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WO2004068071A1 - Vorrichtung zur bestimmung des höhenprofils eines objekts - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung des höhenprofils eines objekts Download PDF

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Publication number
WO2004068071A1
WO2004068071A1 PCT/EP2004/000696 EP2004000696W WO2004068071A1 WO 2004068071 A1 WO2004068071 A1 WO 2004068071A1 EP 2004000696 W EP2004000696 W EP 2004000696W WO 2004068071 A1 WO2004068071 A1 WO 2004068071A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
partial beam
light
examined
partial
reflected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2004/000696
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Maxim Darsht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hentze Lissotschenko Patentverwaltungs GmbH and Co KG
Original Assignee
Hentze Lissotschenko Patentverwaltungs GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hentze Lissotschenko Patentverwaltungs GmbH and Co KG filed Critical Hentze Lissotschenko Patentverwaltungs GmbH and Co KG
Publication of WO2004068071A1 publication Critical patent/WO2004068071A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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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
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/306—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces for measuring evenness
    • 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
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2441—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry

Definitions

  • the present invention relates to a device for determining the height profile of an object, comprising at least one
  • Light source for generating light wherein at least one partial beam of light impinges on a surface of the object to be examined and can be at least partially reflected by this, as well as detection means which both the at least one partial beam reflected by the surface to be examined and at least one further one , can serve as a reference beam serving as the partial beam of light, information about the height profile of the surface of the object to be examined can be obtained from the interference between the reflected partial beam and the reference beam.
  • Devices of the type mentioned are already known. They can be used to determine the height profiles of relatively weakly profiled objects with sufficient accuracy. However, the use of such devices becomes problematic in the case of relatively strongly profiled objects, such as, for example, cylindrical lenses.
  • the height resolution of the previously known optical devices is often not sufficient to be able to reliably determine the optical quality of micro-optics, in particular the deviation of a real lens profile from a theoretically expected lens profile.
  • the at least one partial beam is always irradiated onto the object to be examined almost parallel to the surface normal.
  • such an irradiation direction means that the reflection of the partial beam takes place relatively undefined, particularly when the surface of the object is strongly profiled, as a result of which the determination of the Height profile of the object is not possible in the entire area to be examined.
  • the object of the present invention is to provide a device of the type mentioned at the outset, which also enables the examination of relatively strongly profiled objects.
  • At least one partial beam striking the surface of the object to be examined strikes the surface at an angle of approximately 5 ° to 90 ° to the normal.
  • the solution according to the invention has the advantage that when the incidence of the at least one partial beam runs obliquely to the surface normal, the quality of the height information (in particular the height resolution) that results from the interference between the reflected partial beam and the reference beam is improved.
  • the at least one partial beam strikes the surface at an angle of 20 ° to 89 °, preferably from 50 ° to 87 °, in particular from 70 ° to 85 ° to the normal. It has been shown that such an incidence of the at least one partial beam further improves the height resolution.
  • An embodiment is particularly advantageous in which the device for determining the height profile of an object is designed such that at least one interference pattern can be generated by the incident light on the surface of the object. Which are at least one interference pattern Information about the profiling of the surface of the object can be derived.
  • the device has a laser device for generating the coherent light.
  • the partial beam serving as a reference beam and the at least one partial beam interacting with the surface to be examined can be generated relatively easily.
  • the device has beam guiding means which can feed the at least one partial beam reflected from the surface of the object to be examined and / or the reference beam to the detection means.
  • beam guidance means can be one or more
  • Act lens means and / or reflection means Act lens means and / or reflection means.
  • the device has beam splitter means for generating at least a first and a second partial beam, which can split the light into at least one reference beam and at least one beam interacting with the surface of the object.
  • a further development of the present invention provides that the first partial beam and the second partial beam strike the object from two different, in particular substantially opposite, illumination directions, so that the at least one interference pattern is generated on the surface of the object.
  • the interference pattern that forms on the surface of the object in this case is a stripe pattern with the period
  • the second partial beam preferably serves as a reference beam, so that an interference pattern is generated on the detection means by the first and the second partial beam.
  • the first and the second partial beam thus simultaneously serve to generate interference patterns on the object and on the detection means, so that no additional partial beams that are not reflected by the object are required.
  • a particularly preferred embodiment provides that the beam guiding means and / or beam splitting means form an interferometric arrangement with at least one arm. It has been shown that such an interferometric arrangement can improve the quality of the height information of the surface of the object.
  • one of the arms of the interferometric arrangement has a device for transforming the wavefront of the light, in particular a device for rotating 180 ° or for reflecting the light, the reflection on a plane parallel to the surface of the object to be examined he follows.
  • the wavefront transformation carried out in this arm of the profilometer further improves the resolution of the device for determining the height profile of an object.
  • the device for reflecting the laser light is preferably a Porro prism or a König prism.
  • the detection means comprise at least one CCD array.
  • This CCD array is preferably two-dimensional, so that information about the height profile of different areas of the surface can be recorded.
  • the use of such scanning means permits the spatially resolved determination of the height profile of the surface of the object.
  • the device can have scanning means for moving the detection means with respect to the light impinging on them.
  • scanning means for moving the detection means with respect to the light impinging on them.
  • the device has means for phase delay in one of the arms of the interferometric arrangement.
  • the phase delay means comprise at least one rotatable half-wave plate or at least one mirror that can be displaced, for example, by a piezo element.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a device for determining the
  • Apparatus for determining the height profile of an object 2 is shown, which will also be referred to below briefly as a profilometer.
  • the device is suitable, inter alia, for examining the height profiles of profiled micro-optics, for example lenses, and for determining the deviations of the real lens profile from a theoretically expected lens profile that occur during the manufacturing process.
  • the profilometer is based on an interferometric arrangement of the optical components, which will first be described in an overview.
  • the profilometer has a laser device 1 for generating a coherent monochromatic laser beam 8a.
  • a laser arrangement instead of a laser arrangement 1, another light source, in particular a white light source, can also be used according to the invention.
  • the laser beam 8a in the present embodiment becomes at a relatively large angle (namely larger than 70 ° but smaller) radiated as 90 °) relative to the surface normal. If necessary, additional means for deflecting the laser beam 8a can also be provided, so that the orientation of the laser device 1 with respect to the surface normal of the object 2 can also be selected differently.
  • the interferometric arrangement of the profilometer further comprises three beam splitter elements 4a, 4b, 4c, four lens means 5a, 5b, 5c, 5d, and six reflection means 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f.
  • a two-dimensional CCD array serving as detection means 3 is provided for light detection.
  • the interferometric arrangement can also have a device 7 for rotating the laser light by 180 °, the functioning of which will be discussed in more detail later.
  • the interferometric arrangement of the profilometer has two so-called arms, the optical elements of which are arranged essentially symmetrically to one another.
  • the first arm (the left arm in FIG. 1) is formed by the beam splitter element 4b, the lens means 5a and 5c and the reflection means 6a, 6c and 6e.
  • the second (in FIG. 1 the right) arm is made up of the beam splitter element 4c, the lens means 5b and 5d and the
  • Reflection means 6b, 6d, 6f and possibly the already mentioned device 7 for 180 ° rotation of the laser light are formed.
  • the laser beam 8a emitted by the laser device 1 first strikes a beam splitter element 4a, so that the laser beam 8a is partially transmitted and partially reflected and is therefore broken down into two partial beams 8b and 8c.
  • the partial beam 8c reflected by the beam splitter element 4a in turn interacts with the beam splitter element 4b, so that again a partial beam 8f of the beam 8c is transmitted and a partial beam 8g of the beam 8c is reflected.
  • the reflected partial beam 8g spreads in the direction of the surface of the object 2 to be examined.
  • the partial beam 8f transmitted by the beam splitter element 4b which originated from the partial beam 8e reflected by the surface of the object 2, first passes through the lens means 5a on its further path through the first arm of the interferometric arrangement and then strikes the reflecting means 6a, which is oriented in this way is that the beam is reflected in the direction of the lens means 5c and the reflection means 6c subsequently arranged in the beam path. After passing through the lens means 5c and after the reflection at the reflection means 6c, the beam strikes the reflection means 6e, which is oriented in such a way that the beam reflected there strikes the two-dimensional CCD array and is detected there.
  • a second partial beam serving as a reference beam is made completely analogous to the first partial beam by the second arm of the interferometric arrangement, that by the beam splitter element 4c, the lens means 5b and 5d, the reflection means 6b, 6d and 6f and optionally by the device 7 for 180 ° rotation of the laser light is formed, imaged on the CCD array.
  • the partial beam 8b transmitted by the beam splitter element 4a is partially reflected by the beam splitter element 4c in the direction of the surface of the object 2 (partial beam 8e).
  • the transmitted partial beam 8d resulting from the partial beam 8g reflected on the surface of the object 2 passes through the others optical elements of the second arm of the interferometric arrangement and is finally mapped onto the CCD array.
  • the partial beam 8e reflected by the beam splitter element 4c in turn becomes after the interaction with the surface of the object
  • the coherent partial beams 8e and 8g impinging on the object 2 generate interference patterns on the surface of the object 2, which strongly depend on the profiling of the surface and are consequently suitable for determining the height profile of the object 2. After passing through the first or second arm of the interferometric arrangement, these interference patterns are imaged on the CCD array and interact with one another there.
  • the interference patterns imaged on the CCD array contain height information and thus information about the profiling of the surface of the object 2, which is by means of a not shown here
  • Processing device can be evaluated.
  • an interference pattern of the surface of the object 2 is thus imaged directly on the CCD array or alternatively on another light-sensitive detector. This results in the bends and Distortion of the image Information about the profiling of the object 2.
  • a device 7 for rotating 180 ° or for reflecting the laser light can be provided in one arm of the interferometric arrangement.
  • the device for mirroring can be, for example, a Porro prism or a König prism. With the help of this device for reflecting the laser light, one in the relevant arm of the interferometric arrangement
  • Wavefront transformation carried out which corresponds to a reflection of the laser beam on a plane parallel to the surface of the object to be examined, so that the interference pattern from the surface of the object 2 is mapped onto the CCD array as if it came from an area below the surface of the object 2 would be considered.
  • the angle of the light beams that strike the CCD array can also be changed arbitrarily, as a result of which the
  • the device according to the invention can be used, for example, to measure lens surfaces in order to determine the deviation of the real lens profile from a theoretical curve.
  • deviations from the theoretically calculated lens curve occur due to process inaccuracies.
  • reflected laser light also has the advantage that the problem of so-called speckle noise, which occurs in particular with scattered coherent light, can be avoided.
  • the profilometer according to the invention can also be designed such that the surface of the object 2 is illuminated with coherent laser beams from two mutually opposite directions (partial beams 8e and 8g), the angle between the two illumination directions being almost 180 °.
  • Angle ⁇ is approximately 180 ° and ⁇ denotes the wavelength of the laser light used. If the object 2 is illuminated in this way from two almost opposite directions, the interference pattern of the surface is imaged twice on the CCD array using the arrangement described above.
  • one of the arms of the interferometric arrangement of the profilometer to improve the height resolution has the aforementioned device 7 for rotating the laser light by 180 °, so that one of the two images is mirror-inverted on the CCD array.
  • the interferometric arrangement of the profilometer can have only one arm. For example, apart from the beam splitter element 4c, all optical elements of the second (in FIG. 1, the right) arm of the profilometer
  • the information about the profiling of the object 2 may not result from the Surface reflected reference beam and the interference pattern generated by the partial beam 8e of the surface of the object 2, which each pass through the first (in Fig. 1, the left) arm of the interferometric arrangement of the profilometer and are imaged on the CCD array.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts (2), umfassend mindestens eine Lichtquelle (1) zur Erzeugung von Licht (8a), wobei mindestens ein Teilstrahl (8e, 8g) des Lichts (8a) auf eine zu untersuchende Oberfläche des Objekts (2) auftreffen und von dieser zumindest teilweise reflektiert werden kann, Erfassungsmittel (3), die sowohl den mindestens einen von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Teilstrahl als auch mindestens einen weiteren als Referenzstrahl dienenden Teilstrahl des Lichts (8a) erfassen können, wobei aus der Interferenz zwischen reflektiertem Teilstrahl und Referenzstrahl Informationen über das Höhenprofil der zu untersuchenden Oberfläche des Objekts (2) gewonnen werden können, wobei der mindestens eine Teilstrahl (8e, 8g) auf die zu untersuchende Oberfläche des Objekts (2) unter einem Winkel von etwa 5° bis 90° zur Normalen auf der Oberfläche auftrifft.

Description

"Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts, umfassend mindestens eine
Lichtquelle zur Erzeugung von Licht, wobei mindestens ein Teilstrahl des Lichts auf eine zu untersuchende Oberfläche des Objekts auftreffen und von dieser zumindest teilweise reflektiert werden kann, sowie Erfassungsmittel, die sowohl den mindestens einen von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Teilstrahl, als auch mindestens einen weiteren, als Referenzstrahl dienenden Teilstrahl des Lichts erfassen können, wobei aus der Interferenz zwischen reflektiertem Teilstrahl und Referenzstrahl Informationen über das Höhenprofil der zu untersuchenden Oberfläche des Objekts gewonnen werden können.
Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind bereits bekannt. Mit ihnen lassen sich die Höhenprofile relativ schwach profilierter Objekte mit ausreichender Genauigkeit bestimmen. Problematisch wird der Einsatz derartiger Vorrichtungen allerdings bei verhältnismäßig stark profilierten Objekten, wie beispielsweise Zylinderlinsen. Die Höhenauflösung der bisher bekannt gewordenen optischen Vorrichtungen reicht oft nicht aus, um die optische Güte von Mikrooptiken, insbesondere die Abweichung eines realen Linsenprofils von einem theoretisch erwarteten Linsenprofil, zuverlässig bestimmen zu können. Bei den bisher bekannt gewordenen Vorrichtungen wird der mindestens eine Teilstrahl stets nahezu parallel zur Oberflächennormalen auf das zu untersuchende Objekt eingestrahlt. Eine derartige Einstrahlrichtung führt jedoch dazu, dass die Reflexion des Teilstrahls gerade bei einer starken Profilierung der Oberfläche des Objekts relativ Undefiniert erfolgt, wodurch die Bestimmung des Höhenprofils des Objekts nicht im gesamten zu untersuchenden Bereich möglich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die auch die Untersuchung verhältnismäßig stark profilierter Objekte ermöglicht.
Diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass mindestens ein auf die zu untersuchende Oberfläche des Objekts treffender Teilstrahl unter einem Winkel von etwa 5° bis 90° zur Normalen auf der Oberfläche auftrifft. Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass bei schräg zur Oberflächennormalen verlaufender Inzidenz des mindestens einen Teilstrahls die Qualität der Höheninformationen, (insbesondere die Höhenauflösung), die sich aus der Interferenz zwischen dem reflektierten Teilstrahl und dem Referenzstrahl ergeben, verbessert wird.
I n einer vorteilhaften Ausführungsform trifft der mindestens eine Teilstrahl unter einem Winkel von 20° bis 89°, vorzugsweise von 50° bis 87°, insbesondere von 70° bis 85° zur Normalen auf der Oberfläche auf. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Inzidenz des mindestens einen Teilstrahls d ie Höhenauflösung weiter verbessert.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts derart gestaltet ist, dass mindestens ein Interferenzmuster vom auftreffenden Licht auf der Oberfläche des Objekts erzeugt werden kann. Aus dem mindestens einen Interferenzmuster sind Informationen über die Profilierung der Oberfläche des Objekts ableitbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Laservorrichtung zur Erzeugung des kohärenten Lichts aufweist. Mit Hilfe einer Laservorrichtung können der als Referenzstrahl dienende Teilstrahl sowie der mindestens eine mit der zu untersuchenden Oberfläche wechselwirkende Teilstrahl relativ einfach erzeugt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung Strahlführungsmittel auf, die den mindestens einen von der zu untersuchenden Oberfläche des Objekts reflektierten Teilstrahl und/oder den Referenzstrahl den Erfassungsmitteln zuführen können. Bei diesen Strahlführungsmitteln kann es sich um ein oder mehrere
Linsenmittel und/oder Reflexionsmittel handeln.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorrichtung Strahlteilermittel zur Erzeugung mindestens eines ersten und eines zweiten Teilstrahls aufweist, die das Licht beispielsweise in mindestens einen Referenzstrahl und mindestens einen mit der Oberfläche des Objekts wechselwirkenden Strahl aufteilen können.
Eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl aus zwei voneinander verschiedenen, insbesondere im Wesentlichen gegenüberliegenden, Beleuchtungsrichtungen auf das Objekt treffen, so dass dadurch das mindestens eine Interferenzmuster auf der Oberfläche des Objekts erzeugt wird. Das Interferenzmuster, das sich in diesem Fall auf der Oberfläche des Objekts bildet, ist ein Streifenmuster mit der Periode
T = A * λ/sin (α/2). Dabei beträgt der Winkel α etwa 180° und λ bezeichnet die Wellenlänge des eingesetzten kohärenten Lichts. Vorzugsweise dient hierbei der zweite Teilstrahl als Referenzstrahl, so dass durch den ersten und den zweiten Teilstrahl ein Interferenzmuster auf den Erfassungsmitteln erzeugt wird. Der erste und der zweite Teilstrahl dienen somit gleichzeitig zur Erzeugung von Interferenzmustern auf dem Objekt und auf den Erfassungsmitteln, so dass keine zusätzlichen, nicht von dem Objekt reflektierten Teilstrahlen benötigt werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Strahlführungsmittel und/oder Strahlteilermittel eine interferometrische Anordnung mit mindestens einem Arm bilden. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige interferometrische Anordnung die Qualität der Höheninformationen der Oberfläche des Objekts verbessern kann.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass eine interferometrische Anordnung mit einem zweiten Arm, dessen Strahlführungsmittel und/oder Strahlteilermittel im Wesentlichen symmetrisch zu denjenigen des ersten Arms angeordnet sind, d ie Höhenauflösung weiter verbessert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass einer der Arme der interferometrischen Anordnung eine Einrichtung zur Transformation der Wellenfront des Lichts, insbesondere eine Einrichtung zur 180°-Drehung oder zur Spiegelung des Lichts aufweist, wobei die Spiegelung an einer zur untersuchenden Oberfläche des Objektes parallelen Ebene erfolgt. Durch die in diesem Arm des Profilometers durchgeführte Wellenfrontransformation wird die Auflösung der Vorrichtung zur Ermittlung des Höhenprofils eines Objekts weiter verbessert. Vorzugsweise handelt es sich bei der Einrichtung zur Spiegelung des Laserlichts um ein Porro-Prisma oder ein König-Prisma.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Erfassungsmittel mindestens ein CCD-Array umfassen. Dieses CCD-Array ist vorzugsweise zweidimensional ausgeführt, so dass Informationen über die Höhenprofilierung unterschiedlicher Bereich der Oberfläche erfasst werden können.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Vorrichtung
Scannmittel zur Bewegung des Objekts relativ zu dem mindestens einen auf die Oberfläche des Objekts auftreffenden Teilstrahl aufweist. Die Verwendung derartiger Scannmittel erlaubt die ortsaufgelöste Bestimmung der Höhenprofilierung der Oberfläche des Objekts.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Vorrichtung Scannmittel zur Bewegung der Erfassungsmittel gegenüber dem auf sie auftreffenden Licht aufweisen. Dadurch können auch bei sehr hoch aufgelösten Messungen CCD-Chips mit einer im Vergleich zu der Menge der zu erwartenden Messdaten geringeren Verarbeitungskapazität verwendet werden.
Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass die Vorrichtung Mittel zur Phasenverzögerung in einem der Arme der interferometrischen Anordnung aufweist. Das kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Mittel zur Phasenverzögerung mindestens ein verdrehbares Halbwellenlängenplättchen oder mindestens einen beispielsweise durch ein Piezoelement verschiebbaren Spiegel umfassen. Durch eine derartige, beispielsweise in mehreren aufeinanderfolgenden Messungen schrittweise durchgeführte Phasenverzögerung kann die Auflösung deutlich, beispielsweise um einen Faktor 100 gesteigert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Abbildung. Darin zeigt
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Ermittlung des
Höhenprofils eines Objekts gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
I n Fig. 1 ist eine schematisierte Ansicht der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Ermittlung des Höhenprofils eines Objekts 2 gezeigt, die im folgenden auch kurz als Profilometer bezeichnet werden soll.
Mit Hilfe einer derartigen Vorrichtung können Höhenprofile profilierter Objekte experimentell bestimmt werden. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung eignet sich unter anderem dazu, die Höhenprofile profilierter Mikrooptiken, beispielsweise Linsen zu untersuchen und die durch den Herstellungsprozess auftretenden Abweichungen des realen Linsenprofils von einem theoretisch erwarteteten Linsenprofil zu ermitteln.
Dem Profilometer liegt eine interferometrische Anordnung der optischen Komponenten zugrunde, die zunächst überblicksartig beschrieben werden soll.
Das Profilometer weist eine Laservorrichtung 1 zur Erzeugung eines kohärenten monochromatischen Laserstrahls 8a auf. Anstelle einer Laseranordnung 1 kann erfindungsgemäß auch eine andere Lichtquelle, insbesondere eine Weißlichtquelle verwendet werden. Bezogen auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts 2 wird der Laserstrahl 8a in der vorliegenden Ausführungsform in einem verhältnismäßig großen Winkel (nämlich größer als 70° aber kleiner als 90°) relativ zur Oberflächennormalen abgestrahlt. Gegebenenfalls können auch zusätzliche Mittel zur Ablenkung des Laserstrahls 8a vorgesehen sein, so dass die Ausrichtung der Laservorrichtung 1 bezüglich der Oberflächennormalen des Objekts 2 auch anders gewählt sein kann.
Die interferometrische Anordnung des Profilometers umfasst in dieser Ausführungsform ferner drei Strahlteilerelemente 4a, 4b, 4c, vier Linsenmittel 5a, 5b, 5c, 5d, sowie sechs Reflexionsmittel 6a, 6b, 6c, 6d , 6e, 6f. Zur Lichtdetektion ist in diesem Ausführungsbeispiel ein zweid imensionales als Erfassungsmittel 3 dienendes CCD-Array vorgesehen.
Gegebenenfalls kann die interferometrische Anordnung darüber hinaus eine Einrichtung 7 zur 180°-Drehung des Laserlichts aufweisen, auf deren Funktionsweise später noch näher eingegangen werden soll.
Aus Fig. 1 wird deutlich, dass die interferometrische Anordnung des Profilometers zwei sogenannte Arme besitzt, deren optische Elemente im Wesentlichen symmetrisch zueinander angeordnet sind. Dabei wird der erste (in Fig. 1 der linke) Arm vom Strahlteilerelement 4b, den Linsenmitteln 5a und 5c sowie den Reflexionsmitteln 6a, 6c und 6e gebildet. Entsprechend wird der zweite (in Fig. 1 der rechte) Arm aus dem Strahlteilerelement 4c, den Linsenmitteln 5b und 5d sowie den
Reflexionsmitteln 6b, 6d , 6f und gegebenenfalls der bereits erwähnten Einrichtung 7 zur 180°-Drehung des Laserlichts gebildet.
Der von der Laservorrichtung 1 emittierte Laserstrahl 8a trifft zunächst auf ein Strahlteilerelement 4a, so dass der Laserstrahl 8a teilweise transmittiert und teilweise reflektiert und somit in zwei Teilstrahlen 8b und 8c zerlegt wird. Der vom Strahlteilerelement 4a reflektierte Teilstrahl 8c tritt seinerseits mit dem Strahlteilerelement 4b in Wechselwirkung, so dass wiederum ein Teilstrahl 8f des Strahls 8c transmittiert und ein Teilstrahl 8g des Strahls 8c reflektiert wird . Dabei breitet sich der reflektierte Teilstrahl 8g in Richtung auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts 2 aus. Der vom Strahlteilerelement 4b transmittierte Teilstrahl 8f, der aus dem von der Oberfläche des Objekts 2 reflektierten Teilstrahl 8e hervorgegangen ist, durchläuft auf seinem weiteren Weg durch den ersten Arm der interferometrischen Anordnung zunächst das Linsenmittel 5a und trifft anschließend auf das Reflexionsmittel 6a, das so orientiert ist, dass der Strahl in Richtung des Linsenmittels 5c und des nachfolgend im Strahlengang angeordneten Reflexionsmittels 6c reflektiert wird. Nach dem Durchtritt durch das Linsenmittel 5c und nach der Reflexion am Reflexionsmittel 6c trifft der Strahl auf das Reflexionsmittel 6e, das so orientiert ist, dass der dort reflektierte Strahl auf das zweidimensionale CCD-Array trifft und dort detektiert wird.
Auf diese Weise wird ein erster Teilstrahl auf das CCD-Array abgebildet, der mit dem Objekt 2 in Wechselwirkung getreten ist.
Ein zweiter als Referenzstrahl dienender Teilstrahl wird ganz analog zum ersten Teilstrahl durch den zweiten Arm der interferometrischen Anordnung, der durch das Strahlteilerelement 4c, die Linsenmittel 5b und 5d, die Reflexionsmittel 6b, 6d und 6f sowie gegebenenfalls durch die Einrichtung 7 zur 180°-Drehung des Laserlichts gebildet wird, auf das CCD-Array abgebildet. Dabei wird der vom Strahlteilerelement 4a transmittierte Teilstrahl 8b vom Strahlteilerelement 4c teilweise in Richtung der Oberfläche des Objekts 2 reflektiert (Teilstrahl 8e). Der aus dem an der Oberfläche des Objekts 2 reflektierten Teilstrahl 8g hervorgegangene transmittierte Teilstrahl 8d durchläuft die übrigen optischen Elemente des zweiten Arms der interferometrischen Anordnung und wird schließlich auf das CCD-Array abgebildet.
Der vom Strahlteilerelement 4c reflektierte Teilstrahl 8e wird seinerseits nach der Wechselwirkung mit der Oberfläche des Objekts
2 reflektiert und durchläuft als erster Teilstrahl den ersten Arm der interferometrischen Anordnung bis zum CCD-Array in der oben beschriebenen Weise.
Gleiches gilt für den vom Strahlteilerelement 4b in Richtung der
Oberfläche reflektierten Lichtstrahl 8g, der nach der Reflexion an der Oberfläche des Objekts 2 als zweiter Teilstrahl den zweiten Arm der interferometrischen Anordnung bis zum CCD-Array durchläuft.
Die auf das Objekt 2 treffenden kohärenten Teilstrahlen 8e und 8g erzeugen Interferenzmuster auf der Oberfläche des Objekts 2, die stark von der Profilierung der Oberfläche abhängen und folglich zur Ermittlung des Höhenprofils des Objekts 2 geeignet sind. Diese Interferenzmuster werden nach dem Durchgang durch den ersten bzw. zweiten Arm der interferometrischen Anordnung auf das CCD-Array abgebildet und treten dort miteinander in Wechselwirkung.
Die auf das CCD-Array abgebildeten Interferenzmuster enthalten Höheninformationen und damit Informationen über die Profilierung der Oberfläche des Objektes 2, die mittels einer hier nicht dargestellten
Verarbeitungseinrichtung ausgewertet werden können.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also ein Interferenzmuster der Oberfläche des Objekts 2 direkt auf das CCD- Array oder alternativ auf einen anderen lichtempfindlichen Detektor abgebildet. Daraus ergeben sich über die Verbiegungen und Verzerrungen des Bildes Informationen über die Profilierung des Objekts 2.
Um insbesondere die Höhenauflösung des Profilometers zu verbessern, kann in einem Arm der interferometrischen Anordnung eine Einrichtung 7 zur 180°-Drehung oder auch zur Spiegelung des Laserlichts vorgesehen sein. Bei der Einrichtung zur Spiegelung kann es sich beispielsweise um ein Porro-Prisma oder ein König-Prisma handeln. Mit Hilfe dieser Einrichtung zur Spiegelung des Laserlichts wird in dem betreffenden Arm der interferometrischen Anordnung eine
Wellenfronttransformation durchgeführt, die einer Spiegelung des Laserstrahls an einer zur untersuchenden Oberfläche des Objekts parallelen Ebene entspricht, so dass das Interferenzmuster von der Oberfläche des Objekts 2 so auf das CCD-Array abgebildet wird, als ob es aus einem Bereich unterhalb der Oberfläche des Objekts 2 betrachtet werden würde. Ähnlich gilt für die Einrichtung 7 zur 180°- Drehung des Lichts.
Alternativ oder zusätzlich kann auch der Winkel der Lichtstrahlen, die auf das CCD-Array treffen, willkürlich verändert werden, wodurch die
Auflösung und darüber hinaus auch das Sichtfeld besser angepasst werden können.
Wie oben bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise zur Vermessung von Linsenoberflächen eingesetzt werden, um die Abweichung des realen Linsenprofils von einer theoretischen Kurve zu bestimmen. Bei der Herstellung von Linsen treten aufgrund von Prozessungenauigkeiten Abweichungen von der theoretisch berechneten Linsenkurve auf. In der Praxis ist es für die Beurteilung der Linsengüte sehr wichtig, Profilabweichungen in der
Größenordnung von 10 nm experimentell nachweisen zu können. Diese Höhenauflösung kann mit der hier vorgestellten Vorrichtung erreicht werden.
Die Verwendung von reflektiertem Laserlicht hat darüber hinaus den Vorteil, dass das Problem des sogenannten Speckle-Rauschens, das insbesondere bei gestreutem kohärenten Licht auftritt, umgangen werden kann.
Das erfindungsgemäße Profilometer kann auch so ausgeführt sein, dass die Oberfläche des Objekts 2 mit kohärenten Laserstrahlen aus zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen (Teilstrahlen 8e und 8g) beleuchtet wird , wobei der Winkel zwischen den beiden Beleuchtungsrichtungen beinahe 180° beträgt. Das Interferenzmuster, das sich auf der Oberfläche des Objekts 2 bildet, ist in diesem Fall ein Streifenmuster mit der Periode 1 = Yz * λ/sin (α/2), wobei der
Winkel α etwa 180° beträgt und λ die Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts bezeichnet. Wird das Objekts 2 in dieser Weise aus zwei beinahe zueinander entgegengesetzten Richtungen beleuchtet, wird mittels der oben beschriebenen Anordnung das Interferenzmuster der Oberfläche zweimal auf das CCD-Array abgebildet. Vorzugsweise weist dabei einer der Arme der interferometrischen Anordnung des Profilometers zur Verbesserung der Höhenauflösung die bereits erwähnte Einrichtung 7 zur 180°-Drehung des Laserlichts auf, damit eine der beiden Abbildungen spiegelverkehrt auf das CCD-Array erfolgt.
Die interferometrische Anordnung des Profilometers kann in einer alternativen Ausführungsform lediglich einen Arm aufweisen. Werden beispielsweise, abgesehen vom Strahlteilerelement 4c, sämtliche optischen Elemente des zweiten (in Fig. 1 des rechten) Arms des
Profilometers weggelassen, ergeben sich die Informationen über die Profilierung des Objekts 2 aus einem unter Umständen nicht von der Oberfläche reflektierten Referenzstrahl und dem vom Teilstrahl 8e erzeugten Interferenzmusters der Oberfläche des Objekts 2, die jeweils den ersten (in Fig. 1 den linken) Arm der interferometrischen Anordnung des Profilometers durchlaufen und auf das CCD-Array abgebildet werden.

Claims

Patentansprüche:
1 . Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts (2), umfassend :
- mindestens eine Lichtquelle (1 ) zur Erzeugung von Licht
(8a), wobei mindestens ein Teilstrahl (8e, 8g) des Lichts (8a) auf eine zu untersuchende Oberfläche des Objekts (2) auftreffen und von dieser zumindest teilweise reflektiert werden kann,
- Erfassungsmittel (3), die sowohl den mindestens einen von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Teilstrahl als auch mindestens einen weiteren, als Referenzstrahl dienenden Teilstrahl des Lichts (8a) erfassen können, wobei aus der Interferenz zwischen reflektiertem Teilstrahl und Referenzstrahl Informationen über das Höhenprofil der zu untersuchenden Oberfläche des Objekts (2) gewonnen werden können,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine Teilstrahl (8e, 8g) auf die zu untersuchende Oberfläche des Objekts (2) unter einem
Winkel von etwa 5° bis 90° zur Normalen auf der Oberfläche auftrifft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Teilstrahl (8e, 8g) auf die zu untersuchende Oberfläche des Objekts (2) unter einem Winkel von 20° bis 89°, vorzugsweise von 50° bis 87°, insbesondere von 70° bis 85° zur Normalen auf der Oberfläche auftrifft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass mindestens ein Interferenzmuster vom auftreffenden Licht auf der Oberfläche des Objekts (2) erzeugt werden kann.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Laservorrichtung (1 ) zur Erzeugung kohärenten Lichts (8a) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Strahlführungsmittel aufweist, die den mindestens einen von der zu untersuchenden
Oberfläche des Objekts (2) reflektierten Teilstrahl und/oder den Referenzstrahl den Erfassungsmitteln (3) zuführen können.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Strahlteilermittel zur Erzeugung mindestens eines ersten und eines zweiten
Teilstrahls (8e, 8g) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrahl (8e) und der zweite Teilstrahl (8g) aus zwei voneinander verschiedenen, insbesondere im Wesentlichen gegenüberliegenden, Beleuchtungsrichtungen auf das Objekt (2) treffen, so dass dadurch das mindestens eine Interferenzmuster auf der Oberfläche des Objekts (2) erzeugt wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilstrahl (8g) als Referenzstrahl dient, so dass durch den ersten und den zweiten
Teilstrahl (8e, 8g) ein Interferenzmuster auf den Erfassungsmitteln (3) erzeugt wird .
9. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungsmittel und/oder Strahlteilermittel eine interferometrische Anordnung mit mindestens einem Arm bilden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Anordnung einen zweiten Arm aufweist, dessen Strahlführungsmittel und/oder Strahlteilermittel im Wesentlichen symmetrisch zu denjenigen des ersten Arms angeordnet sind.
1 1 . Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Arme der interferometrischen Anord nung eine Einrichtung zur Transformation der Wellenfront des Lichts, insbesondere eine Einrichtung (7) zur 180°-Drehung oder zur Spiegelung des Lichts aufweist, wobei die Spiegelung an einer zur untersuchenden Oberfläche des Objekts (2) parallelen Ebene erfolgt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Spiegelung des Lichts ein Porro-Prisma oder ein König-Prisma umfasst.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel (3) mindestens ein
CCD-Array umfassen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Scannmittel zur Bewegung des Objekts (2) relativ zu dem mindestens einen auf die Oberfläche des Objekts (2) auftreffenden Teilstrahl (8e, 8g) aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Sannmittel zur Bewegung der Erfassungsmittel (3) gegenüber dem auf sie auftreffenden Licht aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Phasenverzögerung in einem der Arme der interferometrischen Anordnung aufweist.
1 7. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Phasenverzögerung mindestens ein verd rehbares
Halbwellenlängenplättchen oder mindestens einen beispielsweise durch ein Piezoelement verschiebbaren Spiegel umfassen.
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