R. et al, US-Patent Nr. 3 409 370, veröffentlicht am 5. November 1968.
Rugar, D., et al, Rev. Sci. Instrum., 59:2337 (1988).

3. Hintergrund der Erfindung

A. Hochauflösungsmikroskopie

Eine hochauflösende Oberflächenvermessung im Nanometer/Picometerbereich kann durch Tunnelmikroskopie oder Atomkraftmikroskopie (Hansma) durchgeführt werten. Beide dieser Vorgehensweisen erfordern jedoch teure Präzisionsgeräte und sind auf die Messung von statischen Oberflächenmerkmalen beschränkt.
Rasterelektronenmikroskopie (REM), welche zum Fotografieren von Oberflächenmerkmalen dreidimensionaler Gegenstände häufig verwendet wird, hat eine potentielle Oberflächenauflösung in einem Bereich von 10 nm (10&supmin;&sup8; Meter). REM benötigt jedoch eine hochentwickelte und teure Elektronenstrahlquelle und Fokussiereinrichtungen sowie eine statische Probe, die in einer Vakuumkammer angeordnet werden muß.
Es wäre daher wünschenswert, eine einfache optische Vorrichtung zur Bestimmung von Oberflächen bereitstellen zu können, die eine Auflösung bis in den Picometerbereich erreichen kann. Es wäre ferner wünschenswert eine derartige Auflösung bei einer Probe erreichen zu können, die ohne spezielle Oberflächenbehandlung oder Dehydratisierung betrachtet werden kann, wie es bei den aktuellen hochauflösenden Oberflächenbestimmungsverfahren erforderlich ist, und Merkmale innerhalb einer transparenten Struktur, wie etwa einer biologischen Zelle, bestimmen zu können.

B. Optische Kompaktdatenspeicherung

Optische Datenplatten werden zur digitalen Informationsspeicherung häufig verwendet. Bei einer typischen optischen Speicherplatte werden die Informationen an Datenspeicherplätzen auf der Platte in Form von optischen Zweizustands-"Bildpunkten", die entweder als "0" oder "1" gelesen werden, kodiert. Die Scheibe wird gelesen durch Richten eines Laserstrahls auf die Scheibe, und zwar auf ausgewählte Datenspeicherplätze, und durch Bestimmen, aufgrund des reflektierten Lichtstrahls, welcher der zwei Zustände an jeder Stelle erkannt wurde.
Es versteht sich, daß die Dichte der gespeicherten Informationen bei dieser Art von Speicherplatte direkt von der Dichte der Datenspeicherplätze, die auf der Plattenoberfläche erreicht werden kann, abhängt. Die Platzdichte ist wiederum durch die Fähigkeit des fokussierten Laserstrahls, benachbarte Datenspeicherplätze aufzulösen, begrenzt. Da ein fokussierter Laserstrahl eine Punktgröße von zumindest ungefähr 1 - 2 um hat, müssen die Datenspeicherplätze auf einer Plattenoberfläche mindestens unter einem Abstand von 1 - 2 um angeordnet sein.
Es wäre wünschenswert, eine optischen Datenspeicherplatte bereitstellen zu können, bei der die Informationsdichte auf der Platte auf ein Mehrfaches der von herkömmlichen Platten erhöht werden kann.
Das US-Patent 4 689 491, auf dem der Oberbegriff des anhängigen Anspruchs 1 basiert, offenbart ein Halbleiterscheibenabtastsystem, bei dem ein Laserstrahl auf einen kleinen Punkt auf der Scheibenoberfläche fokussiert wird und die Oberfläche abtastet. Von der Oberfläche reflektiertes Licht wird überwacht, wobei eine Objektivlinse so gesteuert wird, daß ihr Abstand von der Oberfläche verändert werden kann. Da sich das reflektierte Licht auf einem Maximum befindet, wenn die Brennebene auf der Oberfläche liegt, kann die Höhe der Oberfläche, und zwar an jedem bestimmten Punkt auf der Oberfläche, durch Bestimmen der Position der Objektivlinse gemessen werden, was zu dem Maximum an reflektiertem Licht führt.
Ein allgemeines Ziel der Erfindung besteht darin, die gewünschten, vorgenannten Aufgaben zu erfüllen.
Die Erfindung umfaßt eine optische Vorrichtung zum Bestimmen von Merkmalen eines Ziels, die sich auf die Tiefe beziehen, in der Reflexion von der Zieloberfläche stattfindet, und zwar bei einer Tiefen&uflösung im Picometer-bis-Nanometer-Bereich, umfassend:
- einen Laser mit stabilem Resonator mit einem Resonanzhohlraum zur Verwendung bei der Herstellung eines abgestrahlten, kohärenten Ausgangslichtstrahls;
- eine Einrichtung zum Fokussieren des Ausgangsstrahls auf das Ziel im wesentlichen in eine Ebene, in der derartige Merkmale vorhanden sind;
- eine Einrichtung zum Bewegen des fokussierten Ausgangsstrahls in bezug auf die Zieloberfläche gemäß einem definierten Muster;
- eine Einrichtung zum Messen der Leistung eines Lichtstrahls; und
- eine Verarbeitungseinrichtung, die betriebsfähig mit der Bewegungseinrichtung und der Meßeinrichtung verbunden ist, um zeit- und positionsabhängige Veränderungen in der gemessenen Leistung des Lichtstrahls in positionsabhängige Verschiebungen in den Tiefen, in denen Reflexion an der Zieloberfläche auftritt, zu konvertieren; dadurch gekennzeichnet, daß
- die optische Vorrichtung dafür ausgelegt ist, daß kohärentes, von der Zieloberfläche reflektiertes Licht in den Laserhohlraum eintreten kann;
- die Meßvorrichtung dafür ausgelegt ist, die Leistung des Ausgangsstrahls derart zu messen, daß beim Gebrauch die Verarbeitungseinrichtung die zeit- und positionsabhängigen Veränderungen in der gemessenen Leistung des Ausgangsstrahls konvertiert.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung so ausgeführt, daß sowohl die Veränderungen des Reflexionsgrades als auch der Oberflächen-Normalverschiebungen des Ziels bestimmt werden können. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Strahl sukzessiv zu verschiedenen Oberflächenbereichen des Ziels bewegt, wobei das Ziel, an jedem Bereich, entlang der Strahlachse bewegt wird bis maximale und minimale Laserleistungsniveaus beobachtet werden können. Der Unterschied zwischen den zwei Niveaus wird dann dazu verwendet, einen Reflexionsgradwert für diesen Bereich zu bestimmen. Diese Informationen werden dazu verwendet, die Reflexionseigenschaften der Zieloberfläche zu bestimmen, und ferner dazu, die Reflexionseffekte von den Oberflächenverschiebungseffekten zu subtrahieren, um eine Oberflächenkarte herzustellen, die nur von den Oberflächenverschiebungseffekten abhängt.
Ein anderer Aspekt der Erfindung umfaßt ein optisches Datenspeicherungssystem, das eine Einrichtung umfaßt, die mit einer ein Substrat aufweisenden Platte in Zusammenhang steht, die eine Mehrzahl von Datenspeicherplätzen definiert. Mehrbitinformationen werden an jedem Datenspeicherplatz durch eine Struktur gespeichert, die dafür ausgelegt ist, einen fokussierten kohärenten Lichtstrahl zu reflektieren, der auf die Plattenoberfläche auf einen der ausgewählten, im Submikronbereich liegenden I = 2N Verschiebungsabstände ober- oder unterhalb einer definierten Plattenoberfläche gerichtet ist, entsprechend einem der ausgewählten I = 2N Informationszustände, wobei I > 2.
Das Substrat einer Platte kann eine und bevorzugt mehrere transparente Schichten tragen, von denen jede eine Dicke von zwischen ungefähr 1 - 10 um aufweist. Jede Schicht definiert eine der im Submikronbereich liegenden I = 2N Tiefen, an der die reflektierende Struktur für jeden Datenspeicherplatz angeordnet sein kann, um fokussiertes, kohärentes Licht von dieser Tiefe an diesem Platz zu reflektieren.
Ein Photodetektor in der Vorrichtung wird dazu verwendet, die Ausgangsleistung des Lasers zu messen, wobei die zeitabhängigen Veränderungen in der gemessenen Leistung des Ausgangsstrahls in positionsabhängige Verschiebungsabstände an den ausgewählten Datenspeicherplätzen konvertiert werden, um den ausgewählten der an jedem dieser Plätze gespeicherten I = 2N Zustände zu bestimmen.
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden beim Lesen der folgenden genaueren Beschreibung der Erfindung und im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine vereinfachte schematische Ansicht eines gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gebauten Mikroskops;
Figur 2 ist eine vereinfachte schematische Ansicht eines gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gebauten Mikroskops;
Figur 3 ist eine vergrößerte Draufsicht eines Multizellen- Photodetektors, der in dem erfindungsgemäßen Mikroskop verwendet werden kann;
Figur 4 zeigt die Spektren der Laserleistungsvariationen, die durch Zieloberflächenvibrationen erzeugt werden, gemessen bei verschiedenen Vibrationsamplituden, wobei links die Spektren in Nanometern dargestellt sind, und zwar bei Vibrationsfrequenzen zwischen 200 - 2200 Hz;
Figur 5 zeigt eine grafische Darstellung der Spitzenleistungsschwankungen bei einer festgelegten Frequenz als Funktion steigender Spitzenamplituden der Vibration;
Figur 6 zeigt ein theoretisches Parameterdiagramm einer experimentellen Anordnung, die zum Messen der Laserausgangsleistung als Funktion der Verschiebung eines piezoelektrischen Wandlers verwendet wurde;
Figur 7 ist eine grafische Darstellung der Laserleistungsamplitude als Funktion der Schwingungsamplitude eines Ziels (hellere Linie) und der theoretisch errechneten (dunklere Linie);
Figur 8 ist eine bruchstückartige Draufsicht einer Oberfläche, die durch das erfindungsgemäße Mikroskop bestimmt werden soll;
Figur 9 ist ein Programmablaufplan der Oberflächenbestimmungsschritte, die bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikroskops angewandt werden, um sowohl den Oberflächenreflexionsgrad als auch die Oberflächenverschiebungen zu bestimmen;
Figur 10 ist eine vereinfachte schematische Ansicht einer erfindungsgemäß gebauten Datenspeicherungseinrichtung;
Figur 11 ist ein vergrößerter Teilabschnitt einer Datenspeicherplatte;
Figur 12 ist eine Schnittansicht der Platte gemäß Figur 11, allgemein entlang der Linie 12-12 aus Figur 11;
Fig. 13A - 13F zeigen die Schritte zur Herstellung einer Datenspeicherplatte;
Fig. 14A - 14E zeigen die Schritte zur Herstellung einer Datenspeicherplatte, ähnlich den in Figur 13F gezeigten, gemäß einem unterschiedlichen Konstruktionsverfahren;
Fig. 15A - 15D zeigen die Schritte zur Herstellung einer Datenspeicherplatte;
Figur 16 ist eine grafische Darstellung, die die Dicke einer Photolackschicht nach dem Entwickeln als Funktion der auf die Schicht angewandten Log-Dosisbestrahlung zeigt; und
Fig. 17A - 17C zeigen die Schritte zur Herstellung einer Datenspeicherplatte;
Figur 18 zeigt eine optische Mehrschicht-Datenspeicherplatte.

Genaue Beschreibung der Erfindung

I. Optisches Mikroskop zur hochauflösenden Oberflächenbestimmung

Mikroskopbauart

Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines hochauflösenden optischen Mikroskops 20, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gebaut ist. Das Mikroskop umfaßt allgemein einen Laser mit stabilem Resonator 22, der dafür ausgelegt ist, einen kohärenten Lichtstrahl 24 zu erzeugen. Der Laser, der eine herkömmliche Bauart aufweisen kann, umfaßt einen Resonanzhohlraum 26 in einem Gehäuse 27 sowie interne optische Merkmale und Schaltungsmerkmale (nicht gezeigt).
Ein bevorzugter Lasertyp ist ein Niedrigleistungs-He-Ne- Gaslaser, der in zwei Longitudinalmoden arbeitet, von denen jede linear polarisiert ist. Ein interner linearer Polarisator blockiert den Durchtritt einer der zwei Moden, so daß nur ein einzelner linear polarisierter Niedrigleistungsstrahl extern zur Verfügung steht.
Ein Laser dieses Typs, der dafür geeignet und im Handel erhältlich ist, ist ein He-Ne-Einmoden-Gaslaser, des Typs Uniphase 1101P (Uniphase, San Jose, CA, USA). Wenn gewünscht wird, eine Zielbestimmung bei Zielvibrationen im MHz-Bereich durchzuführen, wie nachfolgend beschrieben, kann ein Halbleiterlaser, wie im Handel erhältlich, verwendet werden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wobei der Laserausgangsstrahl linear polarisiert ist, wird der Strahl durch ein Lambda-Halbe-Plättchen 28 geleitet, welches es ermöglicht, die Richtung der linearen Polarisation in einer Ebene senkrecht zum Ausgangsstrahl zu drehen. Diese Wirkung kann auch durch Drehen des Lasers selbst erzielt werden. Nach dem Lambda-Halbe- Plättchen, wird der Strahl durch einen polarisationsabhängigen Strahlteiler 30 geteilt, wobei die Komponente mit linearer Polarisation parallel zur Einfallsebene gerade durchtritt, und Licht, dessen lineare Polarisation normal zur Einfallsebene ist, um 90º abgelenkt. Der Abschnitt des Laserausgangsstrahls, der durch den Strahlteiler tritt wird hier auch als Einfallsstrahl bezeichnet und ist in Figur 1 unter 32 dargestellt. Der Abschnitt des Laserausgangsstrahls, der durch den Strahlteiler abgelenkt wird, wird hier auch als Sekundärstrahl bezeichnet und ist in Figur 1 unter 34 dargestellt.
Eine positionsverstellbare Objektivlinse 36 im Mikroskop wird dazu verwendet, den Strahl 32 auf ein Ziel 38 zu fokussieren, dessen Merkmale erfindungsgemäß bestimmt werden sollen. Die Linse ist bevorzugt eine 10 bis 100 Linse mit einer numerischen Apertur zwischen ungefähr 0,6 und 1,2. Der fokussierte Strahl hat bevorzugt einen Strahldurchmesser von zwischen ungefähr 0,5 und 2 um am Brennpunkt der Linse, wobei die Tiefe des Brennpunkts des Strahles bevorzugt bei ungefähr 1 bis 2 um liegt. Die Linse wird hier auch als Einrichtung zum Fokussieren des Laserausgangsstrahls auf ein Ziel bezeichnet.
Das Ziel ist auf einem beweglichen Objekttisch 40 abgestützt, der dafür ausgelegt ist, das Ziel auf eine Weise zu bewegen, die es dem fokussierten Lichtstrahl ermöglicht, das Ziel "abzutasten". Das bedeutet, daß das Ziel auf eine systematische, bevorzugt zeitabhängige Weise in der x-y-Ebene (der Ebenenormal zur Strahlachse) bewegt wird, wodurch jeder Bereich des zu betrachtenden Zieles in den fokussierten Strahl gebracht wird. Der Objekttisch ist außerdem für eine geringfügige Verschiebungsoszillation oder langsame Verschiebung in der z-Richtung, d.h. der Richtung des Strahles, ausgelegt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Objekttisch durch x-, y- und z-Triebscheiben bewegt, die durch die Pfeile 41a, 41b bzw. 41c dargestellt sind. Diese Treibscheiben können durch ein Gleichspannungseingangssignal, gemäß Standardbetrieb, gesteuert werden.
Alternativ gesteuerte Bewegungen des Objekttisches können durch piezoelektrische Wandler durchgeführt werden, wie etwa durch die Pfeile 41a, 41b und 41c dargestellt, die zu einer langsamen, gesteuerten Bewegung in eine ausgewählte x-, y- oder z- Richtung durch ein Gleichspannungseingangssignal sowie durch ein Wechselstromsignal zur Oszillation in eine gewünschte Richtung und bei einer ausgewählten Frequenz angetrieben werden können. Bei einer bevorzugten Betriebsweise wird das Ziel in der z-Richtung durch einen piezoelektrischen Wandler (durch Pfeil 41a dargestellt) bei einer ausgewählten Frequenz im KHzbis MHz-Bereich vibriert. Die Vibrationsamplitude beträgt bevorzugt weniger als 100 nm. Der Zweck der Vibration besteht darin, das Problem des 1/f-Gleichfeldrauschens zu vermeiden, indem Schwankungen in der Laserausgangsleistung auf einem Hochfrequenz-Wechselstrom-"Träger" wie nachfolgend erläutert, aufgezeichnet werden.
Der Objekttisch und die Bewegungsmittel, die durch die Pfeile 41a, 41b und 41c dargestellt sind, werden hier auch kollektiv als Einrichtungen zum Bewegen des fokussierten Strahls relativ zum Ziel gemäß einem definierten Muster bezeichnet. Es versteht sich, daß die bewegliche Einrichtung alternativ eine bewegliche Linsenanordnung zum Führen des Strahls über das Ziel gemäß einem definierten Muster, entsprechend bekannter Linsenanordnungsbauarten und -betriebsweisen, umfassen könnte.
Wenn der Einfallsstrahl auf das Ziel trifft wird ein kohärenter reflektierter Lichtstrahl 42 von dem Ziel entlang des Weges des einfallenden Lichtstrahls zurückreflektiert. (Der einfallende und der zurückreflektierte Strahl, welche Koinzidenzstrahlen sind, sind in Figur 1 ausschließlich aus Gründen der Klarheit als separate Linien dargestellt.) Dieser zurückreflektierte Strahl wird durch den Strahlteiler durchgelassen und tritt wieder in den optischen Resonanzhohlraum des Lasers ein, wie in der Figur dargestellt. Das Licht, das wieder in den Hohlraum tritt, interferiert mit der stehenden Wellenverteilung des Lichts im Hohlraum, wobei diese Interferenz, die von der Phase des zurückreflektierten Lichts abhängt, die Ausgangsintensität des Lasers verändert. Über das allgemeine Phänomen der phasenmodulierten Laserausgangsleistung wurde berichtet (King, Clunie).
Die Phase des reflektierten Lichtstrahls variiert gemäß den Verschiebungen, entlang der Strahlachse, zwischen dem Laser und dem Bereich des Zieles, an dem die Reflexion erzeugt wird. Diese Reflexionsbereiche können reflektierenden Bereichen auf der Zieloberfläche oder unterhalb einer transparenten Oberfläche liegenden Merkmalen entsprechen, wobei eine Veränderungen des Brechungsindex eine Lichtreflexion erzeugt. Derartige Verschiebungen können im Picometer/Nanometerbereich gemessen werden, insbesondere in dem Bereich von ungefähr 1 Picometer (10&supmin;¹² Meter) bis zu ungefähr einem Viertel der Laserstrahlwellenlänge, das heißt bis zu ungefähr 100 Nanometer (10&supmin;&sup7; bis 10&supmin;&sup6; Meter, nm). Sogar eine höhere Auflösung bis zu ungefähr 0,1 Picometer ist, durch Begrenzen des Laserverteilungsrauschens, des Detektorrauschens und der Vorrichtungsvibrationseffekte, wie nachfolgend beschrieben, theoretisch möglich.
Der retroreflektierte Lichtstrahl 42, der in den Laserhohlraum eintritt, ist bevorzugt nur ein kleiner Abschnitt des Einfallsstrahls, typischerweise ungefähr 0,1 % oder weniger der Gesamteinfallsstrahlleistung. Dieses Niveau wird im allgemeinen erreicht, wenn das Ziel eine nichtspiegelnde Reflexion erzeugt. Bei einem Ziel, das eine spiegelnde Reflexion erzeugt, kann das Niveau des retroreflektierten Lichts auf ein gewünschtes, niedriges Niveau reduziert werden, wobei eine Möglichkeit darin besteht, die Ebene des Zieles zu kippen, so daß der zurückreflektierte Lichtstrahl, der in den Laser eintritt, d.h. der retroreflektierte Lichtstrahl, eine diffuse Reflexion von der Oberfläche darstellt. Alternativ kann der zurückreflektierte Lichtstrahl durch ein Lambda-Halbe-Plättchen und einen Strahlteiler oder durch ein Neutralfilter treten bevor er den Laser erreicht, um die gewünschte Leistungsdämpfung im retroreflektierten Strahl zu erzeugen.
Der Sekundärstrahl des Lasers wird auf einen Photodetektor 44 gerichtet, der dafür ausgelegt ist, die Leistung des Laserausgangsstrahls zu messen, indem er die Leistung des abgelenkten Sekundärstrahls mißt. Der Photodetektor umfaßt eine Siliziumphotodiode 46, die zur Messung der Lichtintensität ausgelegt ist. Ein geeigneter Photodiodentyp ist eine EG&E SGD 100-A Siliziumphotodiode.
Die Photodiode ist mit einem Operationsverstärker 48 im Photodetektor verbunden, welcher eine Gleichstromkomponentenspannung ausgibt, die linear proportional zur Leistung des durch die Photodiode ermittelten Lichtstrahls ist. Die Eigenschaften des Operationsverstärkers sind derart, daß das Spannungsausgangssignal, das typischerweise erhalten wird, im Mikrovolt-/ Millivoltbereich liegt. Der Photodetektor wird hier auch als Einrichtung zum Messen der Ausgangsleistung des Laserausgangssignals bezeichnet.
Das Mikroskop umfaßt außerdem eine Verarbeitungseinheit 50 zum Konvertieren der positionsabhängigen Veränderungen in der Ausgangsleistung, die am Photodetektor gemessenen wird, während der Strahl über das Ziel geführt wird, in positionsabhängige Verschiebungsinformationen. Zu diesem Zweck zeichnet die Einheit die Laserleistung (Photodetektorspannung) auf, während der fokussierte Laserstrahl über das Ziel geführt wird, assoziiert jede gemessene Leistung mit dem entsprechenden Zielbereich, der diese Leistung erzeugt hat, und teilt dann dem Zielbereich einen gegebenen Verschiebungswert gemäß der gemessenen Laserleistung zu. Aufgrund dieser Daten wird eine Verschiebungskarte der reflektierenden Bereiche des Zieles erstellt, die auf einer geeigneten Anzeigeeinrichtung 52 im Mikroskop angezeigt wird.
Die Betriebsweise der Einheit 50 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 9 beschrieben. Wie ersichtlich, kann das Mikroskop auf eine Weise arbeiten, bei der sowohl Verschiebungs- als auch Reflexionsgradkarten des Zieles aufgrund der Laserausgangsleistungsinformationen, die an der Einheit 50 aufgezeichnet werden, erstellt werden.
Figur 2 zeigt ein Mikroskop 54 das gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestaltet ist. Das Mikroskop umfaßt einen Laser 56 mit einem Hohlraum 58 zum Erzeugen eines kohärenten Ausgangsstrahls 60 und eine positionsverstellbare Linse 62 zum Fokussieren des Strahls auf ein Ziel 64, das sich auf einem beweglichen Objekttisch 66 befindet. Die Laser-, Linsen- und Objekttischkomponenten sind den vorstehend beschriebenen ähnlich. Ein vom Ziel zurückreflektierter Lichtstrahl 68 wird in den Laserhohlraum geleitet, um die Laserausgangsleistung wie vorstehend beschrieben zu modulieren.
Das Mikroskop 54 unterscheidet sich von dem Mikroskop 20 darin, daß die Ausgangsleistung des Lasers direkt am Laserhohlraum gemessen wird. Zu diesem Zweck wird ein Photodetektor 70 hinter der Rückseite des Hohlraums wie gezeigt angeordnet, um die Intensität des von einem Spiegel 72 an der Rückseite des Hohlraums durchgelassenen Lichtes zu messen. Der Photodetektor wird hier auch als Einrichtung zum Messen der Ausgangsleistung des Lasers bezeichnet.
Das Photodetektorsignal wird durch einen Verstärker 74 verstärkt und das verstärkte Signal einer Verarbeitungseinheit 76 zugeführt, die so betrieben werden kann, positionsabhängige Veränderungen in der Laserausgangsleistung, während der fokussierte Laserstrahl über die Oberfläche geführt wird, in positionsabhängige Verschiebungen der reflektierenden Bereiche des Zieles wie vorstehend beschrieben zu konvertieren. Eine Verschiebungskarte der reflektierenden Zielbereiche, die aufgrund dieser Daten erstellt wurde, kann auf einer Anzeigeeinrichtung 78 angezeigt werden.
Figur 3 zeigt einen bruchstückartigen Abschnitt eines Photodetektors 80, der in jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele des Mikroskops zum Messen der Leistungs- oder Intensitätseigenschaften unterschiedlicher Bereiche des Laserausgangsstrahls verwendet werden kann. Der Detektor weist ein Gitter oder eine Matrix von Photodetektorelementen auf, wie etwa Elemente 82, die kollektiv eine Detektionsoberfläche 84 definieren, die ungefähr der Fläche des ermittelten Laserausgangsstrahls entspricht. Es versteht sich, daß das Gitter von Detektorelementen Leistungsvariationen innerhalb des Querschnitts des Strahls, sofern gewünscht, ermitteln kann.

Oberflächenbestimmungsauflösung

Figur 4 zeigt die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Mikroskops Oberflächenverschiebungen in der Richtung normal zur Oberfläche zu ermitteln. Das Ziel wird hierbei an einem im Handel erhältlichen piezoelektrischen Wandler (PTW) mit einer Ansprechempfindlichkeit von ungefähr 4,4 nm Verschiebungiv befestigt. Ein steifes Stück Papier wurde an der Oberfläche des Wandlers befestigt, um als vibrierende Zieloberfläche zu dienen. Spannungen von einem Sinuswellenoszillator (10 Hz bis 20 kHz) oder das synchronisiere Durchlauffrequenzausgangssignal von einem Tonfrequenzanalysegerät (Hewlett-Packard 3580A) wurden dazu verwendet, den Wandler direkt oder über einen Verstärker zur Erreichung der höheren Bewegungsamplitudenbereiche anzutreiben.
Die PZW-Vibrationsamplitude ist an der linken Achse in Figur 4 dargestellt, wobei die entsprechende Ausgangsleistung in Spannungseinheiten längs der rechten Achse dargestellt ist. Bei jeder auf den Wandler angelegten Spannung läuft die Frequenz von 200 Hz bis 2,2 kHz Die Flachheit des Linienzugs stellt die flache Ansprechempfindlichkeit des piezoelektrischen Wandlers über den Bereich der Antriebsfrequenz dar.
Aus den in Figur 4 gezeigten Spektren ist ersichtlich, daß die Amplitude des gemessenen Signals linear auf die Amplitude der Wandlervibrationen bezogen ist. Bezugnehmend beispielsweise auf die zwei Spektren oben in Figur 4 entspricht eine zehnfache Steigerung der Vibrationsamplitude (von 10 auf 100 nm) einer ungefähr zehnfachen Steigerung der als Spannung gemessenen, ermittelten Laserausgangsleistung; auf ähnliche Weise ergibt eine hundertfache Steigerung der Vibrationsamplitude eine ungefähr hundertfache Steigerung der gemessenen Spannung. Das Rauschen in den Spektren bei Vibrationsamplituden unterhalb von 1 nm ist auf elektronisches Hintergrundrauschen und statistische Laserlichtstrahlausgangsvariationen zurückzuführen. Ähnliche Resultate wurden erhalten als die Zieloberfläche mit einer aufgerauhten Abdeckung aus Stahl, Kunststoff oder Mylar bedeckt wurde.
Der durch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers überwachte Rauschabstand ist auf Laserlichtintensitätsschwankungen und elektronisches Rauschen im Photodetektor zurückzuführen. Die genaue Rauschspannung am Ausgang der Strom-an-Spannung- Elektronik hängt von den spezifischen Amplitudenschwankungen des Lasers, dem Detektor und seinen zugehörigen Schaltungen sowie von der Bandbreite der Messung ab. Bei der Bandbreite der verwendeten Schaltung betrug die Rauschspannung 2 Mikrovolt, was einen Rauschabstand von zumindest 40 dB ergab.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren wurden Verschiebungsmessungen bis zum 10-Picometerbereich durchgeführt. Das Grenzrauschen in der Vorrichtung ist hauptsächlich auf Laseramplitudenschwankungen zurückzuführen, die theoretisch um bis zu zwei Größenordnungen reduziert werden können. Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, daß über Detektorrauschniveaus bis zu 10&supmin;² pm/(Hz)-1/2 berichtet wurde (Rugar et al). Daher sollte, vorausgesetzt die mechanischen Vibrationen im Mikroskop können ausreichend reduziert werden, das Mikroskop positionsabhängige Oberflächeverschiebungen bis zu einem Bereich von 0,1 - 1 Picometer ermitteln können, insbesondere wenn Phasenrastungs- oder Zeitmittelbildungs-Rauschabstandverbesserungsverfahren verwendet werden.
Der Linearitätsbereich bezüglich der Amplitude kann durch Konstanthalten der Frequenz, während die Amplitude variiert wird, und Darstellen der Ausgangsleistung (Spannung) gegenüber der Amplitude, wie in Figur 5, bestimmt werden. Das lineare Verhältnis bleibt über einen Bereich von Vibrationsamplituden bestehen, die sich unterhalb ungefähr einem Viertel der Wellenlänge des Einfallslichts bewegen. Bei Vibrationsamplituden, die oberhalb dieser oberen Grenze liegen, ist das Verhältnis nichtlinear. Wie nachfolgend ersichtlich, ist das Verhältnis zwischen der Vibrationsamplitude und der gemessenen Laserausgangsleistung in dem Bereich hoher Amplituden jedoch immer noch vorhersagbar, und ist daher bei der Bestimmung großer Amplituden verschiebungen aufgrund der gemessenen Ausgangsleistungsschwankungen des Lasers nützlich. Bei einem He-Ne-Laser beträgt die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts 632 Nanometer, daher erstreckt sich der Linearitätsbereich (unter Berücksichtigung des Hintergrundrauschens) bis zu ungefähr 150 nm.
Figur 6 ist ein theoretisches Parameterdiagramm einer experimentellen Anordnung, die zum Messen der Laserausgangsleistung als Verschiebungsfunktion eines piezoelektrischen Wandlers (PZW) 88 verwendet wurde. Hierbei stellt Lc die Länge des Laserhohlraums 90 dar, definiert durch die zwei Spiegel 92 und 94, und L repräsentiert den Abstand zwischen dem Spiegel 94 und einer reflektierenden Oberfläche 96, die auf dem PZW angeordnet ist. Versuchsweise wurde der PZW 20 cm von der Laseraustrittsöffnung angeordnet und durch ein Gleichstromsignal von einem PZW-Hochspannungsverstärker oder ein mit dem Verstärker gekoppeltes 40 Hz-Wechselstrom-Sinuswellensignal angetrieben. Ein Silizium-Photodetektor (nicht gezeigt) wurde auf photoelektrische Weise betrieben, so daß sein Spannungsausgangssignal linear proportional zum Lichtintensitätseingangssignal war. Der Detektor wurde an der Rückseite des Laserkopfes angeordnet, wo ein Loch hindurchgebohrt worden war, damit Licht von dem zu ungefähr 99 % reflektierenden Rückstrahlspiegel entweichen konnte. Das Spannungssignal des Photodetektors wurde entweder direkt zu einem x-y-Aufzeichnungsgerät zur grafischen Darstellung der Gleichstromvariation der Laserintensität oder über einen phasenempfindlichen, synchronisierten Verstärker zur grafischen Darstellung der Größe der Wechselstromvariation an das Aufzeichnungsgerät gesandt.
Bei einer ersten Studie wurde die Oberfläche des PZWs langsam zum Laser hin bewegt. (d.h. L nahm ab), wobei das Ausgangssignal des Photodetektors beobachtet wurde. Das Spannungsausgangssignal war ein Gleichstromsignal mit sinusförmiger Variation. Die Sinuskurve wanderte durch eine Periode während sich der PZW um eine halbe Wellenlänge des Laserlichts (316,4 nm) bewegte. Dieses Verhalten wurde bei drei unterschiedlichen Oberflächen beobachtet: der polierten Oberfläche eines Siliziumplättchens, der rauhen Rückseite dieses Plättchens und der aufgerauhten Oberfläche aus rostfreiem Stahl des PZWS. Die Amplituden der Sinuskurve als Prozentsatz des Gesamtsignals des Photodetektors betrugen bei den drei Oberflächen 47 %, 1,3 % bzw. 0,3 %.
Bei einer zweiten Studie wurde der PZW über einen Abstand L mit festgelegter Amplitude und Frequenz oszilliert, wobei L langsam verringert wurde. Das Ausgangssignal des Verstärkers zeigte bei der Oszillationsfrequenz des PZWs (40 Hz) eine sinusförmige Variation über eine Periode entsprechend der Bewegung des PZWS über eine halbe Wellenlänge zum Laser hin. Bei den vorgenannten drei Oberflächen betrugen die Signalstärken als Prozentsatz des Durchschnittssignals des PDs 13 %, 0,13 % bzw. 0,25 % und 0,04 % bei der Oberfläche aus einem steifen Stück Papier.
Bei einer dritten Studie wurde die Oszillationsamplitude über einen Bereich von ungefähr 3 Wellenlängen (1,9 um), bei festgelegter Frequenz und festgelegtem Abstand L, variiert. Die Amplitude des Verstärkerssignals als Funktion der PZW-Vibrationsamplitude ist durch die helle Linie in Figur 7 dargestellt. Die Reaktionsamplitude zeigt ein Bessel-Funktionsverhalten (dunkle Linie) wie anhand der von den Erfindern durchgeführten Laserresonanzhohlraumanalyse (nicht dargestellt) vorhergesagt.

Oberflächenreflexionseffekte

Wie zuvor erwähnt, wurden verschiedene Oberflächen mit unterschiedlichen Rauhheits- und Reflexionsgraden auf Verschiebungseffekte unter Verwendung des erfindungsgemäßen Mikroskops untersucht. Eine interessante Entdeckung ist, daß sogar Oberflächen mit hoher Oberflächenrauhheit, wie etwa eine Feilenbürste, welche eine Oberflächenrauhheit aufweisen kann, die mehreren Wellenlängen entspricht, meßbare Verschiebungseffekte im nm- Bereich oder darunter ergibt.
Eine Erklärung für dieses Phänomen ist, daß der Resonanzmodulationseffekt aufgrund der Phase des zurückreflektierten Lichts auf ein gewichtetes Mittel der Wellen, die durch die Reflexion von anderen, unterschiedlichen reflektierenden Ebenen im Zielbereich erzeugt werden, reagiert. Dieses Phänomen stellt einen wichtigen Aspekt der Erfindung dar, da es hochauflösende Verschiebungsmessungen an Zieloberflächen mit einem breiten Bereich hinsichtlich der Oberflächenrauhheit ermöglicht.
Der Reflexionsgrad einer Oberfläche beeinflußt jedoch die Amplitude der Laserausgangsreaktion auf Verschiebungen an der Oberfläche. Bei der dritten, vorstehend erörterten Studie wurde herausgefunden, daß sich, durch Anordnen von kalibrierten Neutralfiltern zwischen dem Laserausgang und der reflektierenden Oberfläche, das Spitzensignal gemäß der Quadratwurzel des Reflexionsvermögens veränderte.
Daher kann, zumindest innerhalb eines breiten Bereiches von Reflexionsgraden, der Beitrag des Reflexionsgrades zum Laserausgangsleistungsniveau von einer bestimmbaren Funktion angenähert werden, wie etwa einer Funktion, die die Laserreaktion als Quadratwurzel des Reflexionsvermögens annähert. Diese Funktion kann wiederum dazu verwendet werden, das Reflexionsvermögen einer Zieloberfläche, und zwar durch Bestimmen der Amplitude der Laserleistungsreaktion, über ein Viertel der Wellenlänge zu bestimmen (zwischen einer maximalen und minimalen Leistungsreaktion).

Oberflächenbestimmungsverfahren

Figur 8 zeigt einen Abschnitt eines Ziels 100, der in gitterartige Bereiche unterteilt wurde, wie etwa Bereiche 102, 104, die in der Fläche ungefähr der Größe des fokussierten Laserstrahls, der bei Untersuchung des Ziels verwendet wird, entsprechen. Jeder Bereich hat eine Reflexionsoberfläche, die um einen gegebenen Abstand, wie etwa d&sub1; bei Bereich 102, über eine Referenzebene hinaus, durch 106 bezeichnet, verschoben ist. Darüber hinaus kann das Reflexionsvermögen der Zieloberfläche von Bereich zu Bereich variieren, wie durch die unterschiedlichen Schattierungsniveaus in der Figur dargestellt.
Figur 9 ist ein Programmablaufplan einer Betriebsweise des Mikroskops zur Verwendung bei der Bestimmung sowohl der Oberflächenverschiebungen als auch des Reflexionsvermögens, wie etwa bei Ziel 100. Anfangs wird der fokussierte Strahl auf einen Bereich xi, yi, wie etwa Bereich 102 der Figur, gerichtet. Der Zielobjekttisch wird dann um zumindest eine 1/4 Wellenlänge entlang der z-Achse verschoben bis minimale und maximale Laserleistungsniveaus aufgezeichnet werden. Diese Verschiebung kann durch ein Gleichstromeingangssignal an eine elektrisch angetriebene Triebscheibe oder einen piezoelektrischen Wandler durchgeführt werden, oder durch einen piezoelektrischen Wand-1er, der schnell bei einer Amplitude von einer 1/4 Wellenlänge vibriert. Wie vorstehend besprochen, kann der gemessene Amplitudenunterschied bei minimalen und maximalen Laserausgangsleistungen dazu verwendet werden, das Reflexionsvermögen dieses Bereiches gemäß einem vorgegebenen Verhältnis zwischen der Amplitude der Ausgangsleistungsvariation und dem Reflexionsvermögen zu bestimmen. Dieser Unterschiedswert wird in einem Zwischenspeicher zur späteren Verwendung bei der Erstellung einer Reflexionsgradkarte des Zieles und/oder zur Korrektur von Verschiebungsmessungen bei Unterschiedenen im Oberflächenreflexionsvermögen gespeichert.
Der Objekttisch wird nun zu einem benachbarten Bereich bewegt, z.B. Xi+1, Yi wobei das Verfahren zum Bestimmen des Reflexionsgradwertes an diesem neuen Bereich wiederholt und der Reflexionsgradwert in dem vorgenannten Zwischenspeicher gespeichert wird. Das Verfahren wird wiederholt bis das gesamte Ziel abgetastet wurde. Aufgrund der Reflexionsgradwerte, die für jeden Bereich errechnet werden, erzeugt die Verarbeitungseinheit im Mikroskop, wie etwa Einheit 50 in Mikroskop 20, eine Zielreflexionsgradkarte.
Für Verschiebungsmessungen wird der Objekttisch bevorzugt mit einer ausgewählten Frequenz über einen festgelegten Abstand Z vom Laser oszilliert, wobei die Oszillationsamplitude wesentlich geringer als die erwarteten, zu messenden Zielverschiebungen ist. Der Objekttisch wird nun in der x-y-Ebene bewegt, um den fokussierten Strahl über jeden Bereich zu führen. Das Laserleistungsniveau wird an jedem Bereich gemessen, wobei eine angemessene Korrektur des an diesem Bereich gemessenen Reflexionsgrads vorgenommen wird, um die Verschiebung bezüglich der Referenzebene, wie etwa Ebene 106 in Figur 8, zu bestimmen. Der korrigierte Verschiebungswert wird, wie angegeben, in einem Zwischenspeicher gespeichert.
Aufgrund der Verschiebungswerte, die für jeden Bereich errechnet werden, erzeugt die Verarbeitungseinheit im Mikroskop, wie etwa Einheit 50 im Mikroskop 20, eine Zielverschiebungskarte. Die für jeden Bereich bestimmten Reflexionsgrad- und Verschiebungswerte können zu einer einzelnen Oberflächenkarte kombiniert werden.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, wie die verschiedenen Vorteile und Merkmale der Erfindung erfüllt werden. Das Mikroskop stellt bei einem optischen System eine hohe Auflösung (bis zum Picometerbereich) bereit und vermeidet somit spezielle Probenbeschichtungs- und/oder Dehydratisierungsverfahren, die bei Elektronentunnel- oder Rasterelektronenmikroskopen erforderlich sind. Dies ermöglicht die Untersuchung von einer Vielfalt von Proben, wie etwa lebende Zellen, mit einer hohen Auflösung.
Das Mikroskop kann Oberflächenverschiebungsmerkmale eines Zieles bestimmen, das eine reflektierende Oberfläche oder reflektierende Merkmale unterhalb der Oberfläche eines Zieles mit einer transparenten Oberfläche aufweist. Darüber hinaus kann das Mikroskop, gemäß einem wichtigen Vorteil der Erfindung, exakte Abstandsverschiebungsmessungen im Picometer- bis Nanometerbereich an Oberflächen durchführen, deren Rauhheit mehrere Wellenlängenvariationen umfassen kann. Das Mikroskop kann Reflexionsgradinformationen bezüglich der Oberfläche (oder Merkmalen unterhalb der Oberfläche) bereitstellen, wobei dies zur Erstellung von Oberflächenreflexionsgradkarten und zur Korrektur der Verschiebungskartendaten verwendet werden kann.

II. Optische Datenspeicherungsvorrichtung und -platte Datenspeicherungsvorrichtung

Figur 10 ist eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines optischen Datenspeicherungsgeräts oder einer optischen Datenspeicherungsvorrichtung 120, die gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung konstruiert ist. Die Vorrichtung umfaßt einen Laser mit stabilem Resonator 122 und eine brennpunktverstellbare Objektivlinse 124 zum Fokussieren des Laserausgangsstrahls, unter 126 dargestellt, auf die Oberfläche einer Datenspeicherplatte 128.
Der fokussierte Strahl hat bevorzugt einen Strahldurchmesser von zwischen ungefähr 0,5 und 2 um am Brennpunkt der Linse, wobei die Tiefe des Brennpunkts des Strahles bevorzugt zwischen ungefähr 1 und 2 um liegt.
Die Bauart und Eigenschaften der Platte werden nachfolgend beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, daß, für die vorliegenden Zwecke, die Oberfläche der Platte eine Mehrzahl von Datenspeicherplätzen definiert, wie etwa unter 130a, 130b und 130c dargestellt, die in konzentrischen Spuren 132a, 132b bzw. 132c auf der Plattenoberfläche angeordnet sind. An jedem Datenspeicherplatz werden die Informationen in Form eines reflektierenden Bereiches gespeichert, der einen ausgewählten Verschiebungsabstand oberhalb oder unterhalb einer definierten Oberflächenebene in der Platte aufweist. Die Anzahl der unterschiedlichen Verschiebungsabstände beträgt I = 2N, wobei I größer als 2 ist und bevorzugt 3 bis 8 oder mehr beträgt. Das bedeutet, daß die Platte I = 2N Informationszustände an jedem Datenspeicherplatz speichert.
Die Platte ist in der Vorrichtung auf einem Drehmotor 134 zur Drehung mit einer ausgewählten Geschwindigkeit um die Plattenachse, wie unter 136 dargestellt, gemäß herkömmlicher Plattenantriebsbauarten, befestigt.
Eine optische Anordnung 138 in der Vorrichtung ist dafür ausgelegt, die Position des fokussierten Strahles auf verschiedene ausgewählte Spuren auf der Datenplatte zu verschieben. Die Anordnung umfaßt eine Linse 124 und ein Paar Spiegel 140, 142, die zwischen dem Laser und der Linse zum Lenken des Strahls entlang eines horizontalen Weges ausgewählter Länge gemäß der Figur angeordnet sind. Der Spiegel 142 und die Linse 124 sind auf einem Linsenschlitten 144 angeordnet. Der Schlitten ist verschiebbar, und zwar entlang einer horizontalen Achse 134 gemäß der Figur, entsprechend einer radialen Linie 135 auf der Oberfläche der Platte, um den fokussierten Strahl auf ausgewählte Spuren auf der Platte zu richten.
Die Verschiebung in der optischen Anordnung wird durch einen Motor 148 durchgeführt, der betriebsfähig mit dem Schlitten verbunden und dafür ausgelegt ist, den Strahl um ausgewählte Schritte, z.B. 0,05 bis 0,2 mm, zu verschieben, was dem radialen Abstand zwischen den benachbarten Spuren auf der Platte entspricht. Der Verschiebungsschritt wird außerdem so eingestellt, daß das Phasenverhältnis zwischen dem Ausgangsstrahl und dem von der Scheibe zurück in den Laser reflektierten Strahl erhalten wird. Dies wird durch Angleichen der Verschiebungsschritte und somit des Abstands zwischen benachbarten Spuren auf der Platte an eine ganze Zahl der Wellenlängen des kohärenten Laserstrahls erreicht. Die Position der optischen Anordnung wird durch eine Steuereinrichtung 150 gesteuert, die den Motor bezüglich ausgewählter Spurpositionen auf der Scheibe, gemäß wohl bekannter Plattenantriebsbauarten, anweist.
Die Leistung des Laserausgangs wird, wie bei dem Mikroskop gemäß Figur 2, durch einen Photodetektor 152 gemessen, der hinter dem optischen Hohlraum des Lasers angeordnet ist, um Licht von dem Hohlraum durch den rückwä;tigen Spiegel des Hohlraums und eine in der Rückseite des Gehäuses ausgeformte Öffnung 154 zu empfangen. Ein Verstärker 156, der zur Verstärkung des Photodetektorsignals verwendet wird, ist mit einem Signalkonverter 158 verbunden, der die zeitabhängigen Amplitudenveränderungen in dem vom Photodetektor empfangenen Spannungssignal in binäre Datenwerte an jedem der ausgewählten Plattenplätze, welche "gelesen" wurden, konvertiert. Die Bauart und Betriebsweise des Konverters ist für Fachleute offenkundig. Die Dateninformationen vom Konverter werden einer Datenverarbeitungseinrichtung 159, wie etwa einem Mikroprozessor, zugeführt, der wiederum Signale für die Steuereinrichtung 150 bereitstellen kann, um Zugriff zu den Informationen von der Platte zu erlangen.
Im Betrieb wird der Laserstrahl der Vorrichtung auf die Oberfläche einer Datenplatte auf eine ausgewählte Spur in der Platte fokussiert. Wenn sich die Scheibe dreht, wird jeder Datenspeicherplatz von dem Laserstrahl als eine der I = 2N Oberflächenverschiebungen oberhalb oder unterhalb einer definierten Referenzebene erkannt. Diese Oberflächenverschiebungen erzeugen wiederum eine Veränderung in der Phase des zurück in den Laser reflektierten Lichts, wodurch eine proportionale Veränderung der Ausgangsleistung des Lasers bewirkt wird. Die zeitabhängigen Veränderungen der Leistung werden durch den Konverter 158 in zeitabhängige, auf der Platte gelesenen Verschiebungen konvertiert, wobei diese mit gegebenen Adressen auf der Platte gemäß bekannten Verfahren in Verbindung gebracht werden.
Es versteht sich, daß jeder Datenspeicherplatz einen ausgewählten der I = 2N Informationszustände darstellt. Da die Dichte der Datenspeicherplätze auf der Platte im wesentlichen so groß wie bei herkömmlichen Platten ausgeführt werden kann (wobei nur 2 Informationszustände an jedem Speicherplatz gespeichert sind), wird die Informationsdichte auf der Platte und die Geschwindigkeit mit der auf Informationen von der Platte zugegriffen werden kann um einen Faktor von bis zu N = log&sub2; I gesteigert.

Datenspeicherplatte

Figur 11 zeigt eine vergrößerte bruchstückartige Draufsicht der Oberfläche einer Datenspeicherplatte, wie etwa Platte 128.
Die Spuren, wie etwa Spuren 132a, 132b und 132c, in der Platte sind durch durchgezogene Linien dargestellt und die Datenspeicherplätze, wie etwa Plätze 130a, 130b und 130c, durch gestrichelte Linien. Die Datenspeicherplätze auf jeder Spur sind voneinander durch einen Abstand, der bevorzugt zwischen ungefähr 1 und 5 um liegt, getrennt, wobei benachbarte Spuren einen Abstand von zwischen ungefähr 1 und 5 pm aufweisen. Die Platte kann ferner mit radialen Informationen und Plattenwinkelinformationen zur Bestimmung der Plattenposition sowie mit Spurpositionsinformationen zur Sicherstellung einer korrekten Strahlplazierung bezüglich jeder ausgewählten Spur, gemäß herkömmlichen optischen Datenplattenbauarten, kodiert werden.
Figur 12 zeigt eine vergrößerte bruchstückartige Schnittansicht der Platte 128, allgemein entlang der Linie 12-12 aus Figur 11, d.h. längs der Spur 132c. Die Platte umfaßt ein Substrat 160, das aus jedem geeigneten, bevorzugt starren Plattenmaterial, wie etwa Aluminium, Glas oder ähnlichem, bestehen kann. Das Substrat stützt eine Schicht 162, deren Außenfläche die Datenspeicherplätze auf der Platte definiert. Die Dicke der Schicht definiert die verschiedenen I = 2N Verschiebungsabstände oder Dicken, die einem ausgewählten der I = 2N Informationszustände entsprechen, die an jedem Datenspeicherplatz gespeichert werden können.
Aus Gründen der Einfachheit weisen die hier dargestellten Platten 8 (2³) definierte Verschiebungsabstände auf, die die Oberflächenebene der Schicht 162 und 7 zunehmende Vertiefungen unterhalb der Oberfläche oder 8 unter der Oberfläche liegende Vertiefungen umfassen. Die verschiedenen Verschiebungsabstände Yd sind durch Tiefenmarkierungen gekennzeichnet, wie etwa Markierungen 164, die in Figur 12 sowie in den folgenden, sich darauf beziehenden Figuren links dargestellt sind. Daher entsprechen beispielsweise die an Platz 130c gespeicherten Daten einer Tiefe 5d, wobei die an Platz 130c' gespeicherten Daten einer Tiefe 7d entsprechen.
Die Figuren 13A-13F zeigen ein Verfahren zum Formen einer Platte 170 (Figur 13F) der beschriebenen Art. Anfangs wird ein Substrat 172 mit einer ätzbaren Schicht 174, etwa einer Siliziumschicht, unter Verwendung bekannter Beschichtungsverfahren beschichtet. Die Schicht 174, die eine bevorzugte Dicke von zumindest 2 um aufweist, wird mit einer Photolackschicht 176 zum Beispiel durch Schleuderbeschichtung bis zu einer gewünschten Dicke, z.B. 1 - 5 um, beschichtet. Die Tiefenmarkierungen in der Schicht, wie etwa Markierungen 164, sind unter 164 in den Figuren dargestellt.
Die beschichtete Platte wird mit einer Maske 178 abgedeckt, deren Öffnungen, wie etwa Öffnungen 180, den Positionen der Datenspeicherplätze entsprechen, die die größte Tiefe Id aufweisen sollen, wobei I = 2N Die mit der Maske bedeckte Photolackschicht wird UV-Licht ausgesetzt, wodurch belichtete Bereiche erzeugt werden, wie etwa Bereiche 182 in der Lackschicht (Figur 13A), wobei diese Bereiche durch Entwickeln (Figur 13B), gemäß bekannten photolithografischen Verfahren (z.B. Thompson), entfernt werden. Die Plattenoberfläche wird dann über einen ausgewählten Zeitraum ausreichend lange plasmageäzt, um die freigelegten Bereiche der Schicht 174 bis zu einer Tiefe d zu ätzen, entsprechend dem Abstand zwischen der Außenfläche der Schicht 174 und der ersten Tiefenmarkierung.
Die Platte wird dann mit einer zweiten Maske 184 abgedeckt, deren Öffnungen, wie etwa Öffnungen 186, den Positionen der Datenspeicherplätze entsprechen, die die nächst größte Tiefe (I-1)d aufweisen sollen (Figur 13D). Die mit der Maske bedeckte Photolackschicht wird UV-Licht ausgesetzt, wobei diese Bereiche durch Entwickeln entfernt werden, und wobei das beschichtete Substrat unter den zuvor ausgewählten Bedingungen plasmageätzt wird. Dieser zweite Plasmaätzungsschritt wirkt sich so aus, daß die eben freigelegten Bereiche der Schicht 174 bis zu einer ausgewählten Tiefe d geätzt werden, wobei die bereits freigelegten Bereiche bis zu einer Tiefe von ungefähr gleich 2d (Figur 13E) geätzt werden.
Mit jedem wiederholten Arbeitsgang werden neue Bereiche der Schicht freigelegt und bis zu einer Tiefe d geätzt, wobei zuvor freigelegte Bereiche um einen zusätzlichen Schritt d in der Tiefe geätzt werden. Nach I = 2N Arbeitsgängen, z.B. 8 Arbeitsgängen, sind alle Datenspeicherplätze bis zu einer ausgewählten Tiefe geätzt worden, wobei die Photolackschicht durch Abziehen entfernt wird. Wie ersichtlich, besteht die erhaltene Platte 170 aus einem darunterliegenden Substrat und einer äußeren Schicht, die eine Mehrzahl von Datenspeicherplätzen definiert, von denen jeder eine der ausgewählten der I = 2N Tiefen unterhalb der Oberfläche der Schicht umfaßt.
Die Figuren 14A-14B stellen ein weiteres Verfahren zum Formen einer Datenspeicherplatte 190 (Figur 14E) der vorstehend beschriebenen Art dar. Hierbei wird ein Substrat 192, das eine ätzbare Schicht 194 aufweist, mit einer geeigneten Photolackschicht 196 wie vorstehend beschichtet. Die Lackschicht wird UV-Licht ausgesetzt, und zwar durch eine Maske 198 hindurch, deren Öffnungen, wie etwa Öffnungen 200, den Datenspeicherplätzen entsprechen, die die größte Tiefe Id aufweisen sollen. Die belichteten Bereiche, wie etwa Bereiche 202, werden durch Entwickeln (Figur 14A) wie vorstehend entfernt, wobei die Platte chemisch geätzt oder plasmageätzt wird bis die freigelegten Bereiche der Schicht bis zu einer ausgewählten Tiefe Id (Figur 14B) geätzt wurden.
Das Substrat wird dann abgezogen und mit einer zweiten Beschichtung 203 beschichtet, wobei diese Beschichtung unter Verwendung einer zweiten Maske 204 UV-Licht ausgesetzt wird, deren Öffnungen, wie etwa Öffnungen 206, den Datenspeicherplätzen entsprechen, die die nächst größte (I-1)d Tiefe aufweisen sollen. Die belichteten Bereiche, wie etwa Bereiche 208, werden durch Entwickeln entfernt und die Platte wird chemisch geätzt oder plasmageätzt bis die freigelegten Bereiche der Schicht bis zu einer ausgewählten Tiefe von (I-1)d geätzt wurden (Figur 14D).
Mit jedem Schritt wird ein neues Muster von Datenspeicherplätzen mit progressiv weniger tiefen Ätzbereichen erzeugt bis, nach I = 2N Schritten, eine gewünschte Platte 190, bestehend aus einem darunterliegenden Substrat und einer äußeren Schicht, die eine Mehrzahl von Datenspeicherplätzen definiert, von denen jeder eine der ausgewählten 1 = 2N Tiefen unterhalb der Oberfläche der Schicht umfaßt, geformt wurde (Figur 14E).
Die Figuren 15A-15D stellen ein Verfahren zum Formen einer Platte 210 (Figur 15D) dar, das auf der Fähigkeit zum Steuern der Tiefe der Entfernung von Material von einer Photolackschicht, entsprechend der auf die Beschichtung angewandten Dosis oder Strahlung, beruht. Figur 16 zeigt eine grafische Darstellung der Beschichtungsdicke, die nach der Entwicklung in einer positiv getonten Elektronenstrahl-Lackschicht verbleibt, als Funktion der gesamten Elektronenstrahldosis (in Mikrocoul/cm²), die auf die Beschichtung angewandt wurde (graphische Darstellung von Thompkins, Seite 105). Wie ersichtlich, ist die in der Beschichtung nach dem Entwickeln verbliebene Dicke eine wohl definierte lineare Funktion der log-Dosis bis zu einer Sättigungsdosis von ungefähr 10¹² Mikrocoul/cm².
Bei der Herstellung der Platte wird ein Substrat 112 mit einer positiv getonten Elektronenstrahl-Lackschicht 115 (Thompkins) einer bevorzugten Dicke von 2 oder mehr um beschichtet. Die Lackschicht wird dann mit einer Maske 214 bedeckt, deren Öffnungen, wie etwa Öffnungen 216, den Datenspeicherplätzen entsprechen, die die größte Tiefe aufweisen sollen, wobei die Schicht mit einem Elektronenstrahl (3-Strahl) über einen Zeitraum bestrahlt wird, der einer gewünschten Tiefe der Schichtentfernung entspricht, d.h. entsprechend einer ausgewählten Dosis. Die wirksame Bestrahlungstiefe ist in der Beschichtung 215 durch die schraffierten Bereiche, wie etwa Bereiche 218, in Figur 15A dargestellt.
Die erste Maske wird dann durch eine zweite Maske 220 ersetzt, deren Öffnungen, wie etwa Öffnungen 222, den Datenspeicherplätzen entsprechen, die die nächst größte Tiefe aufweisen sollen. Die Beschichtung wird nun mit einem Elektronenstrahl über einen Zeitraum bestrahlt, der der neuen ausgewählten Tiefe der Schichtentfernung entspricht, wie durch die Bereiche 224 in Figur 158 dargestellt.
Dieses Verfahren wird für die Datenspeicherplätze an jeder der ausgewählten 1 = 2N Tiefen wiederholt, wie in Figur 15C dargestellt. Nach allen 1 = 2N Bestrahlungsschritten wird die bestrahlte Beschichtung entwickelt, um Hohlräume in der Beschichtung, die in der Tiefe den ausgewählten Bestrahlungsdosen entsprechen, zu entfernen, wie in Figur 15C gezeigt. Nach dem Trockenen, um die Entwicklungslösung aus der Lackschicht zu entfernen, kann die Beschichtung mit einer transparenten Schutzschicht beschichtet werden.
Die Figuren 17A-17C stellen ein Verfahren zum Formen einer Datenspeicherplatte 226 dar, wobei die Reflexionsbereiche in einer Plattenoberfläche durch Veränderungen des Brechungsindex an ausgewählten Datenspeicherplätzen und ausgewählten Tiefen innerhalb einer gleichmäßig dicken Schicht bereitgestellt werden. Die in den Figuren gezeigte Platte besteht aus einem Substrat 228, das mit einer Schicht 230 beschichtet ist, die bevorzugt ungefähr 2 pm dick ist. Die Schicht 230 ist aus einem transparenten Polymer geformt, wie etwa Polyethylen, dessen Brechungsindex an örtlich festgelegten Bereichen der Schicht, entsprechend dem Polymerisationsgrad an den örtlich festgelgten Bereichen, selektiv variiert werden kann.
Die Schicht 230 wird anfangs mit einer Maske 234 abgedeckt, deren Öffnungen, wie etwa Öffnungen 236, den Datenspeicherplätzen entsprechen, die die größte Tiefe Id aufweisen sollen, wobei die Beschichtung mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, dessen Energie so kalibriert ist, die Schicht bis zu einer Tiefe Id zu durchdringen, wodurch eine örtliche Veränderung des Brechungsindex an dieser Tiefe erzeugt wird. Die Fläche der örtlichen Veränderung des Brechungsindex ist durch eine Vollinie, wie etwa Linie 238, am Boden eines bestrahlten Bereiches, wie etwa Bereich 240, dargestellt.
Die erste Maske wird dann durch eine zweite Maske 242 ersetzt, deren Öffnungen den Datenspeicherplätzen entsprechen, an denen die Brechungsindexveränderungen die nächst größte Tiefe (I-1)d aufweisen sollen. Die Schicht wird nun mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, dessen Energie so kalibriert ist, die Schicht bis zur nächsten ausgewählten Tiefe zu durchdringen, wobei Brechungsindexveränderungen an dieser Tiefe an den offenen Maskenpositionen erzeugt werden, wie in Figur 178 gezeigt. Diese Schritte werden wiederholt bis Brechungsindexveränderungen an jeder der I = 2N Tiefen erreicht werden (Figur 17C)
Diese Datenspeicherplatte kann so ausgeführt werden, daß sie zwei oder mehr transparente Schichten in übereinander geschichteter Anordnung umfaßt, wie in Figur 18 gezeigt. Hierbei besteht eine übereinander geschichtete Plattenvorrichtung 246 aus einem Substrat 248 und einer Reihe übereinander angeordneter Schichten, wie etwa Schichten 250, 252 und 254, von denen jede gemäß einem der zuvor beschriebenen Einzelschicht- Ausführungsbeispiele ausgeführt ist. Das bedeutet, jede Schicht, wie etwa Schicht 254, weist einen Oberflächenbereich 256 auf, der eine Mehrzahl von Datenspeicherplätzen definiert, wie etwa Plätze 260, wobei an jedem Bereich Daten in Form einer Vertiefung (oder Erhöhung) gespeichert sind, die einen der ausgewählten I = 2N Verschiebungsabstände oberhalb (oder unterhalb) der Oberflächenebene der Schicht darstellen. Jede Schicht hat eine bevorzugte Dicke von ungefähr zwischen 10 und 50 um, wobei die Platte bis zu einigen hundert Schichten umfassen kann.
Bei einer Datenspeicherungsvorrichtung, die eine Mehrschichtplatte dieser Art verwendet, wird die Brennebene des kohärenten Lichtstrahls zum "Lesen" einer ausgewählten Schicht durch geeignete Linsenverschiebungseinrichtungen verschoben.
Als Beispiel für die erhöhte Datenspeicherungs dichte, die bei einer geschichteten Platte erreicht werden kann, wird angenommen, daß für die positionsverstellbare Objektivlinse eine 100x- Mikroskopobjektivlinse mit einem NA-Wert von 0,6 verwendet wird. Diese Linse hat eine Brennebenentiefe von 10u. Ein derartiges Objektiv unterscheidet Schichten mit Löchern, die unter einem Abstand von 20u angeordnet sind. Ein Medium mit einem Brechungsindex von 0,01 würde eine retroreflektierte Lichtintensität von 0,1 % bereitstellen. Wenn eine verwendbare Tiefe von 2 mm vorhanden ist (dies hängt von dem tatsächlich verwendeten Material ab), könnten 1000 separate Schichten geformt werden.
Obwohl die Erfindung im Hinblick auf bestimmte Ausführungsbeispiele und Anwendungsbereiche beschrieben wurde, ist es für Fachleute offensichtlich, wie das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine Vielfalt anderer Anwendungen abgewandelt oder angepaßt werden kann.

Claims

1. Optische Vorrichtung (20) zum Bestimmen von Merkmalen eines Ziels (38), die sich auf die Tiefe beziehen, in der Reflexion von der Zieloberfläche (38) stattfindet, und zwar bei einer Tiefenauflösung im Picometer-bis-Nanometer-Bereich, umfassend:

- einen Laser mit stabilem Resonator (22) mit einem Resonanzhohlraum (26) zur Verwendung bei der Herstellung eines abgestrahlten, kohärenten Ausgangslichtstrahls (24, 32);

- eine Einrichtung zum Fokussieren des Ausgangsstrahls auf das Ziel im wesentlichen in eine Ebene, in der derartige Merkmale vorhanden sind;

- eine Einrichtung (40) zum Bewegen des fokussierten Ausgangsstrahls in bezug auf die Zieloberfläche (38) gemäß einem definierten Muster;

- eine Einrichtung (44) zum Messen der Leistung eines Lichtstrahls (34); und

- eine Verarbeitungseinrichtung (50), die betriebsfähig mit der Bewegungseinrichtung (40) und der Meßeinrichtung (44) verbunden ist, um zeit- und positionsabhängige Veränderungen in der gemessenen Leistung des Lichtstrahls in positionsabhängige Verschiebungen in den Tiefen, in denen Reflexion an der Zieloberfläche (38) auftritt, zu konvertieren; dadurch gekennzeichnet, daß

- die optische Vorrichtung dafür ausgelegt ist, daß kohärentes, von der Zieloberfläche (38) reflektiertes Licht in den Laserhohlraum (26) eintreten kann;

- die Meßvorrichtung (44) dafür ausgelegt ist, die Leistung des Ausgangsstrahls derart zu messen, daß beim Gebrauch die Verarbeitungseinrichtung (50) die zeit- und positionsabhängigen Veränderungen in der gemessenen Leistung des Ausgangsstrahls konvertiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

die ferner einen Strahlteiler (30) zum Abteilen eines Abschnitts des Ausgangsstrahls (24) zu einem Sekundärstrahl (34) umfaßt, wobei die Einrichtung (44) zum Messen der Leistung des Ausgangsstrahls dafür ausgelegt ist, die Leistung des Sekundärstrahls (34) zu messen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

wobei die Bewegungseinrichtung (40) eine Einrichtung (134) zum Drehen der Zieloberfläche (128) mit einer ausgewählten Geschwindigkeit und Einrichtungen (138, 148) zum Bewegen des Ausgangsstrahls (126) zu ausgewählten Positionen längs der Radialachse (135) der Zieloberfläche (126), wenn das Ziel (128) durch die Dreheinrichtung (134) gedreht wird, umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

zur Verwendung bei der Untersuchung von Unterschieden der Reflexionseigenschaften der Zieloberfläche (38), die ferner Einrichtungen zum Einstellen, an jeder der verschiedenen Zieloberflächenpositionen, des Abstands zwischen der Zieloberflächenposition und der Fokussiereinrichtung (36) zum Ermitteln eines Minimurns und eines Maximums der Ausgangsstrahlleistung umfaßt, wobei die Verarbeitungseinrichtung (50) so arbeitet, daß die Unterschiede in der gemessenen Leistung zwischen dem Minimum und dem Maximum in einen Reflexionsgradwert für die entsprechende Zieloberflächenposition konvertiert werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 4,

wobei die Einrichtung (44) zum Messen der Leistung des Ausgangsstrahls eine Matrix (80) von Photodetektoren (82) umfaßt, die so arbeiten, daß Unterschiede in der Leistung verschiedener Querschnittsbereiche des Ausgangsstrahls gemessen werden.

6. Optisches Datenspeicherungssystem zum Auslesen digitaler Informationen, umfassend:

- eine optische Datenplatte (128), die ein Substrat aufweist, dessen Oberfläche eine Vielzahl von Datenspeicherplätzen definiert; und

- eine Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Fokussiereinrichtung (36) dafür ausgelegt ist, den Ausgangsstrahl auf die Oberfläche der Platte zu fokussieren;

- wobei die Platte (128) ferner an jedem Datenspeicherplatz (130) auf der Oberfläche des Substrats Reflexionseinrichtungen umfaßt, die so arbeiten, daß der fokussierte, kohärente Strahl, der auf den Platz (130) gerichtet ist, von einem ausgewählten der im Submikronbereich liegenden I = 2N Verschiebungsabstände normal zur Oberfläche des Substrats zurück in den Laserhohlraum reflektiert wird, wobei 1 eine ganze Zahl ist, die größer als 2 ist, entsprechend einem der ausgewählten I = 2N Informationszustände, und wobei

- die Bewegungseinrichtung (138, 148) dafür ausgelegt ist, den fokussierten Ausgangsstrahl relativ zur Plattenoberfläche zu darauf befindlichen, ausgewählten Datenspeicherplätzen in aufeinanderfolgenden, bekannten Zeitabständen zu bewegen, und

- die Verarbeitungseinrichtung (158) dafür ausgelegt ist, die zeitabhängigen Veränderungen in der gemessenen Leistung des Ausgangsstrahls in positionsabhängige Verschiebungsabstände an den ausgewählten Datenspeicherplätzen zu konvertieren.

7. Optisches Datenspeicherungssystem zum Auslesen digitaler Informationen umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 zur Verwendung mit einer optischen Datenspeicherpiatte mit einem Substrat, das eine Oberfläche aufweist, die eine Vielzahl von Datenspeicherplätzen definiert, mit

- an jedem Datenspeicherplatz vorgesehenen Reflexionseinrichtungen, die so arbeiten, daß ein fokussierter, kohärenter Strahl, wenn dieser auf den Platz gerichtet ist, von einem ausgewählten der im Submikronbereich liegenden 1 = 2N Verschiebungsabstände normal zur Oberfläche des Substrats reflektiert wird, entsprechend einem der ausgewählten I = 2N Informationszustände, wobei 1 > 2, und wobei

- die Bewegungseinrichtung (138, 148) dafür ausgelegt ist, den fokussierten Ausgangsstrahl in bezug auf eine Plattenoberfläche zu darauf befindlichen, ausgewählten Datenspeicherplätzen in aufeinanderfolgenden, bekannten Zeitabständen zu bewegen, und

- die Verarbeitungseinrichtung (158) dafür ausgelegt ist, zeitabhängige Veränderungen in der gemessenen Leistung des Ausgangsstrahls in positionsabhängige Verschiebungsabstände an den ausgewählten Datenspeicherplätzen zu konvertieren, um den ausgewählten der I = 2N Informationszustände, der an jedem derartigen Platz gespeichert ist, zu bestimmen.

8. System nach Anspruch 6,

wobei die Reflexionseinrichtung an jedem der Datenspeicherplätze einen im Substrat ausgeformten Hohlraum umfaßt, der eine ausgewählte Tiefe eines der im Submikronbereich liegenden I = 2N Abstände unterhalb der Substratoberfläche aufweist.

9. System nach Anspruch 6,

wobei die Reflexionseinrichtung an jedem der Datenspeicherplätze einen auf dem Substrat befindlichen Vorsprung umfaßt, der eine ausgewählte Höhe eines der im Submikronbereich liegenden I = 2N Abstände oberhalb der Substratoberfläche aufweist.

10. System nach Anspruch 6,

bei dem die Platte eine transparente, auf dem Substrat getragene Schicht umfaßt, wobei die Schicht eine Außenfläche, die die Vielzahl von Datenspeicherplätzen definiert, und eine Tiefe aufweist, die die im Submikronbereich liegenden I = 2N Abstände normal zur Oberfläche des Substrats einschließt, wobei die Reflexionseinrichtung an jedem Datenspeicherplatz Einrichtungen zum Reflektieren des fokussierten Lichtstrahls von einer ausgewählten der I = 2N Tiefen in der Schicht umfaßt.

11. System nach Anspruch 10,

wobei die Reflexionseinrichtung an jedem Datenspeicherplatz einen im Substrat ausgeformten Hohlraum umfaßt, der eine ausgewählte Tiefe eines der im Submikronbereich liegenden I = 2N Abstände unterhalb der Außenfläche der Schicht aufweist.

12. System nach Anspruch 11,

wobei die Reflexionseinrichtung an jedem Datenspeicherplatz eine Veränderung im Reflexionsindex des die Schicht bildenden Materials an einer ausgewählten der im Submikronbereich liegenden 1 = 2N Tiefen unterhalb der Außenfläche der Schicht umfaßt.

13. System nach Anspruch 10,

wobei die Platte zumindest zwei derartige transparente Schichten in übereinander angeordneter Ausgestaltung umfaßt, wobei die Fokussiereinrichtung so betreibbar ist, daß der Ausgangsstrahl auf eine ausgewählte Schicht auf der Platte fokussiert wird.