WO2017067542A1 - Measuring device and method for measuring the thickness of a flat sample - Google Patents

Measuring device and method for measuring the thickness of a flat sample Download PDF

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WO2017067542A1
WO2017067542A1 PCT/DE2016/100487 DE2016100487W WO2017067542A1 WO 2017067542 A1 WO2017067542 A1 WO 2017067542A1 DE 2016100487 W DE2016100487 W DE 2016100487W WO 2017067542 A1 WO2017067542 A1 WO 2017067542A1
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measuring
sample
light
measuring head
reflector
Prior art date
Application number
PCT/DE2016/100487
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German (de)
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Inventor
Martin SCHÖNLEBER
Original Assignee
Precitec Optronik Gmbh
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Publication date
Application filed by Precitec Optronik Gmbh filed Critical Precitec Optronik Gmbh
Publication of WO2017067542A1 publication Critical patent/WO2017067542A1/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material

Definitions

  • the present invention relates to a Messvorrich ⁇ device and a method for measuring the thickness of a flat, in particular a plate or sheet-shaped sample.
  • DE 10 2010 000 757 AI discloses such a measuring device for measuring the thickness of plate-shaped parts.
  • the device has at least two measuring devices each with a measuring head for detecting a respective distance to the surface of the part facing the respective measuring head.
  • the measuring devices each have a measuring beam and a reference beam, so that the two measuring beams and the two reference beams are evaluated together.
  • the object of the present invention is to provide a measurement device and a method for measurement, which allow to determine an absolute thickness of flat, in particular plate or foil-shaped sample in a simple and reliabil ⁇ SiGe with high accuracy.
  • this object is achieved by a measuring device for measuring the thickness of a flächi ⁇ gen sample up a a fluid optical medium pointing and formed for receiving the sample optical measuring path between a measuring head and a reflector encompassed.
  • the measuring head has a window with an outer surface and is ⁇ rich, in which the sample is at least partially transparent, formed for emitting and receiving a light from a broadband light source in a coherent areas of the spectrum.
  • an evaluation unit for determining a thickness of the sample is provided by means of analyzing interference in a broadband Spekt ⁇ ral Scheme between the outer surface (30) of the window (8) and from the reflector or from the surfaces of the sample re ⁇ inflected partial waves of the light ,
  • a broadband light source is understood to be a light source emitting in a broad spectral range, which may be a spectral broadband light source but also a narrowband light source that can be tuned in a wide spectral range.
  • a spatial coherence is meant in the sense in the case of spectral broadband light source that which example ⁇ example only Gaussian modes or many Gauss-Laguerre modes aufwei ⁇ sen by a spectral fanning of the Lich ⁇ tes in sufficiently narrow spectral ranges, interferometric measurements of path differences in the mm range can be carried out.
  • a wavelength-tunable light source swept source
  • this is understood to mean sufficient temporal coherence, which allows a swept source OCT (optical coherence tomography) to be carried out.
  • the absolute thickness of the sheet-like sample can be determined with high accuracy by Ge ⁇ a one-sided optical measurement.
  • the measuring device is designed such that measurements can be carried out in a first measurement state and in a second measurement state, wherein in the first measurement state, an optical layer thickness of the measurement ⁇ distance with the optical medium without sample is measurable and in the second state of measurement an optical layer thickness of the optical ⁇ 's medium between the sample and the measuring head and an optical layer thickness of the optical medium between the sample and the reflector can be measured.
  • the measuring device can be designed such that plate-shaped or foil-shaped individual samples are transversely through with the aid of a conveyor belt the measuring section can be pulled.
  • the optical film thickness sO be measured in the time intervals ⁇ when just no sample in the beam path of the measuring section is located.
  • the optical layer thicknesses sl and s2 of opti ⁇ 's medium on both sides of the sample are measured.
  • the measurement path is pivotally gela ⁇ Gert, so that in case of an endless belt-shaped sample, which is drawn across the measuring distance, reciprocate the measurement path through the sample and can be swung forth. At the reversal ⁇ points of pivotal movement, which are outside the sample region, it can be measured, while in the central Be ⁇ area of the pivot path, the optical layer thicknesses sl and s2 of the optical medium can be measured on both sides of the sample.
  • the measuring section is rigid, in which the measuring head and the reflector are held against each other by means of a preferably ⁇ Zerodur holder on a konstan ⁇ th precisely known distance dO.
  • the rigid design of the measuring section is particularly well suited for thin specimens that can be picked up without lengthening the measuring section between the measuring head and the reflector. Since at ⁇ be in the first measuring condition, ie when the bridge is Messstre ⁇ free from the sample, measurements performed only for determining the refractive index of the optical medium.
  • a plate with egg ⁇ ner recess for holding the sample is provided which holds the sample in the gap between the upper and the lower Garplat ⁇ th.
  • Layer thicknesses of the optical medium on both sides of the Pro ⁇ be kept constant during the measurement, whereby the Reprodu ⁇ zierraj the measurement is increased, for example, if you want to perform several series of measurements at the same points of the sample.
  • the second ter reflector on the measuring head facing side of the sample preferably on the first support surface, are.
  • the measuring device has a second measuring path between a second measuring head and a second reflector for determining a refractive index n of the optical medium, wherein at least part of a light emitted by the second measuring head and reflected back by the second reflector from the second Measuring head is detected.
  • a dedicated second measuring section for determining the refractive index of the optical medium which can be specially designed for the determination of the refractive index of the optical medium, so that the actual refractive ⁇ index of the optical medium in an independent measurement may be determined pre ⁇ zie.
  • the second reflector comprises at least two reflective surfaces and a space with a known geometric height for receiving the optical medium.
  • the current index of refraction of the optical medium n is the ratio of a spektralinterfe- rometrisch determined optical space height to the known geo ⁇ metric space height sR / dR immediately determinable.
  • the second re ⁇ Flektor reference is made level.
  • the reference stage has a first reflective surface, a second reflective surface, and a step edge having a known step height dR, wherein light reflected back from the first reflective surface and light reflected back from the second reflective surface are detectable by the second sensing head
  • the actual refractive index of the optical medium n can be determined directly from the ratio of a spectrally interferometrically determined optical step height to the known geometric step height sR / dR.
  • the light beam of the second measuring head is so dimensioned and oriented that the returned light reflected by the first reflective surface and the light josreflek ⁇ struck from the second reflective surface light from the second measuring head are simultaneously detected. This can be done, for example, by an alignment of the light beam ⁇ to the stage name, so that due to the finite cross section of the light beam both reflect ⁇ the surfaces at least partially detected by the light beam ⁇ who.
  • the examples the reflecting surfaces of the second reflector foundedre ⁇ inflected of the portions can be detected separately in time. This may for example by a temporary lateral - carried bezüg ⁇ Lich of the measuring head displacement of the second reflector - so for Strah ⁇ beam path perpendicular.
  • the reference level has a high-accuracy known geometric step height, so that the current value of the refractive index of the optical medium, which is generally wavelength, composition and temperature dependent, can be determined with high accuracy, whereby an accurate determination of the Thickness of the sample is possible.
  • the geometric step height of the reference step is in the range of 50 pm to 5000 pm, in particular in the range of 100 pm to 1000 pm.
  • the corresponding one of the geometrical step height optical step height of the optical medium can be determined interferometrically reliably eindeu ⁇ term manner.
  • holding surfaces are provided with gripping plates for vertical positioning and mounting of the sample, wherein the gripping plates have recesses for passage of light at suitable locations.
  • air is provided as the fluid optical medium.
  • a liquid optical medium such as water or oil, can be used.
  • the optical properties of the air are relatively well known and have little variation.
  • the implementation of measurements in the air with little experimen ⁇ tellem effort is possible.
  • the second reflector ⁇ tor is constructed as a double Fabry-Perot interferometer having a first air-filled resonator path and a second evacuated resonator path, the two paths are the same length and whose length is preferential ⁇ way with a Zerodur holder is substantially constant hold ⁇ ge.
  • the two resonators are designed so that the light reflected back from the resonators light components (analogous to the case with the reference level) can be brought to interference.
  • the light waves ⁇ lengths of the broadband coherent light source in the near infrared range preferably in the wavelength range of 950 nm to 2000 nm, in particular in the wavelength range of 1000 nm to 1200 nm.
  • various materials, insbeson ⁇ particular semiconductor materials for example, Si wafer
  • the broadband coherent light source may be selected from a group consisting of a light emitting diode, a semi- conductor superluminescent diode, an ASE source (optically pumped fiber based amplified spontaneous emission source), egg ⁇ nem optically pumped photonic crystal laser, and a tunable semiconductor quantum dot laser.
  • a spectrometer for determining the spectrum of the captured by the measuring head Lich ⁇ tes is provided.
  • the use of the spectrometer makes it possible to use broadband light sources that are not tunable in the relevant spectral range.
  • the spectrometer on an optical grating adapted to fanning of the spectral distribution detected by the measuring head reflectors ⁇ oriented radiation.
  • the optical grating is well suited to spectrally fan out the light spectrum in the near-infrared range.
  • the optical spectrum of the head detected by the measuring head is determined. th light with the aid of a photodetector, which measures the light intensity at different times I (t) and outputs to the evaluation unit for evaluation.
  • the Spekt ⁇ rum I ( ⁇ ) of the detected light from the measuring head can then be based on a known time dependence of the light wavelength of the swept source A (t) determined by the evaluation unit ⁇ the.
  • the measuring head is arranged in a hermetically sealed housing which has a window transparent to the light of the light source.
  • the measuring head can thus be used together with the window in the recess provided in the first holding surface.
  • the hermetically sealed housing protects the measuring head from external influences, such as the penetration of dust particles or the fluid optical medium.
  • the Messvor ⁇ direction on several sampling lengths so that a sample can be measured simultaneously equal ⁇ time at multiple locations or multiple samples.
  • the thickness inhomogeneity or thickness distribution of the sample or several samples can be measured in a very short time.
  • a method for measuring a thickness of a flat sample comprising the steps of: - emitting the multi-wavelength broadband coherent light from the measuring head;
  • Determining a thickness of the sample by analyzing the back-reflected light detected by the measuring head using an optical spectrometric interferometric method.
  • the method allows to carry a one-sided optical Mes ⁇ solution the absolute sample thickness with high accuracy to be ⁇ agree.
  • the reflected-back light is received in the first measurement state and in the second measurement state.
  • an optical thickness So of the optical ⁇ 's medium between the measuring head and the reflector can be determined and in the second measuring optical state Di ⁇ CKEN sl and s2 of the optical medium can be identified on both sides of the sample.
  • the light reflected back from the second reflector is detected by the second measuring head to determine the refractive index of the optical medium.
  • the optical layer thicknesses and the Brechungsin ⁇ dex of the optical medium are ge ⁇ measured with different measurement heads, which simplifies the holding apart of various measurement signals and the subsequent analysis.
  • the light waves ⁇ lengths of the broadband light source in the near infrared range preferably in the wavelength range of 950 nm to 2000 nm, in particular in the wavelength range of 1000 nm to 1200 nm.
  • insbeson ⁇ particular semiconductor materials (for example, Si wafer) which come into question for the examination, optically transparent.
  • the broadband kozza ⁇ pension light source may be selected from a group consisting of a light emitting diode, a semiconductor superluminescent
  • Diode an optically pumped fiber-based amplified spontaneous emission source (ASE), an optically pumped pho- tonic crystal laser and a tunable semiconductor quantum dot laser.
  • ASE amplified spontaneous emission source
  • optically pumped pho- tonic crystal laser an optically pumped pho- tonic crystal laser and a tunable semiconductor quantum dot laser.
  • These light sources are well suited as light sources in the near infrared range.
  • the method comprises detecting the optical step height of the optical medium based on a measurement at the reference stage.
  • the detection of the optical step height of the optical medium takes place based on a measurement at the reference level with the second measuring head.
  • the geometric step height is previously determined in air with a monochrome interferometer.
  • the offset of the interference strips provides the Pha ⁇ senverschiebung ⁇ modulo 2n or the geometrical step height dR modulo K / 2.
  • the step height determined already on the basis of a preliminary measurement already carried out in advance with a minimum accuracy of K / 2 can be determined with high precision.
  • the spektra ⁇ linterferometrische method includes fanning of the spectral Distribution of the detected radiation from the measuring head under USAGE ⁇ dung an optical grating.
  • the optical grating is well suited to spectrally fan out the light spectrum in the near-infrared range.
  • the reflection spectrum of the light received by the measuring head is measured as a function of the wavelengths I ( ⁇ ) by means of an array of photodetectors in the spectrometer and a spectrum
  • a dispersion compensation is performed on the refractive index.
  • the method is used in the He ⁇ averaging the refractive index of the optical medium interferometer performed meter phase determination.
  • an FFT filter method is carried out, in which first in the complex Fourier spectrum an environment around a certain one
  • Layer thickness peak is cut out and the rest of the spectrum is set to zero.
  • the interferometer phase can be extracted directly from peaks of the complex Fourier spectrum.
  • n_measured ( ⁇ ) n ( ⁇ ) + N * ( ⁇ / dR)
  • a Mes ⁇ solution of the optical layer thickness of the optical medium it is alternatively or additionally carried out with the measurement in the vacuum at the corresponding geometric layer thickness.
  • the required absolute accuracy in measuring the Bre ⁇ chung indexes depends on the required accuracy of the di ⁇ ckenbetician the sample.
  • a target accuracy of the thickness measurement of the sample of 100 ppm
  • an absolute accuracy of the optical step height measurement of 1 nm is the minimum step height 10 pm.
  • the maximum step height is chosen for uniqueness considerations and depends on how accurately you can determine the step height or the refractive index in a pre-measurement.
  • the interferometric uniqueness range depends on the wavelength and the refractive index of the medium from X / (2 * n). In ⁇ example, at a wavelength of 1.1 pm and at Bre- index of 1.33 (water) gives 0.42 pm or 4.2 parts per thousand of step height.
  • the measurement method described allows measurements in different under ⁇ union accuracy classes - 1000 ppm (coarse Messun ⁇ gen) to 1 ppm (ultra-precise measurements) - to carry out.
  • the individual process steps can be carried out as required, that is, depending on the required accuracy of measurement.
  • an air gap of known thickness is additionally measured and subjected ei ⁇ ner phase evaluation.
  • a real-time calibration of the spectrometer can be carried out, whereby measurement inaccuracies caused by any drifts can be reduced.
  • Spectrometer both during a measurement and between two measuring operations are performed.
  • the calibration can be carried out as required, so that the measuring time can be used more efficiently, in particular in the case of spectrometers which have low or slow drifts.
  • Ver ⁇ same measurement is performed at a reference level in air for control and for adjusting a temperature-dependent spectrometer.
  • measurements are first stage at a reference - in particular ⁇ sondere at the intended in the second reflector Refe ⁇ ence level or at an identical to reference stage - performed in the air at different temperatures of the Ausenseein ⁇ standardized under detection of the local temperature in the Auswer ⁇ teech.
  • the captured data for temperature dependence of the Auswer ⁇ teech can then be stored in a memory unit and read out in the evaluation of the measurement signals of the evaluation unit. In this way, the effects of temperature fluctuations on measurement results during evaluation can be taken into account and compensated.
  • FIG. 1 schematically shows an optical measuring path in a first measuring state according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows schematically the optical measuring path according to
  • Fig. 1 in a second state of measurement.
  • Fig. 3 shows schematically a measuring device according to a
  • FIG. 4 shows schematically a measuring device according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 1 schematically shows an optical measuring path in a first measuring state according to an embodiment of the invention.
  • the optical measuring section 5 is formed by a measuring head 6 and a reflector 7. Between the measurement head 6 and the Re ⁇ Flektor 7 a fluid transparent optical medium 14 is provided. In this embodiment of the invention, air is provided as the optical medium 14.
  • the measuring head 6 has a transparent window 8 with an outer surface 30 and is designed to emit and receive the light from a broadband coherent light source.
  • the measuring section 5 between the measuring head 6 and the reflector 7 is kept free of the sample.
  • the light emitted from the measuring head 6, represented by the arrow A, is reflected by the reflector 7 lying opposite the measuring head 6 back to the measuring head 6.
  • a part of the back-reflected light, represented by the arrow B, can be detected by the measuring head 6.
  • the reflector 7 is formed in this example as a reflective plate.
  • the sample 1 Since, in the measuring state shown in FIG. 1, the sample 1 is not in the light path between the measuring head 6 and the reflector plate 7, the air-filled distance between the window 8 and the reflector 7 can be measured directly by spectral interferometry .
  • FIG. 2 shows schematically the optical measuring path according to FIG. 1 in a second measuring state.
  • the sample 1 is within half of the measuring section 5.
  • the sample 1 has an upper Oberflä ⁇ che 15 and a lower surface 16 and a thickness to be determined dp.
  • the light emitted from the measuring head 6 is reflected back from the first surface 15 of the sample 1, from the first surface 15 opposite the second surface 16 of the sample 1 and from the reflector 7.
  • the measurement head 6 is in particular ⁇ sondere formed to emit the coherent light meh ⁇ of exemplary wavelengths and for receiving at least a portion of one of the of the reflector 7 and from the sample 1, in particular from an upper surface 15 and a lower surface 16 Sample 1, reflected light.
  • the beam path is shown schematically schematically with thin arrows.
  • the geometrical air layer thicknesses between the sample 1 and the measuring head 6 or between the sample 1 and the reflector 7 are marked accordingly by d 1 or d 2.
  • FIG 3 shows schematically the measuring device according to an embodiment of the invention.
  • the measuring device 45 has the optical measurement section 5 Zvi ⁇ rule a measuring head 6, and a reflector. 7
  • the reflector ⁇ tor 7 is formed in this example as a reflector plate.
  • the measuring device 45 has a broadband coherent
  • the light source 17 may be a broadband spectral light source or a tunable laser source configured to emit coherent light of multiple wavelengths in a near infrared region.
  • the light source 17 can be tunable by means of oscillating micromechanics (oscillation micromechanics).
  • the measurement head 6 is designed to emit the light from the broad-band coherent light source 17 and are received, ⁇ gene.
  • the probe 6 is arranged in a housing 18.
  • KoHo ⁇ rentes light from the light source 17 and at least a part of the re ⁇ inflected radiation pass through through a window 8 of the housing 18, in which the window 8 is transparent for the light of the light source 17th
  • the window 8 is transparent to infrared light.
  • the evaluation unit 24 is provided for determining the thickness of the sample 1 by means of analyzing broadband spectral interferences .
  • the measuring device 45 further comprises a second optical measuring path 5 ⁇ 'between a second head 6' and a two- ⁇ th reflector 7 'below the sample 1 to determine the Bre ⁇ deviation index of the air.
  • the second measuring head 6 ' has a window 8 ' with an outer surface 30 ' . At least part of the light emitted by the second measuring head 6 ' and reflected back by the second reflector 7 ' is detected by the second measuring head 6 ' . This is verdeut by arrows A 'and B' ⁇ light.
  • the measuring device 45 has an upper holding surface 2 and a lower holding surface 3.
  • Sample 1 having an upper surface 15 and upper ⁇ with a lower surface 16 is in a gap 4 between the support surfaces 2 and 3 in a special holder (not shown) is mounted.
  • the upper support surface 2 has recesses 11 and 11 'for on ⁇ acquisition of the measuring heads 6 and 6'.
  • the lower holding surface has recesses 13 and 13 ' for receiving reflectors 7 and 7 ' .
  • the second reflector 7 ' in the form of a reference stage 26 is formed. This results in an air-filled level for reference measurements to determine the actual refractive index of the air, which can generally vary in temperature, pressure and humidity.
  • the actual refractive index of the air may deviate from a nominal value, also due to air contamination.
  • the reference level one Materi al ⁇ used with low thermal expansion coefficient.
  • the reference level 26 may also be made of a material with an even lower coefficient of thermal expansion.
  • the reference stage is designed as a Zerodur glass reference stage (ZERODUR RTM ) with ei ⁇ nem thermal expansion coefficient almost equal to zero.
  • ZRODUR RTM Zerodur glass reference stage
  • the measurement head 6 ' is connected to the spectrometer 19 by means Lichtwel ⁇ lenleiter 21' coupled or connected to, the light waves are dimensioned ⁇ conductors 21 and 21 'different in order Sig ⁇ nalüberschen between different measuring heads to mini ⁇ mieren.
  • the second reflector 7 ' has a first reflective surface 9 and a second reflective surface 10. Between reflecting surfaces 9 and 10 is a space (not Darge ⁇ represents) with a known height for receiving the optical medium is provided.
  • a space not Darge ⁇ represents
  • a layer of the optical ⁇ 's medium containing a known layer thickness for reference measurements obtained for determining the actual refractive index of the optical medium, the temperature may vary in general, and together ⁇ men
  • the measuring head 6 is coupled or connected to a spectrometer 19 by means of optical waveguides 21, 23.
  • An optical coupler 20 couples the light source 17 by means of the first optical fiber 21 and a second Lichtwel ⁇ lenleiters 22 connecting the optical coupler 20 to the light source 17, 6 to the measuring head, the coherent light of the
  • Light source 17 is provided to the measuring head 6 via the second Lichtwel ⁇ lenleiter 22, the optical coupler 20 and the first light ⁇ waveguide 21. Of the upper and the lower surfaces 15, 16 is so ⁇ as by the reflector plate 7 radiation reflected back to the spectrometer 19 of the measuring device 45 via the ers ⁇ th light waveguide 21 and a third optical waveguide 23, the optical coupler 20 to the spectrometer 19 couples, provided.
  • the spectrum of the reflected radiation is measured by means of an array of photodetectors (not shown) in the spectrometer as a function of the wavelengths I ( ⁇ ) and an evaluation device 24 by means of a Sig ⁇ naltechnisch 25, which couples the spectrometer 19 with the Ausretevor- device 24 , provided.
  • FIG. 4 schematically shows another embodiment of the He ⁇ invention.
  • the measuring device 45 'of FIG. 4 is partly identical ⁇ table with the measurement device 45 of Fig. 3 and also has ei ⁇ ne second measuring section 5' with a second head 6 'and a second reflector 7''for determining the refractive Sinde ⁇ xes of the air.
  • the measuring section 5 ' is formed so that at least a part of the of the second head 6' out sand ⁇ th and second by the reflector 7 '' the light reflected back from the second head 6 'is detected. This is illustrated by arrows A ' and B ' .
  • the second reflector 7 '' above the sample is arranged and formed is shown in the form ei ⁇ nes double Fabry-Perot interferometer, a first air-filled resonator path (27) and a two ⁇ te evacuated resonator path (28), wherein the two resonator paths (27, 28) are the same length.
  • the outer reflecting surfaces 9 '' and 10 '' of the reflector 7 '' at the same time represent Lichteinlingers- or Lichtaustrittsfens ⁇ ter of each Fabry-Perot resonator.
  • the reference level one Materi al ⁇ used with low thermal expansion coefficient.
  • a corresponding sensor system with corresponding sensors can be provided at the measuring points.

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Abstract

The invention relates to a measuring device for measuring the thickness of a flat sample (1), comprising an optical measuring path (5) comprising a fluid transparent optical medium (14), between a measuring head (6) and a reflector (7), where the measuring head (6) comprises a window (8) with an outer surface (30) and is designed to send and receive light from a broadband coherent light source (17) in a spectral region in which the sample is at least partially transparent, and where at least part of the light emitted from the measuring head (6) and reflected back from the reflector (7) or from surfaces (15, 16) of the sample (1) can be detected by the measuring head (6), such that a reflection spectrum of the back-reflected light detected by the measuring head (6) can be determined, and where an evaluation unit (24) is provided for determining a thickness of the sample (1) by means of analysing interferences in a broadband spectral region between partial waves of the light, reflected from the outer surface (30) of the window (8) and from the reflector (7) or from the surfaces (15, 16) of the sample (1).

Description

Beschreibung description
Messvorrichtung und Verfahren zur Messung der Dicke einer flä¬ chigen Probe Measuring apparatus and method for measuring the thickness of a sample sur fa ¬ speaking
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrich¬ tung und ein Verfahren zur Messung der Dicke einer flächigen, insbesondere einer platten- bzw. folienförmigen Probe. Es sind optische Messverfahren zur Dickenmessungen bekannt, basierend auf interferometrische Abstandsmessungen zwischen einem Messkopf und einer Oberfläche des zu vermessenden Kör¬ pers . DE 10 2010 000 757 AI offenbart eine solche Messvorrichtung zur Dickenmessung von plattenförmigen Teilen. Die Vorrichtung weist mindestens zwei Messeinrichtungen jeweils mit einem Messkopf zur Erfassung eines jeweiligen Abstands zu der dem jeweiligen Messkopf zugewandten Oberfläche des Teils auf. Die Messeinrichtungen weisen jeweils einen Messstrahl und einen Referenz strahl auf, so dass die beiden Messstrahlen und die beiden Referenzstrahlen gemeinsam ausgewertet werden. The present invention relates to a Messvorrich ¬ device and a method for measuring the thickness of a flat, in particular a plate or sheet-shaped sample. There are optical measuring method of thickness measurements known, based on interferometric distance measurements between a probe and a surface of the measuring Kör ¬ pers. DE 10 2010 000 757 AI discloses such a measuring device for measuring the thickness of plate-shaped parts. The device has at least two measuring devices each with a measuring head for detecting a respective distance to the surface of the part facing the respective measuring head. The measuring devices each have a measuring beam and a reference beam, so that the two measuring beams and the two reference beams are evaluated together.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messvor- richtung und ein Verfahren zur Messung bereitzustellen, die es erlauben, eine absolute Dicke von flächigen, insbesondere platten- bzw. folienförmigen Proben auf einfache und zuverläs¬ sige Weise mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Messvorrichtung zur Messung der Dicke einer flächi¬ gen Probe gelöst, die eine ein fluides optisches Medium auf- weisende und zur Aufnahme der Probe ausgebildete optische Messstrecke zwischen einem Messkopf und einem Reflektor um- fasst. Der Messkopf weist ein Fenster mit einer Außenfläche auf und ist zum Aussenden und Empfangen eines Lichtes von ei- ner breitbandigen kohärenten Lichtquelle in einem Spektralbe¬ reich, in dem die Probe wenigstens teilweise transparent ist, ausgebildet. Wenigstens ein Teil eines von dem Messkopf ausge¬ sandten und von dem Reflektor bzw. von Oberflächen der Probe zurückreflektierten Lichtes ist vom Messkopf erfassbar, so dass ein Reflektionsspektrum des vom Messkopf erfassten zu¬ rückreflektierten Lichtes ermittelbar ist. Ferner ist eine Auswerteeinheit zum Ermitteln einer Dicke der Probe mittels Analysierens von Interferenzen in einem breitbandigen Spekt¬ ralbereich zwischen von der Außenfläche (30) des Fensters (8) und von dem Reflektor bzw. von den Oberflächen der Probe re¬ flektierten Teilwellen des Lichtes vorgesehen. The object of the present invention is to provide a measurement device and a method for measurement, which allow to determine an absolute thickness of flat, in particular plate or foil-shaped sample in a simple and reliabil ¬ SiGe with high accuracy. According to a first aspect of the invention, this object is achieved by a measuring device for measuring the thickness of a flächi ¬ gen sample up a a fluid optical medium pointing and formed for receiving the sample optical measuring path between a measuring head and a reflector encompassed. The measuring head has a window with an outer surface and is ¬ rich, in which the sample is at least partially transparent, formed for emitting and receiving a light from a broadband light source in a coherent areas of the spectrum. At least a portion of an out of the measuring head ¬ emitted and can be detected from the reflector or from surfaces of the sample light reflected back from the measuring head, so that a reflection spectrum of the reflected light back to ¬ detected by the measuring head can be determined. Further, an evaluation unit for determining a thickness of the sample is provided by means of analyzing interference in a broadband Spekt ¬ ralbereich between the outer surface (30) of the window (8) and from the reflector or from the surfaces of the sample re ¬ inflected partial waves of the light ,
Unter breitbandiger Lichtquelle wird eine in einem breiten Spektralbereich emittierende Lichtquelle verstanden, die eine spektrale Breitband-Lichtquelle aber auch eine schmalbandige jedoch in einem breiten Spektralbereich durchstimmbare Licht¬ quelle sein kann. A broadband light source is understood to be a light source emitting in a broad spectral range, which may be a spectral broadband light source but also a narrowband light source that can be tuned in a wide spectral range.
Unter Kohärenz der Lichtquelle wird im Falle der spektralen Breitband-Lichtquelle eine räumliche Kohärenz in dem Sinne verstanden, dass nach einer spektralen Auffächerung des Lich¬ tes in ausreichend schmale Spektralbereiche, welche beispiels¬ weise einzige Gaußmoden oder viele Gauß-Laguerre-Moden aufwei¬ sen können, interferometrische Messungen von Wegunterschieden im mm-Bereich durchführbar sind. Im Falle einer wellenlängendurchstimmbaren Lichtquelle (swept source) wird darunter eine ausreichende zeitliche Kohärenz verstanden, die Durchführung einer swept source OCT (optical coherence tomography) erlaubt. Under coherence of the light source, a spatial coherence is meant in the sense in the case of spectral broadband light source that which example ¬ example only Gaussian modes or many Gauss-Laguerre modes aufwei ¬ sen by a spectral fanning of the Lich ¬ tes in sufficiently narrow spectral ranges, interferometric measurements of path differences in the mm range can be carried out. In the case of a wavelength-tunable light source (swept source), this is understood to mean sufficient temporal coherence, which allows a swept source OCT (optical coherence tomography) to be carried out.
Mit der Messvorrichtung kann durch eine einseitige optische Messung die absolute Dicke der flächigen Probe mit hoher Ge¬ nauigkeit bestimmt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Messvorrichtung derart ausgebildet, dass Messungen in einem ersten Messzustand und in einem zweiten Messzustand durchführbar sind, wobei in dem ersten Messzustand eine optische Schichtdicke der Mess¬ strecke mit dem optischen Medium ohne Probe messbar ist und in dem zweiten Messzustand eine optische Schichtdicke des opti¬ schen Mediums zwischen der Probe und dem Messkopf sowie eine optische Schichtdicke des optischen Mediums zwischen der Probe und dem Reflektor messbar sind. Im ersten Messzustand kann somit die optische Schichtdicke sO des optischen Mediums zwischen dem Messkopf und dem Reflektor und im zweiten Messzustand können optische Schichtdicken sl und s2 des optischen Mediums auf beiden Seiten der Probe be¬ stimmt werden, so dass unter Kenntnis des Brechungsindexes n des optischen Mediums die geometrische Dicke dp der Probe di¬ rekt bestimmt werden kann gemäß dp = ( s0-sl-s2 ) /n, ohne über den Brechungsindex oder Dispersionseigenschaften der Probe bzw. über ihre Temperaturabhängigkeit etwas wissen zu müssen. Damit der erste und der zweite Messzustand eintreten, kann die Messvorrichtung so ausgebildet sein, dass platten- bzw. foli- enförmige Einzelproben mit Hilfe eines Förderbands quer durch die Messstrecke gezogen werden können. Dabei kann in den Zeit¬ intervallen, wenn sich gerade keine Probe im Strahlengang der Messstrecke befindet, die optische Schichtdicke sO gemessen werden. Wenn sich eine Probe in der Messstrecke befindet, kön- nen dagegen die optischen Schichtdicken sl und s2 des opti¬ schen Mediums auf beiden Seiten der Probe gemessen werden. With the measuring apparatus, the absolute thickness of the sheet-like sample can be determined with high accuracy by Ge ¬ a one-sided optical measurement. In one embodiment of the invention, the measuring device is designed such that measurements can be carried out in a first measurement state and in a second measurement state, wherein in the first measurement state, an optical layer thickness of the measurement ¬ distance with the optical medium without sample is measurable and in the second state of measurement an optical layer thickness of the optical ¬'s medium between the sample and the measuring head and an optical layer thickness of the optical medium between the sample and the reflector can be measured. In the first measuring condition, the optical layer thickness can thus sO of the optical medium between the measuring head and the reflector and the second measuring state optical layer thicknesses sl and s2 of the optical medium can be on both sides of the specimen be ¬ true, so that with a knowledge of the refractive index n of the optical Medium, the geometric thickness dp of the sample can be determined di ¬ rectly according to dp = (s0-sl-s2) / n, without having to know anything about the refractive index or dispersion properties of the sample or about their temperature dependence. In order for the first and the second measuring state to occur, the measuring device can be designed such that plate-shaped or foil-shaped individual samples are transversely through with the aid of a conveyor belt the measuring section can be pulled. In this case, in the time intervals ¬ when just no sample in the beam path of the measuring section is located, the optical film thickness sO be measured. When a sample is in the measurement path, on the other hand kön- NEN the optical layer thicknesses sl and s2 of opti ¬'s medium on both sides of the sample are measured.
In einer Ausführungsform ist die Messstrecke schwenkbar gela¬ gert, so dass im Falle einer endlosen bandförmigen Probe, die quer durch die Messstrecke gezogen wird, die Messstrecke über die Probe hin- und her geschwenkt werden kann. An den Umkehr¬ punkte der Schwenkbewegung, die außerhalb des Probenbereichs liegen, kann sO gemessen werden, während in dem mittleren Be¬ reich der Schwenkstrecke die optischen Schichtdicken sl und s2 des optischen Mediums auf beiden Seiten der Probe gemessen werden können. In one embodiment, the measurement path is pivotally gela ¬ Gert, so that in case of an endless belt-shaped sample, which is drawn across the measuring distance, reciprocate the measurement path through the sample and can be swung forth. At the reversal ¬ points of pivotal movement, which are outside the sample region, it can be measured, while in the central Be ¬ area of the pivot path, the optical layer thicknesses sl and s2 of the optical medium can be measured on both sides of the sample.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Messvorrich¬ tung eine erste Halteplatte und eine mit der ersten Halteplat- te einen Spalt zur Aufnahme der Probe bildende zweite Halte¬ platte auf, wobei der Messkopf in einer Ausnehmung der ersten Halteplatte versenkt ist und der Reflektor in einer Ausnehmung der zweiten Halteplatte versenkt ist. Durch die Versenkung des Messkopfes und des Reflektors in den Halteplatten wird gewährleistet, dass der Messkopf und der Re¬ flektor von einer Probe nicht beschädigt werden kann. Außerdem wird dadurch sichergestellt, dass ausreichender Raum zur Auf¬ nahme des optischen Mediums auf beiden Seiten der Probe - zwi- sehen der Probe und dem Reflektor bzw. zwischen der Probe und dem Messkopf, vorhanden ist. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Messstrecke starr ausgebildet, in dem der Messkopf und der Reflektor vor¬ zugsweise mit Hilfe einer Zerodur-Halterung auf einem konstan¬ ten genau bekannten Abstand dO zueinander gehalten werden. Die starre Ausführung der Messstrecke ist besonders gut für dünne Proben geeignet, die ohne Verlängerung der Messtrecke zwischen dem Messkopf und dem Reflektor aufgenommen werden können. Da¬ bei werden in dem ersten Messzustand, d.h. wenn die Messstre¬ cke frei von der Probe ist, Messungen lediglich zur Ermittlung des Brechungsindexes des optischen Mediums durchgeführt. In one embodiment of the invention, the Messvorrich ¬ tung a first holding plate, and a with the first holding plate a gap for receiving the sample forming second holding ¬ plate, whereby the measuring head is countersunk in a recess of the first holding plate and the reflector in a Recess of the second holding plate is sunk. By the sinking of the measuring head and the reflector in the retaining plates is ensured that the measuring head and the Re ¬ Flektor of a sample can not be damaged. In addition, it ensures that sufficient space for ¬ On acceptance of the optical medium on both sides of the sample - is present be- see the sample and the reflector or between the sample and the measuring head. In one embodiment of the invention, the measuring section is rigid, in which the measuring head and the reflector are held against each other by means of a preferably ¬ Zerodur holder on a konstan ¬ th precisely known distance dO. The rigid design of the measuring section is particularly well suited for thin specimens that can be picked up without lengthening the measuring section between the measuring head and the reflector. Since at ¬ be in the first measuring condition, ie when the bridge is Messstre ¬ free from the sample, measurements performed only for determining the refractive index of the optical medium.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Platte mit ei¬ ner Ausnehmung zur Halterung der Probe vorgesehen, die die Probe im Spalt zwischen der oberen und der unteren Halteplat¬ ten festhält . In one embodiment of the invention, a plate with egg ¬ ner recess for holding the sample is provided which holds the sample in the gap between the upper and the lower Halteplat ¬ th.
Durch das Festhalten der Probe werden auch die optischen By holding the sample and the optical
Schichtdicken des optischen Mediums auf beiden Seiten der Pro¬ be während der Messung konstant gehalten, wodurch die Reprodu¬ zierbarkeit der Messung erhöht wird, wenn man beispielsweise mehrere Messreihen an denselben Stellen der Probe durchführen möchte . Layer thicknesses of the optical medium on both sides of the Pro ¬ be kept constant during the measurement, whereby the Reprodu ¬ zierbarkeit the measurement is increased, for example, if you want to perform several series of measurements at the same points of the sample.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Messvorrich¬ tung einen zweiten Reflektor auf der dem Messkopf abgewandten Seite der Probe, vorzugsweise an der zweiten Haltefläche, zur Bestimmung des Brechungsindexes des optischen Mediums auf, wo¬ bei sich der Messkopf und der zweite Reflektor derart begegnen können, dass wenigstens ein Teil eines von dem Messkopf ausge¬ sandten und von dem zweiten Reflektor zurückreflektierten Lichtes vom Messkopf erfassbar ist. Alternativ kann der zwei- ter Reflektor sich auf der dem Messkopf zugewandten Seite der Probe, vorzugsweise an der ersten Haltefläche, befinden. In one embodiment of the invention, the Messvorrich ¬ tung a second reflector on the side remote from the measuring head side of the sample, preferably at the second support surface, for determining the refractive index of the optical medium where ¬ able to meet such a way at the measuring head and the second reflector that at least a portion of a full ¬ emitted by the measuring head and reflected back by the second reflector light from the measuring head can be detected. Alternatively, the second ter reflector on the measuring head facing side of the sample, preferably on the first support surface, are.
Somit wird ein dedizierter zweiter Reflektor zur Bestimmung des Brechungsindexes bereitgestellt, der auf die Bestimmung des Brechungsindexes des optischen Mediums hin ausgelegt wer¬ den kann, so dass der Brechungsindex des optischen Mediums in einer unabhängigen Messung bestimmt werden kann. In einer Aus¬ führungsform der Erfindung weist die Messvorrichtung eine zweite Messstrecke zwischen einem zweiten Messkopf und einem zweiten Reflektor zur Bestimmung eines Brechungsindexes n des optischen Mediums auf, wobei wenigstens ein Teil eines von dem zweiten Messkopf ausgesandten und von dem zweiten Reflektor zurückreflektierten Lichtes vom zweiten Messkopf erfassbar ist . Thus, a dedicated second reflector to determine the refractive index is provided to the determination of the refractive index of the optical medium towards designed ¬ the can, so that the refractive index of the optical medium can be determined in an independent measurement. In one embodiment of the invention, the measuring device has a second measuring path between a second measuring head and a second reflector for determining a refractive index n of the optical medium, wherein at least part of a light emitted by the second measuring head and reflected back by the second reflector from the second Measuring head is detected.
Somit wird eine dedizierte zweite Messstrecke zur Bestimmung des Brechungsindexes des optischen Mediums bereitgestellt, der speziell auf die Bestimmung des Brechungsindexes des optischen Mediums ausgelegt werden kann, so dass der aktuelle Brechungs¬ index des optischen Mediums in einer unabhängigen Messung prä¬ zise bestimmt werden kann. Thus, a dedicated second measuring section for determining the refractive index of the optical medium is provided which can be specially designed for the determination of the refractive index of the optical medium, so that the actual refractive ¬ index of the optical medium in an independent measurement may be determined pre ¬ zise.
Zudem wird durch die Verwendung von unterschiedlichen Messköp¬ fen zur Ermittlung der optischen Schichtdicken einerseits und zur Ermittlung des Brechungsindexes des optischen Mediums an¬ dererseits das Auseinanderhalten von Verschiedenen Messsigna¬ len und die nachfolgende Analyse vereinfacht. Also is facilitated by the use of different Messköp ¬ fen for determining the optical layer thicknesses on the one hand and to determine the refractive index of the optical medium at ¬ other hand, the holding apart of various Messsigna ¬ len and the subsequent analysis.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der zweite Reflektor mindestens zwei reflektierende Flächen und einen Raum mit einer bekannten geometrischen Höhe zur Aufnahme des optischen Mediums auf. According to one embodiment of the invention, the second reflector comprises at least two reflective surfaces and a space with a known geometric height for receiving the optical medium.
In dieser Ausführungsform ist der aktuelle Brechungsindex des optischen Mediums n aus dem Verhältnis einer spektralinterfe- rometrisch ermittelten optischen Raumhöhe zur bekannten geo¬ metrischen Raumhöhe sR/dR unmittelbar bestimmbar. In this embodiment, the current index of refraction of the optical medium n is the ratio of a spektralinterfe- rometrisch determined optical space height to the known geo ¬ metric space height sR / dR immediately determinable.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Re¬ flektor als Referenz stufe ausgeführt. Die Referenzstufe weist eine erste reflektierende Fläche, eine zweite reflektierende Fläche und eine Stufenkante mit einer bekannten Stufenhöhe dR auf, wobei ein von der ersten reflektierenden Fläche zurückre flektiertes Licht und ein von der zweiten reflektierten Fläch zurückreflektiertes Licht vom zweiten Messkopf erfassbar sind According to one embodiment of the invention, the second re ¬ Flektor reference is made level. The reference stage has a first reflective surface, a second reflective surface, and a step edge having a known step height dR, wherein light reflected back from the first reflective surface and light reflected back from the second reflective surface are detectable by the second sensing head
In dieser Ausführungsform ist der aktuelle Brechungsindex des optischen Mediums n aus dem Verhältnis einer spektralinterfe- rometrisch ermittelten optischen Stufenhöhe zur bekannten geo metrischen Stufenhöhe sR/dR unmittelbar bestimmbar. In this embodiment, the actual refractive index of the optical medium n can be determined directly from the ratio of a spectrally interferometrically determined optical step height to the known geometric step height sR / dR.
Somit kann durch die Messung der optischen Stufenhöhe sR die Unsicherheit über den Brechungsindex des optischen Mediums in den Messungen der optischen Schichtdicken des optischen Medi¬ ums, sO, sl, s2 eliminiert werden. Man kann die optische Schichtdicke auf die geometrische Schichtdicke direkt umrech¬ nen : d(i) = s (i) * dR/sR Thus, by measuring the optical step height sR uncertainty about the refractive index of the optical medium in the measurements of the optical layer thicknesses of the optical Medi ¬ killed, sO, sl, s2 are eliminated. Can be the optical film thickness directly conver ¬ nen to the geometrical film thickness d (i) = s (i) * dR / sR
Damit bekommt man direkt die geometrische Schichtdicke der Probe auf einfache Weise, ohne deren Brechungsindex kennen zu müssen, denn dp = dO - dl - d2. In order to get directly the geometric thickness of the sample in a simple manner, without having to know their refractive index, because dp = d0 - d1 - d2.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Lichtstrahl des zweiten Messkopfs so dimensioniert und ausgerichtet, dass das von der ersten reflektierenden Fläche zurückreflektierte Licht und das von der zweiten reflektierenden Fläche zurückreflek¬ tierte Licht von dem zweiten Messkopf gleichzeitig erfassbar sind . Dies kann beispielsweise durch eine Ausrichtung des Licht¬ strahls auf die Stufenkannte erfolgen, so dass bedingt durch den endlichen Querschnitt des Lichtstrahls beide reflektieren¬ den Flächen wenigstens teilweise vom Lichtstrahl erfasst wer¬ den . In one embodiment of the invention, the light beam of the second measuring head is so dimensioned and oriented that the returned light reflected by the first reflective surface and the light zurückreflek ¬ struck from the second reflective surface light from the second measuring head are simultaneously detected. This can be done, for example, by an alignment of the light beam ¬ to the stage name, so that due to the finite cross section of the light beam both reflect ¬ the surfaces at least partially detected by the light beam ¬ who.
Somit enthält das vom zweiten Reflektor zurückreflektierte Licht von den beiden reflektierenden Flächen des zweiten Re¬ flektors zurückreflektierte Anteile, so dass durch spektralin- terferometische Analyse des reflektierten Lichtes auf die der geometrischen Stufenhöhe der Referenzstufe entsprechende opti¬ sche Stufenhöhe des optischen Mediums zurückgeschlossen werden kann . Thus contains the return reflected from the second reflector of light by the two reflective surfaces of the second Re ¬ reflector pre- vents reflected back portions, so that the corresponding optical ¬ specific step height of the optical medium can be deduced by spektralin- terferometische analysis of the reflected light of the geometric step height of the reference stage.
In einer Ausführungsform der Erfindung können die von den bei- den reflektierenden Flächen des zweiten Reflektors zurückre¬ flektierte Anteile zeitlich getrennt erfasst werden. Dies kann beispielsweise durch eine zeitweise laterale - also zum Strah¬ lengang senkrechte - Versetzung des zweiten Reflektors bezüg¬ lich des Messkopfes erfolgen. In one embodiment of the invention, the examples the reflecting surfaces of the second reflector zurückre ¬ inflected of the portions can be detected separately in time. This may for example by a temporary lateral - carried bezüg ¬ Lich of the measuring head displacement of the second reflector - so for Strah ¬ beam path perpendicular.
Somit kann durch eine zeitlich aufgelöste Auswertung des zu¬ rückreflektierten Lichtes die von der ersten reflektierenden Fläche und von der zweiten reflektierenden Fläche zurückre¬ flektierten Lichtanteile zur Bestimmung der optischen Stufen¬ höhe des optischen Mediums klar voneinander getrennt werden. Thus, by a time-resolved analysis of the light reflected back to the reflecting ¬ from the first Surface and reflected by the second reflecting surface backreflected light components for determining the optical stage ¬ height of the optical medium are clearly separated.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Referenz stufe eine hochgenau bekannte geometrische Stufenhöhe auf, sodass der jeweils aktuelle Wert des Brechungsindexes des optischen Mediums, der im Allgemeinen Wellenlängen-, zusammenset zungs- und temperaturabhängig ist, hochgenau bestimmt werden kann, wodurch eine genaue Bestimmung der Dicke der Probe ermöglicht wird . In one embodiment of the invention, the reference level has a high-accuracy known geometric step height, so that the current value of the refractive index of the optical medium, which is generally wavelength, composition and temperature dependent, can be determined with high accuracy, whereby an accurate determination of the Thickness of the sample is possible.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegt die geometrische Stufenhöhe der Referenzstufe im Bereich von 50 pm bis 5000 pm, insbesondere im Bereich von 100 pm bis 1000 pm. In one embodiment of the invention, the geometric step height of the reference step is in the range of 50 pm to 5000 pm, in particular in the range of 100 pm to 1000 pm.
Durch die Wahl der geometrischen Stufenhöhe in diesem Bereich kann die der geometrischen Stufenhöhe entsprechende optische Stufenhöhe des optischen Mediums interferometrisch auf eindeu¬ tige Weise zuverlässig bestimmt werden. By the choice of geometric step height in this range, the corresponding one of the geometrical step height optical step height of the optical medium can be determined interferometrically reliably eindeu ¬ term manner.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind Halteflächen mit Greifplatten zur senkrechten Positionierung und Halterung der Probe vorgesehen, wobei die Greifplatten an geeigneten Stellen Aussparungen zum Lichtdurchgang aufweisen. In one embodiment of the invention holding surfaces are provided with gripping plates for vertical positioning and mounting of the sample, wherein the gripping plates have recesses for passage of light at suitable locations.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist als fluides optisches Medium Luft vorgesehen. Alternativ kann auch ein flüssiges optisches Medium, wie etwa Wasser oder Öl, ein- gesetzt werden. Die optischen Eigenschaften der Luft sind verhältnismäßig gut bekannt und weisen geringe Schwankungen auf. Zudem ist die Durchführung von Messungen in der Luft mit geringem experimen¬ tellem Aufwand möglich. In a preferred embodiment of the invention, air is provided as the fluid optical medium. Alternatively, a liquid optical medium, such as water or oil, can be used. The optical properties of the air are relatively well known and have little variation. In addition, the implementation of measurements in the air with little experimen ¬ tellem effort is possible.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der zweiter Reflek¬ tor als ein doppeltes Fabry-Perot-Interferometer aufgebaut, der eine erste luftgefüllte Resonator-Wegstrecke und eine zweite evakuierte Resonator-Wegstrecke aufweist, wobei die beiden Wegstrecken gleich lang sind und deren Länge vorzugs¬ weise mit einer Zerodur-Halterung im Wesentlichen konstant ge¬ halten wird. In one embodiment of the invention, the second reflector ¬ tor is constructed as a double Fabry-Perot interferometer having a first air-filled resonator path and a second evacuated resonator path, the two paths are the same length and whose length is preferential ¬ way with a Zerodur holder is substantially constant hold ¬ ge.
Die beiden Resonatoren sind so ausgebildet, dass die von den Resonatoren zurückreflektierten Lichtanteile (analog zu dem Fall mit der Referenz stufe ) zu Interferenz gebracht werden können. Diese Ausführungsform ist besonders gut für den Fall geeignet, wenn als optisches Medium Luft vorgesehen ist. Aus der spektralinterferometrischen Analyse des resultierenden Lichtes kann der Brechungsindex der Luft genau ermittelt wer¬ den, denn durch die Verwendung der Fabry-Perot-Interferometer kann die Messgenauigkeit gesteigert werden kann. Eine hohe Re- flektivität wird nur bei Erfüllung der Bedingung λ(Ν,η) = 2*L*n/N mit ganzzahligem N erreicht, wobei für Vakuum n = 1 und n = 1,00029 für Luft. The two resonators are designed so that the light reflected back from the resonators light components (analogous to the case with the reference level) can be brought to interference. This embodiment is particularly well suited for the case when air is provided as the optical medium. From the spectral interferometric analysis of the resulting light, the refractive index of the air can be determined precisely who the ¬ , because by the use of the Fabry-Perot interferometer, the measurement accuracy can be increased. A high reflectivity is only achieved if the condition λ (Ν, η) = 2 * L * n / N with integer N is satisfied, where n = 1 and n = 1.00029 for air.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegen die Lichtwellen¬ längen der breitbandigen kohärente Lichtquelle im Nah- Infrarot-Bereich, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 950 nm bis 2000 nm, insbesondere im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 1200 nm. In diesem Wellenlängenbereich sind viele Werkstoffe, insbeson¬ dere Halbleiterwerkstoffe (beispielsweise Si-Wafer) , die für die Untersuchung in Frage kommen, optisch transparent. Die breitbandige kohärente Lichtquelle kann ausgewählt sein aus einer Gruppe, bestehend aus einer Leuchtdiode, einer Halb- leiter-Superlumineszenz-Diode, einer ASE-Quelle (optically pumped fiber based amplified spontaneous emission source) , ei¬ nem optisch gepumpten photonischen Kristall-Laser sowie einem abstimmbaren Halbleiter-Quantendot-Laser . In one embodiment of the invention the light waves ¬ lengths of the broadband coherent light source in the near infrared range, preferably in the wavelength range of 950 nm to 2000 nm, in particular in the wavelength range of 1000 nm to 1200 nm. In this wavelength range, various materials, insbeson ¬ particular semiconductor materials (for example, Si wafer) which come into question for the examination, optically transparent. The broadband coherent light source may be selected from a group consisting of a light emitting diode, a semi- conductor superluminescent diode, an ASE source (optically pumped fiber based amplified spontaneous emission source), egg ¬ nem optically pumped photonic crystal laser, and a tunable semiconductor quantum dot laser.
Diese Lichtquellen eignen sich gut als Lichtquellen im nahen Infrarotbereich . In einer ausführungsform der Erfindung wird ein Spektrometer zur Ermittlung des Spektrums des vom Messkopf erfassten Lich¬ tes vorgesehen. These light sources work well as near infrared light sources. In one embodiment of the invention, a spectrometer for determining the spectrum of the captured by the measuring head Lich ¬ tes is provided.
Der Einsatz des Spektrometers erlaubt es, breitbandige im re- levanten Spektralbereich nicht durchstimmbare Lichtquellen zu verwenden . The use of the spectrometer makes it possible to use broadband light sources that are not tunable in the relevant spectral range.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Spektrometer ein optisches Gitter auf, ausgebildet zum Auffächern der spektralen Verteilung der von dem Messkopf erfassten reflek¬ tierten Strahlung. In one embodiment of the invention, the spectrometer on an optical grating adapted to fanning of the spectral distribution detected by the measuring head reflectors ¬ oriented radiation.
Das optische Gitter ist gut dafür geeignet, das Lichtspektrum im Nah-Infrarot-Bereich spektral aufzufächern. The optical grating is well suited to spectrally fan out the light spectrum in the near-infrared range.
In einer Ausführungsform der Erfindung im Falle einer swept source OCT wird das optische Spektrum des vom Messkopf erfass- ten Lichtes mit Hilfe eines Photodetektors ermittelt, der die LichtIntensität zu unterschiedlichen Zeitpunkten I(t) misst und an die Auswerteeinheit zur Auswertung ausgibt. Das Spekt¬ rum I (λ) des vom Messkopf erfassten Lichtes kann dann anhand einer bekannten zeitlichen Abhängigkeit der Lichtwellenlänge der swept source A(t) durch die Auswerteeinheit ermittelt wer¬ den . In one embodiment of the invention, in the case of a swept source OCT, the optical spectrum of the head detected by the measuring head is determined. th light with the aid of a photodetector, which measures the light intensity at different times I (t) and outputs to the evaluation unit for evaluation. The Spekt ¬ rum I (λ) of the detected light from the measuring head can then be based on a known time dependence of the light wavelength of the swept source A (t) determined by the evaluation unit ¬ the.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Messkopf in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse angeordnet, das ein für das Licht der Lichtquelle transparentes Fenster aufweist. According to one embodiment of the invention, the measuring head is arranged in a hermetically sealed housing which has a window transparent to the light of the light source.
Der Messkopf kann somit zusammen mit dem Fenster in der dafür vorgesehenen Ausnehmung in der ersten Haltefläche eingesetzt werden . The measuring head can thus be used together with the window in the recess provided in the first holding surface.
Das hermetisch abgedichtete Gehäuse schützt den Messkopf vor vor äußeren Einflüssen, wie Eindringen von Staubpartikeln oder des fluiden optischen Mediums. The hermetically sealed housing protects the measuring head from external influences, such as the penetration of dust particles or the fluid optical medium.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Messvor¬ richtung mehrere Messstrecken auf, so dass eine Probe gleich¬ zeitig an mehreren Stellen bzw. mehrere Proben gleichzeitig gemessen werden können. According to one embodiment of the invention the Messvor ¬ direction on several sampling lengths, so that a sample can be measured simultaneously equal ¬ time at multiple locations or multiple samples.
Dadurch kann die Dickeninhomogenität bzw. Dickenverteilung der Probe bzw. mehrere Proben in kürzester Zeit gemessen werden. As a result, the thickness inhomogeneity or thickness distribution of the sample or several samples can be measured in a very short time.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Messung einer Dicke einer flächigen Probe in einer Messvor¬ richtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, das folgende Schritte umfasst: - Aussenden des breitbandigen kohärenten Lichtes mit mehreren Wellenlängen aus dem Messkopf; According to a second aspect of the invention a method for measuring a thickness of a flat sample is provided in a Messvor ¬ direction of the first aspect of the invention, comprising the steps of: - emitting the multi-wavelength broadband coherent light from the measuring head;
- Empfangen mit dem Messkopf wenigstens eines Teils eines zurückreflektierten Lichtes;  Receiving with the measuring head at least part of a back-reflected light;
- Ermitteln einer Dicke der Probe mittels Analysierens des von dem Messkopf erfassten zurückreflektierten Lichtes unter Verwendung eines optischen spektralin- terferometrischen Verfahrens. Das Verfahren erlaubt es, durch eine einseitige optische Mes¬ sung die absolute Dicke der Probe mit hoher Genauigkeit zu be¬ stimmen . Determining a thickness of the sample by analyzing the back-reflected light detected by the measuring head using an optical spectrometric interferometric method. The method allows to carry a one-sided optical Mes ¬ solution the absolute sample thickness with high accuracy to be ¬ agree.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das zurückreflek- tierte Licht in dem ersten Messzustand und in dem zweiten Messzustand empfangen. In one embodiment of the invention, the reflected-back light is received in the first measurement state and in the second measurement state.
Im ersten Messzustand kann eine optische Dicke sO des opti¬ schen Mediums zwischen dem Messkopf und dem Reflektor ermit- telt werden und in dem zweiten Messzustand können optische Di¬ cken sl und s2 des optischen Mediums auf beiden Seiten der Probe ermittelt werden. In the first measuring condition an optical thickness So of the optical ¬'s medium between the measuring head and the reflector can be determined and in the second measuring optical state Di ¬ CKEN sl and s2 of the optical medium can be identified on both sides of the sample.
Anhand der in dem ersten Messzustand und in dem zweiten Mess- zustand ermittelten optischen Dicken kann unter Kenntnis des Brechungsindexes des optischen Mediums n die absolute geomet¬ rische Dicke der Probe dp = (sO - sl - s2)/n berechnet werden, ohne dabei über den Brechungsindex oder Dispersionseigenschaf¬ ten der Probe oder über deren Temperaturabhängigkeit etwas wissen zu müssen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Bestimmung des Brechungsindexes des optischen Mediums das von dem zweiten Reflektor zurückreflektierte Licht von dem zweiten Messkopf erfasst . Based on the determined in the first measuring state and in the second measurement state optical thicknesses may with knowledge of the refractive index of the optical medium n is the absolute geomet ¬ generic thickness of the sample dp = (sO - sl - s2) / n can be calculated, without being over- to know something about the refractive index or dispersion properties of the sample or about its temperature dependence. According to one embodiment of the invention, the light reflected back from the second reflector is detected by the second measuring head to determine the refractive index of the optical medium.
Somit werden die optischen Schichtdicken und der Brechungsin¬ dex des optischen Mediums mit unterschiedlichen Messköpfen ge¬ messen, wodurch sich das Auseinanderhalten von verschiedenen Messsignalen und die nachfolgende Analyse vereinfacht. Thus, the optical layer thicknesses and the Brechungsin ¬ dex of the optical medium are ge ¬ measured with different measurement heads, which simplifies the holding apart of various measurement signals and the subsequent analysis.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegen die Lichtwellen¬ längen der breitbandigen Lichtquelle im Nah-Infrarot-Bereich, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 950 nm bis 2000 nm, insbesondere im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 1200 nm. In one embodiment of the invention the light waves ¬ lengths of the broadband light source in the near infrared range, preferably in the wavelength range of 950 nm to 2000 nm, in particular in the wavelength range of 1000 nm to 1200 nm.
In diesem Wellenlängenbereich sind viele Werkstoffe, insbeson¬ dere Halbleiterwerkstoffe (beispielsweise Si-Wafer) , die für die Untersuchung in Frage kommen, optisch transparent. In einer Durchführungsform der Erfindung liegt die Belich¬ tungsdauer bei einer Messung unter 1000 ps, insbesondere unter 10 ps. In this wavelength range, various materials, insbeson ¬ particular semiconductor materials (for example, Si wafer) which come into question for the examination, optically transparent. In an implementation form of the invention is Belich ¬ processing time at a measurement of less than 1000 ps, in particular less than 10 ps.
Diese Messzeiten sind kurz genug, um die Verminderung der Messqualität durch mechanische Drifts wie etwa durch Vertikal¬ bewegung der Probe vermieden. These measurement times are short enough to avoid the reduction of the measurement quality by mechanical drifts such as by vertical ¬ movement of the sample.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die breitbandige kohä¬ rente Lichtquelle ausgewählt sein aus einer Gruppe, bestehend aus einer Leuchtdiode, einer Halbleiter-Superlumineszenz-In the inventive method, the broadband kohä ¬ pension light source may be selected from a group consisting of a light emitting diode, a semiconductor superluminescent
Diode, einer ASE-Quelle (optically pumped fiber based amplifi- ed spontaneous emission source) , einem optisch gepumpten pho- tonischen Kristall-Laser sowie einem abstimmbaren Halbleiter- Quantendot-Laser . Diode, an optically pumped fiber-based amplified spontaneous emission source (ASE), an optically pumped pho- tonic crystal laser and a tunable semiconductor quantum dot laser.
Diese Lichtquellen eignen sich gut als Lichtquellen im Nah- Infrarot-Bereich . These light sources are well suited as light sources in the near infrared range.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren Erfassen der optischen Stufenhöhe des optischen Mediums anhand einer Messung an der Referenzstufe. In one embodiment of the invention, the method comprises detecting the optical step height of the optical medium based on a measurement at the reference stage.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Erfassen der optischen Stufenhöhe des optischen Mediums anhand einer Messung an der Referenz stufe mit dem zweiten Messkopf. In one embodiment of the invention, the detection of the optical step height of the optical medium takes place based on a measurement at the reference level with the second measuring head.
Der aktuelle Brechungsindex des optischen Mediums wird aus dem Verhältnis n = sR/dR einer spektralinterferomet isch ermittel¬ ten optischen Stufenhöhe sR zur geometrischen Stufenhöhe dR unmittelbar bestimmt. The current index of refraction of the optical medium is a spektralinterferomet ish ermittel ¬ th optical step height sR to the geometrical step height dR directly determined from the ratio n = sR / dR.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die geometrische Stufenhöhe zuvor in Luft mit einem Monochrom-Interferometer bestimmt. Der Versatz der Interferenzsteifen liefert die Pha¬ senverschiebung Δφ Modulo 2n bzw. die geometrische Stufenhöhe dR Modulo K/2. In one embodiment of the invention, the geometric step height is previously determined in air with a monochrome interferometer. The offset of the interference strips provides the Pha ¬ senverschiebung Δφ modulo 2n or the geometrical step height dR modulo K / 2.
Dadurch kann die bereits anhand einer bereits im Vorfeld mit einer Mindestgenauigkeit von K/2 durchgeführten Vorabmessung ermittelte Stufenhöhe hochpräzise bestimmt werden. As a result, the step height determined already on the basis of a preliminary measurement already carried out in advance with a minimum accuracy of K / 2 can be determined with high precision.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das spektra¬ linterferometrische Verfahren ein Auffächern der spektralen Verteilung der vom Messkopf erfassten Strahlung unter Verwen¬ dung eines optischen Gitters. According to one embodiment of the invention the spektra ¬ linterferometrische method includes fanning of the spectral Distribution of the detected radiation from the measuring head under USAGE ¬ dung an optical grating.
Das optische Gitter ist gut dafür geeignet, das Lichtspektrum im Nah-Infrarot-Bereich spektral aufzufächern. The optical grating is well suited to spectrally fan out the light spectrum in the near-infrared range.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Reflektions- spektrum des von dem Messkopf empfangenen Lichts als eine Funktion der Wellenlängen I (λ) mittels eines Arrays von Pho- todetektoren in dem Spektrometer gemessen und ein SpektrumIn one embodiment of the invention, the reflection spectrum of the light received by the measuring head is measured as a function of the wavelengths I (λ) by means of an array of photodetectors in the spectrometer and a spectrum
I' (l/λ) als eine Funktion der invertierten Wellenlängen ermit¬ telt . I '(l / λ) as a function of the inverted wavelengths ermit ¬ determined.
Unter Einsatz der aus den vorherigen Messungen ermittelten Brechungsindizes, kann dabei eine entzerrte Intensitätsvertei¬ lung I (k) mit k = η(λ)/λ berechnet werden. Using the refractive indexes determined from the previous measurements, it can be an equalized Intensitätsvertei lung ¬ I (k) with k = η (λ) / λ are calculated.
Aus der spektralen Analyse der Intensitätsverteilung I (k) kann dann direkt auf die optischen Schichtdicken der im Strahlen- gang liegenden Schichten geschlossen werden. From the spectral analysis of the intensity distribution I (k) it is then possible to deduce directly the optical layer thicknesses of the layers lying in the beam path.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird bei der Ermittlung des Brechungsindexes des optischen Mediums ein Dispersionsab- gleich auf Brechungsindex durchgeführt. Dazu wird vor der FFT (Fast Fourier Transformation) das Spektrum I (p) über Detektor¬ pixel auf I(k') umgerechnet, wobei man ein äquidistantes Ras¬ ter über die spektrale Größe k'= η(λ)/λ bildet. In one embodiment of the invention, in determining the refractive index of the optical medium, a dispersion compensation is performed on the refractive index. For this purpose, prior to the FFT (fast Fourier transformation), the spectrum I (p) over detector ¬ pixel to I (k ') converted to yield an equidistant Ras ¬ ter over the spectral quantity k' = η (λ) / forms λ.
Auf diese Weise kann durch den Dispersionsabgleich die Genau- igkeit der Ermittlung des Brechungsindexes des optischen Medi¬ ums erhöht werden. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird bei der Er¬ mittlung des Brechungsindexes des optischen Mediums Interfero- meterphasen-Bestimmung durchgeführt . In this way the accu- determining the refractive index of the optical Medi ¬ killed may accuracy by the dispersion balance are increased. According to one embodiment the method is used in the He ¬ averaging the refractive index of the optical medium interferometer performed meter phase determination.
Dabei wird zunächst eine Interferometerphase für ein λο im Spektrum hochgenau bestimmt und sie dann mit einer grob gemes¬ senen Absolutphase φ = 4 n *dR*n(Äo)/Ao abgeglichen, um ein präzises η(λο) zu erhalten. Diese Prozedur wird dann für die¬ jenigen Spektralanteile wiederholt, die zur Messung von sO, sl und s2 beitragen, um daraus entsprechende geometrische Dicken abzuleiten . In this case, an interferometer phase for a λο in the spectrum is first determined with high precision, and then with a coarse gemes ¬ Senen absolute phase φ n = 4 * dR * n (EO) / Ao balanced to obtain a precise η (λο). This procedure is then repeated for the ¬ jenigen spectral components that contribute to the measurement of sO, sl and s2 to derive corresponding geometric thicknesses.
Für die Isolierung der Spektralanteile wird ein FFT- Filterverfahren durchgeführt, bei dem zunächst im komplexwer- tigen Fourierspektrum eine Umgebung um einen bestimmten For the isolation of the spectral components, an FFT filter method is carried out, in which first in the complex Fourier spectrum an environment around a certain one
Schichtdickenpeak herausgeschnitten und der Rest des Spektrums auf Null gesetzt wird. Layer thickness peak is cut out and the rest of the spectrum is set to zero.
Durch eine nachfolgende FFT-Rücktransformation des so modifi¬ zierten Fourier-Spektrums, wird dann die spektrale Modulation zu einer Einzelschichtdicke und daraus die Interferometerphase ermittelt . By a subsequent FFT-transform of the so-modifi ed ¬ Fourier spectrum, the spectral modulation to a single layer thickness, and the resulting interferometer phase is then determined.
Alternativ kann die Interferometerphase unmittelbar anhand von Peaks des komplexwertigen Fourierspektrums extrahiert werden. Alternatively, the interferometer phase can be extracted directly from peaks of the complex Fourier spectrum.
Zur Ermittlung des Brechungsindexes wird ein Quotient zwischen der optischen und der geometrischen Weglängen gebildet. Das interferometrische Verfahren liefert die gemessene optische Dicke mit der Genauigkeit eines Terms, der eine ganzzahlige Konstante enthält, so dass man für den Brechungsindex erhält: n_gemessen (λ) = n (λ) + N*(Ä/dR) To determine the refractive index, a quotient between the optical and the geometric path lengths is formed. The interferometric method provides the measured optical thickness with the accuracy of a term containing an integer constant to give the refractive index: n_measured (λ) = n (λ) + N * (λ / dR)
Um den Brechungsindex dennoch eindeutig bestimmen zu können, wird vorgeschlagen, die Referenzstufenhöhe dR der Luft- schichtso klein zu halten, dass nur ein N-Wert einen Bre¬ chungsindex liefert, der konsistent mit dem Brechungsindex der Luft ist . In order to nevertheless clearly determine the refractive index, it is proposed to keep the reference step height dR aviation schichtso small that only one N-value provides a Bre ¬ chung index, which is consistent with the refractive index of air.
Um den Brechungsindex n des Bearbeitungsmediums eindeutig be- stimmen zu können, wird alternativ oder zusätzlich eine Mes¬ sung der optischen Schichtdicke des optischen Mediums sO mit der Messung im Vakuum bei der entsprechenden geometrischen Schichtdicke durchgeführt. Durch den Abgleich dieser beiden Messungen können beispielsweise die Ergebnisse der Stufenmes- sungen verifiziert werden. To be able to agree to the refractive index n of the processing medium unique loading, a Mes ¬ solution of the optical layer thickness of the optical medium it is alternatively or additionally carried out with the measurement in the vacuum at the corresponding geometric layer thickness. By comparing these two measurements, for example, the results of the step measurements can be verified.
Die erforderliche Absolutgenauigkeit bei der Messung des Bre¬ chungsindexes hängt von der geforderten Genauigkeit der Di¬ ckenbestimmung der Probe ab. Bei einer Zielgenauigkeit der Di- ckenmessung der Probe von 100 ppm, und bei einer Absolutgenau- igkeit der optischen Stufenhöhenmessung von 1 nm, (etwa durch phasenschiebenden Interferometrie unter Einsatz eines HeNe- Lasers mit einer Verstärkungsbandbreite von 1,5 GHz und bei der Lichtwellenlänge von 632,816 nm) ist die Mindest stufenhöhe 10 pm. The required absolute accuracy in measuring the Bre ¬ chung indexes depends on the required accuracy of the di ¬ ckenbestimmung the sample. With a target accuracy of the thickness measurement of the sample of 100 ppm, and with an absolute accuracy of the optical step height measurement of 1 nm, (eg by phase-shifting interferometry using a HeNe laser with a gain bandwidth of 1.5 GHz and at the light wavelength of 632.816 nm) is the minimum step height 10 pm.
Die maximale Stufenhöhe wird aus Eindeutigkeitsüberlegungen gewählt und hängt davon ab, wie genau man die Stufenhöhe bzw. den Brechungsindex in einer Vorabmessung bestimmen kann. Der interferometrische Eindeutigkeitsbereich hängt von der Wellen¬ länge und dem Brechungsindex des Mediums ab X/ (2*n) . Bei¬ spielsweise, bei einer Wellenlänge von 1,1 pm und bei Bre- chungsindex von 1,33 (Wasser) ergibt dies 0,42 pm oder 4,2 Promille von 100 pm Stufenhöhe. The maximum step height is chosen for uniqueness considerations and depends on how accurately you can determine the step height or the refractive index in a pre-measurement. The interferometric uniqueness range depends on the wavelength and the refractive index of the medium from X / (2 * n). In ¬ example, at a wavelength of 1.1 pm and at Bre- index of 1.33 (water) gives 0.42 pm or 4.2 parts per thousand of step height.
Im Falle der Luft als optisches Medium ist der Brechungsindex niedriger (n = 1,00029) und weist geringere Schwankungen auf (im Bereich von 10 %), sodass eine eindeutige Bestimmung des Brechungsindexes auch bei höheren Referenzschichthöhen erzielt werden kann. Durch Messung von Druck, Temperatur und Luft¬ feuchtigkeit mit einer entsprechender Sensorik kann einen sehr genauen Zielwert für den Brechungsindex der Luft erhalten. In the case of air as an optical medium, the refractive index is lower (n = 1.00029) and has smaller variations (in the range of 10%), so that a clear determination of the refractive index can be achieved even at higher reference layer heights. By measuring pressure, temperature and air humidity ¬ with a corresponding sensor can obtain a very accurate target value for the refractive index of the air.
Durch die Messungen an der Referenz stufe , bzw. an den Refe- renzkavitäten des Fabry-Perot-Interferometers können die Tem¬ peraturabhängigkeit der Spektrometerkennlinie λ = A(pixel) und ihre Auswirkung auf den Messwert kompensiert werden. Durch die Kombination der optisch gemessenen Dickenwerte der definierten Vakuum-Kavität und einer definierten Stufenhöhe in Luft kann der tatsächliche Brechungsindex der Luft ohne temperaturbe¬ dingten Messwertdrift ermittelt werden. By the measurements at the reference level, or renzkavitäten to the refer- of the Fabry-Perot interferometer the Tem ¬ peraturabhängigkeit the spectrometer characteristic λ = A (pixel), and its effect can be compensated for in the measured value. The combination of the optically measured thickness values of the defined vacuum cavity and a defined step height in air, the actual refractive index of air without temperaturbe ¬-related measured value drift can be determined.
Damit man für jede Temperatur den plausiblen Bereich genau trifft, wird vorgeschlagen, an der Messstelle einen Tempera¬ turfühler anzubringen, um für die lokale Temperatur T den plausibelsten Brechungsindex für das optische Medium, η(Τ,λ) anzusetzen, um den plausibelsten N-Wert zu ermitteln. In order to exactly meet the plausible range for each temperature, it is proposed to install a temperature ¬ turfühler at the measuring point, in order for the local temperature T of the plausible refractive index of the optical medium, η (Τ, λ) to be set to the most plausible N- Value to be determined.
Das beschriebene Messverfahren erlaubt es, Messungen in unter¬ schiedlichen Genauigkeitsklassen - von 1000 ppm (grobe Messun¬ gen) bis 1 ppm (ultrapräzise Messungen) - durchzuführen. Dabei können die einzelnen Verfahrensschritte je nach Bedarf, sprich je nach erforderlicher Messgenauigkeit durchgeführt werden. Mit sukzessiver Erweiterung des Verfahren mit den oben be¬ schriebenen Verfahrensschritten, angefangen von der Messung der Gesamtlänge der Messstrecke dO, über das Konstanthalten von dO, über die Messung an der Referenzstufe in der Luft, über die Phasenauswertung, bis hin zur Messung an dem doppel¬ ten Fabry-Perot-Interferometer mit Luft- bzw. Vakuumkavitäten, kann die Messgenauigkeit bis hin zu 1 ppm sukzessive erhöht werden . The measurement method described allows measurements in different under ¬ union accuracy classes - 1000 ppm (coarse Messun ¬ gen) to 1 ppm (ultra-precise measurements) - to carry out. The individual process steps can be carried out as required, that is, depending on the required accuracy of measurement. With successive expansion of the method with the method steps described above, starting from the measurement of the total length of the measuring section dO, via the keeping constant of dO, via the measurement at the reference stage in the air, via the phase evaluation, up to the measurement at the double If Fabry-Perot interferometers with air or vacuum cavities are used, the measuring accuracy can be successively increased up to 1 ppm.
Gemäß einer Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich ein Luftspalt bekannter Dicke gemessen und ei¬ ner Phasenauswertung unterzogen. According to a form of implementation of the method according to the invention an air gap of known thickness is additionally measured and subjected ei ¬ ner phase evaluation.
Somit kann eine Echt zeiteichung des Spektrometers durchgeführt werden, wodurch durch etwaige Drifts verursachte Messungenau- igkeiten reduziert werden können. Thus, a real-time calibration of the spectrometer can be carried out, whereby measurement inaccuracies caused by any drifts can be reduced.
In einer Ausführungsform kann eine derartige Eichung des In one embodiment, such a calibration of the
Spektrometers sowohl während einer Messung als auch zwischen zwei Messvorgängen durchgeführt werden. Spectrometer both during a measurement and between two measuring operations are performed.
Somit kann die Eichung je nach Bedarf durchgeführt werden, so- dass die Messzeit effizienter genutzt werden kann, insbesonde- re bei Spektrometern, welche geringe bzw. langsame Drifts auf- weisen . Thus, the calibration can be carried out as required, so that the measuring time can be used more efficiently, in particular in the case of spectrometers which have low or slow drifts.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Ver¬ gleichsmessung an einer Referenzstufe in Luft zur Kontrolle und zum Abgleich eines temperaturabhängigen Spektrometers durchgeführt . Dafür werden zuvor Messungen an einer Referenz stufe - insbe¬ sondere an der im zweiten Reflektor vorgesehenen Refe¬ renzstufe oder an einer identischen dazu Referenzstufe - in der Luft bei unterschiedlichen Temperaturen der Auswerteein¬ heit unter Erfassung der lokalen Temperatur in der Auswer¬ teeinheit durchgeführt. According to one embodiment of the invention Ver ¬ same measurement is performed at a reference level in air for control and for adjusting a temperature-dependent spectrometer. For this, measurements are first stage at a reference - in particular ¬ sondere at the intended in the second reflector Refe ¬ ence level or at an identical to reference stage - performed in the air at different temperatures of the Auswerteein ¬ standardized under detection of the local temperature in the Auswer ¬ teeinheit.
Die erfassten Daten zur Temperaturabhängigkeit der Auswer¬ teeinheit kann dann in einer Speichereinheit hinterlegt und bei der Auswertung der Messsignale von der Auswerteeinheit ausgelesen werden. Auf diese Weise können die Auswirkungen der Temperaturschwankungen auf Messergebnisse bei der Auswertung mitberücksichtigt und ausgeglichen werden. The captured data for temperature dependence of the Auswer ¬ teeinheit can then be stored in a memory unit and read out in the evaluation of the measurement signals of the evaluation unit. In this way, the effects of temperature fluctuations on measurement results during evaluation can be taken into account and compensated.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beige¬ fügten Figuren näher erläutert. Embodiments of the invention will now be explained in more detail with reference to the attached figures.
Fig. 1 zeigt schematisch eine optische Messstrecke in einem ersten Messzustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung . 1 schematically shows an optical measuring path in a first measuring state according to an embodiment of the invention.
Fig. 2 zeigt schematisch die optische Messstrecke gemäß Fig. 2 shows schematically the optical measuring path according to
Fig. 1 in einem zweiten Messzustand.  Fig. 1 in a second state of measurement.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Messvorrichtung gemäß einer Fig. 3 shows schematically a measuring device according to a
Ausführungsform der Erfindung.  Embodiment of the invention.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Messvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 4 shows schematically a measuring device according to a further embodiment of the invention.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Fig. 1 zeigt schematisch eine optische Messstrecke in einem ersten Messzustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. The figures are not necessarily to scale. 1 schematically shows an optical measuring path in a first measuring state according to an embodiment of the invention.
Die optische Messstrecke 5 wird durch einen Messkopf 6 und ei- nen Reflektor 7 gebildet. Zwischen dem Messkopf 6 und dem Re¬ flektor 7 ist ein fluides transparentes optisches Medium 14 vorgesehen. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist als optisches Medium 14 Luft vorgesehen. Der Messkopf 6 weist ein transparentes Fenster 8 mit einer Außenfläche 30 auf und ist dazu ausgebildet, das Licht von einer breitbandigen kohärenten Lichtquelle auszusenden und zu empfangen. The optical measuring section 5 is formed by a measuring head 6 and a reflector 7. Between the measurement head 6 and the Re ¬ Flektor 7 a fluid transparent optical medium 14 is provided. In this embodiment of the invention, air is provided as the optical medium 14. The measuring head 6 has a transparent window 8 with an outer surface 30 and is designed to emit and receive the light from a broadband coherent light source.
In diesem ersten Messzustand ist die Messstrecke 5 zwischen dem Messkopf 6 und dem Reflektor 7 von der Probe freigehalten. Das aus dem Messkopf 6 ausgesandte Licht, dargestellt durch den Pfeil A, wird von dem gegenüber der Messkopf 6 liegenden Reflektor 7 zurück zum Messkopf 6 reflektiert. Dabei ist ein Teil des zurückreflektierten Lichtes, dargestellt durch den Pfeil B, vom Messkopf 6 erfassbar. Der Reflektor 7 ist in die- sem Beispiel als eine reflektierende Platte ausgebildet. In this first measuring state, the measuring section 5 between the measuring head 6 and the reflector 7 is kept free of the sample. The light emitted from the measuring head 6, represented by the arrow A, is reflected by the reflector 7 lying opposite the measuring head 6 back to the measuring head 6. In this case, a part of the back-reflected light, represented by the arrow B, can be detected by the measuring head 6. The reflector 7 is formed in this example as a reflective plate.
Da in dem in Fig. 1 gezeigten Messzustand die Probe 1 nicht im Lichtweg zwischen dem Messkopf 6 und der Reflektorplatte 7 steht, kann die luftgefüllte Strecke zwischen dem Fenster 8 und dem Reflektor 7 unmittelbar spektralinterferometrisch ge¬ messen werden. Since, in the measuring state shown in FIG. 1, the sample 1 is not in the light path between the measuring head 6 and the reflector plate 7, the air-filled distance between the window 8 and the reflector 7 can be measured directly by spectral interferometry .
Aus der Messung können die optische Dicke sO sowie über die Beziehung sO = n*d0 die geometrische Dicke dO des Spalts prä- zise ermittelt werden, vorausgesetzt, der Brechungsindex der Luft n ist bekannt. Fig. 2 zeigt schematisch die optische Messstrecke gemäß Fig. 1 in einem zweiten Messzustand. From the measurement, the optical thickness s0 and the relationship s0 = n * d0 can be used to determine the geometric thickness d0 of the gap precisely, provided that the refractive index of the air n is known. FIG. 2 shows schematically the optical measuring path according to FIG. 1 in a second measuring state.
In diesem zweiten Messzustand befindet sich die Probe 1 inner- halbe der Messtrecke 5. Die Probe 1 weist eine obere Oberflä¬ che 15 und eine untere Oberfläche 16 und eine zu bestimmende Dicke dp auf. In this second measuring state, the sample 1 is within half of the measuring section 5. The sample 1 has an upper Oberflä ¬ che 15 and a lower surface 16 and a thickness to be determined dp.
Das aus dem Messkopf 6 ausgesandte Licht wird von der ersten Oberfläche 15 der Probe 1, von der der ersten Oberfläche 15 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 16 der Probe 1 sowie von dem Reflektor 7 zurückreflektiert. Der Messkopf 6 ist insbe¬ sondere ausgebildet zum Aussenden des kohärenten Lichtes meh¬ rerer Wellenlängen und zum Empfangen zumindest eines Teils ei- nes von dem Reflektor 7 bzw. von der Probe 1, insbesondere von einer oberen Oberflächen 15 und von einer unteren Oberfläche 16 der Probe 1, reflektierter Lichtes. Der Strahlengang wird schematisch mit dünnen Pfeilen schematisch dargestellt. Die geometrischen Luftschichtdicken zwischen der Probe 1 und dem Messkopf 6 bzw. zwischen der Probe 1 und dem Reflektor 7 werden entsprechend durch dl bzw. d2 gekennzeichnet. The light emitted from the measuring head 6 is reflected back from the first surface 15 of the sample 1, from the first surface 15 opposite the second surface 16 of the sample 1 and from the reflector 7. The measurement head 6 is in particular ¬ sondere formed to emit the coherent light meh ¬ of exemplary wavelengths and for receiving at least a portion of one of the of the reflector 7 and from the sample 1, in particular from an upper surface 15 and a lower surface 16 Sample 1, reflected light. The beam path is shown schematically schematically with thin arrows. The geometrical air layer thicknesses between the sample 1 and the measuring head 6 or between the sample 1 and the reflector 7 are marked accordingly by d 1 or d 2.
In diesem Messzustand können mittels Analysierens von Interfe- renzen in einem breitbandigen Spektralbereich zwischen von der Außenfläche 30 des Fensters 8 und von dem Reflektor 7 bzw. von den Oberflächen 15 und 16 der Probe 1 reflektierten Teilwellen des Lichtes die den geometrischen Schichtdicken dl und d2 ent¬ sprechenden optischen Schichtdicken sl und s2 der Luft be- stimmt werden, so dass unter Kenntnis des Brechungsindexes n der Luft die geometrische Dicke dp der Probe direkt bestimmt werden kann gemäß dp = ( s0-sl-s2 ) /n, ohne über den Brechungs- index oder Dispersionseigenschaften der Probe bzw. über ihre Temperaturabhängigkeit etwas wissen zu müssen. In this measuring state, by analyzing interferences in a broadband spectral range between the outer surface 30 of the window 8 and the reflector 7 or of the surfaces 15 and 16 of the sample 1 reflected partial waves of the light the geometric layer thicknesses dl and d2 ent ¬ speaking optical layer thickness sl and s2 of the air are determined so that, knowing the refractive index n of the air, the geometric thickness dp of the sample can be determined directly according to dp = (s0-sl-s2) / n, without the refractive - index or dispersion properties of the sample or to know about their temperature dependence something.
Fig. 3 zeigt schematisch die Messvorrichtung gemäß einer Aus- führungsform der Erfindung. 3 shows schematically the measuring device according to an embodiment of the invention.
Die Messvorrichtung 45 weist die optische Messstrecke 5 zwi¬ schen einem Messkopf 6 und einem Reflektor 7 auf. Der Reflek¬ tor 7 ist in diesem Beispiel als eine Reflektorplatte ausge- bildet. The measuring device 45 has the optical measurement section 5 Zvi ¬ rule a measuring head 6, and a reflector. 7 The reflector ¬ tor 7 is formed in this example as a reflector plate.
Die Messvorrichtung 45 weist eine breitbandige kohärente The measuring device 45 has a broadband coherent
Lichtquelle 17 auf. Die Lichtquelle 17 kann eine spektrale Breitband-Lichtquelle oder eine abstimmbare Laser-Quelle sein, welche zum Emittieren kohärenten Lichts mehrerer Wellenlängen in einem Nah-Infrarot-Bereich ausgebildet ist. Die Lichtquelle 17 kann mittels einer oszillierenden Mikromechanik (oscilla- ting micromechanics ) abstimmbar sein. Der Messkopf 6 ist dazu ausgebildet, das Licht von der breit- bandigen kohärenten Lichtquelle 17 auszusenden und zu empfan¬ gen. Der Messkopf 6 ist in einem Gehäuse 18 angeordnet. Kohä¬ rentes Licht der Lichtquelle 17 und zumindest ein Teil der re¬ flektierten Strahlung treten durch ein Fenster 8 des Gehäuses 18 durch, wobei das Fenster 8 für das Licht der Lichtquelle 17 transparent ist. In der gezeigten Ausführungsform ist das Fenster 8 transparent für infrarotes Licht. Light source 17 on. The light source 17 may be a broadband spectral light source or a tunable laser source configured to emit coherent light of multiple wavelengths in a near infrared region. The light source 17 can be tunable by means of oscillating micromechanics (oscillation micromechanics). The measurement head 6 is designed to emit the light from the broad-band coherent light source 17 and are received, ¬ gene. The probe 6 is arranged in a housing 18. Kohä ¬ rentes light from the light source 17 and at least a part of the re ¬ inflected radiation pass through through a window 8 of the housing 18, in which the window 8 is transparent for the light of the light source 17th In the embodiment shown, the window 8 is transparent to infrared light.
Die Auswerteeinheit 24 ist zum Ermitteln der Dicke der Probe 1 mittels Analysierens von Spektral-Breitbandinterferenzen vor¬ gesehen . Die Messvorrichtung 45 weist ferner eine zweite optische Mess¬ strecke 5 ' zwischen einem zweiten Messkopf 6 ' und einem zwei¬ ten Reflektor 7 ' unterhalb der Probe 1 zur Bestimmung des Bre¬ chungsindexes der Luft auf. Der zweite Messkopf 6' weist ein Fenster 8' mit einer Außenfläche 30' auf. Wenigstens ein Teil des von dem zweiten Messkopf 6 ' ausgesandten und von dem zwei¬ ten Reflektor 7 ' zurückreflektierten Lichtes wird vom zweiten Messkopf 6' erfasst. Dies wird durch Pfeile A' und B' verdeut¬ licht . The evaluation unit 24 is provided for determining the thickness of the sample 1 by means of analyzing broadband spectral interferences . The measuring device 45 further comprises a second optical measuring path 5 ¬ 'between a second head 6' and a two-¬ th reflector 7 'below the sample 1 to determine the Bre ¬ deviation index of the air. The second measuring head 6 ' has a window 8 ' with an outer surface 30 ' . At least part of the light emitted by the second measuring head 6 ' and reflected back by the second reflector 7 ' is detected by the second measuring head 6 ' . This is verdeut by arrows A 'and B' ¬ light.
Die Messvorrichtung 45 weist eine obere Haltefläche 2 und eine untere Haltefläche 3 auf. Die Probe 1 mit einer oberen Ober¬ fläche 15 und mit einer unteren Oberfläche 16 ist in einem Spalt 4 zwischen den Halteflächen 2 und 3 in einer speziellen Halterung (nicht dargestellt) gelagert. The measuring device 45 has an upper holding surface 2 and a lower holding surface 3. Sample 1 having an upper surface 15 and upper ¬ with a lower surface 16 is in a gap 4 between the support surfaces 2 and 3 in a special holder (not shown) is mounted.
Die obere Haltefläche 2 weist Ausnehmungen 11 und 11' zur Auf¬ nahme der Messköpfe 6 und 6' auf. Die untere Haltefläche weist Ausnehmungen 13 und 13 ' zur Aufnahme von Reflektoren 7 und 7 ' auf. The upper support surface 2 has recesses 11 and 11 'for on ¬ acquisition of the measuring heads 6 and 6'. The lower holding surface has recesses 13 and 13 ' for receiving reflectors 7 and 7 ' .
In dieser Ausführungsform ist der zweite Reflektor 7 ' in Form einer Referenzstufe 26 ausgebildet. Somit ergibt sich eine luftgefüllte Stufe für Referenzmessungen zur Bestimmung des aktuellen Brechungsindexes der Luft, der im Allgemeinen tempe- ratur-, druck- und feuchtigkeitsabhängig variieren kann. In this embodiment, the second reflector 7 ' in the form of a reference stage 26 is formed. This results in an air-filled level for reference measurements to determine the actual refractive index of the air, which can generally vary in temperature, pressure and humidity.
Der tatsächliche aktuelle Brechungsindex der Luft kann - auch bedingt durch Luftkontamination - von einem nominellen Wert abweichen. Zur Erhöhung der Robustheit der Referenzmessungen gegenüber Temperaturschwankungen, wird für die Referenz stufe ein Materi¬ al mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet. In diesem Beispiel ist die Referenzstufe 26 aus Quarzglas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient von 0,5 x 10 ~6 1/K ausge¬ führt . The actual refractive index of the air may deviate from a nominal value, also due to air contamination. To increase the robustness of the reference measurements to temperature fluctuations, is for the reference level one Materi al ¬ used with low thermal expansion coefficient. In this example, the reference level 26 made of quartz glass with a coefficient of thermal expansion of 0.5 x 10 ~ 6 1 / K out ¬ leads.
Die Referenz stufe 26 kann auch aus einem Material mit einem noch geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sein. The reference level 26 may also be made of a material with an even lower coefficient of thermal expansion.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Referenzstufe als eine Zerodur-Glas-Referenzstufe (ZERODURRTM) ausgeführt mit ei¬ nem Wärmeausdehnungskoeffizienten nahezu gleich Null. In an advantageous embodiment, the reference stage is designed as a Zerodur glass reference stage (ZERODUR RTM ) with ei ¬ nem thermal expansion coefficient almost equal to zero.
Für eine ungestörte und genaue Messung wird sichergestellt, dass die Temperatur, Druck und die Feuchtigkeit der Luft an den Messstellen 5 und 5' gleich ist, und dass die Oberfläche der Referenz stufe 26 frei von Partikeln oder Ablagerungen ist. For an undisturbed and accurate measurement ensures that the temperature, pressure and humidity of the air at the measuring points 5 and 5 'is the same, and that the surface of the reference level 26 is free of particles or deposits.
Zur Erfassung der aktuellen Temperatur an den Messstellen kön¬ nen Temperaturfühler vorgesehen werden. Are provided for detecting the actual temperature at the measuring points Kgs ¬ temperature probe.
Der Messkopf 6' ist mit dem Spektrometer 19 mittels Lichtwel¬ lenleiter 21' gekoppelt bzw. verbunden, wobei die Lichtwellen¬ leiter 21 und 21' unterschiedliche dimensioniert sind, um Sig¬ nalübersprechen zwischen unterschiedlichen Messköpfen zu mini¬ mieren . The measurement head 6 'is connected to the spectrometer 19 by means Lichtwel ¬ lenleiter 21' coupled or connected to, the light waves are dimensioned ¬ conductors 21 and 21 'different in order Sig ¬ nalübersprechen between different measuring heads to mini ¬ mieren.
Der zweite Reflektor 7 ' weist eine erste reflektierende Fläche 9 und eine zweite reflektierende Fläche 10 auf. Zwischen den reflektierenden Flächen 9 und 10 ist ein Raum (nicht darge¬ stellt) mit einer bekannten Höhe zur Aufnahme des optischen Mediums vorgesehen. Somit ergibt sich eine Schicht des opti¬ schen Mediums mit einer bekannten Schichtdicke für Referenz- messungen zur Bestimmung des aktuellen Brechungsindexes des optischen Mediums, der im Allgemeinen temperatur- und zusam¬ mensetzungsabhängig variieren kann. The second reflector 7 ' has a first reflective surface 9 and a second reflective surface 10. Between reflecting surfaces 9 and 10 is a space (not Darge ¬ represents) with a known height for receiving the optical medium is provided. Thus, a layer of the optical ¬'s medium containing a known layer thickness for reference measurements obtained for determining the actual refractive index of the optical medium, the temperature may vary in general, and together ¬ mensetzungsabhängig.
Der Messkopf 6 ist mit einem Spektrometer 19 mittels Lichtwel- lenleiter 21, 23 gekoppelt bzw. verbunden. The measuring head 6 is coupled or connected to a spectrometer 19 by means of optical waveguides 21, 23.
Ein optischer Koppler 20 koppelt die Lichtquelle 17 mittels des ersten Lichtwellenleiters 21 und eines zweiten Lichtwel¬ lenleiters 22, der den optischen Koppler 20 mit der Lichtquel- le 17 verbindet, an den Messkopf 6. Das kohärente Licht derAn optical coupler 20 couples the light source 17 by means of the first optical fiber 21 and a second Lichtwel ¬ lenleiters 22 connecting the optical coupler 20 to the light source 17, 6 to the measuring head, the coherent light of the
Lichtquelle 17 wird dem Messkopf 6 über den zweiten Lichtwel¬ lenleiter 22, den optischen Koppler 20 und den ersten Licht¬ wellenleiter 21 bereitgestellt. Die von der oberen und von der unteren Oberflächen 15, 16 so¬ wie von der Reflektorplatte 7 zurückreflektierte Strahlung wird dem Spektrometer 19 der Messvorrichtung 45 über den ers¬ ten Lichtwellenleiter 21 und einen dritten Lichtwellenleiter 23, der den optischen Koppler 20 mit dem Spektrometer 19 kop- pelt, bereitgestellt. Das Spektrum der reflektierten Strahlung wird mittels eines Arrays von Photodetektoren (nicht gezeigt) in dem Spektrometer als eine Funktion der Wellenlängen I (λ) gemessen und einer Auswertevorrichtung 24 mittels einer Sig¬ nalleitung 25, die das Spektrometer 19 mit der Auswertevor- richtung 24 koppelt, bereitgestellt. Bei einem Spektrometer mit 512 Kanälen wird das erfasste Light source 17 is provided to the measuring head 6 via the second Lichtwel ¬ lenleiter 22, the optical coupler 20 and the first light ¬ waveguide 21. Of the upper and the lower surfaces 15, 16 is so ¬ as by the reflector plate 7 radiation reflected back to the spectrometer 19 of the measuring device 45 via the ers ¬ th light waveguide 21 and a third optical waveguide 23, the optical coupler 20 to the spectrometer 19 couples, provided. The spectrum of the reflected radiation is measured by means of an array of photodetectors (not shown) in the spectrometer as a function of the wavelengths I (λ) and an evaluation device 24 by means of a Sig ¬ nalleitung 25, which couples the spectrometer 19 with the Auswertevor- device 24 , provided. For a spectrometer with 512 channels, the detected
Lichtspektrum durch 512 Intensitätswerte I (p) wiedergegeben. Hier bezeichnet p die Kanal-nummer bzw. die Pixelnummer des Spektrometers . Über die Spektrometerkennlinie λ(ρ) und über eine als Tabelle hinterlegte Abhängigkeit n = n (λ) des Materi¬ als können sogenannte "entzerrte" Intensitäten I (k) mit k = η(λ)/λ ermittelt werden. Light spectrum represented by 512 intensity values I (p). Here p denotes the channel number or the pixel number of the spectrometer. Via the spectrometer characteristic λ (ρ) and via a dependency n = n (λ) of the material ¬ stored as a table, so-called "equalized" intensities I (k) with k = η (λ) / λ can be determined.
Unter der Annahme, dass die geometrische Schichtdicke dO zwi- sehen dem Fenster 8 und der Reflektor 7 in dem Messzustand gem. Fig. 1 und in dem Messzustand gem. Figur 2 gleich groß, gilt: dO = dl + dp + d2. Daraus kann die geometrische Dicke der Probe dp aus der geometrischen Dicken der Luftschichten ermittelt werden. Assuming that the geometrical layer thickness dO see between the window 8 and the reflector 7 in the measuring state gem. Fig. 1 and in the measurement state acc. 2 is the same size, dO = dl + dp + d2. From this, the geometric thickness of the sample dp can be determined from the geometric thicknesses of the air layers.
Fig. 4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Er¬ findung. Die Messvorrichtung 45' der Fig. 4 ist zum Teil iden¬ tisch mit der Messvorrichtung 45 der Fig. 3 und weist auch ei¬ ne zweite Messstrecke 5 ' mit einem zweiten Messkopf 6 ' und mit einem zweiten Reflektor 7' ' zur Bestimmung des Brechungsinde¬ xes der Luft auf. Die Messstrecke 5' ist so ausgebildet, dass wenigstens ein Teil des von dem zweiten Messkopf 6 ' ausgesand¬ ten und von dem zweiten Reflektor 7 ' ' zurückreflektierten Lichtes vom zweiten Messkopf 6' erfasst wird. Dies wird durch Pfeile A' und B' verdeutlicht. Fig. 4 schematically shows another embodiment of the He ¬ invention. The measuring device 45 'of FIG. 4 is partly identical ¬ table with the measurement device 45 of Fig. 3 and also has ei ¬ ne second measuring section 5' with a second head 6 'and a second reflector 7''for determining the refractive Sinde ¬ xes of the air. The measuring section 5 'is formed so that at least a part of the of the second head 6' out sand ¬ th and second by the reflector 7 '' the light reflected back from the second head 6 'is detected. This is illustrated by arrows A ' and B ' .
Im Unterschied zur Messvorrichtung der Fig. 3 ist der zweite Reflektor 7 ' ' oberhalb der Probe angeordnet und istin Form ei¬ nes doppelten Fabry-Perot-Interferometers ausgebildet, der ei- ne erste luftgefüllte Resonator-Wegstrecke (27) und eine zwei¬ te evakuierte Resonator-Wegstrecke (28) aufweist, wobei die beiden Resonator-Wegstrecken (27, 28) gleich lang sind. Die äußeren reflektierenden Flächen 9' ' und 10' ' des Reflektors 7' ' stellen zugleich Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsfens¬ ter des jeweiligen Fabry-Perot-Resonators dar. Somit ergibt sich für Referenzmessungen eine luftgefüllteIn contrast to the measuring device of FIG. 3, the second reflector 7 '' above the sample is arranged and formed is shown in the form ei ¬ nes double Fabry-Perot interferometer, a first air-filled resonator path (27) and a two ¬ te evacuated resonator path (28), wherein the two resonator paths (27, 28) are the same length. The outer reflecting surfaces 9 '' and 10 '' of the reflector 7 '' at the same time represent Lichteintritts- or Lichtaustrittsfens ¬ ter of each Fabry-Perot resonator. Thus results for reference measurements an air-filled
Strecke und eine Strecke mit gleicher Länge mit Vakuum zur Be¬ stimmung des aktuellen Brechungsindexes der Luft, der wie oben erwähnt im Allgemeinen temperatur-, druck-, feuchtigkeits- und zusammensetzungsabhängig variieren kann. Distance and a distance of equal length with vacuum for Be ¬ mood of the current refractive index of the air, which may vary as mentioned above generally temperature, pressure, moisture and composition dependent.
Zur Erhöhung der Robustheit der Referenzmessungen gegenüber Temperaturschwankungen, wird für die Referenz stufe ein Materi¬ al mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet. In diesem Beispiel ist der Körper des doppelten Fabry-Perot-To increase the robustness of the reference measurements to temperature fluctuations, is for the reference level one Materi al ¬ used with low thermal expansion coefficient. In this example, the body of the double Fabry-Perot
Interferometers mit aus Zerodur (ZER0DURRTM) ausgeführt mit ei¬ nem Wärmeausdehnungskoeffizienten unter 10~8 K 1. Interferometer of Zerodur (RTM ZER0DUR) performed with egg ¬ nem coefficient of thermal expansion of less than 10 ~ 8 K. 1
Für eine ungestörte und genaue Messung wird sichergestellt, dass die Temperatur, Druck und die Feuchtigkeit der Luft an den Messstellen 5 und 5' gleich ist, und dass die Oberfläche der Referenz stufe 26 frei von Partikeln oder Ablagerungen ist. For an undisturbed and accurate measurement ensures that the temperature, pressure and humidity of the air at the measuring points 5 and 5 'is the same, and that the surface of the reference level 26 is free of particles or deposits.
Zur Erfassung der aktuellen Temperatur, des aktuellen Druckes und der Luftfeuchtigkeit kann eine entsprechende Sensorik mit entsprechenden Sensoren an den Messstellen vorgesehen werden. To record the current temperature, the current pressure and the air humidity, a corresponding sensor system with corresponding sensors can be provided at the measuring points.
Um die Oberfläche der Reflektoren 7, 7' ' Referenzstufe 26 von Partikeln oder Ablagerungen frei zu halten, kann sie während der Messung oder zwischen Messvorgängen einer Ultraschallrei¬ nigung mit Hilfe eines an der Messvorrichtung, insbesondere an einer der Halteflächen 2 oder 3 angekoppelten Ultraschallgene¬ rators (nicht dargestellt) unterzogen werden. In order to keep the surface of the reflectors 7, 7 '' reference stage 26 free of particles or deposits, it can during the measurement or between measuring operations of a Ultraschallrei ¬ nigung using a s.den measuring device, in particular at one of the holding surfaces 2 or 3 coupled ultrasonic generator ¬ generator (not shown) are subjected.
Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genann¬ ten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Wei¬ se zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschrei¬ bung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer bei¬ spielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen. Although at least one exemplary embodiment has been shown in the foregoing description, various changes and modifications may be made. The genann ¬ th embodiments are merely examples and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the present disclosure in any Wei ¬ se. Rather, the foregoing descrip ¬ bung to those skilled a plan to implement at least one exemplary embodiment provided, wherein numerous changes in the function and arrangement of described in a game stick at ¬ embodiment, elements may be made without departing from the scope of the appended claims and their to leave legal equivalents.
Bezugs zeichenliste Reference sign list
1. Probe 1st sample
2. erste Haltefläche  2. first holding surface
3. zweite Haltefläche  3. second holding surface
4. Spalt  4. split
5. Messstrecke  5th measuring section
6. Messkopf  6. Measuring head
7. Reflektor  7. Reflector
8. Fenster  8. Window
9. erste reflektierende Fläche  9. first reflective surface
10. zweite reflektierende Fläche  10. second reflective surface
11. Ausnehmung in der ersten Haltefläche 11. recess in the first holding surface
12. Ausnehmung in der zweiten Haltefläche12. recess in the second holding surface
13. Stufenkante 13th step edge
14. optisches Medium  14. optical medium
15. erste Oberfläche der Probe  15. first surface of the sample
16. zweite Oberfläche der Probe  16. second surface of the sample
17. Lichtquelle  17. Light source
18. Gehäuse  18th case
19. Spektrometer  19. Spectrometer
20. Koppler  20. Coupler
21. erster Lichtwellenleiter  21st first optical fiber
22. zweiter Lichtwellenleiter  22nd second optical fiber
23. dritter Lichtwellenleiter  23. third optical fiber
24. Auswerteeinheit  24. Evaluation unit
25. Signalleitung  25th signal line
26. Referenz stufe  26. Reference level
27. Luftgefüllte Resonator-Wegstrecke 27. Air-filled resonator path
28. Evakuierte Resonator-Wegstrecke 28. Evacuated resonator path
29. Vakuum  29. Vacuum
30. Außenfläche des Fensters dO - geometrischer Abstand zwischen dem Messkopf und dem Reflektor 30. outer surface of the window dO - geometric distance between the measuring head and the reflector
dl - geometrische Schichtdicke des optischen Mediums zwi- sehen der Probe und dem Messkopf dl - geometric layer thickness of the optical medium between see the sample and the measuring head
d2 - geometrische Schichtdicke des optischen Mediums zwi¬ schen der Probe und dem Reflektor d2 - geometric layer thickness of the optical medium Zvi ¬ rule of the sample and the reflector,
dp - geometrische Schichtdicke der Probe dp - geometric layer thickness of the sample
dR - geometrische Stufenhöhe der Referenzstufe dR - geometric step height of the reference step

Claims

Patentansprüche claims
1. Messvorrichtung zur Messung einer Dicke einer flächigen Probe (1) mit einer ein fluides transparentes optisches Medium (14) aufweisenden optischen Messstrecke (5) zwi¬ schen einem Messkopf (6) und einem Reflektor (7), wobei der Messkopf (6) ein Fenster (8) mit einer Außenfläche (30) aufweist und zum Aussenden und Empfangen eines Lich¬ tes von einer breitbandigen kohärenten Lichtquelle (17) in einem Spektralbereich, in dem die Probe wenigstens teilweise transparent ist, ausgebildet ist, und wobei we¬ nigstens ein Teil des von dem Messkopf (6) ausgesandten und von dem Reflektor (7) bzw. von Oberflächen (15, 16) der Probe (1) zurückreflektierten Lichtes vom Messkopf (6) erfassbar ist, so dass ein Reflektionsspektrum des vom Messkopf (6) erfassten zurückreflektierten Lichtes ermittelbar ist, und wobei eine Auswerteeinheit (24) zum Ermitteln einer Dicke der Probe (1) mittels Analysierens von Interferenzen in einem breitbandigen Spektralbereich zwischen von der Außenfläche (30) des Fensters (8) und von dem Reflektor (7) bzw. von den Oberflächen (15, 16) der Probe (1) reflektierten Teilwellen des Lichtes vorge¬ sehen ist . 2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, 1. Measuring apparatus for measuring a thickness of a sheet-like sample (1) having a a fluid transparent optical medium (14) optical measuring path (5) Zvi ¬ rule a measuring head (6) and a reflector (7), wherein the measuring head (6) a window (8) having an outer surface (30) and for emitting and receiving a Lich ¬ tes of a broadband coherent light source (17) in a spectral range in which the sample is at least partially transparent, is formed, and wherein we ¬ least a part of the light emitted by the measuring head (6) and reflected back by the reflector (7) or surfaces (15, 16) of the sample (1) can be detected by the measuring head (6), so that a reflection spectrum of the light emitted by the measuring head (6 ) and an evaluation unit (24) for determining a thickness of the sample (1) by analyzing interferences in a broadband spectral range between the outer surface (30) of the window (8) and by the reflector (7) or by the surfaces (15, 16) of the sample (1) reflected partial waves of the light is pre ¬ see. 2. Measuring device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Messvorrichtung derart ausgebildet ist, dass Messun¬ gen in einem ersten Messzustand und in einem zweiten Messzustand durchführbar sind, wobei in dem ersten Mess- zustand eine optische Schichtdicke der Messstrecke (5) mit dem optischen Medium (14) ohne Probe (1) messbar ist und in dem zweiten Messzustand eine optische Schichtdicke des optischen Mediums (14) zwischen der Probe (1) und dem Messkopf (6) sowie eine optische Schichtdicke des Mediums (14) zwischen der Probe (1) und dem Reflektor (7) messbar sind . the measuring device is formed such that Messun ¬ gene can be carried out in a first measurement condition, and in a second measurement condition, wherein an optical film thickness of the measuring section (5) with the optical medium (14) without a sample (1) measured in the first measurement condition is and in the second measurement state, an optical layer thickness of the optical medium (14) between the sample (1) and the measuring head (6) and an optical layer thickness of the medium (14) between the sample (1) and the reflector (7) are measurable.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, Measuring device according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
ein zweiter Reflektor (7', 7' ') zur Bestimmung des Bre¬ chungsindexes des optischen Mediums (14) vorgesehen ist, und wobei sich der Messkopf (6) und der zweite Reflektor (7', 7' ') derart begegnen können, dass wenigstens ein Teil eines von dem Messkopf (6) ausgesandten und von dem zweiten Reflektor (7', 7' ') zurückreflektierten Lichtes vom Messkopf (6) erfassbar ist. a second reflector (7 ', 7'') for determining the Bre ¬ chung indexes of the optical medium (14) is provided, and wherein the measuring head (6) and the second reflector (7', 7 '') can meet such in that at least a part of a light emitted by the measuring head (6) and reflected back by the second reflector (7 ' , 7 " ) can be detected by the measuring head (6).
Messvorrichtung nach Anspruch 3, Measuring device according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
eine zweite Messstrecke (5') zwischen einem zweiten Mess¬ kopf (6') und dem zweiten Reflektor (7', 7' ') zur Bestim¬ mung eines Brechungsindexes des optischen Mediums (14) vorgesehen ist, wobei wenigstens ein Teil eines von dem zweiten Messkopf (6') ausgesandten und von dem zweiten Reflektor (7', 7' ') zurückreflektierten Lichtes vom zwei¬ ten Messkopf (6') erfassbar ist. is provided a second measuring section (5 ') between a second measurement ¬ head (6') and the second reflector (7 ', 7'') for the determina ¬ mung a refractive index of the optical medium (14), wherein at least a portion of one of the second measuring head (6 ' ) emitted and by the second reflector (7 ' , 7 '' ) back reflected light from the two ¬ th measuring head (6 ' ) is detected.
Messvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, Measuring device according to claim 3 or 4,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der zweite Reflektor (7', 7' ') als Referenzstufe (26) mit einer ersten reflektierenden Fläche (9, 9'), mit einer zweiten reflektierende Fläche (10, 10'), mit einer Stu¬ fenkante (13) bzw. und mit einer bekannten Stufenhöhe (dR) ausgebildet ist. the second reflector (7 ' , 7 '' ) as a reference stage (26) with a first reflective surface (9, 9 ' ), with a second reflective surface (10, 10 ' ), with a Stu ¬ fenkante (13) or and with a known step height (dR) is formed.
Messvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, Measuring device according to claim 3 or 4,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der zweite Reflektor (7' ') als ein doppeltes Fabry-Perot- Interferometer ausgebildet ist, der eine erste luftge¬ füllte Resonator-Wegstrecke (27) mit einer ersten reflek¬ tierenden Fläche (9') und eine zweite evakuierte Resona¬ tor-Wegstrecke (28) mit einer zweiten reflektierende Flä¬ che (10') aufweist, wobei die beiden Wegstrecken (27, 28) gleich lang sind. the second reflector (7 '') as a double Fabry-Perot interferometer is formed of a first luftge ¬ filled resonator path (27) having a first Reflectors ¬ animal surface (9 ') and a second evacuated resonators ¬ gate distance (28) having a second reflective FLAE ¬ surface (10 '), wherein the two paths (27, 28) are of equal length.
Messvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, Measuring device according to claim 5 or 6,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das von der ersten reflektierenden Fläche (9, 9') zurück¬ reflektierte Licht und das von der zweiten reflektieren¬ den Fläche (10, 10') zurückreflektierte Licht von dem zweiten Messkopf (6') gleichzeitig erfassbar sind. that of the first reflective surface (9, 9 ') back ¬ reflected light and that of the second reflecting ¬ the surface (10, 10') back-reflected light from the second measuring head (6 ') are simultaneously detected.
Verfahren zur Messung einer Dicke einer flächigen Probe in einer Messvorrichtung (45) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das folgende Schritte umfast : Method for measuring a thickness of a flat sample in a measuring device (45) according to one of claims 1 to 7, comprising the following steps:
-Aussenden des breitbandigen kohärenten Lichtes mit meh¬ reren Wellenlängen aus dem Messkopf (6); -Endenden the broadband coherent light with meh ¬ reren wavelengths from the measuring head (6);
-Empfangen mit dem Messkopf (6) wenigstens eines Teils eines zurückreflektierten Lichtes;  Receiving with the measuring head (6) at least part of a back-reflected light;
-Ermitteln einer Dicke der Probe (1) mittels Analysie¬ rens des von dem Messkopf (6) erfassten zurückreflek¬ tierten Lichtes unter Verwendung eines optischen spekt- ralinterferometrischen Verfahrens . -Ermitteln a thickness of the sample (1) detected by means of the analyzed ¬ proceedings of the measuring head (6) zurückreflek ¬ oriented light using an optical spekt- ralinterferometrischen method.
9. Verfahren nach Anspruch 8, 9. The method according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Verfahren folgende Schritte umfasst:  the method comprises the following steps:
- Empfangen des zurückreflektierten Lichtes in dem ers- ten Messzustand;  - Receiving the reflected back light in the first state of measurement;
- Empfangen des zurückreflektierten Lichtes in dem zwei¬ ten Messzustand. - Receiving the reflected back light in the second ¬ th measurement state.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, Method according to claim 8 or 9,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Verfahren Erfassen der optischen Stufenhöhe des tischen Mediums anhand einer Messung an der Referenz stufe (26) umfasst. 11. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass  the method comprises detecting the optical step height of the table medium based on a measurement at the reference level (26). 11. The method according to claim any one of claims 8 to 10, characterized in that
für die Messung ein kohärentes Licht verwendet wird, das von einer spektralen Breitband-Lichtquelle oder ei¬ ner abstimmbaren Laser-Quelle emittiert wird. for the measurement, a coherent light is used, which is emitted by a spectral broadband light source or egg ¬ ner tunable laser source.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, 12. The method according to any one of claims 8 to 11,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Lichtwellenlängen im Bereich von 950 nm bis  the wavelengths of light in the range of 950 nm to
2000 nm, insbesondere im Bereich von 1000 nm bis 1200 nm liegen.  2000 nm, in particular in the range of 1000 nm to 1200 nm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, Method according to one of claims 8 to 12,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
ein Reflektionsspektrum I (λ) des von dem Messkopf (6) empfangenen Lichts als eine Funktion der Wellenlängen mittels eines Arrays von Photodetektoren in dem Spekt- rometer gemessen wird und ein Spektrum I' (l/λ) aus dem gemessenen Reflektionsspektrum I (λ) als eine Funktion der invertierten Wellenlängen ermittelt wird. a reflection spectrum I (λ) of the light received by the measuring head (6) is measured as a function of the wavelengths by means of an array of photodetectors in the spectrometer and a spectrum I '(I / λ) from the measured reflection spectrum I (λ) is determined as a function of the inverted wavelengths.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, Method according to one of claims 8 to 13,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
bei der Ermittlung des Brechungsindexes des optischen Mediums Dispersionsabgleich und/oder Interferometerpha sen -Bestimmung durchgeführt wird. in determining the refractive index of the optical medium, dispersion compensation and / or interferometer phase determination is carried out.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, Method according to one of claims 8 to 14,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
eine Vergleichsmessung an einer Referenzstufe in Luft zur Kontrolle und zum Abgleich eines temperaturabhängi gen Spektrometers durchgeführt wird. a comparison measurement is carried out on a reference stage in air for the purpose of checking and calibrating a temperature-dependent spectrometer.
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