WO2017072315A1 - Interferenzobjektiv nach mirau - Google Patents

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WO2017072315A1
WO2017072315A1 PCT/EP2016/076119 EP2016076119W WO2017072315A1 WO 2017072315 A1 WO2017072315 A1 WO 2017072315A1 EP 2016076119 W EP2016076119 W EP 2016076119W WO 2017072315 A1 WO2017072315 A1 WO 2017072315A1
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WO
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beam path
phase shift
interference
wavelength
lens
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Hans-Martin Heuck
Frank EISENKRÄMER
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Leica Microsystems Cms Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/02—Objectives
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G02B27/142—Coating structures, e.g. thin films multilayers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an interference lens according to Mirau with an objective lens, a arranged between the objective lens and an object to be examined divider element for dividing incident light in a
  • Sample beam path and a reference beam path wherein the objective lens focuses the sample beam path on the object to be examined, and with an arranged between the divider element and the objective lens mirror element for reflection of the reference beam path.
  • a generic interference lens according to Mirau is known from EP 0 612 414 B1 and shown schematically in FIG.
  • the interference lens 1 comprises an objective lens 2 with an attachment consisting of a
  • the mirror element 3 is arranged toward the objective lens 2, while the divider element 4 is arranged toward the object 5.
  • the mirror element 3 consists of an optically transparent plate with a mirrored part (reference mirror) 3a, which is arranged on the optical axis. Part of the light passing through the mirror element 3 and impinging on the divider element 4 is reflected by the divider element 4 as a reference beam path 6 and reaches the mirrored part 3a of the mirror element 3. The light reflected there passes to the divider element 4 and in turn is partly returned there reflected to the transparent part of the mirror element 3, from where the reference beam path 6 reaches the objective lens 2. The part of the light coming from the lens which is not reflected by the divider element 4 passes through the divider element 4 as a transmitted beam and is referred to as
  • Sample beam path 7 focused on the object 5 to be measured. After reflection on the object 5, the sample beam path 7 passes through the divider element 4 and from there also reaches the objective lens 2. The sample beam and the
  • examination objects can have greatly varying reflection values.
  • the brightness of the sample beam path thus varies greatly depending on the object to be measured, while the brightness of the reference beam path reflected at the mirrored spot of the mirror element remains the same regardless of the object to be measured.
  • the interference of two partial beams of different brightness leads, as is known, to poor contrasts.
  • EP 0612 414 Bl proposes to remedy this disadvantage, to use a removable carrier with several different divider elements, which differ in j ehyroid reflection / transmission characteristics, so that depending on the respective reflectivity of the object to be measured optionally a suitable divider element in the beam path can be introduced. In this way, the brightnesses of the reference and the sample beam path can each be kept as equal as possible even with differently reflecting objects in order to achieve an optimum contrast.
  • Wavelength spectrum such as white light, illuminated.
  • the optical path length of the sample beam path is equal to the optical path length of the
  • US 8,072,610 Bl deals with a Mirau interferometer for use in geometric phase shift interferometry.
  • the divider element of a Mirau objective is replaced by two achromatic ⁇ / 4 plates, the second object facing ⁇ / 4 plate having on its upper side a thin reflective layer with a reflectivity of 50% around one
  • Mirror surface can be applied directly on the front surface of the lens or on a mirror element, which is arranged between the lens and the first ⁇ / 4 - plate.
  • a mirror element which is arranged between the lens and the first ⁇ / 4 - plate.
  • the polarization plane of the reference beam path remains unchanged when entering back into the lens, while the polarization plane of the sample beam path is rotated by 90 °.
  • the two orthogonal polarized beam paths are passed through the lens via a beam splitter and from there by an achromatic phase shifter to a CCD camera.
  • the object of the present invention is, in the case of a Mirau objective, to further increase the contrast of the resulting interference pattern when using broadband light sources, for example white light.
  • the inventive interference lens according to Mirau has an objective lens, a light arranged between the objective lens and an object to be examined Parterelement for division incident light in a sample beam path and a reference beam path, wherein the objective lens focuses the sample beam path on the object to be examined, and arranged between the divider element and the objective lens mirror element for reflection of the
  • the mentioned objective lens is generally an arrangement of a plurality of lenses or lens groups, but in principle may also be a single lens.
  • Such a known per se Interference lens according to Mirau contains according to the invention
  • Phase shift compensation element which is a
  • Phase shift compensation element constructed as a thin film system, which is applied to the splitter element.
  • Mirror element and / or the object to be examined itself can be caused effectively canceled and the contrast can be significantly improved.
  • the interference lenses according to Mirau also referred to below as Mirau lenses, usually work with broadband light
  • Reflection on the sample, R p not only changes the amplitude of the reflected light, but also affects the phase:
  • lmin is the intensity at maximum or minimum interference contrast.
  • the contrast, K is determined by:
  • the invention aims to keep the wavelength-dependent part of the contrast, cos (AO (x, y, 1)), constant and thus to maximize.
  • ⁇ ( ⁇ ) 0 if the contrast maximum should be in the intensity maximum.
  • the said effect of a phase shift varying over the wavelength can first be neutralized for the interference lens, independently of the object to be examined.
  • a neutral sample ie an object having a wavelength-independent reflectivity
  • the divider element and / or the mirror element are designed neutral with the aid of the phase shift compensation element, that is, any phase shifts of the sample and / or
  • Reference beam path become wavelength independent. As in the Reference beam path the phase shift ideally
  • Neutral design divider element Such interference lenses can then be used especially for neutral samples with advantage.
  • samples with wavelength-dependent reflectivity such as, for example, thin-layered samples
  • optimized interference objectives should be used according to the invention for the respective sample, as described below.
  • Phase shift compensation element wherein the attachment is designed by suitable fastening means such that it can be mounted in particular detachably on the objective lens.
  • phase shift compensation element may be applied to the splitter element, for example in the form of a coating, may be
  • Equipped phase shift compensation element can for
  • variable divider elements depending on the object to be examined can be used with regard to the degree of reflection and transmittance. In this way, the contrast of the interference image both in terms of the phase shift and with respect to the intensities of the reference beam path and the
  • Sample beam path can be optimized. This will be the
  • phase shift compensation element may be applied to the mirror element whose component or the Make mirror element itself.
  • Mirror element in the context of this application means an element used to mirror the reference beam path in the Mirau lens. If the reflecting surface is located on the objective lens (in particular on its front lens), mirror element means this reflecting surface.
  • mirror element means the element carrying the reflecting surface, which as a rule represents an optically transparent plate in the center of which the reflecting surface is located.
  • Reference beam path reflecting part of the mirror element may be formed from the same material as the object to be examined. In this way, a possible phase shift in the sample beam path would be caused by a wavelength-dependent reflectivity on the object with the corresponding
  • the mirror element may be formed as part of the objective lens.
  • the mirror element or the part of the mirror element reflecting the reference beam path can be applied to the object-side front lens, for example vapor-deposited.
  • the phase shift compensation element shifts the phase of the reference beam path and / or the sample beam path such that the resulting phase shift over a defined
  • This defined wavelength range is preferably considered in the respective application
  • Wavelength range but especially the majority of considered Wavelength range.
  • the considered wavelength range extends, for example, to a range between 450 nm and 630 nm; the predominant part of this range is then, for example, a range between 530 nm and 630 nm (see exemplary embodiments below).
  • the contrast is constant over the considered wavelengths.
  • the constant value is 0 or ⁇ , since then the contrast reaches its maximum.
  • the aim is to achieve as constant a value as possible over the entire wavelength range considered. In this case, different influences are considered, such as differences in thickness, glass properties (eg dispersion) and wedge error between the divider and the mirror.
  • inventive interference lenses according to Mirau are, in particular, an interference microscope objective.
  • Phase shift compensation element components of an essay (or a cap), which is designed by means of fastening elements such that it can be mounted in particular detachably on the microscope objective.
  • Microscope lens to be placed under protection.
  • FIG. 1 shows a known Mirau objective in a schematic view
  • FIG. 2 shows two diagrams for the reflectivity or the
  • FIG. 3 shows two diagrams for the reflectivity or the
  • FIG. 4 shows two diagrams for the reflectivity or the
  • FIG. 5 shows two diagrams for the reflectivity or the
  • FIG. 6 shows three diagrams for the reflectivity, the respective ones
  • FIG. 7 shows three diagrams for the reflectivity, the respective ones
  • Phase shift compensation element as a function of the wavelength
  • FIG. 8 shows the layer structure of the optimized splitter layer of FIG. 8
  • FIG. 9 shows the schematic structure of an interference microscope with interference lens according to the invention in Mirau.
  • FIG. 1 has already been discussed in detail in the introduction to the description. It shows a common Mirau lens. However, such a Mirau lens shows, as has been explained in detail, a wavelength-dependent phase shift between the reference beam path and the overlapping sample beam path. In the following, the cause and meaning of this phase shift will be explained on the basis of material examples.
  • FIG. 2 shows in the upper diagram the reflectivity, expressed in percent (%), of silver as a function of the wavelength ("wavelength"), indicated in nm. Shown is the wavelength range of white light, from 400 nm (purple) to 700 nm (red). The central wavelength is around 530 nm (green).
  • phase shift in radians of light reflected by silver as a function of the wavelength.
  • phase shift is the change in the phase angle of the beam path after reflection or
  • Interfaces of materials of complex refractive index show the phase response as a function of the wavelength of the radiation and the angle of incidence. In the wavelength range above the central
  • Wavelength varies the phase shift only slightly, while in the lower wavelength range a slightly stronger wavelength dependence of the
  • FIG. 3 shows the diagrams from FIG. 2 for the material aluminum. While in the lower wavelength range, the reflectivity is slightly wavelength-dependent, it falls slightly for higher wavelengths. It should be noted that the reflectivity in the considered wavelength range varies only between 90.5 and about 92.5 percent, while for silver (see Figure 2) a larger
  • Variation width is present.
  • the course of the phase shift shows for aluminum in the wavelength range considered a very slightly varying course at a nearly constant value of about 0.3 to 0.4 rad.
  • FIG. 4 shows in the upper diagram a reflectivity for silicon which decreases sharply to higher wavelengths. It decreases from 70% at 400 nm to about 58% at 700 nm.
  • the phase shift shows a nearly constant course over the entire wavelength range under consideration with a value of just over 3 rad.
  • Figure 5 shows analogous diagrams for aluminum with a simple dielectric protective layer. This is a typical mirror for laser and Optics applications. A dielectric protective layer is always necessary in practice because aluminum would oxidize in pure form. Thus, the curves for aluminum shown in Figure 3 can not be achieved in practice. Due to the relatively low and almost constant phase shift over the entire wavelength range considered, aluminum would be better suited than the protective layer shown in FIG. The reflectivity of this protective layer increases towards the central wavelength from about 86.5% to just below 89% and drops slightly to higher wavelengths. The phase shift increases relatively continuously from about 3 rads to about 1 radian over the considered one
  • FIGS. 2 to 5 thus show the height and the wavelength dependence of the phase shift when using different materials, for example as samples to be examined or as a mirrored part of a mirror element in the Mirau objective. It turns out that the implicit assumption in the prior art according to which the phase shift is a constant
  • wavelength-independent value is wrong for some materials.
  • FIG. 6 shows a typical multilayer 50:50 splitter layer, which is often used as a splitter element in Mirau lenses.
  • the reflectivity as well as the transmissivity are both over the whole shown
  • Wavelength range in a narrow range around 50 percent Such divider layers are thus optimized for an optimal ratio of the transmitted to the reflected intensity.
  • the intensity ratio varies only a few percentage points over the range of wavelengths considered.
  • the individual phase shifts for the reflectivity (solid line) and the transmissivity (dashed line) vary significantly over the entire wavelength range shown, and correspondingly also the
  • Phase shift between the reflected and transmitted portion, so the phase difference which is shown in the bottom diagram of Figure 7.
  • the absolute Differences in the respective phase shifts some rad, sometimes up to 4 rad.
  • the divider layer enters with a factor of 2, because twice reflected (reference beam path) or twice transmitted (sample beam path) at this layer.
  • FIG. 6 thus shows that when using a conventional dielectric divider layer, a strongly wavelength-dependent phase shift occurs between the specimen and reference beam paths solely on account of the divider element in the Mirau objective.
  • FIG. 7 shows the reflectivity, the respective phase shifts and the phase difference of a phase shift compensation element which has been achieved by a divider layer optimized according to the invention.
  • Phase shifts in the wavelength range considered in the present application between 450 nm and 650 nm, in particular in the range between 500 nm and 630 nm, more particularly in the range between 530 nm and 630 nm smaller than about 2 rad and is predominantly
  • Phase shift compensation element is thus ideally suited to compensate for the wavelength-dependent phase shift between the reference beam path and the sample beam path superimposed therewith.
  • the illustrated divider element is thus designed for use with neutral samples.
  • the conventional divider layers of divider elements show a clear color gradient in the examination of silicon and glass as samples.
  • the color gradient is symmetrical around the black contrast minimum.
  • Phase shift compensation layer on the splitter element can be further optimized. Often it is sufficient to distinguish between dielectric and metallic samples and to provide corresponding Mirau caps (Mirau caps) with optimized splitter layers.
  • FIG. 8 shows an example of the layer structure of an optimized splitter layer of the phase shift compensation element.
  • the splitter layer consists of six vapor-deposited layers. The six evaporated layers exist
  • the table shows the respective refractive indices as well as the layer thicknesses in nanometers [nm].
  • the first layer lies on the substrate, while the last sixth layer is adjacent to air.
  • Figure 9 shows a schematic representation of the structure of a
  • the interference lens 1 is shown here as a unitary lens having lens assemblies 11 of the actual microscope objective and the divider element 4 and the mirror element 3. On the optical axis of the
  • Interference lens 1 is located on the mirror element 3 of the mirrored part 3a.
  • On the divider element 4 is the as
  • This interference lens 1 is part of a
  • Interference microscope 20 which has as essential elements a lighting unit 12, a beam splitter 13 and a tube lens 14.
  • the object plane is denoted by 16, the image plane by 15. From the illumination unit 12 outgoing broadband (white) light passes through the beam splitter 13 in the
  • Interference lens 1 from which it is focused on the object plane 16. There, a sample lying in the object plane 16 is examined by interference microscopy.
  • the splitter layer acting as a phase shift compensation element effects a constant over a large part of the wavelength range considered in the specific application
  • the interfered sample and reference beams pass through the beam splitter 13 into the tube lens 14, from which they are focused in the image plane.
  • Interference image is therefore to be viewed in the image plane 15 or recorded with a camera.
  • the schematically illustrated lens assemblies 11 and the tube lens 14 shown schematically may be multiple single lenses or multiple lens groups.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Interferenzobjektiv (1) nach Mirau mit einer Objektivlinse (2), einem zwischen Objektivlinse (2) und einem zu untersuchenden Objekt (5) angeordneten Teilerelement (4) zur Teilung auftreffenden Lichts in einen Probenstrahlengang (7) und einen Referenzstrahlengang (6), wobei die Objektivlinse (2) den Probenstrahlengang (7) auf das zu untersuchende Objekt (5) fokussiert, und mit einem zwischen Teilerelement (4) und Objektivlinse (2) angeordneten Spiegelelement (3) zur Reflexion des Referenzstrahlengangs (6), wobei das Interferenzobjektiv (1) ein Phasenverschiebungskompensationselement zur Kompensation einer wellenlängenabhängigen Phasenverschiebung zwischen Referenzstrahlengang (6) und dem sich mit diesem überlagernden Probenstrahlengang (7) enthält.

Description

Interferenzobjektiv nach Mirau
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Interferenzobjektiv nach Mirau mit einer Objektivlinse, einem zwischen Objektivlinse und einem zu untersuchenden Objekt angeordneten Teilerelement zur Teilung auftreffenden Lichts in einen
Probenstrahlengang und einen Referenzstrahlengang, wobei die Objektivlinse den Probenstrahlengang auf das zu untersuchende Objekt fokussiert, und mit einem zwischen Teilerelement und Objektivlinse angeordneten Spiegelelement zur Reflexion des Referenzstrahlengangs.
Stand der Technik
Ein gattungsgemäßes Interferenzobjektiv nach Mirau ist aus der EP 0 612 414 Bl bekannt und in der Figur 1 schematisch dargestellt. Das Interferenzobjektiv 1 umfasst eine Objektivlinse 2 mit einem Aufsatz bestehend aus einem
Spiegelelement 3 und einem Teilerelement 4. Das Spiegelelement 3 ist zur Objektivlinse 2 hin angeordnet, während das Teilerelement 4 zum Objekt 5 hin angeordnet ist. Das Spiegelelement 3 besteht aus einer optisch transparenten Platte mit einem verspiegelten Teil (Referenzspiegel) 3a, der auf der optischen Achse angeordnet ist. Ein Teil des durch das Spiegelelement 3 hindurchtretenden und auf das Teilerelement 4 auftreffenden Lichtes wird von dem Teilerelement 4 als Referenzstrahlengang 6 reflektiert und gelangt auf den verspiegelten Teil 3a des Spiegelelements 3. Das dort reflektierte Licht gelangt zum Teilerelement 4 und wird dort wiederum zum Teil zurück zum transparenten Teil des Spiegelelements 3 reflektiert, von wo der Referenzstrahlengang 6 zur Objektivlinse 2 gelangt. Der nicht am Teilerelement 4 reflektierte Teil des vom Objektiv kommenden Lichts durchläuft das Teilerelement 4 als transmittierter Strahl und wird als
Probenstrahlengang 7 auf das zu vermessende Objekt 5 fokussiert. Nach Reflexion an dem Objekt 5 tritt der Probenstrahlengang 7 durch das Teilerelement 4 und gelangt von dort ebenfalls zur Objektivlinse 2. Der Probenstrahl und der
Referenzstrahl überlagern sich nach Durchtritt des Probenstrahls durch das Teilerelement 4. Beide Lichtstrahlen kommen zur Interferenz. Das entstehende Interferenzmuster kann mikroskopisch abgebildet werden. Auf diese Weise kann durch Abscannen des Objekts 5 und Auswertung der Interferenzmuster die Mikrostruktur des vermessenen Objekts 5 dreidimensional dargestellt werden. Bei bekannten interferenzmikroskopischen Verfahren unter Verwendung eines derartigen Mirau-Objektivs stellt sich als nachteilig heraus, dass die zu
untersuchenden Objekte stark variierende Reflexionswerte aufweisen können. Die Helligkeit des Probenstrahlengangs variiert somit stark in Abhängigkeit vom zu vermessenden Objekt, während die Helligkeit des am verspiegelten Fleck des Spiegelelements reflektierten Referenzstrahlengangs unabhängig vom zu vermessenden Objekt gleich hoch bleibt. Die Interferenz zweier Teilstrahlen unterschiedlicher Helligkeit führt aber bekanntlich zu schlechten Kontrasten.
Die genannte EP 0612 414 Bl schlägt zur Behebung dieses Nachteils vor, einen Wechselträger mit mehreren unterschiedlichen Teilerelementen einzusetzen, die sich in ihren j eweiligen Reflexions- /Transmissionscharakteristiken unterscheiden, so dass in Abhängigkeit von der jeweiligen Reflektivität des zu vermessenden Objekts wahlweise ein passendes Teilerelement in den Strahlengang eingebracht werden kann. Auf diese Weise können die Helligkeiten des Referenz- und des Probenstrahlengangs auch bei unterschiedlich reflektierenden Objekten jeweils möglichst gleich gehalten werden, um einen optimalen Kontrast zu erzielen.
Aus der EP 2 369 293 AI ist ebenfalls ein Interferenzmikroskop mit Mirau- Objektiv bekannt. Die zu untersuchende Probe wird mit einem breiten
Wellenlängenspektrum, beispielsweise Weißlicht, beleuchtet. In einer dort definierten "Fokusposition" ist bei einem üblichen Mirau-Objektiv die optische Weglänge des Probenstrahlengangs gleich der optischen Weglänge des
Referenzstrahlengangs. Probenstrahl und Referenzstrahl überlagern sich dann bei gleicher Phase und ergeben ein Interferenzmusterbild hoher Intensität. Dies wirkt sich bei der Vermessung von Objekten mit Bereichen hoher und Bereichen niedriger Reflektivität jedoch nachteilig aus, da eine für einen Objektbereich niedriger Reflektivität eingestellte Helligkeit bei einem Objektbereich hoher Reflektivität zu einer Übersteuerung führen kann. Deshalb schlägt die genannte EP 2 369 293 AI ein 90°-Phasenschiebeelement ("phase difference control member") vor, das in Form einer dielektrischen Schicht auf das Teilerelement oder das Spiegelelement aufgebracht sein kann. Das 90°-Phasenschiebeelement verursacht bei Überlagerung des Probenstrahls und des Referenzstrahls eine
Phasenverschiebung zwischen Probenstrahlgang und Referenzstrahlengang von insgesamt 180°. Die resultierende Helligkeit des Interferenzmusters ist somit minimal, so dass die oben beschriebene Übersteuerung bei Reflexion an
hochreflektierenden Probenteilen vermieden werden kann. Die US 8,072,610 Bl behandelt ein Mirau-Interferometer zur Verwendung für die geometrische Phasenverschiebungsinterferometrie. Das Teilerelement eines Mirau-Objektivs wird durch zwei achromatische λ/4 - Plättchen ersetzt, wobei das zweite, dem Objekt zugewandte λ/4 - Plättchen auf seiner Oberseite eine dünne reflektierende Schicht mit einer Reflektivität von 50% aufweist, um einen
Strahlteiler zu erhalten. Die für den Referenzstrahl benötigte reflektierende
Spiegelfläche kann direkt auf der Frontfläche des Objektivs aufgebracht sein oder aber auf einem Spiegelelement, das zwischen Objektiv und dem ersten λ/4 - Plättchen angeordnet ist. Bei der Interferometriemethode der genannten US 8,072,610 Bl wird beispielsweise weißes, linear polarisiertes Licht über das Objektiv in Richtung Objekt geleitet. Bei der genannten Ausgestaltung des
Teilerelements bleibt die Polarisationsebene des Referenzstrahlengangs beim Eintritt zurück in das Objektiv unverändert, während die Polarisationsebene des Probenstrahlengangs um 90° gedreht ist. Die beiden orthogonal zueinander polarisierten Strahlengänge werden nach Durchtritt durch das Objektiv über einen Strahlteiler und von dort durch einen achromatischen Phasenschieber zu einer CCD-Kamera geleitet.
Schließlich ist auch aus der US 4,639,139 ein Mirau-Interferometer bekannt, bei dem das Spiegelelement zwischen Objektiv und Teilerelement mittels eines piezoeletrischen Antriebs in Richtung optischer Achse verfahren werden kann. Das erhaltene Interferenzmuster wird auf ein Photozellenarray fokussiert, dessen Ausgangssignal jeweils über eine durch Verschiebung des Spiegelelements erzeugte Phasenverschiebung von 90° integriert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Mirau-Objektiv den Kontrast des erhaltenen Interferenzmusters beim Einsatz von breitbandigen Lichtquellen, beispielsweise Weißlicht, weiter zu erhöhen.
Die Erfindung schlägt zu diesem Zweck ein Interferenzobjektiv nach Mirau mit den Merkmalen des Patentanspruch 1 vor. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden
Beschreibung. Der Stand der Technik berücksichtigt bisher nicht, dass die verwendeten Teilerelemente und in einem geringen Maß auch die verwendeten Spiegelelemente eine über die Wellenlänge variierende Phasenverzögerung bewirken. Außerdem weist jede Probe ihrerseits einen materialtypischen wellenlängenabhängigen
Phasenverlauf auf. Insbesondere bei Proben, die dünne Schichten aufweisen, beispielsweise optische Filter, tritt das Problem der über die Wellenlänge variierenden Phasenverzögerung auf. Hieraus resultiert eine
wellenlängenabhängige Phasendifferenz zwischen Probenstrahlengang und Referenzstrahlengang bei ihrer Überlagerung. Wie unten ausführlich dargelegt, kann hieraus eine starke Kontrastabnahme - auch bei gleichen Helligkeiten von Proben- und Referenzstrahl - resultieren, was die Auswertung der Interferenzen deutlich erschwert.
Das erfindungsgemäße Interferenzobjektiv nach Mirau weist eine Objektivlinse, ein zwischen Objektivlinse und einem zu untersuchenden Objekt angeordnetes Teilerelement zur Teilung auftreffenden Lichts in einen Probenstrahlengang und einen Referenzstrahlengang, wobei die Objektivlinse den Probenstrahlengang auf das zu untersuchende Objekt fokussiert, und ein zwischen Teilerelement und Objektivlinse angeordnetes Spiegelelement zur Reflexion des
Referenzstrahlengangs auf. Bei der genannten Objektivlinse handelt es sich in der Regel um eine Anordnung mehrerer Linsen oder Linsengruppen, prinzipiell kann es sich aber auch um eine Einzellinse handeln. Ein solches an sich bekanntes Interferenzobjektiv nach Mirau enthält erfindungsgemäß ein
Phasenverschiebungskompensationselement, welches eine
wellenlängenabhängigen Phasenverschiebung zwischen Referenzstrahlengang und dem sich mit dem Referenzstrahlengang überlagernden Probenstrahlengang kompensiert. Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise das
Phasenverschiebungskompensationselement als Dünnschichtsystem aufgebaut, welches auf dem Teilerelement aufgebracht wird.
Auf diese Weise können die genannten wellenlängenabhängigen
Phasenverschiebungen, wie sie durch das Teilerelement und/oder das
Spiegelelement und/oder das zu untersuchende Objekt selbst hervorgerufen werden, wirksam aufgehoben und der Kontrast deutlich verbessert werden.
Vorteile der Erfindung
Zur Erläuterung der Erfindung seien zunächst deren Grundlagen beschrieben. Die hier behandelten Interferenzobjektive nach Mirau, im Folgenden auch Mirau- Objektive genannt, arbeiten in der Regel mit breitbandigem Licht eines
bestimmten Wellenlängenbereichs, häufig auch mit Weißlicht. Damit eine
Weißlichtinterferenz entstehen kann, muss der Wegunterschied zwischen sich überlagernden Strahlengängen kleiner als die Kohärenzlänge sein:
Figure imgf000007_0002
Figure imgf000007_0001
Mit einer Bandbreite von typisch
Figure imgf000007_0003
und einer zentralen Wellenlänge des Spektrums, , ergibt sich eine Kohärenzlänge von was nur
Figure imgf000007_0004
Figure imgf000007_0005
wenigen Wellenzügen entspricht.
Wichtig für die Anwendung ist, dass ein möglichst guter Interferenzkontrast, K, in der Bildebene entsteht. Um das zu erreichen, muss vom Referenzzweig die gleiche Intensität, , zurückkommen wie von der Probe, Ip. Um dies zu erreichen, wird, zum Beispiel gemäß genanntem Patent EP 0 612 414 Bl, ein variabler Mirau- Strahlteiler eingeführt. Dabei wird die Kontrastverbesserung dadurch erreicht, dass verschiedene Teiler mit unterschiedlichen Teilungsverhältnissen eingeschwenkt werden können und somit der Mirau-Aufsatz der Reflektivität der Probe angepasst werden kann.
Bei dieser Art der Betrachtung bleibt unberücksichtigt, dass das Licht beider Strahlgänge phasengleich überlagert werden muss. Die Reflexion am Teiler, Rt, die Transmission am Teiler, Tt, die Reflexion am Referenz-Spiegel, Rr, und die
Reflexion an der Probe, Rp, verändern nämlich nicht nur die Amplitude des reflektierten Lichts, sondern haben auch einen Einfluss auf die Phase:
Figure imgf000008_0001
Das E-Feld, ER, des Referenzstrahlengangs ergibt sich dann durch
Figure imgf000008_0002
Das E-Feld, EP, des Probenstrahlengangs ergibt sich dann durch
Figure imgf000008_0003
Wenn sich nun beide Strahlengänge wieder überlagern, entsteht das resultierende E-Feld
Figure imgf000008_0004
Dabei ist die Ortsabhängigkeit in der xy-Ebene für die weitere Betrachtung unerheblich:
Figure imgf000009_0001
Wobei /max, lmin die Intensität beim maximalen bzw. minimalen Interferenzkontrast ist. Der Kontrast, K, ist bestimmt durch:
Figure imgf000009_0002
Das Patent EP 0 612 414 Bl geht stillschweigend davon aus, dass die
Phasendifferenz, Δφ(λ) = const, ist. Somit ist ein optimaler Kontrast erreicht, wenn die Lichtintensität von Referenz- und Probenstrahl genau gleich ist: E = Ep .
(Intensität ist proportional zum Amplitudenquadrat). Somit kann man durch Teiler mit verschiedenen Reflektivitäten den Kontrast ideal der Probe anpassen.
Aus der Formel für K( ) wird ersichtlich, dass eine Phasendifferenz den Kontrast im erheblichen Maß mit beeinflussen kann, ja sogar dominiert gegenüber dem Kontrastverlust aufgrund von Intensitätsschwankungen. Die vorliegende
Erfindung zielt darauf ab, den wellenlängenabhängigen Teil des Kontrastes, cos(AO(x, y, 1)), konstant zu halten und somit zu maximieren. Letzteres ist gleichbedeutend mit der Forderung ΔΦ (λ) = π,
wenn das Kontrastmaximum im Intensitätsminimum liegen soll, oder
ΔΦ(λ) = 0 wenn das Kontrastmaximum im Intensitätsmaximum liegen soll.
Mittels der Erfindung kann der genannte Effekt einer über die Wellenlänge variierenden Phasenverschiebung zunächst für das Interferenzobjektiv - unabhängig vom zu untersuchenden Objekt - neutralisiert werden. Ausgehend von einer neutralen Probe, also einem Objekt, das eine wellenlängenunabhängige Reflektivität aufweist, werden das Teilerelement und/oder das Spiegelelement mit Hilfe des Phasenverschiebungskompensationselements neutral ausgelegt, das heißt etwaige Phasenverschiebungen des Proben- und/oder
Referenzstrahlengangs werden wellenlängenunabhängig. Da im Referenzstrahlengang die Phasenverschiebung im Idealfall
wellenlängenunabhängig sein sollte, ist in der Praxis meist nur noch das
Teilerelement neutral auszulegen. Derartige Interferenzobjektive können dann besonders für neutrale Proben mit Vorteil eingesetzt werden. Für Proben mit wellenlängenabhängiger Reflektivität, wie beispielsweise dünnschichtige Proben, sollten für die jeweilige Probe erfindungsgemäß optimierte Interferenzobjektive zum Einsatz kommen, wie weiter unten beschrieben.
Interferenzobjektive lassen sich in besonders vorteilhafter Weise durch
Verwendung eines Aufsatzes ("Mirau-Kappe") herstellen. Ein solcher Aufsatz enthält dann das Teilerelement, das Spiegelelement und das
Phasenverschiebungskompensationselement, wobei der Aufsatz durch geeignete Befestigungsmittel derart ausgestaltet ist, dass er insbesondere lösbar an der Objektivlinse angebracht werden kann.
Das Phasenverschiebungskompensationselement kann auf dem Teilerelement, beispielsweise in Form einer Beschichtung aufgebracht sein, kann dessen
Bestandteil sein oder kann schließlich das Teilerelement selbst bilden. Ist das Teilerelement auf diese Weise mit dem
Phasenverschiebungskompensationselement ausgestattet, können für
verschiedene Proben spezifische Teilerelemente zum Einsatz kommen, die in einem Schieber oder einem Rad, allgemein Wechselträger, derart angeordnet sind, dass sie passend zur untersuchten Probe in den Strahlengang eingebracht werden können. Zudem können, wie in der EP 0 612 414 Bl vorgeschlagen, hinsichtlich des Reflexions- und Transmissionsgrades variable Teilerelemente je nach zu untersuchendem Objekt zum Einsatz kommen. Auf diese Weise kann der Kontrast des Interferenzbildes sowohl hinsichtlich der Phasenverschiebung als auch hinsichtlich der Intensitäten des Referenzstrahlengangs und des
Probenstrahlengangs optimiert werden. Hierdurch wird der
Weißlichtinterferenzkontrast erheblich gesteigert.
Zusätzlich oder alternativ kann das Phasenverschiebungskompensationselement auf dem Spiegelelement aufgebracht sein, dessen Bestandteil sein oder das Spiegelelement selbst bilden. Spiegelelement im Rahmen dieser Anmeldung meint ein zur Spiegelung des Referenzstrahlengangs im Mirau-Objektiv eingesetztes Element. Sollte sich die spiegelnde Fläche auf der Objektivlinse (insbesondere auf deren Frontlinse) befinden, so meint Spiegelelement diese spiegelnde Fläche.
Sollte unabhängig von der Objektivlinse ein Spiegelelement vorhanden sein, so meint Spiegelelement das die spiegelnde Fläche tragende Element, das in der Regel eine optisch transparente Platte darstellt, in deren Zentrum sich die spiegelnde Fläche befindet. Beispielsweise kann das Spiegelelement bzw. der den
Referenzstrahlengang spiegelnde Teil des Spiegelelements aus demselben Material wie das zu untersuchende Objekt gebildet sein. Auf diese Weise würde sich eine etwaige Phasenverschiebung beim Probenstrahlengang hervorgerufen durch eine wellenlängenabhängige Reflektivität am Objekt mit der entsprechenden
Phasenverschiebung des Referenzstrahls bei Reflexion am Spiegelelement aufheben. Wenn das Teilerelement dann derart ausgebildet ist, dass es keine weitere wellenlängenabhängige Phasenverschiebung zwischen Referenz- und Probenstrahlengang induziert, wäre diese Maßnahme allein bereits ausreichend zur effektiven Phasenverschiebungskompensation.
Das Spiegelelement kann als Teil der Objektivlinse ausgebildet sein. Insbesondere kann das Spiegelelement bzw. der den Referenzstrahlengang spiegelnde Teil des Spiegelelements auf der objektseitigen Frontlinse aufgebracht, beispielsweise aufgedampft, sein.
Zur Kompensation der wellenlängenabhängigen Phasenverschiebung zwischen Referenzstrahlengang und dem sich mit diesem überlagernden
Probenstrahlengang verschiebt das Phasenverschiebungskompensationselement die Phase des Referenzstrahlengangs und/oder des Probenstrahlengangs derart, dass die resultierende Phasenverschiebung über einen definierten
Wellenlängenbereich wellenlängenunabhängig einen konstanten Wert oder zumindest einen näherungsweise konstanten Wert mit maximalen Abweichungen von ± 20 %, insbesondere ± 10, annimmt. Dieser definierte Wellenlängenbereich ist vorzugsweise der im jeweiligen Anwendungsfall betrachtete
Wellenlängenbereich, insbesondere aber der überwiegende Teil des betrachteten Wellenlängenbereichs. Der betrachtete Wellenlängenbereich erstreckt sich konkret beispielsweise auf einen Bereich zwischen 450 nm und 630 nm; der überwiegende Teil dieses Bereichs ist dann beispielsweise ein Bereich zwischen 530 nm und 630 nm (vgl. Ausführungsbeispiele unten). Auf diese Weise ist der Kontrast über die betrachteten Wellenlängen konstant. Vorzugsweise beträgt der konstante Wert 0 oder ττ, da dann der Kontrast sein Maximum erreicht. In der Praxis wird ein möglichst konstanter Wert über den gesamten betrachteten Wellenlängenbereich angestrebt. Dabei werden unterschiedliche Einflüsse berücksichtigt, wie beispielsweise Dickedifferenzen, Glaseigenschaften (z.B. Dispersion) und Keilfehler zwischen dem Teiler und dem Spiegel.
Selbstverständlich sind hier geringe Abweichungen zuzulassen, solange deutliche Kontraststeigerungen bemerkbar bleiben. Nähere Ausführungen zu Aufbau und Funktion des erfindungsgemäßen Phasenverschiebungskompensationselements befinden sich in den Ausführungsbeispielen. Bei dem erfindungsgemäßen Interferenzobjektiven nach Mirau handelt es sich insbesondere um ein Interferenzmikroskopobjektiv. Hierbei können das
Teilerelement, das Spiegelelement und das
Phasenverschiebungskompensationselement Bestandteile eines Aufsatzes (oder einer Kappe) sein, der mittels Befestigungselementen derart ausgestaltet ist, dass er insbesondere lösbar am Mikroskopobjektiv angebracht werden kann. Im Rahmen dieser Erfindung soll auch ein entsprechender Aufsatz für ein
Mikroskopobjektiv unter Schutz gestellt sein.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Figurenbeschreibung Figur 1 zeigt ein bekanntes Mirau-Objektiv in schematischer Ansicht,
Figur 2 zeigt zwei Diagramme für die Reflektivität bzw. die
Phasenverschiebung für Silber in Abhängigkeit der Wellenlänge;
Figur 3 zeigt zwei Diagramme für die Reflektivität bzw. die
Phasenverschiebung für Aluminium in Abhängigkeit der Wellenlänge;
Figur 4 zeigt zwei Diagramme für die Reflektivität bzw. die
Phasenverschiebung für Silizium in Abhängigkeit der Wellenlänge;
Figur 5 zeigt zwei Diagramme für die Reflektivität bzw. die
Phasenverschiebung für Aluminium mit einer dielektrischen Schutzschicht in Abhängigkeit der Wellenlänge;
Figur 6 zeigt drei Diagramme für die Reflektivität, die jeweilige
Phasenverschiebung bzw. die hieraus resultierende Phasendifferenz für ein typisches Multilayer-50:50- Teilerelement in Abhängigkeit der Wellenlänge;
Figur 7 zeigt drei Diagramme für die Reflektivität, die jeweilige
Phasenverschiebung bzw. die hieraus resultierende Phasendifferenz für eine erfindungsgemäß optimierte Teilerschicht mit
Phasenverschiebungskompensationselement in Abhängigkeit der Wellenlänge;
Figur 8 zeigt den Schichtaufbau der optimierten Teilerschicht des
Phasenverschiebungskompensationselements; und Figur 9 zeigt den schematischen Aufbau eines Interferenzmikroskops mit erfindungsgemäßem Interferenzobjektiv nach Mirau.
Figur 1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich diskutiert. Sie zeigt ein gängiges Mirau-Objektiv. Ein derartiges Mirau-Objektiv zeigt jedoch, wie ausführlich dargelegt wurde, eine wellenlängenabhängige Phasenverschiebung zwischen Referenzstrahlengang und dem sich überlagernden Probenstrahlengang. Im Folgenden soll anhand von Materialbeispielen die Ursache und Bedeutung dieser Phasenverschiebung erläutert werden.
Figur 2 zeigt im oberen Diagramm die Reflektivität, angegeben in Prozent (%), von Silber in Abhängigkeit von der Wellenlänge ("wavelength"), angegeben in nm. Dargestellt ist der Wellenlängenbereich von Weißlicht, von 400 nm (violett) bis 700 nm (rot). Die zentrale Wellenlänge liegt bei etwa 530 nm (grün). Die
Reflektivität von Silber nimmt zu höheren Wellenlängen hin zu, wie aus dem oberen Diagramm der Figur 2 ersichtlich. Im unteren Diagramm der Figur 2 ist eine Phasenverschiebung ("Phase") in rad, von an Silber reflektiertem Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Als Phasenverschiebung ist hierbei die Änderung der Phasenlage des Strahlengangs nach der Reflexion oder
Transmission an einer optischen Grenzfläche definiert. 2 π rad entspricht 360°, so dass 1 rad ca. 57,3° entspricht. Die Phasenverschiebung nimmt ausgehend von etwa 2 rad zu höheren Wellenlängen hin ab (bis auf etwa 0,5 rad). Bei
Grenzflächen aus Materialien mit komplexem Brechungsindex (z.B. bei Metallen) zeigt sich der Phasenverlauf in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung und dem Einfallswinkel. Im Wellenlängenbereich oberhalb der zentralen
Wellenlänge variiert die Phasenverschiebung nur gering, während im unteren Wellenlängenbereich eine etwas stärkere Wellenlängenabhängigkeit der
Phasenverschiebung besteht.
Figur 3 zeigt die Diagramme aus Figur 2 für das Material Aluminium. Während im unteren Wellenlängenbereich die Reflektivität gering wellenlängenabhängig ist, so fällt sie für höhere Wellenlängen geringfügig ab. Es sei darauf hingewiesen, dass die Reflektivität im betrachteten Wellenlängenbereich nur zwischen 90,5 und ca. 92,5 Prozent variiert, während für Silber (siehe Figur 2) eine größere
Variationsbreite vorliegt. Der Verlauf der Phasenverschiebung zeigt für Aluminium im betrachteten Wellenlängenbereich einen nur sehr geringfügig variierenden Verlauf bei einem nahezu konstanten Wert von etwa 0,3 bis 0,4 rad. Figur 4 zeigt im oberen Diagramm eine zu höheren Wellenlängen hin stark abnehmende Reflektivität für Silizium. Sie nimmt von 70 % bei 400 nm auf ca. 58 % bei 700 nm ab. Hingegen zeigt die Phasenverschiebung einen nahezu konstanten Verlauf über den gesamten betrachteten Wellenlängenbereich mit einem Wert von knapp über 3 rad.
Figur 5 zeigt analoge Diagramme für Aluminium mit einer einfachen dielektrischen Schutzschicht. Hierbei handelt es sich um einen typischen Spiegel für Laser- und Optikanwendungen. Eine dielektrische Schutzschicht ist in der Praxis immer notwendig, da Aluminium in Reinform oxidieren würde. Somit können die in Figur 3 gezeigten Kurven für Aluminium in der Praxis nicht erreicht werden. Aufgrund der relativ geringen und nahezu konstanten Phasenverschiebung über den gesamten betrachteten Wellenlängenbereich wäre Aluminium besser geeignet als die in Figur 5 dargestellte Schutzschicht. Die Reflektivität von dieser Schutzschicht nimmt zur zentralen Wellenlänge hin von ca. 86,5 % auf knapp unter 89 % zu und fällt zu höheren Wellenlängen geringfügig ab. Die Phasenverschiebung nimmt relativ kontinuierlich von etwa 3 rad auf etwa 1 rad über den betrachteten
Wellenlängenbereich hin ab. Somit ist sowohl die Wellenlängenabhängigkeit als auch die Höhe der Phasenverschiebung für diese Schutzschicht stärker ausgeprägt als für Aluminium.
Die Figuren 2 bis 5 zeigen somit die Höhe und die Wellenlängenabhängigkeit der Phasenverschiebung bei Einsatz verschiedener Materialien beispielsweise als zu untersuchende Proben oder als verspiegelter Teil eines Spiegelelements im Mirau- Objektiv. Es zeigt sich, dass die im bisherigen Stand der Technik stillschweigend getroffene Annahme, wonach die Phasenverschiebung einen konstanten
wellenlängenunabhängigen Wert annimmt, für einige Materialien falsch ist.
Figur 6 zeigt eine typische Multilayer-50:50-Teilerschicht, wie sie häufig als Teiler- element auch in Mirau-Objektiven zum Einsatz kommt. Die Reflektivität sowie die Transmissivität liegen beide über den gesamten dargestellten
Wellenlängenbereich in einem schmalen Bereich um die 50 Prozent herum. Solche Teilerschichten sind also auf ein optimales Verhältnis der transmittierten zur reflektierten Intensität optimiert. Das Intensitätsverhältnis variiert über den betrachten Wellenlängenbereich nur um wenige Prozentpunkte. Hingegen variieren dieeinzelnen Phasenverschiebungen für die Reflektivität (durchgezogene Linie) und die Transmissivität (gestrichelte Linie) deutlich über den gesamten dargestellten Wellenlängenbereich und entsprechend auch die
Phasenverschiebung zwischen reflektiertem und transmittiertem Anteil, also die Phasendifferenz, die im untersten Diagramm der Figur 7 dargestellt ist. Vor allem im Bereich niedrigerer und höherer Wellenlängen betragen die absoluten Unterschiede in den jeweiligen Phasenverschiebungen einige rad, teils bis zu 4 rad. Hierbei ist zu beachten, dass die Teilerschicht mit dem Faktor 2 eingeht, da an dieser Schicht zweimal reflektiert (Referenzstrahlengang) bzw. zweimal transmittiert (Probenstrahlengang) wird. Figur 6 zeigt somit, dass bei Verwendung einer konventionellen dielektrischen Teilerschicht sich eine stark wellenlängenabhängige Phasenverschiebung zwischen Proben- und Referenzstrahlengang allein aufgrund des Teilerelements im Mirau-Objektiv einstellt. Hinzukommen kann eine wellenlängenabhängige Phasenverschiebung bei Reflexion des Referenzstrahlengangs am verspiegelten Teil des Spiegelelements sowie eine weitere wellenlängenabhängige
Phasenverschiebung des Probenstrahlengangs bei Reflexion an der zu
untersuchenden Probe.
Figur 7 zeigt die Reflektivität, die jeweiligen Phasenverschiebungen und die Phasendifferenz eines Phasenverschiebungskompensationselements, das durch eine erfindungsgemäß optimierte Teilerschicht erzielt wurde. Reflexion
(durchgezogene Linie) und Transmission (gestrichelte Linie) liegen bis etwa 550nm in einem engen Bereich um 50%, zu höheren Wellenlängen hin besteht ein wachsender Unterschied zwischen Reflexion und Transmission. Aus den beiden unteren Diagrammen der jeweiligen Phasenverschiebungen bzw. der
Phasendifferenz ist jedoch sichtbar, dass sowohl für den reflektierten als auch für den transmittierten Anteil die Höhe und die Schwankung über den betrachteten Wellenlängenbereich deutlich geringer ist als im entsprechenden Diagramm der Figur 6. Insbesondere ist die Differenz der beiden dargestellten
Phasenverschiebungen in dem im vorliegenden Anwendungsfall betrachteten Wellenlängenbereich zwischen 450 nm und 650 nm, insbesondere im Bereich zwischen 500 nm und 630 nm, weiter insbesondere im Bereich zwischen 530 nm und 630 nm kleiner als ca. 2 rad und beträgt im überwiegenden
Wellenlängenbereich absolut annähernd konstant ca. 1,5 rad, ist also deutlich geringer und über die Wellenlänge weniger variierend als für eine konventionelle Teilerschicht. Ein entsprechendes Teilerelement mit aufgedampftem
Phasenverschiebungskompensationselement ist somit bestens geeignet, die wellenlängenabhängige Phasenverschiebung zwischen Referenzstrahlengang und dem sich mit diesem überlagernden Probenstrahlengang zu kompensieren. Das dargestellte Teilerelement ist somit für die Anwendung bei neutralen Proben ausgelegt.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die konventionellen Teilerschichten von Teilerelementen einen deutlichen Farbverlauf bei der Untersuchung von Silizium und Glas als Proben zeigen. Mit der neuen Schicht gemäß Figur 7 ist der Farbverlauf symmetrisch um das schwarze Kontrastminimum herum.
Für nicht neutrale Proben, also Proben mit wellenlängenabhängiger
Phasenverschiebung des Probenstrahlengangs kann die
Phasenverschiebungskompensationsschicht auf dem Teilerelement weiter optimiert werden. Häufig ist es ausreichend, zwischen dielektrischen und metallischen Proben zu unterscheiden und entsprechende Mirau-Aufsätze (Mirau- Kappen) mit optimierten Teilerschichten vorzusehen.
Figur 8 zeigt ein Beispiel für den Schichtaufbau einer optimierten Teilerschicht des Phasenverschiebungskompensationselements. Die Teilerschicht besteht aus sechs aufgedampften Schichten. Die sechs aufgedampften Schichten bestehen
abwechselnd aus Si02 und aus Ta205. In der Tabelle aufgeführt sind die jeweiligen Brechungsindices sowie die Schichtdicken in Nanometer [nm]. Die erste Schicht liegt auf dem Substrat, während die letzte sechste Schicht an Luft grenzt.
Figur 9 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau eines
Interferenzmikroskops mit einem erfindungsgemäßen Interferenzobjektiv nach Mirau. Das Interferenzobjektiv 1 ist hier als ein einheitliches Objektiv dargestellt, das Linsenbaugruppen 11 des eigentlichen Mikroskopobjektivs aufweist sowie das Teiler-element 4 und das Spiegelelement 3. Auf der optischen Achse des
Interferenzobjektivs 1 befindet sich auf dem Spiegelelement 3 der verspiegelte Teil 3a. Auf dem Teilerelement 4 befindet sich die als
Phasenverschiebungskompensationselement erfindungsgemäß optimierte Teilerschicht. Dieses Interferenzobjektiv 1 ist Bestandteil eines
Interferenzmikroskops 20, das als wesentliche Elemente eine Beleuchtungseinheit 12, einen Strahlteiler 13 und eine Tubuslinse 14 aufweist. Die Objektebene ist mit 16, die Bildebene mit 15 bezeichnet. Von der Beleuchtungseinheit 12 ausgehendes breitbandiges (Weiß-) Licht gelangt über den Strahlteiler 13 in das
Interferenzobjektiv 1, von welchem es auf die Objektebene 16 fokussiert wird. Dort wird eine in der Objektebene 16 liegende Probe interferenzmikroskopisch untersucht. Die als Phasenverschiebungskompensationselement wirkende Teilerschicht bewirkt erfindungsgemäß über einen Großteil des im konkreten Anwendungsfall betrachteten Wellenlängenbereichs eine konstante
wellenlängenunabhängige Phasendifferenz zwischen Probenstrahlengang und Referenzstrahlengang. Bei Interferenz dieser Strahlengänge resultiert hieraus ein hoher Kontrast und damit eine verbesserte Auswertemöglichkeit des
Interferenzbildes. Die interferierten Proben- und Referenzstrahlen gelangen über den Strahlteiler 13 in die Tubuslinse 14, von der sie in die Bildebene fokussiert werden. Das
Interferenzbild ist folglich in der Bildebene 15 zu betrachten bzw. mit einer Kamera aufzuzeichnen. Bei den schematisch dargestellten Linsenbaugruppen 11 sowie der schematisch dargestellten Tubuslinse 14 kann es sich um mehrere Einzellinsen bzw. mehrere Linsengruppen handeln.
Bezugszeichenliste
1 Interferenzobj ektiv
2 Objektivlinse
3 Spiegelelement
3a verspiegelter Teil
4 Teilerelement
5 Objekt, Probe
6 Referenzstrahlengang
7 Probenstrahlengang
11 Linsenbaugruppen
12 Beleuchtungsbaugruppen
13 Strahlteiler
14 Tubuslinie
15 Bildebene
16 Objektebene
20 Interferenzmikroskop

Claims

Patentansprüche
1. Interferenzobjektiv (1) nach Mirau mit
einer Objektivlinse (2),
einem zwischen Objektivlinse (2) und einem zu untersuchenden Objekt (5) angeordneten Teilerelement (4), welches einen auftreffenden Lichtstrahl in einen Probenstrahlengang (7) und einen
Referenzstrahlengang (6) aufteilt, wobei die Objektivlinse (2) den
Probenstrahlengang (7) auf das zu untersuchende Objekt (5) fokussiert, und mit
einem zwischen Teilerelement (4) und Objektivlinse (2) angeordneten Spiegelelement (3) zur Reflexion des Referenzstrahlengangs (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzobjektiv (1) ein
Phasenverschiebungskompensationselement aufweist, das eine
wellenlängenabhängige Phasenverschiebung zwischen
Referenzstrahlengang (6) und dem sich mit diesem überlagernden
Probenstrahlengang (7) kompensiert.
2. Interferenzobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungskompensationselement als Dünnschichtsystem ausgebildet ist, das eine wellenlängenabhängige Phasenverschiebung, die durch das Teilerelement (4) und/oder das Spiegelelement (3) und/oder das zu untersuchende Objekt (5) hervorgerufen wird, kompensiert.
3. Interferenzobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der wellenlängenabhängigen Phasenverschiebung das Phasenverschiebungskompensationselement die Phasen des
Referenzstrahlengangs (6) und/oder des Probenstrahlengangs (7) derart verschiebt, dass die resultierende Phasenverschiebung über einen definierten Wellenlängenbereich wellenlängenunabhängig einen
konstanten Wert annimmt.
4. Interferenzobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Wert 0 oder π beträgt.
5. Interferenzobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungskompensationselement auf dem Teilerelement (4) aufgebracht ist, dessen Bestandteil ist oder dieses bildet.
6. Interferenzobjektiv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungskompensationselement auf dem Spiegelelement (3) aufgebracht ist, dessen Bestandteil ist oder dieses bildet.
7. Interferenzobjektiv nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungskompensationselement aus demselben Material wie das zu untersuchende Objekt (5) gebildet ist.
8. Interferenzobjektiv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelelement (7) als Teil der Objektivlinse (2) ausgebildet ist.
9. Interferenzobjektiv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektivlinse (2) ein Mikroskopobjektiv darstellt und das Teilerelement (4), das Spiegelelement (3) und das
Phasenverschiebungskompensationselement Bestandteile eines Aufsatzes sind, der mittels eines Befestigungselements derart ausgestaltet ist, dass er an dem Mikroskopobjektiv angebracht werden kann.
10. Aufsatz für ein Mikroskopobjektiv zum Aufbau eines Interferenzobjektivs (1) nach Anspruch 9.
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